JP2002289941A - Magnetoresistive effect element and magnetic storage device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は強磁性体を用いた情
報記録及びその再生技術に係り、特に磁気センサーや高
密度磁気ディスク装置の再生用磁気ヘッド等に用いる磁
気抵抗効果素子磁気素子、及びこれを用いた磁気記憶装
置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an information recording and reproducing technique using a ferromagnetic material, and more particularly to a magnetoresistive effect element magnetic element used for a magnetic sensor or a reproducing magnetic head of a high-density magnetic disk drive, and The present invention relates to a magnetic storage device using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の強磁性体薄膜を用いた磁気抵抗効
果素子には、磁気ヘッドや磁気センサー等に用いられる
ものがある。近年、半導体基板上に磁気抵抗効果素子を
形成した磁気ランダムアクセスメモリ(以下MRAM:M
agnetic Random Access Memoryと呼ぶ)が提案され、高
速動作、大容量、及び不揮発性を兼ね備える次世代の半
導体記憶装置として注目されている。2. Description of the Related Art Some conventional magnetoresistive elements using a ferromagnetic thin film are used for a magnetic head, a magnetic sensor and the like. In recent years, a magnetic random access memory (hereinafter, referred to as MRAM: MRAM) having a magnetoresistive element formed on a semiconductor substrate has been developed.
magnetic random access memory) has been proposed, and is receiving attention as a next-generation semiconductor memory device having both high-speed operation, large capacity, and non-volatility.
【0003】ここで、磁気抵抗効果素子とは、強磁性体
に磁場を印加すると強磁性体の磁化の方向に応じて電気
抵抗が変化する現象であり、この磁化の方向を情報の書
き込みに用い、対応する電気抵抗の大小を情報の読み出
しに用いることにより記憶素子として動作させるもので
ある。Here, the magnetoresistive effect element is a phenomenon in which when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material, the electric resistance changes in accordance with the direction of magnetization of the ferromagnetic material. This direction of magnetization is used for writing information. By using the magnitude of the corresponding electric resistance for reading information, the device is operated as a storage element.
【0004】近年、2層の強磁性層の間に1層の絶縁層
を挿入したサンドイッチ構造の強磁性トンネル接合にお
けるトンネル磁気抵抗効果(以下、TMR効果:Tunneli
ngMagneto-Resistance effectと呼ぶ)が注目されてお
り、磁気抵抗の変化率(以下、MR比:Magneto-Resista
nce ratioと呼ぶ)として20%以上の値が得られるよ
うになった(J. Appl. Phys. 79, p.4724 (1996))。In recent years, the tunnel magnetoresistance effect (hereinafter referred to as the TMR effect) in a sandwich-structured ferromagnetic tunnel junction in which one insulating layer is inserted between two ferromagnetic layers.
ngMagneto-Resistance effect) has attracted attention, and the rate of change of magnetoresistance (hereinafter, MR ratio: Magneto-Resista)
As a result, a value of 20% or more was obtained (J. Appl. Phys. 79 , p. 4724 (1996)).
【0005】これを始めとして、TMR効果を利用した
トンネル接合型磁気素子(以下、TMR素子と呼ぶ)を
MRAMに用いるための研究開発が進展し、例えば、最
近の文献(Appl. Phys. Lett. 77, p.283 (2000))では、
室温におけるTMR効果のMR比は49.7%に達する
ことが報告されている。[0005] In view of this, research and development for using a tunnel junction type magnetic element utilizing the TMR effect (hereinafter, referred to as a TMR element) in an MRAM has been advanced, and for example, recent literature (Appl. Phys. Lett. 77, p. 283 (2000))
It has been reported that the MR ratio of the TMR effect at room temperature reaches 49.7%.
【0006】MRAMに用いるTMR素子では、2層の
強磁性層のうち一方の磁化の方向が外部磁場の影響を受
けて変化しないように固定して、これを基準層(又は磁
化の固着層と呼ぶ)として用い、他方の磁化の方向が外
部磁場の影響を受けて変化しやすくなるように構成し
て、これを記憶層として用いる。In a TMR element used in an MRAM, the direction of magnetization of one of the two ferromagnetic layers is fixed so as not to change under the influence of an external magnetic field, and this is fixed to a reference layer (or a fixed layer of magnetization). ), And the direction of the other magnetization is easily changed under the influence of an external magnetic field, and this is used as a storage layer.
【0007】これらの記憶層と基準層を、トンネルバリ
ア層をなす絶縁層を介して平行に配置し、固定された基
準層の磁化の方向に対して、記憶層の磁化の方向が外部
磁場により平行又は反平行になるようにして、2進情報
の“0”と“1”に対応付け、情報を記憶する。The storage layer and the reference layer are arranged in parallel via an insulating layer forming a tunnel barrier layer, and the direction of magnetization of the storage layer is changed by the external magnetic field with respect to the direction of magnetization of the fixed reference layer. The information is stored in association with “0” and “1” of the binary information so as to be parallel or antiparallel.
【0008】記憶情報の書き込みは、TMR素子の近傍
に設けた書き込み用配線に電流を流し、このとき発生す
る磁場で記憶層の磁化の方向を反転させることにより行
う。また、記憶情報の読み出しは、磁化の反転に伴うT
MR素子の抵抗変化を検出することにより行う。Writing of storage information is performed by passing a current through a write wiring provided near the TMR element and inverting the direction of magnetization of the storage layer with a magnetic field generated at this time. In addition, reading of stored information is performed by T
This is performed by detecting a change in resistance of the MR element.
【0009】従って、基準層には外部磁場による磁化反
転が困難で、TMR素子のMR比を大きくすることがで
きる材料や積層構造を有することが要求されるが、一
方、記憶層には外部磁場による磁化反転が容易で、TM
R素子のMR比を大きくすることができる材料や積層構
造を有することが要求される。Therefore, the reference layer is required to have a material or a laminated structure capable of increasing the MR ratio of the TMR element because magnetization reversal by an external magnetic field is difficult, while the storage layer is required to have an external magnetic field. Magnetization reversal by TM
It is required to have a material or a laminated structure capable of increasing the MR ratio of the R element.
【0010】基準層の磁化の方向を固定するためには、
保磁力の大きな硬磁性材料を用いることが有効である
が、この他、強磁性層に接するように反強磁性層を設け
て磁化の方向を固定するスピンバルブ型構造を用いるこ
とにより、トンネル接合のMR比を大きくする強磁性層
の材料特性を生かしながら、強磁性層の磁化の方向を固
定する方法が広く用いられている。In order to fix the direction of magnetization of the reference layer,
Although it is effective to use a hard magnetic material having a large coercive force, in addition to this, the tunnel junction is provided by providing an antiferromagnetic layer so as to be in contact with the ferromagnetic layer and fixing the direction of magnetization. The method of fixing the magnetization direction of the ferromagnetic layer while taking advantage of the material characteristics of the ferromagnetic layer that increases the MR ratio of the ferromagnetic layer is widely used.
【0011】一方、磁化の方向が変化し易いように構成
された記憶層には、保磁力の小さい軟磁性材料を用いる
方法や、薄層化して保磁力を小さくする方法が考えられ
てきた。On the other hand, a method of using a soft magnetic material having a small coercive force or a method of reducing the coercive force by making the layer thinner has been considered for the storage layer configured to easily change the direction of magnetization.
【0012】しかし、TMR素子をメモリセルとして、
MRAMを高集積化するためには、TMR素子を縮小す
る必要がある。従って、TMR素子に含まれる強磁性層
もまた小さくする必要がある。一般に、強磁性層の幅
(強磁性層の面内において、磁化容易軸に垂直方向の長
さ)が小さくなれば保磁力は増加する。However, when the TMR element is used as a memory cell,
In order to highly integrate the MRAM, it is necessary to reduce the size of the TMR element. Therefore, the ferromagnetic layer included in the TMR element also needs to be reduced. In general, the coercive force increases as the width of the ferromagnetic layer (the length in the plane of the ferromagnetic layer in the direction perpendicular to the axis of easy magnetization) decreases.
【0013】保磁力の大きさは、磁化を反転するために
必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、T
MR素子の縮小はスイッチング磁場の増加を意味する。
このため、情報を書き込む際、書き込み配線により大き
な電流を流す必要を生じ、TMR素子をメモリセルとす
るMRAMの消費電力が増加する。従って、MRAM用
のTMR素子において、記憶層とする強磁性層の保磁力
の低減はMRAMの高集積化を進める上で重要な課題と
なっている。The magnitude of the coercive force is a measure of the magnitude of the switching magnetic field required to reverse the magnetization.
Reduction of the MR element means an increase in the switching magnetic field.
For this reason, when writing information, a large current needs to flow through the write wiring, and the power consumption of the MRAM using the TMR element as a memory cell increases. Therefore, in the TMR element for the MRAM, the reduction of the coercive force of the ferromagnetic layer serving as the storage layer is an important issue in promoting the high integration of the MRAM.
【0014】高集積化MRAMのメモリセル(TMR素
子)に記憶層として含まれる微小な強磁性層において、
保磁力が大きくなる主な理由は、(1)形状異方性が強
くなること、(2)漏れ磁場により生じる反磁場が磁化
の回転を妨げること、(3)エッジドメインの割合が増
加すること、等が挙げられる。In a fine ferromagnetic layer included as a storage layer in a memory cell (TMR element) of a highly integrated MRAM,
The main reasons for the increase in coercive force are (1) that the shape anisotropy is strong, (2) that the demagnetizing field generated by the stray magnetic field prevents the rotation of magnetization, and (3) that the proportion of the edge domain increases. And the like.
【0015】ここでエッジドメインとは、例えば、短軸
の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になれば、反磁
場の影響により、磁性体の中央部分とは異なる磁気的構
造が磁化領域(磁区)の端部に生じるのことをいう(例
えば、J. Appl. Phys. 81, p.5471 (1997)参照)。Here, the edge domain means that, for example, when the width of the short axis is from several microns to submicron, a magnetic structure different from the central part of the magnetic material is caused by a demagnetizing magnetic field. (See, for example, J. Appl. Phys. 81 , p. 5471 (1997)).
