JP2003115621A

JP2003115621A - トンネル磁気抵抗効果素子およびその作製方法

Info

Publication number: JP2003115621A
Application number: JP2001310012A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Okano; 一久岡野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】電流磁界で書き込み可能であるような所望の
保磁力を持つトンネル磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】垂直磁化膜を持つ強磁性層を重希土類金
属と３ｄ遷移金属との合金膜とし、その合成膜の組成を
変えて垂直磁気異方性定数Kuと飽和磁化Msの値を適当に
調節することにより、電流磁界で書き込み可能であるよ
うな所望の保持力を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル磁気抵抗
効果素子およびその作製方法に関し、特に、トンネル磁
気抵抗効果素子をマトリックス状に配置した不揮発固体
磁気記憶装置（MRAM）に用いられるトンネル磁気抵抗効
果素子およびその作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、磁性薄膜メモリは、半導体メ
モリと同様に移動部のない固体メモリとして知られてい
る。このような磁性薄膜メモリは、電源が遮断されても
情報が消失しない、情報の繰り返し書き換え回数が無限
回である、放射線が入射しても情報が消失する危険性が
ない等の条件をすべて満たしており、従来の半導体メモ
リと比較して有利な点を数多く持っている。

【０００３】中でも、最近において提案されているトン
ネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto Resistive）効
果を利用した磁性薄膜メモリは、従来の異方性磁気抵抗
効果、巨大磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜メモリと比
較して大きな出力を得ることができるため、特に注目さ
れている。

【０００４】トンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜
メモリでは、２つの強磁性層が薄い絶縁層（トンネルバ
リア層）によって隔てられ、この２つの強磁性層のスピ
ン分極率の差に応じた磁気抵抗変化が生じる。トンネル
電流の大きさは、２つの強磁性層の磁化が相対的に平行
か、反平行かに依存する。

【０００５】図１は、従来のトンネル磁気抵抗効果を利
用した磁性薄膜メモリの一構成例を示す概略図である。

【０００６】図１に示すように本従来例の磁性薄膜メモ
リは、保磁力が互いに異なる強磁性層１，３間にトンネ
ルバリア層（絶縁層）２を挟み込んだ構造より成ってい
る。

【０００７】上記のように構成された磁性薄膜メモリに
おいては、強磁性層１，３間に電圧４が印加されると、
一方の強磁性層からの電子がトンネルバリア層２を貫通
して他方の強磁性層に進入してトンネル電流を発生させ
る。このトンネル電流の大きさは印加電圧に依存する。
抵抗は強磁性層１，３の両層の磁化の状態に依存し、両
層が相対的に平行のとき最小の抵抗値をとり、反平行の
とき最大の抵抗値をとる。この現象は強磁性層１，３が
面内磁気異方性を持つ場合にも、垂直磁気異方性を持つ
場合にも確認されている（日本応用磁気学会誌 24,563-
566(2000)）。

【０００８】このような現象を利用した磁性薄膜メモリ
として、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）
と呼ばれる不揮発性の磁気記憶装置が、日経マイクロデ
バイス P16,P17 2000年3月号などで紹介されている。

【０００９】従来では、トンネル磁気抵抗効果膜に用い
る強磁性層にFe，Co，Niなどの面内磁気異方性を持つ強
磁性層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子の開発が盛ん
である。

【００１０】これに対して、特開平11-213650号公報に
開示されているような垂直磁化膜を用いたトンネル磁気
抵抗効果素子では、素子サイズを小さくしても、反磁界
が生じないため、微細化に優位であることが示されてい
る。

【００１１】このような磁気抵抗効果素子をメモリセル
として用いた場合、情報の記録再生には、磁気抵抗効果
素子を形成している磁性膜の磁化方向を変化させる必要
がある。この際に磁性膜の保磁力や磁化反転磁界の大き
さに応じて、ワード線などに流す電流によって磁界を誘
起し、磁化反転を行う必要がある。

【００１２】また、特開平09-204470号公報にはメモリ
セルの表面にキーパー層と呼ばれる磁性体を備えさせる
ことにより、書き込み磁界を２倍にできるという報告が
ある。したがって、キーパー層を用いれば、書き込み配
線による限界書き込み磁界は、最大200[Oe]程度と見積
もれる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、メモリ
セルの磁化を書き換えるために必要な磁界である反転磁
界は、ソフト層では10[Oe]〜200[Oe]、ハード層ではソ
フト層よりも10[Oe]程度以上高い磁界、すなわち20[Oe]
〜20[kOe]程度の磁界を必要とする。メモリセルに必要
とされる、そのような反転磁界はメモリセルの持つ物性
値としては、個々の磁性層の保磁力に相当する。

