JP2002524865A - 磁気抵抗素子及びメモリセル装置中でのメモリ素子としてのその使用 - Google Patents

磁気抵抗素子及びメモリセル装置中でのメモリ素子としてのその使用

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JP2002524865A JP2000569406A JP2000569406A JP2002524865A JP 2002524865 A JP2002524865 A JP 2002524865A JP 2000569406 A JP2000569406 A JP 2000569406A JP 2000569406 A JP2000569406 A JP 2000569406A JP 2002524865 A JP2002524865 A JP 2002524865A
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Abstract

(57)【要約】 磁気抵抗素子中に非磁性層素子（３）が第１の強磁性層素子（１）と第２の強磁性層素子（２）との間に配置されている。この非磁性層素子（３）は磁気抵抗素子の製造の際に必要な温度範囲において拡散バリア作用を示す材料からなり、それ自体隣接する強磁性層素子内へ拡散侵入しない。この磁気抵抗素子はセンサ素子としてもメモリセル装置中のメモリ素子としても適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は磁気抵抗素子及びメモリセル装置中でのメモリ素子としてのその使用
に関する。
【０００２】 磁気抵抗素子は、センサ素子として又はメモリセル装置用のメモリ素子として
、いわゆるＭＲＡＲとして使用される（S. Mengel, Technologieanalyse Magnet
ismus Band 2, XMR-Technologien, Herausgeber VDI Technologiezentrum Physi
kalische Technologien, Augst 1997参照）。磁気抵抗素子とはこの専門分野に
おいて、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置された非磁性層とを有する構
造であると解釈される。この積層構造体の構造に応じてＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子
及びＣＭＲ素子が区別される。
【０００３】 ＧＭＲ素子の概念は、専門分野において、少なくとも２つの強磁性層とその間
に配置された１つの非磁性の導電層を有し、いわゆるＧＭＲ（巨大磁気抵抗；gi
ant magnetoresistance）効果を示す構造体に対して使用される。ＧＭＲ効果と
は、ＧＭＲ素子の電気抵抗が２つの強磁性層中の磁化が平行かもしくは反平行に
向いているかどうかに依存する現象と解釈される。ＧＭＲ素子はいわゆるＡＭＲ
（異方性磁気抵抗；anisotropic magnetoresistance）効果と比較して大きい。
ＡＭＲ効果とは、磁化された導体中での抵抗が磁化方向に対して平行方向及び垂
直方向で異なる現象と解釈される。ＡＭＲ効果は単一の強磁性層中で生じる容積
効果であると解釈される。
【０００４】 ＴＭＲ素子の概念は、専門分野において、少なくとも２つの強磁性層及びその
間に配置された絶縁性の非磁性層を有するトンネリング・マグネットレジスタン
ス（Tunneling Magnetoresistance）積層構造体に対して使用される。この場合
、絶縁層は２つの強磁性層の間にトンネル電流が生じる程度に薄い。この積層構
造体は同様に磁気抵抗効果を示し、この効果は両方の強磁性層間に配置された絶
縁性の非磁性層を通過するスピン分極トンネル電流により生じる。この場合でも
、ＴＭＲ素子の電気抵抗は、両方の強磁性層中の磁化が平行又は反平行に向いて
いるかどうかに依存する。この相対抵抗はこの場合約６％〜約３０％である。
【０００５】 その相対抵抗の大きさ（室温で１００〜４００％の相対抵抗）のために、コロ
ッサル・マグネットレジスタンス（Collosal Magnetoresistance）効果（ＣＭＲ
効果）と呼ばれるもう一つの磁気抵抗効果は、著しく高い保磁力のために、磁化
状態間で切り替えるために高い磁場を必要とする。
【０００６】 メモリセル装置中のメモリ素子としてＧＭＲ素子を使用することが提案されて
いる（例えばS. Tehrani et al, IEDM 96-193及びD. D. Tang et al, IEDM 95-9
97参照）。このメモリ素子は読み出しラインを介して直列に接続されている。こ
れに対して横方向にワードラインが延在し、ワードラインは読み出しラインに対
して並びにメモリセルに対して絶縁されている。ワードラインに印加される信号
はワードライン中を流れる電流により磁場を発生させ、この磁場は十分な強度の
場合、その下方に存在するメモリ素子に影響を与える。情報を書き込むために、
書き込むべきメモリセルの上方で交差するＸ／Ｙ−ラインが使用される。これら
のラインには信号が送られ、この信号は交点で磁化の切り替えのために十分な磁
場を発生させる。この場合、２つの強磁性層の一方の磁化方向が切り替えられる
。２つの強磁性層の他方の磁化方向はそれに対して変化しない。最後に挙げた磁
性層中での磁化方向の固定維持は、磁化方向を拘束する隣接する反磁性層により
行われるか、又はこの強磁性層に対する切り替え閾値が他の材料又は他の寸法に