【0016】高集積化MRAMのメモリセルにおいて、
記憶層をなす微小な強磁性層の端部に生じるエッジドメ
インの大きさは、セルサイズとほぼ同等になるため、セ
ルサイズの縮小と共に、エッジドメインの占める面積の
割合が大きくなる。このため、磁化反転に伴う磁気的構
造(磁区構造)のパターン変化に大きな影響を及ぼし、
磁化反転過程が複雑化する。このため、保磁力が増加
し、スイッチング磁場が増大する。In a memory cell of a highly integrated MRAM,
Since the size of the edge domain generated at the end of the minute ferromagnetic layer forming the storage layer is substantially equal to the cell size, the ratio of the area occupied by the edge domain increases as the cell size decreases. For this reason, it has a great influence on the pattern change of the magnetic structure (magnetic domain structure) accompanying the magnetization reversal,
The magnetization reversal process is complicated. Therefore, the coercive force increases, and the switching magnetic field increases.
【0017】上記、保磁力増加の課題を解決するため、
一般に、強磁性層の厚さを薄くする方法が用いられる。
この方法は、形状異方性エネルギーを低下させることが
目的であり、強磁性体として機能する限界まで薄くし
て、保磁力の増加を抑制することができる。In order to solve the above-mentioned problem of increasing the coercive force,
Generally, a method of reducing the thickness of the ferromagnetic layer is used.
The purpose of this method is to reduce the shape anisotropy energy, and it is possible to suppress the increase in coercive force by reducing the thickness to the limit of functioning as a ferromagnetic material.
【0018】この他、2層の強磁性層の間に非磁性層を
介在させた多層膜を記憶層として用い、これらの強磁性
層を互いに反強磁性的結合させるものが提案されている
(特願平9-25162、特願平11-263741、米国特許第5,953,
248参照)。In addition, there has been proposed a device in which a multilayer film having a nonmagnetic layer interposed between two ferromagnetic layers is used as a storage layer, and these ferromagnetic layers are antiferromagnetically coupled to each other ( Japanese Patent Application No. 9-25162, Japanese Patent Application No. 11-263741, U.S. Patent No. 5,953,
248).
【0019】この場合、2層の強磁性層は、磁気モーメ
ント又は厚さが互いに異なり、また、反強磁性的結合に
より磁化が逆方向を向いている。このため、磁化が互い
に相殺し、記憶層全体としては実効的に磁化容易軸方向
に小さな磁化を持つ強磁性体として動作するようにな
り、強磁性層の厚さを薄くしたのと等価にすることがで
きる。In this case, the two ferromagnetic layers have different magnetic moments or thicknesses, and their magnetizations are in opposite directions due to antiferromagnetic coupling. For this reason, the magnetizations cancel each other, and the entire storage layer effectively operates as a ferromagnetic material having a small magnetization in the easy axis direction, which is equivalent to a reduction in the thickness of the ferromagnetic layer. be able to.
【0020】記憶層における磁化容易軸方向の小さな磁
化に対して、逆方向に磁場を印加すれば、各強磁性層の
磁化は反強磁性的結合を保ったまま反転する。このと
き、磁力線が閉じているため反磁場の影響が小さくな
り、また、記憶層のスイッチング磁場は各強磁性層の保
磁力により定まるので、小さなスイッチング磁場で磁化
を反転することが可能になる。When a magnetic field is applied in the opposite direction to the small magnetization in the easy axis direction in the storage layer, the magnetization of each ferromagnetic layer is inverted while maintaining the antiferromagnetic coupling. At this time, the influence of the demagnetizing field is reduced because the magnetic field lines are closed, and the switching magnetic field of the storage layer is determined by the coercive force of each ferromagnetic layer, so that the magnetization can be reversed with a small switching magnetic field.
【0021】一方、エッジドメインを固定し、複雑な磁
区構造の変化を防ぐ方法が考えられている(米国特許5,
748,524、特開2000-100153)。エッジドメインを固定す
れば磁化反転における複雑な磁区構造の変化を制御する
ことは可能であるが、この方法では、スイッチング磁場
の値を実質的に低減することはできない。また、エッジ
ドメインを固定するために他の構造を付加する必要があ
り、高密度化には適しない。On the other hand, a method of fixing an edge domain to prevent a change in a complicated magnetic domain structure has been proposed (US Pat.
748,524, JP-A-2000-100153). If the edge domain is fixed, it is possible to control the change of the complex magnetic domain structure in the magnetization reversal, but this method cannot substantially reduce the value of the switching magnetic field. Further, it is necessary to add another structure to fix the edge domain, which is not suitable for high density.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のTMR素子は、メモリセルを構成する微細な記憶層の
スイッチング磁場を低減するため、記憶層の厚さを薄く
する方法や、反強磁性的結合を用いて実効的に厚さを薄
くする方法や、磁区構造を制御する方法等が検討されて
きた。しかし、(1)単に記憶層の厚さを薄くすれば、
材料や成膜条件により記憶層が微粒子状又は島状にな
り、強磁性体として機能しなくなるため、薄くするには
限界があること、(2)磁区構造を制御する方法を用い
れば、セルの形状やセルサイズ、セルのアスペクト比に
より磁区構造が変化するため、保磁力の大きさが変化す
ること、例えば、メモリセルの加工の際、端部の凹凸等
の影響で保磁力が変化すれば、セルごとのスイッチング
磁場の大きさがばらつくこと、(3)反強磁性結合を用
いて等価的に厚さの下限を下げれば、エッジドメインの
影響により保磁力が増加すること、(4)幅0.1μm
以下のセルサイズを想定すれば、さらにスイッチング磁
場を低減する技術が必要になること、等の多くの問題が
存在していた。As described above, in the conventional TMR element, in order to reduce the switching magnetic field of the fine storage layer forming the memory cell, a method of reducing the thickness of the storage layer, a method of reducing the strength of the storage layer, and the like. A method of effectively reducing the thickness using magnetic coupling, a method of controlling the magnetic domain structure, and the like have been studied. However, (1) simply reducing the thickness of the storage layer,
Depending on the material and the film forming conditions, the storage layer becomes fine particles or islands and does not function as a ferromagnetic material. Therefore, there is a limit to thinning the storage layer. Since the magnetic domain structure changes depending on the shape, cell size, and aspect ratio of the cell, the magnitude of the coercive force changes. (3) If the lower limit of the thickness is reduced equivalently by using antiferromagnetic coupling, the coercive force increases due to the influence of the edge domain, and (4) the width. 0.1 μm
Assuming the following cell sizes, there have been many problems such as the necessity of a technique for further reducing the switching magnetic field.
【0023】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、セルサイズを縮小しても小さなスイッチング
磁場で動作し、ばらつきが小さく、かつMR比の低下が
少ないTMR素子を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a TMR element which operates with a small switching magnetic field even if the cell size is reduced, has small variations, and has a small decrease in MR ratio. With the goal.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果素
子は、第1の磁性層と、第1の磁性層に積層された第1
の非磁性層と、第1の非磁性層を介して第1の磁性層と
積層され、かつ第1の磁性層と磁気結合した第2の磁性
層と、第2の磁性層が非磁性層と接する面と反対側の面
において第2の磁性層と積層された第2の非磁性層と、
第2の非磁性層を介して第2の磁性層と積層形成された
第3の磁性層とを備え、第1または第2の磁性層は厚さ
の不均一な連続膜、島状領域、もしくは複数の微粒子を
備えることを特徴とする。A magnetoresistive element according to the present invention comprises a first magnetic layer and a first magnetic layer laminated on the first magnetic layer.
A second magnetic layer laminated with the first magnetic layer via the first nonmagnetic layer and magnetically coupled to the first magnetic layer; and a second magnetic layer formed of the nonmagnetic layer A second nonmagnetic layer laminated with the second magnetic layer on a surface opposite to a surface in contact with the second magnetic layer;
A third magnetic layer laminated with a second magnetic layer via a second nonmagnetic layer, wherein the first or second magnetic layer is a continuous film having an uneven thickness, an island region, Alternatively, a plurality of fine particles are provided.
【0025】好ましくは、前記厚さの不均一な連続膜の
最も薄い個所の膜厚は1ナノメートル以下であり、最も
厚い個所の膜厚は前記最も薄い個所の膜厚より20%以
上厚いことを特徴とする。また、島状領域、もしくは微
粒子の平均厚さは0.3ナノメートル以上3ナノメート
ル以下であることを特徴とする。Preferably, the thickness of the thinnest portion of the continuous film having a non-uniform thickness is 1 nm or less, and the thickness of the thickest portion is at least 20% greater than the thickness of the thinnest portion. It is characterized by. Further, an average thickness of the island-shaped region or the fine particles is 0.3 nm or more and 3 nm or less.
【0026】好ましくは、第1または第2の磁性層は、
超常磁性を示し、また第1及び第2の磁性層と前記第1
の非磁性層が示す飽和磁化に対する残留磁化の割合が、
第1または第2の磁性層が示す飽和磁化に対する残留磁
化の割合よりも大きいことを特徴とする。Preferably, the first or second magnetic layer comprises:
Exhibiting superparamagnetism, and having the first and second magnetic layers
The ratio of the residual magnetization to the saturation magnetization of the nonmagnetic layer of
The ratio of the residual magnetization to the saturation magnetization of the first or second magnetic layer is larger than that of the first or second magnetic layer.
【0027】また、本発明の磁気抵抗効果素子は、第1
の磁性層と、第1の磁性層上に形成された非磁性層と、
非磁性層を介して第1の磁性層と積層され、厚さの不均
一な連続膜を備える第2の磁性層とを備えることを特徴
とする。Further, the magnetoresistance effect element of the present invention has a first
A non-magnetic layer formed on the first magnetic layer;
And a second magnetic layer provided with a continuous film having a non-uniform thickness, the second magnetic layer being stacked with the first magnetic layer via the non-magnetic layer.
【0028】また、本発明の磁気抵抗効果素子におい
て、第2の非磁性層は、導電層(GMR素子)または誘
電体(TMR素子)であることを特徴とする。また第1
及び第2の磁性層は、前記第1の非磁性層を介して強磁
性結合、または反強磁性結合していることを特徴とす
る。Further, in the magnetoresistance effect element according to the present invention, the second nonmagnetic layer is a conductive layer (GMR element) or a dielectric (TMR element). Also the first
And the second magnetic layer is ferromagnetically or antiferromagnetically coupled via the first nonmagnetic layer.
