JP2004023015A - 磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも二つの強磁性領域24,25,26,28とこれらに挟まれた非磁性層27とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域24,25,26の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域28の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層27の前に成膜される強磁性領域26を、二種以上の異なる強磁性材料の積層体26a,26bからなるものとする。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるMR(MagnetoResistive)効果を発生する磁気抵抗効果素子およびその製造方法、並びにその磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が要請されている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分(例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構)の存在により本質的に小型化が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【0003】
このような要求に応え得る不揮発性メモリとして注目されているのが、MRAM(Magnetic Random Access Memory)と呼ばれる磁気メモリ装置である。MRAMは、巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistive;GMR)型またはトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistive;TMR)型の記憶素子を用いて情報記録を行うもので、特に近年のTMR材料の特性向上により注目を集めるようになってきている(例えば、「Naji et al.ISSCC2001」)。
【0004】
ここで、MRAMの動作原理について簡単に説明する。MRAMは、マトリクス状に配列された磁気抵抗効果型の記憶素子(セル)を有するとともに、特定の記憶素子への情報記録のためにこれら素子群を縦横に横切る導線(ワード線)および読出し用線(ビット線)を有しており、その交差領域に位置する素子のみに選択的に情報の書き込みを行うように構成されている。つまり、記憶素子への書き込みは、ワード線およびビット線の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用いて、各記憶素子における磁性体の磁化方向を制御することにより行う。一般的には、磁化の向きに応じて、「0」または「1」のいずれかの情報を記憶させる。一方、記憶素子からの情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて記憶素子の選択を行い、磁気抵抗効果を通じてその記憶素子における磁性体の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。記憶素子の膜構成としては、強磁性体/非磁性体/強磁性体からなる三層構造、すなわち強磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction;MTJ)と呼ばれる構造が提案されている。MTJ構造では、片方の強磁性体の磁化の向きを固定参照層(ピンド/リファレンス層)、他方を記憶層(フリー層)として用いることによって、トンネル磁気抵抗効果を通じて記憶層における磁化方向が電圧信号と対応するようになるので、上述したような電圧信号としての取り出しが実現可能となるのである。
【0005】
続いて、書き込み時における記憶素子の選択についてさらに詳しく説明する。一般に、強磁性体の容易軸方向に磁化方向と反対向きの磁界を印加すると、ある臨界値±Hsw(以下「反転磁界」という)において、磁化方向が印加された磁界の方向に反転することが知られている。この反転磁界の値は、理論的にはエネルギ最小条件から求めることができる。さらに、磁化容易軸だけでなく磁化困難軸方向にも磁界を印加した場合には、この反転磁界の絶対値が減少することが知られている。これも、やはりエネルギ最小条件から求めることができる。すなわち、磁化困難軸方向に印加した磁界をHxとすると、このときの反転磁界Hyとの間には、Hx(2/3)+Hy(2/3)=Hc(2/3)という関係が成立する。Hcは記憶層の異方性磁界である。この曲線は、図9(a)に示すように、Hx−Hy平面上でアステロイド(星芒)を形成するため、アステロイド曲線と呼ばれる。
【0006】
記憶素子の選択は、このアステロイドを用いて説明するのが簡単である。一般に、ワード線からの発生磁界が磁化容易軸方向と略一致している構成のMRAMにおいては、ワード線からの発生磁界により磁化を反転させて情報の記録を行う。ところが、そのワード線から等距離に位置する記憶素子は複数個あるため、ワード線に反転磁界以上の磁界を発生させる電流を流すと、これら等距離に位置する記憶素子の全てについて同様に記録をしてしまうことになる。ただし、このとき、選択したい記憶素子を横切るビット線に電流を流し、磁化困難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい記憶素子における反転磁界が下がる。したがって、このときの反転磁界をHc(h)とし、ビット線磁界が「0」の場合の反転磁界をHc(0)とすると、ワード線磁界HをHc(h)<H<Hc(0)となるように設定すれば、その選択したい記憶素子のみに対して選択的に情報記録を行うことができるようになる。これがMRAMにおける情報記録時の記憶素子選択の手法である。