【００１４】本発明の目的は、垂直磁化膜を用いたトン
ネル磁気抵抗効果素子への情報の書き込みに関し、電流
磁界で書き込み可能であるような所望の保磁力を持つト
ンネル磁界抵抗効果素子およびその作製方法を提供する
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、垂直磁化膜
を重希土類金属と遷移金属との合金膜とし、その組成を
調整することにより所望の保磁力を達成することを特徴
とするものである。

【００１６】さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素
子は、重希土類金属と遷移金属との合金膜にCuなどの非
磁性遷移金属を加えることにより、飽和磁化Msを細かく
制御して所望の保磁力を持つ磁性層を達成することを特
徴とするものである。

【００１７】さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素
子は、重希土類金属と遷移金属との合金膜に飽和磁化Ms
の小さな軽希土類金属を加え、その合金膜中に重希土類
金属としてTb、Dyなどの垂直磁気異方性を高める元素を
加え、組成調整を行うことにより、所望の保磁力を達成
することを特徴とするものである。

【００１８】さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素
子は、大きな垂直磁気異方性を持つ重希土類金属と遷移
金属との合金膜からなる磁性層（第１および第４磁性
層）に、面内磁気異方性を持つ磁性層（第２および第４
磁性層）を交換結合させることにより、所望の保磁力を
達成することを特徴とするものである。

【００１９】さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素
子の作製方法は、垂直磁気異方性を持つ磁性層（第１お
よび第４磁性層）を作製する際に、基板バイアス電圧の
制御を行うことにより、所望の保磁力を達成することを
特徴とするものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【００２１】本発明においては、垂直磁化膜の保磁力に
着目した。垂直磁化膜の保磁力は、Hcを保磁力の大きさ
とすると、以下の式で表される。

【００２２】Hc＝Ku−2πMs² ここで、Kuは垂直磁気異方性定数であり、Msは飽和磁化
である。垂直磁化膜としては、現在、光磁気記録媒体の
材料として知られている希土類遷移金属合金薄膜が知ら
れている。

【００２３】特に、希土類遷移金属合金薄膜として、重
希土類金属と３ｄ遷移金属の合金薄膜が用いられてお
り、重希土類金属と３ｄ遷移金属の磁気モーメントは反
平行に結合するため、飽和磁化Msは小さく制御すること
が可能である。中でもTb，Dyと３ｄ遷移金属の合金薄膜
では大きなKuを有している。

【００２４】光磁気記録媒体では、昇温により記録再生
を行うため、情報を安定して保持するために、室温で保
磁力が大きい組成の磁性層を用いることが多い。

【００２５】一方、軽希土類金属と３ｄ遷移金属の合金
薄膜では、垂直磁気異方性を持つものの軽希土類金属と
３ｄ遷移金属の磁気モーメントが平行に結合するため、
飽和磁化Msが大きく磁化が垂直に向きにくい。また、垂
直磁気異方性は成膜時の基板バイアスなどによって制御
することも可能である（特開2001-110051号公報）。

【００２６】このような状況のもとで更に検討を行った
結果、上述の垂直磁化膜を用いての不揮発性磁気記憶装
置における情報の限界書き込み磁界以内に保磁力を制御
する方法を見出した。

【００２７】垂直磁化膜を用いたトンネル磁気抵抗効果
素子は図２に示すように、電界効果型トランジスタによ
り駆動される。図２は、基板上にゲート２５、ソース２
７を備え、さらに、トンネル磁気抵抗効果素子２１を記
憶素子としている。また、ワード線２６から生じる電流
磁界の垂直成分とビット線２２から生じる電流磁界の面
内成分との足し合わせにより、書き込みが行われ、ビッ
ト線２２から読み出しができる不揮発性磁気記憶装置で
ある。メモリセル間は層間絶縁膜２３により電気的に孤
立した状態になっている。