【0029】好ましくは磁性層の材料は、コバルト、
鉄、及びニッケルのいずれか1つを含む強磁性金属の合
金、又は前記強磁性金属の化合物、又は前記強磁性金属
と非金属との固溶体であり、第1の非磁性層の材料は、
Ru、Ir、Cu、Au、Agのいずれか1つを含む金
属、又はその合金であることを特徴とする。Preferably, the material of the magnetic layer is cobalt,
Iron, and an alloy of a ferromagnetic metal containing any one of nickel, or a compound of the ferromagnetic metal, or a solid solution of the ferromagnetic metal and a non-metal, the material of the first non-magnetic layer,
A metal containing any one of Ru, Ir, Cu, Au, and Ag, or an alloy thereof.
【0030】また本発明の磁気抵抗効果素子は、第3の
非磁性層を介して前記第3の磁性層と積層された第4の
磁性層とを備えることを特徴とする。また、第1及び第
2の磁性層は、所定の外部磁場によって磁化の方向が変
化する磁化自由層であって、前記第3の磁性層は前記外
部磁場の下で外部磁場がゼロの状態で磁化方向を略保持
する磁化固着層であることを特徴とする。Further, the magnetoresistive element of the present invention is characterized in that it comprises a fourth magnetic layer laminated on the third magnetic layer via a third nonmagnetic layer. The first and second magnetic layers are magnetization free layers in which the direction of magnetization changes according to a predetermined external magnetic field, and the third magnetic layer has a state in which the external magnetic field is zero under the external magnetic field. The present invention is characterized in that the pinned layer is a pinned layer that substantially holds the magnetization direction.
【0031】また、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気
記憶装置の構成要素として好適に使用することができ
る。The magnetoresistance effect element of the present invention can be suitably used as a component of a magnetic storage device.
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。はじめに、図1を用いて本
発明の第1の実施の形態に係るTMR素子に含まれる磁
性積層膜の磁気特性と、そのシミュレーション結果につ
いて説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, the magnetic characteristics of the magnetic multilayer film included in the TMR element according to the first embodiment of the present invention and the simulation results will be described with reference to FIG.
【0033】図1に示すTMR素子の磁性積層膜は、非
磁性層102を介して微粒子状の(島状成長を含む)磁
性層101及び103が形成されている。非磁性層10
2の上下両面に積層された微粒子等からなる磁性層10
2、103は互いに強磁性結合している。このような磁
性積層膜は、全体として強磁性を示す。In the magnetic laminated film of the TMR element shown in FIG. 1, fine magnetic layers 101 and 103 (including island-shaped growth) are formed via a nonmagnetic layer 102. Non-magnetic layer 10
2 a magnetic layer 10 composed of fine particles and the like laminated on both upper and lower surfaces
2, 103 are ferromagnetically coupled to each other. Such a magnetic laminated film exhibits ferromagnetism as a whole.
【0034】この磁性積層膜に反対方向の磁場を印加
し、磁化を反転させる際の磁気特性の変化について説明
する。一般に、強磁性材料からなる微粒子の磁化は反転
し易い特徴がある。しかし、微粒子の集合体は熱ゆらぎ
等の影響により、弱磁場中で磁化の方向がばらつくた
め、残留磁化がほぼゼロとなって、大きな磁場を与えな
ければ磁化が飽和しない超常磁性的な磁気特性を示す。The change in the magnetic properties when the magnetization is reversed by applying a magnetic field in the opposite direction to the magnetic laminated film will be described. Generally, the magnetization of fine particles made of a ferromagnetic material is easily inverted. However, since the direction of magnetization of the aggregate of fine particles fluctuates in a weak magnetic field due to the effects of thermal fluctuations, etc., the remanent magnetization becomes almost zero, and the superparamagnetic magnetic properties that the magnetization does not saturate unless a large magnetic field is applied Is shown.
【0035】しかし、これらの微粒子の間に弱い強磁性
結合を加えれば、各微粒子は磁化反転し易い特徴を持っ
たまま互いに同じ磁化の方向を向こうとする強磁性結合
力を感じながら磁化反転するため、全体として小さな反
転磁場で磁化反転するようになる。However, if weak ferromagnetic coupling is added between these fine particles, each of the fine particles undergoes magnetization reversal while feeling the ferromagnetic coupling force that tends to be in the same direction of magnetization while having the characteristic of easy magnetization reversal. Therefore, the magnetization is reversed with a small switching magnetic field as a whole.
【0036】このとき、微粒子の大きさが小さいほど、
また微粒子間の結合力が弱いほど、反転磁場の値は小さ
くなる。また、磁気的な結合が強磁性的であるばかりで
なく、一部又は全部が反強磁性的であっても、磁化がほ
ぼ同一方向を向くような力が全体として作用していれ
ば、同様な反転磁場の低減効果を生じる。At this time, as the size of the fine particles is smaller,
Also, the weaker the bonding force between the fine particles, the smaller the value of the reversal magnetic field. Even if the magnetic coupling is not only ferromagnetic but also partially or entirely antiferromagnetic, the same applies if a force that directs the magnetization in almost the same direction acts as a whole. This produces an effect of reducing the switching magnetic field.
【0037】図1に示す微粒子状の強磁性層を含む磁性
積層膜において、反転磁場が低減する理由は以上の通り
である。このような磁性積層膜では、各磁性微粒子がそ
れぞれ分離しているため、セルの形状や大きさの影響を
受け難く、スイッチング磁場のばらつきが小さいメモリ
セルを得ることができる。The reason why the switching magnetic field is reduced in the magnetic laminated film including the fine ferromagnetic layer shown in FIG. 1 is as described above. In such a magnetic laminated film, since the respective magnetic fine particles are separated from each other, it is possible to obtain a memory cell which is hardly affected by the shape and size of the cell and has a small variation in the switching magnetic field.
【0038】非磁性層を介して強磁性的に結合された、
強磁性層からなる3層の磁性積層膜を備えたメモリセル
において、上下両面の強磁性層が連続膜である場合、一
方の強磁性層が微粒子状である場合、及び両面の強磁性
層が微粒子状である場合について、それぞれシミュレー
ションにより保磁力を求めた結果を図2に示す。A ferromagnetically coupled via a non-magnetic layer,
In a memory cell having three magnetic laminated films composed of ferromagnetic layers, when the ferromagnetic layers on the upper and lower surfaces are continuous films, when one ferromagnetic layer is in the form of fine particles, and when the ferromagnetic layers on both surfaces are FIG. 2 shows the results of obtaining the coercive force by simulation for each of the fine particles.
【0039】ここで、シミュレーションのモデルとし
て、メモリセルの幅100nm、メモリセルの長さ40
0nm、磁性層の膜厚1nmであると仮定した。また、
シミュレーションの便宜上、微粒子の底面は1辺の長さ
が40nmの正方形で、その高さは1nmの直方体と
し、微粒子の間隔は20nmと仮定した。Here, as a simulation model, the width of the memory cell is 100 nm and the length of the memory cell is 40 nm.
It was assumed that the thickness was 0 nm and the thickness of the magnetic layer was 1 nm. Also,
For convenience of simulation, it is assumed that the bottom surface of the fine particles is a square with a side length of 40 nm, the height is 1 nm, and the height between the fine particles is 20 nm.
【0040】図2に示すシミュレーションの結果から、
上下両面の磁性層が微粒子状である場合には、上下の磁
性層が連続膜である場合に比べて、保磁力Hcの値が1
/4に低減することが明らかになった。From the results of the simulation shown in FIG.
When the upper and lower magnetic layers are in the form of fine particles, the value of the coercive force Hc is 1 compared to the case where the upper and lower magnetic layers are continuous films.
/ 4.
【0041】以上、非磁性層の上下両面に孤立した微粒
子が配置される場合について説明したが、微粒子同士が
一部接しているもの、又は連続膜であっても厚さが不均
一で薄い部分の磁気結合が弱いものでも、ほぼ同様な効
果が得られることが実験との対比から明らかになった。The case where isolated fine particles are disposed on the upper and lower surfaces of the non-magnetic layer has been described above. It was clarified from the comparison with the experiment that almost the same effect was obtained even when the magnetic coupling was weak.
【0042】具体的には、磁性層が厚さの不均一な連続
膜からなる場合、最も薄い部分の膜厚が1nm以下であ
って、最も厚い部分の膜厚が最も薄い部分の膜厚より2
0%以上大きければほぼ同様な効果が得られるが、薄い
部分の厚さが1nmより厚ければ、磁性層が厚さの均一
な連続膜である場合に比べて、保磁力の値にほとんど差
がなくなることが明らかになった。Specifically, when the magnetic layer is formed of a continuous film having a non-uniform thickness, the thickness of the thinnest portion is 1 nm or less, and the thickness of the thickest portion is smaller than that of the thinnest portion. 2
When the thickness is larger than 0%, almost the same effect can be obtained. However, when the thickness of the thin portion is more than 1 nm, the value of the coercive force is almost different from that in the case where the magnetic layer is a continuous film having a uniform thickness. It became clear that there was no longer.
【0043】また、磁性層が微粒子状又は島状成長であ
る場合、この微粒子や島の高さの平均値が0.3nm以
上3nm以下となるように形成されれば、シミュレーシ
ョンとほぼ同様な保磁力の低減効果が得られることが明
らかになった。When the magnetic layer is grown in the form of fine particles or islands, if the average height of the fine particles or islands is formed to be 0.3 nm or more and 3 nm or less, substantially the same protection as in the simulation can be obtained. It became clear that the effect of reducing the magnetic force was obtained.
【0044】これらの磁性層は、単層で評価した磁化ヒ
ステリシス曲線では、残留磁化がゼロに近く、大きな磁
場を与えなければ磁化が飽和しない超常磁性的な成分が
含まれている。また、飽和磁化Msに対する残留磁化M
rの割合Mr/Msは、0より大ではあるが1より小さ
く、ヒステリシス曲線の角型性が悪く、スイッチング磁
場が大きいという欠点がある。These magnetic layers have superparamagnetic components whose residual magnetization is close to zero in the magnetization hysteresis curve evaluated for a single layer and whose magnetization is not saturated unless a large magnetic field is applied. Further, the residual magnetization M with respect to the saturation magnetization Ms
The ratio Mr / Ms of r is larger than 0 but smaller than 1, and has the disadvantage that the squareness of the hysteresis curve is poor and the switching magnetic field is large.