【0007】
このような構成のMRAMは、不揮発性であり、非破壊読み出しおよびランダムアクセスが可能であるという点の他に、以下に述べるような特徴を有する。すなわち、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また記憶素子における磁気モーメントの回転により情報記録を行うために書き換え可能回数が大である(例えば、1016回以上)。さらには、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている(例えば、5ns以下)。また、MOS(Metal Oxide Semiconductor)作製後に配線工程のみで形成されるため、プロセス整合性がよい。特に、書き換え可能回数、ランダムアクセス、高速動作の3点においてフラッシュメモリよりも優れ、またプロセス整合性の点でFeRAM(Ferro electric Random Access Memory)に勝る。さらには、DRAM(Dynamic Random Access Memory)並みの高集積度とSRAM(Static Random Access Memory)並みの高速性を両立できると期待されるため、メモリ装置の主流となり得る可能性を秘めている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、MRAMについては、フラッシュメモリやFeRAM等といった他の不揮発性メモリあるいはDRAMやSRAM等の揮発性メモリのようなMOSスイッチ等ではなく、直交磁場による選択記録という特徴的な書き込み方式を採用しているため、MRAM固有の技術的課題も存在する。直交磁場による選択記録については、既に図9(a)のアステロイド曲線を参照しながら説明したが、図例のアステロイド曲線は理想的なものであり、現実にMRAMを評価することで得られるアステロイド曲線は、図9(b)に示すような二つの特徴を有したものとなる。すなわち、現実に得られるアステロイド曲線においては、▲1▼各困難軸方向磁界に対する反転磁界の値が各記憶素子間で異なっており(以下、このことを「反転磁界のばらつき」という)、また▲2▼アステロイド曲線自体に容易軸磁場方向(図中の上下方向)へのずれが生じている(以下、このことを「アステロイドのずれ」という)。
【0009】
これら二つの特徴▲1▼,▲2▼を有したアステロイド曲線の場合には、直交磁場による選択記録を行うことが可能な領域が、図9(b)中におけるハッチング領域に限られてしまい、図9(a)に示す理想的なアステロイド曲線の場合に比べて、選択記録のマージン確保が困難になってしまう。このことから、情報記録時の素子選択を的確に行うためには、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「0」に近づけることが重要である。
【0010】
そこで、本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「0」に近づけることを容易に実現可能とし、これにより選択記録のマージンを大きく確保して良好な記録特性を実現することができる磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された物で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域は、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなることを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された方法で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を製造するための製造方法であって、前記二つの強磁性領域および前記非磁性層をその積層順に成膜するとともに、前記非磁性層の成膜に先立って行う強磁性領域の成膜に際して、二種以上の異なる強磁性材料を順に成膜し、当該強磁性領域を前記強磁性材料の積層体によって形成することを特徴とする。
【0013】
また、上記目的を達成するために案出された物で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気抵抗効果素子における強磁性領域の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、前記磁気抵抗効果素子は、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域が、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであることを特徴とする。
【0014】
上記構成の磁気抵抗効果素子、上記手順の磁気抵抗効果素子の製造方法、および上記構成の磁気メモリ装置によれば、非磁性層の前に成膜される強磁性領域が単一の強磁性材料の層からなる場合に比べて、その強磁性領域における非磁性層との界面の平坦化が図れる。これは、単一の層の場合よりも、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるほうが、結晶粒の成長を抑えられるからである。すなわち、その結晶粒の大きさに起因して表面粗さが荒れてしまうのを回避できるからである。そして、非磁性層との界面の平坦化は、各層の界面の状態に起因して発生するネール結合磁界の影響、すなわち強磁性領域における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを招く要因の排除に繋がることになる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてTMR型スピンバルブ素子(以下、単に「TMR素子」という)を、また磁気メモリ装置としてTMR素子を具備したMRAMを、それぞれ例に挙げて説明する。