【００２８】トンネル磁気抵抗効果素子２１と電界効果
型トランジスタは、トンネル磁気抵抗効果素子２１の下
端部と、電界効果型トランジスタのドレイン部分とを、
メタルプラグ２４を介して導通させる。図３および図４
に、ワード線に6.5MA/cm²の電流密度でワード線とビッ
ト線に同時に電流を流したときの構成図、電流から発生
する磁界が記録素子の位置で生じる磁場の図をそれぞれ
示す。図３において、記録素子３３に書き込みを行うと
きは、ワード線３１，３２に互いに逆向きに電流を流
し、同時にビット線３４にも電流を流す。記録素子３３
に書き込みを行うときは、ビット線３５には電流を流さ
ない。図４では、図３の方法で電流を流したときの発生
磁界を記してある。メモリセル（図４では「記録セ
ル」）部分に最大１００［Ｏｅ］程度の書き込み磁界が
付与可能であることがわかる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する
が、本発明は以下に記載する実施例によって何ら限定さ
れるものではない。

【００３０】（実施例１）図５に示すように本実施例に
おけるトンネル磁気抵抗効果膜は、シリコン基板５６上
に、下部電極層５５、下部強磁性層５４、絶縁層５３、
上部強磁性層５２、上部電極層５１を順次積層した構造
を持つ。これらの層については、5×10^-5Pa以下まで排
気した後、スパッタリング装置で成膜を行った。

【００３１】図６に図５のトンネル磁気抵抗効果膜の磁
化曲線の一例を示す。

【００３２】図５における上部強磁性層５２と下部強磁
性層５４は保磁力に差があるので、図６のように２段階
の磁化曲線が描かれる。

【００３３】本実施例では、下部強磁性層５４に低保磁
力磁性層としてGdFe層、上部強磁性層５２に高保磁力磁
性層としてTbFe層を用いている。

【００３４】図７にGdFe磁性層における保磁力とGdの組
成依存のグラフを示す。図７から明らかなようにGdの組
成が20[%]以上29[%]以下のところで保磁力20[Oe]以上を
達成することができた。

【００３５】さらに、図８にTbFe磁性層における保磁力
とTbの組成依存のグラフを示す。図８から明らかなよう
にTbの組成が14[%]以上20[%]以下のところで保磁力3[kO
e]以上を達成することができた。

【００３６】本実施例の特徴は、図９に示すように重希
土類金属Gdと遷移金属Feが反平行に結合することを利用
して、その組成を調整することにより、Msの値を調整
し、所望の保磁力を達成することにある。

【００３７】希土類−遷移金属の材料については、特開
2000-307170号公報にGdと遷移金属の合金膜においてす
でに開示されているが、垂直磁気異方性を持つ磁性層で
あれば、Gd以外の重希土類金属（例えば、Tb，Dy，Ho，
Er，Tm）を用いても構わず、その組成を調整することに
よって、同様の効果を得ることができる。なお、遷移金
属の材料については、Fe以外の遷移金属（例えば、Co）
を用いても良い。

【００３８】（実施例２）本実施例では、実施例１にお
ける低保磁力磁性層の元素が重希土類金属、磁性遷移金
属、非磁性遷移金属よりなり、重希土類金属としてGd、
磁性遷移金属としてFe、非磁性遷移金属としてCuを用い
ている。成膜の構成および成膜条件は実施例１と同じ条
件下で行った。

【００３９】本実施例では、実施例１に比べてより細か
くMsを変化させることができる。GdとFeのみで組成を調
整しようとした場合、GdとFeは反平行に結合しているの
で、Msの変化量はGdの持つ磁化の変化量とFeの持つ磁化
の変化量を足し合わせた量だけ変化する。しかしなが
ら、本実施例のようにCuを加えて一方の磁性層のみを濃
度変化させると磁化の変化は濃度変化させた磁性元素の
変化量のみとなるので、Msの調整を細かく設定すること
ができた。

【００４０】本実施例の特徴は、図１０に示すように磁
化が反平行に結合している重希土類金属Gdと磁性遷移金
属Feの合金に非磁性遷移金属Cuがを添加し、その組成を
細かく調整することにより、Msの値を細かく調整し、所
望の保磁力を達成することにある。

【００４１】希土類−遷移金属の材料については、特開
2000-307170号公報にGdと遷移金属の合金膜に限定して
すでに開示されているが、垂直磁気異方性を持つ磁性層
であれば、Gd以外の重希土類金属（例えば、Tb，Dy，H
o，Er，Tm）を用いても構わず、その組成を調整するこ
とによって、同様の効果を得ることができる。なお、磁
性遷移金属の材料については、Fe以外の磁性遷移金属
（例えば、Co）を用いても良く、非磁性遷移金属の材料
については、Cu以外の非磁性遷移金属（例えば、Ti，C
r，Zn，Mo，Ru，Pd，Ag，Ta，W，Pt，Au）を用いても良
い。