【0045】しかし、単層においては超常磁性的な特性
を示す強磁性層でも、この磁性層を非磁性層の上下両面
に形成し、非磁性層を介してこれらの磁性層を強磁性結
合させた3層の磁性積層膜にすれば、Mr/Msは1に
近づき、スイッチング磁場の値を小さくすることができ
る。However, even in a single-layer ferromagnetic layer exhibiting superparamagnetic characteristics, this magnetic layer is formed on both the upper and lower surfaces of the non-magnetic layer, and these magnetic layers are ferromagnetically coupled via the non-magnetic layer. With such a three-layer magnetic laminated film, Mr / Ms approaches 1, and the value of the switching magnetic field can be reduced.
【0046】なお、本発明の磁性層として使用可能な磁
性材料は、Co、Fe、Niのいずれか1つを含む合
金、化合物、又はこれらの金属と非金属との固溶体であ
り、また、2層の磁性層の中間に介在させる非磁性層と
して使用可能な材料は、Ru、Ir、Cu、Au、Ag
等の金属である。The magnetic material usable as the magnetic layer of the present invention is an alloy or compound containing any one of Co, Fe and Ni, or a solid solution of these metals and nonmetals. Materials that can be used as the nonmagnetic layer interposed between the magnetic layers of the layers include Ru, Ir, Cu, Au, and Ag.
And the like.
【0047】次に、図3を用いて第2の実施の形態に係
る二重接合型TMR素子について説明する。図3は、二
重接合型TMR素子の製造過程を示す模式的な工程断面
図である。Next, a double junction type TMR element according to a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic process sectional view showing a manufacturing process of the double junction TMR element.
【0048】図3(a)に示すように、半導体基板上に
(図示せず)高真空スパッタリング法を用いて、下部配
線電極W 304と、バッファ層Ta 305と、下側の
基準層Co5Fe5 306と、下側のトンネルバリア層
として絶縁層Al2O3 307を順次堆積する。As shown in FIG. 3A, a lower wiring electrode W 304, a buffer layer Ta 305, and a lower reference layer Co 5 are formed on a semiconductor substrate by using a high vacuum sputtering method (not shown). Fe 5 306 and an insulating layer Al 2 O 3 307 as a lower tunnel barrier layer are sequentially deposited.
【0049】図3(a)に示す多層膜は、最下層のW
304から最上層のAl2O3 307に至るまで、全て
金属層上に逐次堆積されるので、平坦性に優れた多層膜
として形成することができる。The multilayer film shown in FIG.
Since everything from 304 to the uppermost layer of Al 2 O 3 307 is sequentially deposited on the metal layer, it can be formed as a multilayer film having excellent flatness.
【0050】次に、図3(b)に示すように、絶縁層A
l2O3 307の上に記憶層として3層の磁性積層膜を
積層する。まず、成膜速度から換算して厚さ1.2nm
となるようにNi3Co3Fe4 301を堆積し、次に、
成膜速度から換算して厚さ1.4nmとなるように非磁
性層Ru 302を堆積し、さらに、成膜速度から換算
して厚さ1.2nmとなるようにNi3Co3Fe4 30
3を堆積する。Next, as shown in FIG.
On the l 2 O 3 307, a three-layer magnetic laminated film is laminated as a storage layer. First, a thickness of 1.2 nm is calculated from the film formation rate.
Ni 3 Co 3 Fe 4 301 is deposited so that
The non-magnetic layer Ru 302 is deposited so as to have a thickness of 1.4 nm calculated from the film forming rate, and further, Ni 3 Co 3 Fe 4 30 is formed so as to have a thickness of 1.2 nm calculated from the film forming rate.
3 is deposited.
【0051】このとき、トンネルバリア層をなす絶縁層
Al2O3 307の上にNi3Co3Fe4 301を堆積
することになるが、このように絶縁層上に金属層を堆積
する場合には、絶縁層に対する金属原子の結合力が弱い
ため、金属層は当初島状に成長し、堆積が進むと共に島
同士が互いに融合するようにして膜厚が増大する。At this time, Ni 3 Co 3 Fe 4 301 is deposited on the insulating layer Al 2 O 3 307 forming the tunnel barrier layer. In this case, when the metal layer is deposited on the insulating layer, Since the bonding force of the metal atoms to the insulating layer is weak, the metal layer initially grows in an island shape, and as the deposition proceeds, the islands fuse with each other to increase the film thickness.
【0052】このため、図3(b)に示すように、絶縁
層Al2O3 307の上に堆積したNi3Co3Fe4 3
01の膜厚は不均一となる。このとき、スパッタ装置の
基板温度やガス圧の制御により、Ni3Co3Fe4 30
1の最も薄い部分の膜厚が1nm以下であり、最も厚い
部分の膜厚が最も薄い部分の膜厚より20%以上大きく
なるように、Ni3Co3Fe4 301の不均一性を制御
することができる。[0052] Therefore, as shown in FIG. 3 (b), Ni 3 Co 3 Fe 4 3 deposited on the insulating layer Al 2 O 3 307
01 becomes non-uniform. At this time, Ni 3 Co 3 Fe 4 30 is controlled by controlling the substrate temperature and gas pressure of the sputtering apparatus.
The non-uniformity of Ni 3 Co 3 Fe 4 301 is controlled such that the film thickness of the thinnest portion is 1 nm or less and the film thickness of the thickest portion is 20% or more larger than the film thickness of the thinnest portion. be able to.
【0053】次に、Ni3Co3Fe4 301の上に堆積
する非磁性層Ru 302及びNi3Co3Fe4 303
は、順次金属層の上に堆積されるので平坦性が回復す
る。なお、Ni3Co3Fe4 303の表面が次の工程に
必要な平坦性を示さない場合には通常の平坦化工程を導
入すればよい。Next, the non-magnetic layer Ru 302 and the Ni 3 Co 3 Fe 4 303 deposited on the Ni 3 Co 3 Fe 4 301
Are sequentially deposited on the metal layer, so that the flatness is restored. If the surface of Ni 3 Co 3 Fe 4 303 does not show the flatness required for the next step, a normal flattening step may be introduced.
【0054】次に、図3(c)に示すように、上側のト
ンネルバリア層となる絶縁層Al2O3 307と、上側
基準層Co5Fe5 309と、上部保護層W 310を堆
積し、図4(d)に示すように、W 304を下部配線
電極として加工するため、フォトレジストによるマスク
パターン形成(図示せず)と、これをマスクとするイオ
ンミリングを行った後、さらにTMR素子部の形状を規
定するためのパターン形成(図示せず)とイオンミリン
グを行い、TMR素子部を形成する。Next, as shown in FIG. 3C, an insulating layer Al 2 O 3 307 serving as an upper tunnel barrier layer, an upper reference layer Co 5 Fe 5 309, and an upper protective layer W 310 are deposited. As shown in FIG. 4D, in order to process W 304 as a lower wiring electrode, a mask pattern is formed by using a photoresist (not shown), and ion milling is performed using the mask as a mask. Pattern formation (not shown) for defining the shape of the part and ion milling are performed to form a TMR element part.
【0055】次に、図4(e)に示すように、反応性ス
パッタリング法を用いて層間絶縁膜SiO2 311を堆
積した後、上部保護層W 310との接続孔、及びこれ
と接続する上部配線電極312をパターン形成し、TM
R素子を完成する。Next, as shown in FIG. 4E, after an interlayer insulating film SiO 2 311 is deposited by using a reactive sputtering method, a connection hole with the upper protective layer W 310 and an upper portion connected thereto are formed. A wiring electrode 312 is formed in a pattern, and TM
Complete the R element.
【0056】このように製造されたTMR素子は、20
0nm×600nmの長方形で、バイアス電圧0.1V
におけるMR比40パーセント、スイッチング磁場2.
4kA/mの特性を示し、図5(a)に示すように、磁
化ヒステリシス特性の角型比は極めて良好であった。The TMR element manufactured as described above has
0nm × 600nm rectangle, 0.1V bias voltage
, An MR ratio of 40% and a switching magnetic field of 2.
It showed a characteristic of 4 kA / m, and as shown in FIG. 5A, the squareness ratio of the magnetization hysteresis characteristic was extremely good.
【0057】一方、図3、図4に示すTMR素子の製造
工程において、記憶層となる3層の磁性積層膜を、厚さ
1.2nmの単層のNi3Co3Fe4に置き換える他
は、ほぼ同様な工程で作製されたTMR素子では、図5
(b)に示すように、磁化ヒステリシス特性の角型比が
悪化し、残留磁化はゼロに近く、大きな磁場を印加しな
ければ磁化が飽和しない超常磁性的な磁気特性を示すこ
とが明らかになった。On the other hand, in the manufacturing process of the TMR element shown in FIGS. 3 and 4, except that the three-layer magnetic laminated film serving as the storage layer is replaced with a single-layer Ni 3 Co 3 Fe 4 having a thickness of 1.2 nm. In a TMR element manufactured by substantially the same process, FIG.
As shown in (b), it is clear that the squareness ratio of the magnetization hysteresis characteristic deteriorates, the remanent magnetization is close to zero, and a superparamagnetic magnetic characteristic in which the magnetization is not saturated unless a large magnetic field is applied is exhibited. Was.
【0058】また、記憶層をなす3層の磁性積層膜に含
まれるNi3Co3Fe4が、均一な厚さとなるように、
特に、スパッタ装置の基板温度とガス圧を制御して堆積
した試料では、200nm×600nmのメモリセル
で、バイアス電圧0.1VにおけるMR比が40%とな
るが、一方、スイッチング磁場は9.6kA/mという
大きな値になり、良好なTMR素子は得られなかった。Further, Ni 3 Co 3 Fe 4 contained in the three magnetic laminated films forming the storage layer has a uniform thickness.
In particular, in the sample deposited by controlling the substrate temperature and the gas pressure of the sputtering apparatus, the MR ratio at a bias voltage of 0.1 V is 40% in a memory cell of 200 nm × 600 nm, while the switching magnetic field is 9.6 kA. / M, a good TMR element could not be obtained.
【0059】以上の結果から、本発明のように厚さの不
均一なNi3Co3Fe4を非磁性層を介して磁気的に結
合させた積層構造を記憶層に用いたTMR素子では、磁
化ヒステリシス特性の角型比が極めて良好であると同時
に、スイッチング磁場の大幅な低減が実現されることが
明らかになった。なお、第2の実施の形態に係るTMR
素子は、構造上、例えば磁気センサとして好適に使用さ
れるので、必ずしも半導体基板上に形成する必要はな
く、例えば、ガラス基板上に形成することも可能であ
る。From the above results, according to the present invention, in a TMR element using a laminated structure in which Ni 3 Co 3 Fe 4 having a non-uniform thickness is magnetically coupled via a nonmagnetic layer as a storage layer, as in the present invention, It was found that the squareness ratio of the magnetization hysteresis characteristics was very good, and at the same time, the switching magnetic field was significantly reduced. The TMR according to the second embodiment
Since the element is suitably used structurally, for example, as a magnetic sensor, it does not necessarily need to be formed on a semiconductor substrate, but can be formed on, for example, a glass substrate.