【0016】
〔磁気メモリ装置の概要〕
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図1は、MRAMの基本的な構成例を示す模式図である。MRAMは、マトリクス状に配された複数のTMR素子1を備えている。さらに、これらのTMR素子1が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差するワード線2およびビット線3が、各TMR素子1群を縦横に横切るように設けられている。そして、各TMR素子1は、ワード線2とビット線3とに上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、ワード線2およびビット線3は、Al(アルミニウム)、Cu(銅)またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【0017】
図2は、MRAMを構成する単一のTMR素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのTMR素子部分では、半導体基板4上に、ゲート電極5、ソース領域6およびドレイン領域7からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ワード線2、TMR素子1およびビット線3が順に配設されている。このことからも明らかなように、TMR素子1は、ワード線2とビット線3との交差点において、これらワード線2およびビット線3に上下から挟まれるように配されている。なお、TMR素子1は、バイパス線8を介して電界効果トランジスタと接続している。
【0018】
このような構成により、MRAMでは、TMR素子1の記憶層に対して、ワード線2およびビット線3の両方に電流を流すことによって合成電流磁界を発生させ、その合成電流磁界を用いて記憶層の磁化方向を変化させることにより、情報の書き込みを行う。また、TMR素子1からの情報の読み出しは、電界効果トランジスタを用いてTMR素子1の選択を行い、そのTMR素子1における情報記憶層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。
【0019】
〔磁気抵抗効果素子の構成〕
続いて、このようなMRAMに用いられるTMR素子1自体の構成について説明する。TMR素子1は、MTJ構造の膜構成を有する。図3は、MTJ構造の基本的な構成例を示す模式図である。MTJ構造は、強磁性体/絶縁体/強磁性体からなる三層構造からなり、片方の強磁性体層の磁化の向きを固定参照層(ピンド/リファレンス層)11、他方を記憶層(フリー層)12として用いる。そして、ワード線2およびビット線3が発生する合成電流磁界によって、その記憶層12の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み(記録)を行うとともに、トンネルMR効果を通じてその記憶層12における磁化方向と電圧信号を対応させている。これら二つの強磁性体層、すなわち固定参照層11および記憶層12の間に挟まれた絶縁体層は、例えばAlの酸化物からなり、トンネル障壁層13としての機能を有する。なお、下地層14や保護層15といった、その他の層は、一般には磁性を持たない材料からなる。
【0020】
図4は、MTJ構造のTMR素子をさらに具体的に説明するための模式図である。TMR素子1としては、例えば、被成膜物である基板(例えばバイパス線)21上に、Ta(タンタル)膜22と、PtMn(白金マンガン)膜23と、CoFe(コバルト鉄)膜24と、Ru(ルテニウム)膜25と、CoFe/CoFeB(コバルト鉄ホウ素)膜26と、Al−Ox(酸化アルミニウム)膜27と、CoFeB膜28と、Ta膜29とが、順に積層されてなるものが挙げられる。
【0021】
このようなTMR素子1のうち、Ta膜22は下地層14として機能するようになっている。また、PtMn膜23は反強磁性層として、非磁性層であるRu膜25を介してCoFe膜24およびCoFe/CoFeB膜26が積層された積層フェリ構造部は固定層として、それぞれ機能するものである。そして、その積層フェリ構造部の磁化方向をPtMn膜23が直接的または間接的に固定することで、これらの各層は固定参照層11として機能することになる。さらに、Al−Ox膜27はトンネル障壁層13として、CoFeB膜28は記憶層12として、Ta膜29は保護層15として、それぞれ機能するようになっている。
【0022】
ところで、以上のような積層構造のTMR素子1では、Al−Ox膜27の直下に位置するCoFe/CoFeB膜26が、CoFe膜26aおよびCoFeB26膜bといった二種類の異なる強磁性材料の積層体からなる点に、大きな特徴がある。すなわち、Al−Ox膜27の前に成膜されるCoFe/CoFeB膜26が、CoおよびFeを含む合金材料と、Co、FeおよびBを含む合金材料とからなる二層構造を有している。これにより、CoFe/CoFeB膜26では、その積層体を構成する各膜26a,26bが、平衡状態での結晶構造を互いに異にするものとなっている。また、CoFeB26膜bでは、Bを含んでいることで、明瞭な結晶粒界のない非晶質(non−crystalline)のアモルファス(amorphous)構造となっている。
【0023】
〔磁気抵抗効果素子の製造方法〕
次に、以上のような構成のTMR素子1の製造方法およびこれに用いる製造装置について説明する。TMR素子1の製造装置としては、例えば背圧を超高真空領域にまで排気したマグネトロンスパッタ装置を用いる。