【００４２】（実施例３）本実施例では、実施例１にお
ける低保磁力磁性層の元素が軽希土類金属、重希土類金
属、遷移金属よりなり、軽希土類金属としてSm、重希土
類金属としてTb、遷移金属としてFeを用いている。成膜
の構成および、成膜条件は実施例１と同じ条件下で行っ
た。

【００４３】本実施例では、Kuを変化させて保磁力を調
整することができる。SmFe合金薄膜にTbを添加していく
ことにより、垂直磁気異方性Kuが増大し、面内磁化膜で
あったSmFe合金薄膜を垂直磁化膜とすることができた。
さらに、遷移金属の濃度を一定として、SmとTbの組成比
を適当に変化させることによって、保磁力を調節するこ
とができた。

【００４４】本実施例の特徴は、図１１に示すように軽
希土類金属Smと遷移金属Feが平行に結合し、重希土類金
属Gdと遷移金属Feが反平行に結合することを利用して、
その組成比を調整することにより、Kuの値を調整し、所
望の保磁力を達成することにある。

【００４５】重希土類金属の材料については、Tb以外の
重希土類金属（例えば、Gd，Dy，Ho，Er，Tm）を用いて
も構わず、その組成を調整することによって、同様の効
果を得ることができる。なお、遷移金属の材料について
は、Fe以外の遷移金属（例えば、Co）を用いても良く、
軽希土類金属の材料については、Sm以外の軽希土類金属
（例えば、Ce，Pr，Nd，Pm，Eu）を用いても良い。

【００４６】（実施例４）本実施例では、希土類金属と
遷移金属の合金薄膜においてスパッタリングによる成膜
時に基板バイアス電圧を印加することにより、垂直磁気
異方性Kuを増大させて、保磁力を調節するものであり、
希土類金属としてGd、遷移金属としてFeを用いている。

【００４７】図１２にGdFe合金薄膜における垂直磁気異
方性の基板バイアス依存性のグラフを示す。

【００４８】図１２から明らかなように基板バイアスVb
＝-180[V]付近で最大のKuをとる。したがって、わずか
に面内に傾いている組成のGdFe合金薄膜に基板バイアス
電圧を印加するとそのGdFe合金薄膜は垂直磁化膜とな
り、基板バイアス電圧を、一例として-200[V]〜＋200
[V]の範囲内で適当に調整することにより、保磁力を調
整することができた。

【００４９】本実施例の特徴は、Ku−2πMs²＝0付近の
組成のGdFe合金薄膜に基板バイアスを掛けることによっ
てKuの値を調整し、所望の保磁力を達成することにあ
る。

【００５０】希土類−遷移金属の材料については、特開
2000-307170号公報にGdと遷移金属の合金膜に関して開
示されているが、垂直磁気異方性を持つ磁性層であれ
ば、Gd以外の重希土類金属（例えば、Tb，Dy，Ho，Er，
Tm）を用いても構わず、その組成を調整することによっ
て、同様の効果を得ることができる。なお、遷移金属の
材料については、Fe以外の遷移金属（例えば、Co）を用
いても良い。

【００５１】（実施例５）本実施例では、重希土類金属
と遷移金属の合金薄膜のうち垂直磁化膜である組成の膜
と面内磁気異方性を持つ遷移金属膜を交換結合させて多
層膜とすることで、保磁力を制御するものである。

【００５２】図１３に本実施例におけるトンネル磁気抵
抗効果膜の構成の一例を示す。

【００５３】本実施例では、垂直磁化膜の膜厚と面内磁
化膜の膜厚の比率を適当に調節することにより、所望の
保磁力を達成することができる。

【００５４】希土類−遷移金属の材料については、特開
2000-307170号公報にGdと遷移金属の合金膜に関してす
でに開示されているが、垂直磁気異方性を持つ磁性層で
あれば、Gd以外の重希土類金属（例えば、Tb，Dy，Ho，
Er，Tm）を用いても構わず、その組成を調整することに
よって、同様の効果を得ることができる。なお、遷移金
属の材料については、例えば、Fe，Co等を用いることが
できる。

【００５５】

【発明の効果】上述のように本発明のトンネル磁気抵抗
効果素子は、垂直磁気異方性を保ちながら、保磁力の値
を正確に制御することが可能であるため、電流磁界で書
き込み可能であるような所望の保磁力を達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄
膜メモリの一構成例を示す概略図である。