【0060】次に、図6を用いて、第3の実施の形態に
係るMRAM用のデュアルスピンバルブ型TMR素子に
ついて説明する。図6は、本発明のデュアルスピンバル
ブ型TMR素子の製造過程を示す模式的な工程断面図で
ある。ここで、デュアルスピンバルブ型TMR素子と
は、反強磁性層に接して基準層となる強磁性層を積層す
ることにより、基準層の磁化を強固に固定するスピンバ
ルブ構造を、上下2箇所に備えた二重接合型TMR素子
のことである。Next, a dual spin valve type TMR element for an MRAM according to a third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic process sectional view showing a manufacturing process of the dual spin-valve TMR element of the present invention. Here, the dual spin-valve TMR element has a spin-valve structure that firmly fixes the magnetization of the reference layer by laminating a ferromagnetic layer serving as a reference layer in contact with the antiferromagnetic layer. It is a double junction type TMR element provided.
【0061】このように、反強磁性層に接して基準層と
なる強磁性層を積層すれば、基準層における強磁性層の
磁化の方向の固定が極めて強固になり、高集積化したM
RAM用のTMR素子として、漏れ磁場による誤動作の
確率をゼロにすることが可能になる。As described above, when the ferromagnetic layer serving as the reference layer is laminated in contact with the antiferromagnetic layer, the magnetization direction of the ferromagnetic layer in the reference layer is extremely firmly fixed, and the highly integrated M
As a TMR element for RAM, the probability of malfunction due to a leakage magnetic field can be reduced to zero.
【0062】本発明のデュアルスピンバルブ型TMR素
子は、半導体集積回路の一部に形成されるので、半導体
基板表面を覆う絶縁膜上の下部配線電極の上に形成され
る。なお、この下部配線電極は、絶縁膜を貫通するプラ
グを介して半導体基板の主面に形成された選択トランジ
スタに接続される。Since the dual spin-valve TMR element of the present invention is formed on a part of a semiconductor integrated circuit, it is formed on a lower wiring electrode on an insulating film covering the surface of a semiconductor substrate. The lower wiring electrode is connected to a selection transistor formed on the main surface of the semiconductor substrate via a plug penetrating the insulating film.
【0063】はじめに、図6(a)に示すように、高真
空スパッタリング法を用いて層間絶縁膜及びプラグの形
成を完了した半導体基板上に(図示せず)、下部配線電
極兼バッファ層Ta 604と、下側の反強磁性層Pt
Mn 605と、下側基準層Co7Fe3 606を順次堆
積する。First, as shown in FIG. 6A, a lower wiring electrode / buffer layer Ta 604 is formed on a semiconductor substrate (not shown) on which an interlayer insulating film and a plug have been formed by using a high vacuum sputtering method. And the lower antiferromagnetic layer Pt
Mn 605 and a lower reference layer Co 7 Fe 3 606 are sequentially deposited.
【0064】次に、下側トンネルバリア層を形成するた
め、Alを厚さ0.8nm堆積した後、このAlをオゾ
ン雰囲気中で酸化することにより、トンネルバリア層と
して絶縁層AlOx 607(1≦x≦1.5)を形成す
る。Next, in order to form a lower tunnel barrier layer, after depositing Al with a thickness of 0.8 nm, this Al is oxidized in an ozone atmosphere to form an insulating layer AlO x 607 (1) as a tunnel barrier layer. .Ltoreq.x.ltoreq.1.5).
【0065】次に、図6(b)に示すように、AlO
x 607の上に記憶層として実質的に3層の磁性積層
膜を以下のように形成する。はじめに、成膜速度から換
算して厚さ0.5nmとなるように微粒子層(又は島状
成長層、以下同じ)Co9Fe601aを堆積し、次
に、成膜速度から換算して厚さ1.0nmとなるよう
に、Ni4Fe6 601bを堆積する。次に、成膜速度
から換算して厚さ1.5nmとなるように非磁性層Cu
602を堆積した後、さらに、成膜速度から換算して
厚さ1.2nmとなるようにNi3Co3Fe4 603を
堆積する。Next, as shown in FIG.
A substantially three-layer magnetic laminated film is formed as a storage layer on x607 as follows. First, a fine particle layer (or an island-shaped growth layer, the same applies hereinafter) Co 9 Fe 601a is deposited so as to have a thickness of 0.5 nm as calculated from the film formation rate, and then a thickness of 1 as calculated from the film formation rate. Ni 4 Fe 6 601b is deposited to a thickness of 0.0 nm. Next, the nonmagnetic layer Cu is adjusted to have a thickness of 1.5 nm in terms of the deposition rate.
After depositing 602, Ni 3 Co 3 Fe 4 603 is further deposited so as to have a thickness of 1.2 nm calculated from the film forming rate.
【0066】ここで、Co9Fe 601aは、微粒子層
(又は島状成長層)として堆積し、Ni4Fe6 601
bは、この微粒子層の間隙を埋めるように、厚さが不均
一な連続膜として堆積する。Co9Fe 601a及びN
i4Fe6 601bは、組み合わされて厚さが不均一な
強磁性層となり、非磁性層Cu 602を介して形成さ
れるNi3Co3Fe4 603と共に実質的に3層の磁性
積層膜を形成する。Here, Co 9 Fe 601a is deposited as a fine particle layer (or island-like growth layer), and Ni 4 Fe 6 601
b is deposited as a continuous film having a non-uniform thickness so as to fill the gap between the fine particle layers. Co 9 Fe 601a and N
i 4 Fe 6 601b is combined to form a ferromagnetic layer having a non-uniform thickness, and forms a substantially three-layer magnetic laminated film together with Ni 3 Co 3 Fe 4 603 formed via the non-magnetic layer Cu 602. Form.
【0067】次に、図6(c)に示すように、Ni3C
o3Fe4 603の表面に上側のトンネルバリア層を形
成するため、Alを厚さ0.8nm堆積した後、このA
lをオゾン雰囲気中で酸化することによりトンネルバリ
ア層となるAlOx 608(1≦x≦1.5)を形成す
る。さらに、上側基準層としてCo7Fe3 609と、
上側反強磁性層PtMn 610と上部保護層W 611
を堆積する。Next, as shown in FIG. 6 (c), Ni 3 C
In order to form an upper tunnel barrier layer on the surface of o 3 Fe 4 603, 0.8 nm of Al is deposited,
By oxidizing 1 in an ozone atmosphere, AlO x 608 (1 ≦ x ≦ 1.5) to be a tunnel barrier layer is formed. Further, Co 7 Fe 3 609 as an upper reference layer,
Upper antiferromagnetic layer PtMn 610 and upper protective layer W 611
Is deposited.
【0068】次に、図7(d)に示すように、下部配線
電極部の材料となるTa 604を下部配線電極として
加工するため、フォトレジストによるマスクパターン形
成(図示せず)及びこれをマスクとするイオンミリング
により下部配線電極部を形成した後、さらにTMR素子
部の形状を規定するためのパターンニングとイオンミリ
ングを行い、図7(d)に示すデュアルスピンバルブ型
TMR素子部を形成する。Next, as shown in FIG. 7D, in order to process Ta 604, which is the material of the lower wiring electrode portion, as a lower wiring electrode, a mask pattern is formed by using a photoresist (not shown) and the mask is formed. After the lower wiring electrode portion is formed by ion milling, patterning and ion milling for defining the shape of the TMR element portion are further performed to form a dual spin valve type TMR element portion shown in FIG. 7D. .
【0069】次に、図7(e)に示すように、反応性ス
パッタリング法を用いてSiO2層間絶縁膜808を堆
積した後、真空中で500kA/mの磁場を印加した状
態で300℃、2時間のアニールを行う。この工程によ
り基準層の磁化が固定しデュアルスピンバルブ型TMR
素子として機能するようになる。最後に上部保護層W6
11との接続孔、及びこれと接続する上部配線電極(M
RAMのビット線)806を設けて素子を完成する。な
お、Ta 604はMRAMの下部配線電極805とし
て用いられる。Next, as shown in FIG. 7 (e), after depositing an SiO 2 interlayer insulating film 808 by using the reactive sputtering method, 300 ° C. is applied while applying a magnetic field of 500 kA / m in a vacuum. Anneal for 2 hours. By this step, the magnetization of the reference layer is fixed and the dual spin valve type TMR
It functions as an element. Finally, the upper protective layer W6
11 and an upper wiring electrode (M
A RAM bit line 806 is provided to complete the device. Note that Ta 604 is used as the lower wiring electrode 805 of the MRAM.
【0070】このように完成されたMRAMにおいて、
メモリ部のデュアルスピンバルブ型TMR素子は100
nm×300nmの長方形で、バイアス電圧0.5Vに
おけるMR比25パーセント、スイッチング磁場3.2
kAm-1の特性を示し、磁化反転のために従来必要であ
った配線の電流値10mAを1mAに低減することが可
能になった。なお、第3の実施の形態において、反強磁
性材料としてはPtMnのほかに、PhMn、IrM
n、PrPhMn、PtCrMnを用いることができ
る。In the MRAM thus completed,
The dual spin valve type TMR element of the memory section is 100
nm × 300 nm rectangle, MR ratio 25% at 0.5 V bias voltage, switching field 3.2
It exhibited a characteristic of kAm -1 , and it became possible to reduce the current value 10 mA of the wiring conventionally required for magnetization reversal to 1 mA. In the third embodiment, in addition to PtMn, PhMn, IrM
n, PrPhMn and PtCrMn can be used.
【0071】次に、図8を用いて本発明の第4の実施の
形態について説明する。第4の実施の形態では、デュア
ルスピンバルブ型TMR素子をメモリセルとするMRA
Mの構造について具体的に説明する。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, an MRA using a dual spin-valve TMR element as a memory cell
The structure of M will be specifically described.