より、例えば最初に挙げた強磁性層と比較して層厚が増大することにより行われ
る。
【０００７】 米国特許第５５４１８６８号明細書中には、ＧＭＲ効果に基づく環状のメモリ
素子が提案されている。メモリ素子は少なくとも２つの環状の強磁性層素子とそ
の間に配置された非磁性の導電性層素子とから構成される積層物を有する。強磁
性層素子はその材料組成が異なる。強磁性層素子の一方は硬磁性であり、他方は
軟磁性である。情報の書き込みのために、軟磁性層素子中の磁化方向が切り替え
られ、硬磁性層素子中の磁化方向は維持される。
【０００８】 例えば集積された磁気抵抗メモリセル装置として又は集積されたセンサ装置と
しての磁気抵抗効果の大規模工業的使用に関して、磁気抵抗素子を半導体プロセ
ス技術に組み込むことが必要である。半導体プロセス技術において、特に半導体
装置の仕上げの際にウェハ平面でのいわゆるバックエンドプロセス（ＢＥＯＬ（
Back end of line）とも呼ばれる）において少なくとも４５０℃までの温度が生
じ（例えばD. Widmann et al, Technologie integrierter Schaltungen, Spring
er Verlag 1996, p. 58参照）、磁気抵抗素子も同様にこのプロセスにさらされ
る。この温度では磁気抵抗層系中に含まれる元素、特にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ
等の拡散運動性に基づき拡散を考慮しなければならず、この拡散は強磁性層の特
性を、異なる材料組成からなる強磁性層素子を備えた磁気抵抗素子がもはや機能
しなくなるほど変化させてしまう。このような拡散に基づき界面領域で材料組成
の変化が生じ、この変化はこの素子中での磁気抵抗効果の要因となるスピン依存
性電子伝達を妨げる。従って、この界面を介する既にわずかな拡散を生じる１〜
５ｎｍの範囲内の活動範囲を有する材料移動は磁気的及び電気的特性を著しく変
化させる。数ナノメータの拡散長さでも完全に変化した界面特性の原因となるこ
とがあり、これは磁気抵抗素子の特性ドリフト又はさらに完全な欠損を引き起こ
す（I. Kaur, W. Gust, "Fundamentals of Grain an Interphase Boundary Diff
usion", Ziegler Press, Stuttgart (1989), page 16 - 26, 287, 316 - 318及
びI. Kaur, W. Gust, L. Kozma, Handbook of Grain and Interphase Boundary
Data, Volume 1 and 2, Ziegler Press, Stuttgart (1989), page 8 - 13, 220
- 224, 403, 515, 528, 530, 776, 952 - 953, 966 - 998参照）。
【０００９】 半導体プロセス技術において磁気抵抗素子を組み込むことの問題及びその際に
生じることのある難点は今まで文献において扱われていなかった。
【００１０】 本発明の根底をなす課題は、半導体プロセス技術の範囲内で製造可能な磁気抵
抗素子を提供することであった。
【００１１】 前記課題は、本発明により、請求項１記載の磁気抵抗素子により解決される。
本発明の他の実施態様は、残りの請求項に記載されている。
【００１２】 磁気抵抗素子は第１の強磁性層素子、非磁性層素子及び第２の強磁性層素子を
有し、その際、非磁性層素子は第１の強磁性層素子と第２の強磁性層素子との間
に配置されている。非磁性層素子は、磁気抵抗素子の製造の際に必要な温度範囲
内で拡散バリア作用を示す。この温度範囲からなる温度に磁気抵抗素子は製造の
際にさらされる。
【００１３】 本発明による磁気抵抗素子においてプロセス中で生じる温度負荷に基づく強磁
性層の特性の変化を、非磁性層素子が拡散バリア作用を有する材料から形成され
、かつその材料自体が隣接する強磁性層素子内へ拡散侵入しないことにより回避
される。
【００１４】 有利に非磁性層素子は２０℃〜４５０℃の温度範囲で拡散バリア作用を示す材
料から形成される。それによりシリコンプロセス技術において磁気抵抗素子を取
り囲む装置の仕上げの際に生じる温度負荷において、特にメタライジングシステ
ムのプロセッシングの際に４５０℃までの温度負荷において、第１の強磁性層素
子並びに第２の強磁性層素子と非磁性層素子との間に拡散は起こらない。
【００１５】 これは本発明の範囲内で、非磁性層素子は元素のＴｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ
の少なくとも１種を、Ｎ、Ｓｉ又はＢの添加もしくは添加なしで含有することに
ある。
【００１６】 非磁性層素子の厚さは有利に２ｎｍ〜４ｎｍである。
【００１７】 第１の強磁性層素子及び第２の強磁性層素子はそれぞれ有利に元素のＦｅ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｄｙの少なくとも１種を含有する。第１及び第２の強磁性層素
子の厚さは有利に２ｎｍ〜２０ｎｍの間にある。強磁性層素子の断面は任意に層
平面に対して平行であり、この層素子は特に円形、楕円形、四辺形、環状であっ
てもよい。
【００１８】 第１の強磁性層素子及び第２の強磁性層素子はその材料組成及び／又はその寸
法に関して異なっている。
【００１９】 この磁気抵抗素子はセンサー素子として並びにメモリセル装置のメモリ素子と