【図２】トンネル磁気抵抗効果素子を駆動させる構造を
説明するための図である。

【図３】トンネル磁気抵抗効果素子に電流磁界を掃引す
る際の動作を説明するための図である。

【図４】トンネル磁気抵抗効果素子に電流磁界を掃引し
たときにトンネル磁気抵抗効果素子にかかる磁界を説明
するための図である。

【図５】本発明の実施例１におけるトンネル磁気抵抗効
果素子の構成を示す図である。

【図６】本発明の実施例１におけるトンネル磁気抵抗効
果膜の磁化曲線を示す図である。

【図７】本発明の実施例１におけるGdFe層の保磁力のGd
組成依存性を示す図である。

【図８】本発明の実施例１におけるTbFe層の保磁力のTb
組成依存性を示す図である。

【図９】本発明の実施例１における保磁力制御の方法を
示す図である。

【図１０】本発明の実施例２における保磁力制御の方法
を示す図である。

【図１１】本発明の実施例３における保磁力制御の方法
を示す図である。

【図１２】本発明の実施例４における保磁力制御のため
の基板バイアス依存性を示す図である。

【図１３】本発明の実施例５における保磁力制御の方法
を示す図である。

【符号の説明】

１強磁性層２トンネルバリア層（絶縁層）３強磁性層４印加電圧２１トンネル磁気抵抗効果素子２２ビット線２３層間絶縁膜２４メタルプラグ２５ゲート２６ワード線２７ソース３１ワード線３２ワード線３３記録素子３４ビット線３５ビット線５１上部電極層５２上部強磁性層５３絶縁層５４下部強磁性層５５下部電極層５６基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の垂直磁化膜／絶縁層／第２の垂直
磁化膜の構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子におい
て、前記第１の垂直磁化膜および前記第２の垂直磁化膜が重
希土類金属と遷移金属との合金であって、前記第１の垂
直磁化膜の保磁力が10[Oe]〜200[Oe]であり、前記第２
の垂直磁化膜の保磁力が20[Oe]〜20[kOe]であることを
特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】前記第１の垂直磁化膜および前記第２の
垂直磁化膜が、前記重希土類金属としてGd，Tb，Dyの中
から選ばれる少なくとも１種の元素と、前記遷移金属と
してFe，Coの少なくとも一方の元素を含む、請求項１記
載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】前記第１の垂直磁化膜および前記第２の
垂直磁化膜が、更に非磁性遷移金属を含む、請求項１に
記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】前記非磁性遷移金属がTi，Cr，Cu，Zn，
Mo，Ru，Pd，Ag，Ta，W，Pt，Auの中から選ばれる少な
くとも１種の元素を含む、請求項３記載のトンネル磁気
抵抗効果素子。
【請求項５】前記第１の垂直磁化膜および前記第２の
垂直磁化膜が、更に軽希土類金属を含む、請求項１また
は３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】前記軽希土類金属がCe，Pr，Nd，Pm，S
m，Euの中から選ばれる少なくとも１種の元素を含む、
請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】第１磁性層／第２磁性層／非磁性層／第
３磁性層／第４磁性層がこの順で積層されており、前記
第１磁性層および前記第４磁性層が垂直磁化膜からな
り、前記第２磁性層および前記第３磁性層が前記第１磁
性層および前記第４磁性層よりも面内磁気異方性が大き
な磁性膜からなるトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第１磁性層および前記第２磁性層の膜面垂直方向の
合成保磁力が10[Oe]〜200[Oe]であり、前記第３磁性層
および前記第４磁性層の膜面垂直方向の合成保磁力が20
[Oe]〜20[kOe]であることを特徴とするトンネル磁気抵
抗効果素子。
【請求項８】前記第１磁性層および前記第４磁性層
が、重希土類金属と遷移金属との合金膜からなり、前記
重希土類金属としてGd，Tb，Dyの中から選ばれる少なく
とも１種の元素を含み、前記遷移金属としてFe，Coの少
なくとも一方の元素を含む、請求項７記載のトンネル磁
気抵抗効果素子。
【請求項９】請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果
素子の作製方法であって、前記第１の垂直磁化膜および前記第２の垂直磁化膜の成
膜時に‐200[V]〜+200[V]の基板バイアス電圧を印加す
る、トンネル磁気抵抗効果素子の作製方法。