【0072】図8に示すMRAMは、P型シリコン基板
801の主面に形成されたMOSトランジスタのN+ソ
ース/ドレイン領域802と、ゲート絶縁膜を介してN
+ソース・ドレイン領域間のN型チャネル上に形成され
たMOSトランジスタのゲート電極803と、ソース/
ドレイン領域802のいずれか一方に接続された導電性
プラグ804を備えている。In the MRAM shown in FIG. 8, an N + source / drain region 802 of a MOS transistor formed on a main surface of a P-type silicon substrate 801 and an N +
+ The gate electrode 803 of the MOS transistor formed on the N-type channel between the source / drain regions;
A conductive plug 804 connected to one of the drain regions 802 is provided.
【0073】破線の囲みで示す図7(e)のデュアルス
ピンバルブ型TMR素子は、導電性プラグ804を介し
てソース/ドレイン領域802の一方に接続された下部
配線電極805と、上部配線電極をなす紙面に沿って形
成されたビット線806との間に接続される。MRAM
のワード線807は、ゲート電極803と下部配線電極
805との間に紙面と垂直方向に形成される。なお、こ
れらの構成部の間は層間絶縁膜808により埋められ
る。The dual spin valve type TMR element shown in FIG. 7E surrounded by a broken line has a lower wiring electrode 805 connected to one of the source / drain regions 802 via a conductive plug 804, and an upper wiring electrode. It is connected to a bit line 806 formed along the plane of the drawing. MRAM
The word line 807 is formed between the gate electrode 803 and the lower wiring electrode 805 in a direction perpendicular to the plane of the drawing. Note that a space between these components is filled with an interlayer insulating film 808.
【0074】MRAMの動作は次の通りである。メモリ
セルの主要部をなすTMR素子への記憶データの書き込
みは、互いに直交するビット線806とワード線807
に1mA程度の電流を流すことにより行われる。The operation of the MRAM is as follows. Writing of storage data to the TMR element which is a main part of the memory cell is performed by using a bit line 806 and a word line 807 which are orthogonal to each other.
Is carried out by passing a current of about 1 mA into
【0075】すなわち、アドレスデコーダで選択された
ビット線806とワード線807に電流を流せば、その
電流により発生した外部磁場が共にその交点上の選択T
MR素子に加わり、TMR素子のスイッチング磁場の大
きさを越えるようになるが、その他の非選択のワード線
と選択されたビット線との交点上のTMR素子に対して
は、選択されたビット線806の電流による磁場のみが
加わるので、TMR素子の磁化の反転は生じない。That is, when a current is applied to the bit line 806 and the word line 807 selected by the address decoder, an external magnetic field generated by the current is applied to the selected T at the intersection.
In addition to the MR element, the switching field of the TMR element exceeds the magnitude of the switching magnetic field. However, for the TMR element at the intersection of the other unselected word lines and the selected bit line, the selected bit line Since only a magnetic field due to the current 806 is applied, the magnetization reversal of the TMR element does not occur.
【0076】また、記憶データの読み出しは、P型シリ
コン基板801に形成されたMOSトランジスタを用い
て記憶データの書き込まれたTMR素子を選択し、TM
R素子の磁化の向きに対応する抵抗値を読み出すことに
より行うことができる。デュアルスピンバルブ型TMR
素子をメモリセルとするMRAMは、高密度化が可能で
あり、また、TMR素子の基準層の磁化の固定が反強磁
性層を用いて強固になされているため誤動作の恐れがな
く、不揮発性でかつ書き換え回数の制約がない記憶装置
を提供することができる。For reading the stored data, the MOS transistor formed on the P-type silicon substrate 801 is used to select the TMR element in which the stored data is written,
This can be performed by reading a resistance value corresponding to the direction of magnetization of the R element. Dual spin valve type TMR
The MRAM using the element as a memory cell can be increased in density. In addition, since the magnetization of the reference layer of the TMR element is fixed firmly by using an antiferromagnetic layer, there is no possibility of malfunction and non-volatile operation. It is possible to provide a storage device which has no restriction on the number of times of rewriting.
【0077】次に図9を用いて、本発明の第5の実施の
形態について説明する。第5の実施の形態では、TMR
素子の記憶層及び基準層(磁化の固着層)として用いる
磁性積層膜の構成について総括的に説明し、特にMRA
Mのメモリセルに適した磁化の固着層について詳細に説
明する。Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the fifth embodiment, TMR
The structure of the magnetic laminated film used as the storage layer and the reference layer (the pinned layer of magnetization) of the device will be described in general terms,
The magnetization fixed layer suitable for the M memory cell will be described in detail.
【0078】先に述べたように、本発明のTMR素子に
おいては、トンネルバリア層をなす絶縁層を介して記憶
層をなす磁性積層膜と、磁化の固着層をなす磁性積層膜
が形成される。図9は、本発明の記憶層と磁化の固着層
の特徴に着目して、これらの磁性積層膜の構成を示す模
式図である。As described above, in the TMR element of the present invention, the magnetic laminated film forming the storage layer and the magnetic laminated film forming the fixed layer of magnetization are formed via the insulating layer forming the tunnel barrier layer. . FIG. 9 is a schematic view showing the configuration of these magnetic laminated films, focusing on the features of the storage layer and the pinned layer of magnetization of the present invention.
【0079】記憶層をなす磁性積層膜は、図9(a)に
示すように、非磁性層2を介して強磁性層1、3を積層
することにより形成される。この他、磁化の方向が回転
し易い軟磁性材料1層のみを用いて記憶層を形成する場
合もある。このとき、磁化の方向は、磁性積層膜の面内
に沿う方向であり、各層の厚さや材料を最適化すること
でスイッチング磁場の小さい記憶層が実現される。The magnetic laminated film forming the storage layer is formed by laminating the ferromagnetic layers 1 and 3 via the non-magnetic layer 2 as shown in FIG. In addition, the storage layer may be formed using only one soft magnetic material whose magnetization direction easily rotates. At this time, the direction of magnetization is a direction along the plane of the magnetic laminated film, and a storage layer with a small switching magnetic field is realized by optimizing the thickness and material of each layer.
【0080】しかし、記憶層をなす磁性積層膜を平坦な
積層膜(又は1層のみの平坦な膜)として形成すれば、
図9(b)の平面図に示すように、正常な磁区(ドメイ
ン)4に対して終端部にエッジドメイン5が発生する。However, if the magnetic laminated film forming the storage layer is formed as a flat laminated film (or a single-layer flat film),
As shown in the plan view of FIG. 9B, an edge domain 5 is generated at the end of a normal magnetic domain (domain) 4.
【0081】通常記憶層の平面形状は、反磁場の影響を
小さくするために幅に対して磁化容易軸方向を長くする
が、このようにすればエッジドメイン5が発生し易くな
り、磁化の回転が妨げられる。Usually, the planar shape of the storage layer makes the direction of the axis of easy magnetization longer with respect to the width in order to reduce the influence of the demagnetizing field. Is hindered.
【0082】このため、本発明の記憶層では、特に図9
(c)に示すように、非磁性層2aを介して強磁性層1
a、3aを積層する際、強磁性層1a、3a、又はその
いずれか一方の膜厚を不均一化することで、図9(d)
に示すように面内に単一ドメイン6のみが存在するよう
にし、エッジドメインの発生を回避する。Therefore, in the storage layer of the present invention, in particular, FIG.
As shown in (c), the ferromagnetic layer 1 is interposed via the non-magnetic layer 2a.
When laminating the ferromagnetic layers 1a and 3a, the thickness of the ferromagnetic layers 1a and 3a or any one of them is made non-uniform, so that FIG.
As shown in (1), only a single domain 6 exists in the plane to avoid generation of an edge domain.
【0083】このように、厚さの不均一な連続膜を備え
る磁性層は、所定の外部磁場により磁化の方向が変化す
る磁化自由層として用いられるが、層の形成条件により
所定の外部磁場によってもゼロ磁場における磁化の方向
を保持する磁化固着層に用いることもできる。As described above, a magnetic layer having a continuous film having a non-uniform thickness is used as a magnetization free layer in which the direction of magnetization changes according to a predetermined external magnetic field. Can also be used for a magnetization fixed layer that maintains the direction of magnetization at zero magnetic field.
【0084】強磁性層の不均一化の効果は、必ずしも膜
厚のみで達成されるものではなく、例えば強磁性層の組
成を不均一化することでも、エッジドメインの発生を回
避することができる。また、先に述べたように、強磁性
層1a、3a、又はそのいずれか一方を微粒子状又は島
状成長とすることで、エッジドメインの発生を回避する
ことができる。このとき、面内のドメインは、各微粒子
又は各島における単一ドメインが面内全体で単一ドメイ
ンをなすように協力的に動作する。The effect of making the ferromagnetic layer non-uniform is not necessarily achieved only by the film thickness. For example, by making the composition of the ferromagnetic layer non-uniform, the generation of edge domains can be avoided. . In addition, as described above, by forming the ferromagnetic layers 1a, 3a, or one of them, in the form of fine particles or islands, generation of edge domains can be avoided. At this time, the domains in the plane operate cooperatively so that the single domain in each particle or each island forms a single domain in the entire plane.
【0085】このとき、微粒子状の磁性膜は、例えば非
磁性体からなるマトリックス中に強磁性体の微粒子を分
散させたものでも良いし、島状成長部を他の磁性層で覆
うようにしても良い。At this time, the magnetic film in the form of fine particles may be, for example, one in which fine particles of ferromagnetic material are dispersed in a matrix made of a non-magnetic material, or may be such that the island-shaped growth portion is covered with another magnetic layer. Is also good.
【0086】次に、磁化の固着層をなす磁性積層膜は、
図1(e)に示すように、トンネルバリア層をなす絶縁
層11の一方に隣接して硬磁性材料からなる強磁性層1
2を形成することで固着層としての役割を果たすことが
できる。しかし、この構成では、磁化の固定の程度は必
ずしも十分ではないため、TMR素子の誤動作につなが
る。Next, the magnetic laminated film forming the pinned layer of magnetization is:
As shown in FIG. 1E, the ferromagnetic layer 1 made of a hard magnetic material is adjacent to one of the insulating layers 11 forming a tunnel barrier layer.
By forming 2, it can function as a fixing layer. However, in this configuration, the degree of magnetization fixation is not always sufficient, which leads to a malfunction of the TMR element.
【0087】また、図1(e)の破線で矢示するよう
に、強磁性層12からの漏れ磁場が絶縁層11の他方に
隣接する記憶層10のスイッチング磁場の中心値をシフ
トさせるので、同様にTMR素子の誤動作につながる。Also, as indicated by the dashed line in FIG. 1E, the leakage magnetic field from the ferromagnetic layer 12 shifts the center value of the switching magnetic field of the storage layer 10 adjacent to the other of the insulating layer 11. Similarly, a malfunction of the TMR element is caused.