して適している。
【００２０】 次に本発明を図面に基づき実施例により詳説する。図面中に示された図は縮尺
通りではない。
【００２１】 図１は磁気抵抗素子の断面図を示す。
【００２２】 図２はメモリ素子装置を上から見た図を示す。
【００２３】 磁気抵抗素子はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｄｙ又はこれらの合金からなる第１
の強磁性層素子1、Ｎ、Ｓｉ又はＢの添加又は添加なしでのＴｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎ
ｂ、Ｍｏからなる非磁性層素子３及びＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｒｙ又はこれら
の合金からなる第２の強磁性層素子２を有する。第１の強磁性層素子１は約１０
０ｎｍ×１５０ｎｍの寸法のほぼ直角の断面及び約２０ｎｍの厚さを有する。第
２の強磁性層素子は約１００ｎｍ×１５０ｎｍの寸法のほぼ直角の断面及び約５
ｎｍの厚さを有する。非磁性層素子３は約１００ｎｍ×１５０ｎｍの寸法のほぼ
直角の断面及び約２〜４ｎｍの厚さを有する。この磁気抵抗素子中に、Ｎ、Ｓｉ
又はＢを添加したもしくは添加しないＴｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏからなる非磁
性層素子素子により拡散は４５０℃の温度まで有効に防止される。
【００２４】 メモリ素子Ｓとして図１に記載された構造と同様の磁気抵抗素子を有するメモ
リセル装置を構築するために、メモリ素子Ｓは網目状に配置される。各メモリ素
子Ｓはこの場合第１のラインＬ１と第２のラインＬ２との間に接続されている。
第１のラインＬ１は相互に平行に延在し、相互に平行に延在する第２のラインＬ
２と交差する（図２参照）。メモリ素子Ｓの書き込みのために、所属するライン
Ｌ１及び所属するラインＬ２を介してそれぞれ、メモリ素子が配置されている第
１のラインＬ１と第２のラインＬ２との交点で第２の強磁性層素子の磁化方向が
切り替わるために十分な磁場が生じる程度の電流が供給される。各交点での有効
な磁場は、この場合、第１のラインＬ１に供給される電流により誘導される磁場
と第２のラインＬ２に供給される電流により誘導される磁場との重畳である。
【００２５】 メモリセル装置中では、第１の強磁性層素子中の磁化方向と第２の強磁性層素
子中の磁化方向とが平行の配向である磁気抵抗素子の抵抗値は第１の理論値に分
類され、第１の強磁性層素子の磁化方向と第２の強磁性層素子の磁化方向とが反
平行の配向である磁気抵抗素子の抵抗値は第２の理論値に分類される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁気抵抗素子の断面図
【図２】 メモリ素子装置を上から見た図
【符号の説明】
１ 第１の強磁性層素子、 ２ 第２の強磁性層素子、３ 非磁性層素子
───────────────────────────────────────────────────── 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 10/16 Ｈ０１Ｆ 10/16 10/30 10/30 Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の強磁性層素子（１）、非磁性層素子（３）及び第２の
    強磁性層素子（２）を備え、 非磁性層素子（３）が第１の強磁性層素子（１）と第２の強磁性層素子（２）
    との間に配置されており、 非磁性層素子（３）が磁気抵抗素子の製造の際に必要な温度範囲で、拡散バリ
    ア作用を示しかつそれ自体強磁性層素子（１，２）内へ拡散侵入しない材料を含
    有する磁気抵抗素子。
  2. 【請求項２】 非磁性層素子（３）の材料が２０℃〜４５０℃の温度範囲で
    拡散バリア作用を示す、請求項１記載の磁気抵抗素子。
  3. 【請求項３】 第１の強磁性層素子（１）及び第２の強磁性層素子（２）が
    その材料組成に関して異なっている、請求項１又は２記載の磁気抵抗素子。
  4. 【請求項４】 非磁性層素子（３）が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏの元素の少な
    くとも１つ、前記元素の窒化物、前記元素のケイ化物、前記元素のホウ化物又は
    前記元素の少なくとも２つからなる合金を含有する、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の磁気抵抗素子。
  5. 【請求項５】 第１の強磁性層素子（１）及び第２の強磁性層素子（２）が
    それぞれＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｄｙの元素の少なくとも１つを含有する、請
    求項１から４までのいずれか１項記載の磁気抵抗素子。
  6. 【請求項６】 メモリセル装置中のメモリ素子としての請求項１から５まで
    のいずれか１項記載の磁気抵抗素子の使用。
JP2000569406A 1998-09-07 1999-07-01 磁気抵抗素子及びメモリセル装置中でのメモリ素子としてのその使用 Pending JP2002524865A (ja)

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