【0088】特にMRAM用のTMR素子は高度に集積
化されるため、誤動作の確率はゼロにする必要がある。
このため、第3、第4の実施の形態で説明したMRAM
用のTMR素子では、図9(f)に示すように、強磁性
層12と反強磁性層13を積層して、スピンバルブ型の
磁化の固着層とし、磁化の固定を強化している。In particular, since the TMR element for the MRAM is highly integrated, the probability of a malfunction must be zero.
Therefore, the MRAM described in the third and fourth embodiments
As shown in FIG. 9 (f), in a TMR element for use, a ferromagnetic layer 12 and an antiferromagnetic layer 13 are laminated to form a spin-valve-type pinned layer of magnetization, thereby strengthening the pinning of magnetization.
【0089】しかし、図9(f)に示すスピンバルブ型
の磁化の固着層では、強磁性層12の漏れ磁場の影響を
除去することができない、そこで、第5の実施の形態に
係るMRAMでは、図9(g)に示すように、トンネル
バリア層をなす絶縁層11の一方に隣接して、非磁性層
13を介して磁化の方向が逆向きになるように、互いに
反強磁性的に結合した強磁性層12、14からなる磁性
積層膜を形成し、これをMRAM用TMR素子の磁化の
固着層として用いる。However, the effect of the leakage magnetic field of the ferromagnetic layer 12 cannot be removed by the pinned layer of the spin valve type magnetization shown in FIG. 9F. Therefore, in the MRAM according to the fifth embodiment, As shown in FIG. 9G, adjacent to one side of the insulating layer 11 forming the tunnel barrier layer, the non-magnetic layer 13 interposes antiferromagnetically so that the directions of magnetization are opposite to each other. A magnetic laminated film composed of the coupled ferromagnetic layers 12 and 14 is formed, and this is used as a pinned layer of magnetization of the TMR element for MRAM.
【0090】図9(g)に示す磁化の固着層は、非磁性
層13の厚さtを選択することで極めて強い反強磁性的
結合が得られるので、磁化の固定を強化することができ
る。また、互いに反強磁性的に結合した強磁性層12、
14の間で閉じた磁気回路を構成するので、トンネルバ
リア層をなす絶縁層11の他方に隣接して形成される記
憶層10に対する漏れ磁場の影響を除去することができ
る。従って、誤動作の確率ゼロが求められるMRAM用
TMR素子の磁化の固着層として、図9(f)と図9
(g)を合わせた磁性積層膜は最も好適なものとなる。In the pinned layer of magnetization shown in FIG. 9G, an extremely strong antiferromagnetic coupling can be obtained by selecting the thickness t of the nonmagnetic layer 13, so that the pinning of magnetization can be strengthened. . Also, the ferromagnetic layers 12, which are antiferromagnetically coupled to each other,
Since a closed magnetic circuit is formed between the storage layers 14, the effect of the leakage magnetic field on the storage layer 10 formed adjacent to the other of the insulating layer 11 forming the tunnel barrier layer can be eliminated. 9 (f) and FIG.
The magnetic laminated film combining (g) is the most suitable.
【0091】なお、図9(g)の磁性積層膜において、
非磁性層の厚さtと、強磁性層12、14の材料と厚さ
とを選択すれば、図9(a)に示す記憶層として図9
(b)に示すエッジドメイン5の発生を抑制し、スイッ
チング磁場の値を引き下げることも可能である。In the magnetic laminated film shown in FIG.
If the thickness t of the nonmagnetic layer and the material and thickness of the ferromagnetic layers 12 and 14 are selected, the storage layer shown in FIG.
It is also possible to suppress the generation of the edge domain 5 shown in (b) and reduce the value of the switching magnetic field.
【0092】以上、トンネルバリア層をなす絶縁層を介
して、その両側に記憶層となる第1の磁性積層膜と、磁
化の固着層となる第2の磁性積層膜とが形成された積層
構造部を備えるTMR素子について説明した。第1の磁
性積層膜における磁化の方向を回転しやすくするため
に、第1の磁性積層膜を非磁性層を介して第1、第2の
強磁性層を積層した3層構造にし、第1、第2の強磁性
層又はそのいずれか一方を不均一化することが極めて有
効であった。As described above, a laminated structure in which the first magnetic laminated film serving as the storage layer and the second magnetic laminated film serving as the magnetization fixed layer are formed on both sides of the insulating layer serving as the tunnel barrier layer via the insulating layer The TMR element including the section has been described. In order to facilitate rotation of the direction of magnetization in the first magnetic laminated film, the first magnetic laminated film has a three-layer structure in which first and second ferromagnetic layers are laminated via a non-magnetic layer. It was extremely effective to make the second ferromagnetic layer or any one of them non-uniform.
【0093】このように、記憶層として有用な3層構造
の第1の磁性積層膜は、必ずしもTMR素子に限定して
適用されるものではない。非磁性層を介して第1、第2
の磁性積層膜を積層し、第1の磁性積層膜を記憶層、第
2の磁性積層膜を磁化の固着層とする磁気素子であれ
ば、同様に本発明の不均一磁性層を含む3層構造の第1
の磁性積層膜を記憶層として用いることができる。As described above, the first magnetic laminated film having a three-layer structure useful as the storage layer is not necessarily applied to the TMR element. First and second via the non-magnetic layer
A magnetic element in which the first magnetic laminated film is a storage layer and the second magnetic laminated film is a pinned layer of magnetization. First of structure
Can be used as a storage layer.
【0094】このような磁気素子として、例えばTMR
素子におけるトンネルバリア層(絶縁層)を非磁性金属
層(例えばCu)に置き換えた構造を有する巨大磁気抵
抗効果素子(Giant Magneto-Resistive Effect; GMR
素子)が知られている。GMR素子では、非磁性金属層
と磁性積層膜との界面において、磁化(スピン)の方向
に依存する電子散乱を生じる。As such a magnetic element, for example, TMR
Giant Magneto-Resistive Effect (GMR) having a structure in which a tunnel barrier layer (insulating layer) in the element is replaced with a non-magnetic metal layer (eg, Cu)
Element) is known. In the GMR element, electron scattering depending on the direction of magnetization (spin) occurs at the interface between the nonmagnetic metal layer and the magnetic multilayer film.
【0095】すなわち、磁化の方向が固着された第2の
磁性積層膜に対して、第1の磁性積層膜の磁化の方向が
回転することにより、非磁性金属層との界面における磁
気抵抗が増加する。この磁気抵抗の増加は、磁性積層膜
の面に沿う方向、及び面に垂直な方向に生じる。GMR
素子に対して、以上の各実施の形態で説明した記憶層と
なる第1の磁性積層膜と、磁化の固着層となる第2の磁
性積層膜とを好適に使用することができる。That is, as the direction of magnetization of the first magnetic laminated film is rotated with respect to the second magnetic laminated film having the fixed magnetization direction, the magnetoresistance at the interface with the nonmagnetic metal layer is increased. I do. This increase in magnetoresistance occurs in the direction along the plane of the magnetic laminated film and in the direction perpendicular to the plane. GMR
For the element, the first magnetic laminated film serving as the storage layer and the second magnetic laminated film serving as the magnetization fixed layer described in each of the above embodiments can be suitably used.
【0096】なお本発明は上記の実施の形態に限定され
ることはない。例えば第1、第2の実施の形態におい
て、二重接合型TMR素子を例として説明したが、本発
明は必ずしも二重接合型TMR素子に限定されるもので
はない。一重接合型のTMR素子に対しても同様な効果
があり、このときには、第1、第2の実施の形態におけ
る3層の磁性積層構造と配線用又は保護用金属層とが、
隣接して積層されることになる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the first and second embodiments, a double junction type TMR element has been described as an example, but the present invention is not necessarily limited to a double junction type TMR element. The same effect is obtained for the single junction type TMR element. In this case, the three-layer magnetic laminated structure and the wiring or protection metal layer in the first and second embodiments are
They will be stacked adjacently.
【0097】また、第1、第2の実施の形態において、
2層の強磁性層の間に非磁性層を介在させた3層の磁性
積層構造を記憶層とすることについて説明したが、強磁
性材料の微粒子を弱く強磁性的に結合させることが可能
であれば、必ずしも非磁性層を用いる必要はなく、例え
ば、同一面内において強磁性材料の微粒子又は島状成長
領域同士が接する構造、膜厚が極端に不均一な単層膜、
あるいは微粒子状又は島状成長領域を有する強磁性層と
非強磁性層との2層構造であっても良い。また、非磁性
層を用いる場合でも、非磁性金属中に強磁性微粒子が固
溶体として存在する状態も本発明に含まれる。その他本
発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施する
ことができる。In the first and second embodiments,
Although the storage layer is described as a three-layer magnetic laminated structure in which a nonmagnetic layer is interposed between two ferromagnetic layers, fine particles of a ferromagnetic material can be weakly and ferromagnetically coupled. If so, it is not necessary to use a non-magnetic layer.
Alternatively, it may have a two-layer structure of a ferromagnetic layer having a particulate or island-shaped growth region and a non-ferromagnetic layer. Even when a non-magnetic layer is used, the present invention includes a state in which ferromagnetic fine particles exist as a solid solution in the non-magnetic metal. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0098】[0098]
【発明の効果】上述したように本発明のTMR素子によ
れば、微粒子状又は島状成長領域を有するか、又は厚さ
の不均一な2つの強磁性層が、非磁性層を介して互いに
強磁性結合する積層構造を記憶層として用いることによ
り、MR比の低下を生じることなくスイッチング磁場の
低減を図ることができる。As described above, according to the TMR element of the present invention, two ferromagnetic layers each having a fine-grained or island-shaped growth region or having an uneven thickness are connected to each other via a non-magnetic layer. By using a laminated structure that is ferromagnetically coupled as a storage layer, the switching magnetic field can be reduced without lowering the MR ratio.
【0099】この記憶層を備えるTMR素子は、記憶素
子として優れた性能を示すばかりでなく、ばらつきが小
さく、かつ歩留まりよく安価に製造することができるの
で、生産性に優れている。また、この記憶層を備えるT
MR素子の構造は、微細化に適しているので、これをメ
モリセルとして集積化したMRAMの集積度を大幅に向
上させることが可能になる。The TMR element provided with this storage layer not only exhibits excellent performance as a storage element, but also has a small variation, can be manufactured with good yield, and is inexpensive, and thus has excellent productivity. In addition, T provided with this storage layer
Since the structure of the MR element is suitable for miniaturization, the degree of integration of an MRAM in which the MR element is integrated as a memory cell can be greatly improved.
【図1】第1の実施の形態に係るTMR素子の記憶層の
構成を模式的に示す断面図。FIG. 1 is a sectional view schematically showing a configuration of a storage layer of a TMR element according to a first embodiment.
【図2】3種の磁性積層膜に対する保磁力のシミュレー
ション結果を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a simulation result of coercive force for three types of magnetic laminated films.
【図3】第2の実施の形態に係る二重トンネル接合型T
MR素子の製造方法を示す工程断面図。FIG. 3 shows a double tunnel junction type T according to a second embodiment.
Sectional drawing which shows the manufacturing method of an MR element.
【図4】第2の実施の形態に係る二重トンネル接合型T
MR素子の製造方法の続きを示す工程断面図。FIG. 4 shows a double tunnel junction type T according to a second embodiment.
Sectional drawing which shows the continuation of the manufacturing method of an MR element.
【図5】第2の実施の形態に係る二重トンネル接合型T
MR素子の磁化ヒステリシス曲線を従来のTMR素子と
比較する図。FIG. 5 shows a double tunnel junction type T according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram comparing a magnetization hysteresis curve of an MR element with a conventional TMR element.
【図6】第3の実施の形態に係るデュアルスピンバルブ
構造の二重トンネル接合型TMR素子の製造方法を示す
工程断面図。FIG. 6 is a process sectional view showing a method for manufacturing a dual tunnel junction type TMR element having a dual spin valve structure according to a third embodiment.
【図7】第3の実施の形態に係るデュアルスピンバルブ
構造の二重トンネル接合型TMR素子の製造方法の続き
を示す工程断面図。FIG. 7 is a process cross-sectional view showing a continuation of the method of manufacturing the dual tunnel junction type TMR element having the dual spin valve structure according to the third embodiment.
【図8】第4の実施の形態に係るTMR素子を用いたM
RAMの構成を示す図。FIG. 8 illustrates an M using the TMR element according to the fourth embodiment.
FIG. 2 illustrates a configuration of a RAM.
【図9】第5の実施の形態に係る記憶層と磁化の固着層
の構成に関する説明図。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a storage layer and a pinned layer of magnetization according to a fifth embodiment.
1、3、1a、3a、12、14…強磁性層 2、2a、15…非磁性層 4、6…ドメイン 5…エッジドメイン 10…記憶層 11…トンネルバリア層 13…反強磁性層 101、103…強磁性層 102…非磁性層 301、303…Ni3Co3Fe4 302…Ru 304、310…W 305…Ta 306、309…Co5Fe5 307、308…Al2O3 311…層間絶縁膜 312…上部配線電極 601a…Co9Fe 601b…Ni4Fe6 602…Cu 603…Ni3Co3Fe4 604…Ta 605、610…PtMn 606、609…Co7Fe3 607、608…AlOx 611…W 801…シリコン基板 802…N+ソース/ドレイン領域 803…ゲート電極 804…プラグ 805…下部配線電極 806…ビット線 807…ワード線 808…層間絶縁膜1, 3, 1a, 3a, 12, 14 ... ferromagnetic layer 2, 2a, 15 ... nonmagnetic layer 4, 6 ... domain 5 ... edge domain 10 ... storage layer 11 ... tunnel barrier layer 13 ... antiferromagnetic layer 101, 103 ... ferromagnetic layers 102 ... non-magnetic layer 301,303 ... Ni 3 Co 3 Fe 4 302 ... Ru 304,310 ... W 305 ... Ta 306,309 ... Co 5 Fe 5 307,308 ... Al 2 O 3 311 ... interlayer insulating film 312 ... upper wiring electrode 601a ... Co 9 Fe 601b ... Ni 4 Fe 6 602 ... Cu 603 ... Ni 3 Co 3 Fe 4 604 ... Ta 605,610 ... PtMn 606,609 ... Co 7 Fe 3 607,608 ... AlO x 611 ... W 801 ... silicon substrate 802 ... N + source / drain regions 803 ... gate electrode 804 ... plug 805 ... lower wiring electrode 806 ... bit Line 807 ... word line 808 ... interlayer insulating film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01F 10/08 G01R 33/06 R H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72)発明者 斉藤 好昭 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 砂井 正之 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高橋 茂樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中島 健太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 2G017 AA01 AB07 AD55 AD65 5D034 BA03 BA05 BA15 CA08 5E049 BA12 BA16 5F083 FZ10 GA05 GA09 GA11 GA27 GA30 JA39 JA60 PR04 PR12 PR22 PR38 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01F 10/08 G01R 33/06 R H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72) Inventor Yoshiaki Saito Kanagawa In-house Toshiba Research and Development Center, Komukai Toshiba-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Masayuki Sunai In Toshiba Research and Development Center, Komukai Toshiba-cho, Kochi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Shigeki Takahashi 1 Toshiba R & D Center, Komukai Toshiba-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Kentaro Nakajima 1 Toshiba Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture R & D Center Toshiba Corporation F term (reference) 2G017 AA01 AB07 AD55 AD65 5D034 BA03 BA05 BA15 CA08 5E049 BA12 BA16 5F083 FZ10 GA05 GA09 GA11 GA27 GA30 JA39 JA60 PR04 PR12 PR22 PR38
Claims (14)
れ、かつ前記第1の磁性層と磁気結合した第2の磁性層
と、 前記第2の磁性層が前記非磁性層と接する面と反対側の
面において前記第2の磁性層と積層された第2の非磁性
層と、 前記第2の非磁性層を介して前記第2の磁性層と積層形
成された第3の磁性層とを備え、 前記第1または第2の磁性層は厚さの不均一な連続膜、
島状領域、もしくは複数の微粒子を備えることを特徴と
する磁気抵抗効果素子。A first magnetic layer; a first non-magnetic layer laminated on the first magnetic layer; and a first magnetic layer laminated on the first non-magnetic layer via the first non-magnetic layer. A second magnetic layer magnetically coupled to the first magnetic layer; and a second magnetic layer laminated with the second magnetic layer on a surface of the second magnetic layer opposite to a surface in contact with the nonmagnetic layer. And a third magnetic layer laminated with the second magnetic layer with the second nonmagnetic layer interposed therebetween, wherein the first or second magnetic layer has a non-thickness. Uniform continuous membrane,
A magnetoresistive element comprising an island region or a plurality of fine particles.
所の膜厚は1ナノメートル以下であり、最も厚い個所の
膜厚は前記最も薄い個所の膜厚より20%以上厚いこと
を特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。2. The film thickness of the thinnest portion of the continuous film having a non-uniform thickness is 1 nm or less, and the film thickness of the thickest portion is 20% or more larger than the film thickness of the thinnest portion. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein:
さは0.3ナノメートル以上3ナノメートル以下である
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the average thickness of the island region or the fine particles is not less than 0.3 nm and not more than 3 nm.
性を示すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1
項に記載の磁気抵抗効果素子。4. The method according to claim 1, wherein the first or second magnetic layer has superparamagnetism.
Item 7. The magnetoresistive element according to item 1.
非磁性層が示す飽和磁化に対する残留磁化の割合が、前
記第1または第2の磁性層が示す飽和磁化に対する残留
磁化の割合よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至
請求項4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。5. The ratio of the residual magnetization to the saturation magnetization indicated by the first and second magnetic layers and the first nonmagnetic layer is determined by the ratio of the residual magnetization to the saturation magnetization indicated by the first or second magnetic layer. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ratio is larger than the ratio.
の不均一な連続膜を備える第2の磁性層とを備えること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。6. A first magnetic layer, a non-magnetic layer formed on the first magnetic layer, and a non-magnetic layer interposed between the first magnetic layer and a non-uniform thickness. And a second magnetic layer having a continuous film.
とを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に
記載の磁気抵抗効果素子。7. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the second nonmagnetic layer is a conductive layer.
とを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に
記載の磁気抵抗効果素子。8. The magnetoresistance effect element according to claim 1, wherein the second nonmagnetic layer is a dielectric.
の非磁性層を介して強磁性結合、または反強磁性結合し
ていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれ
か1項に記載の磁気抵抗効果素子。9. The method according to claim 1, wherein the first and second magnetic layers include the first magnetic layer.
9. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein ferromagnetic coupling or antiferromagnetic coupling is performed via the nonmagnetic layer.
及びニッケルのいずれか1つを含む強磁性金属の合金、
又は前記強磁性金属の化合物、又は前記強磁性金属と非
金属との固溶体であることを特徴とする請求項1乃至請
求項9のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。10. The material of the magnetic layer is made of cobalt, iron,
And an alloy of a ferromagnetic metal containing any one of nickel and
The magnetoresistance effect element according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetoresistance effect element is a compound of the ferromagnetic metal or a solid solution of the ferromagnetic metal and a nonmetal.
Ir、Cu、Au、Agのいずれか1つを含む金属、又
はその合金であることを特徴とする請求項1乃至請求項
10のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。11. The material of the first nonmagnetic layer is Ru,
The magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 10, wherein the element is a metal containing any one of Ir, Cu, Au, and Ag, or an alloy thereof.
性層と積層された第4の磁性層とを備えることを特徴と
する請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の磁
気抵抗効果素子。12. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a fourth magnetic layer laminated on the third magnetic layer via a third nonmagnetic layer. The magnetoresistive effect element as described in the above.
外部磁場によって磁化の方向が変化する磁化自由層であ
って、前記第3の磁性層は前記外部磁場の下で外部磁場
がゼロの状態で磁化方向を略保持する磁化固着層である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか1
項に記載の磁気抵抗効果素子。13. The first and second magnetic layers are magnetization free layers in which the direction of magnetization changes according to a predetermined external magnetic field, and the third magnetic layer has an external magnetic field under the external magnetic field. 13. The pinned layer according to claim 1, wherein the pinned layer substantially holds the magnetization direction in a zero state.
Item 7. The magnetoresistive element according to item 1.
項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えることを特徴と
する磁気記憶装置。14. The method according to claim 1, wherein
A magnetic storage device comprising a plurality of magnetoresistive elements described in the section.
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