【0024】
そして、そのマグネトロンスパッタ装置により、例えば表面を熱酸化したSi(ケイ素)基板21上に、Ta膜22を3nm厚、PtMn膜23を30nm厚、CoFe膜24を2.5nm厚、Ru膜25を0.8nm厚、CoFe膜26aを1.5nm厚、CoFeB膜26bを3nm厚、Al膜を1nm厚で、それぞれ順に積層する。このときのCoFe膜26aおよびCoFeB膜26bのターゲット組成は、例えばCo75Fe25(原子%)、(Co90Fe10)80B20(原子%)とすることが考えられる。その後は、Al膜を純酸素中でプラズマ酸化させ、均一なAl−Ox膜27を得る。そして、Al−Ox膜25を得た後、再びマグネトロンスパッタ装置により、CoFeB膜28を3nm厚、Ta膜29を5nm厚で、それぞれ順に成膜する。最後に、PtMn膜23の規則合金化のための熱処理を、磁界中、例えば280℃で1時間行う。
【0025】
〔磁気抵抗効果素子の特性〕
次に、以上のようにして製造されたTMR素子1の特性について説明する。ここでは、TMR素子1(以下「試料A」という)の特性を、従来の構成によるTMR素子(以下「試料B」という)と比較しながら説明する。試料Bは、熱酸化Si基板上に、試料Aの場合と同様の製造方法で、Ta膜3nm厚、PtMn膜30nm厚、CoFe膜2.5nm厚、Ru膜0.8nm厚、CoFe膜3nm厚、Al膜1nmの順に積層し、そのAl膜をプラズマ酸化させた後に、CoFeB膜3nm厚、Ta膜5nmを順に積層したものである。PtMn膜についての規則化熱処理も同様に行っている。すなわち、試料A,Bの相違点は、Al−Ox膜の直下にある層が、二層構造の積層体からなるCoFe/CoFeB膜26であるか、単層のCoFe膜であるかの違いだけである。
【0026】
これら試料Aおよび試料Bについて、特にAl−Ox膜とその直下にある二層構造のCoFe/CoFeB膜26または単層のCoFe膜との界面に着目しつつ、その断面状態を例えばTEM(透過型電子顕微鏡)観察すると、試料Aにおける界面のほうが試料Bにおける界面よりも明らかに平坦となっていることがわかった。これは、単一の層の場合よりも二層構造のほうが結晶粒の成長を抑えられるからであると考えられる。つまり、二層構造であれば、単一の層を成膜する場合の如く結晶粒が大きく成長する可能性が低くなるので、その結晶粒の大きさに起因して表面粗さが荒れてしまうのを回避できるようになり、結果としてCoFe/CoFeB膜26のAl−Ox膜27側の界面の平坦化が図れるのである。
【0027】
また、試料Aおよび試料Bについて、アステロイドのずれを測定したところ、図5に示すような測定結果が得られた。図例では、例えば平面形状が楕円状に形成されたTMR素子1において、そのアステロイドの容易軸方向へのずれHfを、TMR素子1の長軸方向の寸法Lの逆数に対してプロットして示している。なお、図中における直線は、それぞれのプロットを直線近似したものである。
【0028】
一般に、アステロイドのずれが生じる要因としては、MTJ構造における固定参照層11、記憶層12およびトンネル障壁層13の間の界面の粗さに起因するネール結合磁界による影響と、固定参照層11の側端面からの漏洩磁界による影響との二つが挙げられる。これら二つのうち、漏洩磁界による影響は素子サイズに依存するが、ネール結合磁界による影響は素子サイズに依らずに略一定である。したがって、図5に示したプロット点を横軸「0」に外挿した値がネール結合磁界を与えることになる(例えば、「Two−dimensional magnetic switching of micron−size films in magnetic tunnel junctions」A.Anguelouch et al.,Appl.Phys.lett.,vol.76,No.5,31,january2000)。これによると、試料Aのネール結合磁界は1.0Oe(エルステッド)であるのに対し、試料Bのネール結合磁界は5.1Oeであり、明らかに試料Aの方がネール結合磁界が小さいことがわかる。
【0029】
ただし、ネール結合磁界は、界面の粗さに起因して生じるだけではなく、固定参照層11の飽和磁化に比例し、また固定参照層11の膜厚にも依存する。ところが、試料Aの固定参照層11として機能するCoFeB膜26bの飽和磁化は965emu/cc、また試料Bにおける場合のCoFe膜の飽和磁化は1560emu/ccであるため、図5の測定結果から得られるネール結合磁界の差は、これら飽和磁化の差だけでは解明できない。また、固定参照層11の膜厚が厚いほどネール結合磁界も大きくなるはずであるが、図5の測定結果では、これと矛盾する結果が得られている。これらのことから、試料Aにて観察されるネール結合磁界の低減化は、CoFeB膜26bの界面の粗さ(ラフネス)の低減によるものと考えることができる。このことは、上述した断面のTEM観察結果とも矛盾しない。
【0030】
つまり、試料Aにおいては、CoFe/CoFeB膜26が二層構造であり、CoFe膜26aにおける結晶成長をCoFeB膜26bの成膜によって分断し、その結晶粒成長に起因する界面粗さを荒れを回避して、その界面を平坦化することができるが故に、ネール結合磁界の発生を試料Bの場合よりも低減でき、その結果、記憶層12として機能するCoFeB膜28でのアステロイドずれを抑制することができるのである。なお、界面粗さとネール結合磁界とを結びつける関係としては、以下に示す(1)式が知られている(例えば、「Effect of magnetic film thickness on Neel coupling in spin valves」J.C.S.kools et al.,J.Appl.Phys.,vol.85,No.8,15,April1999)。
【0031】
【数1】
【0032】
この(1)式において、hおよびλは界面粗さの振幅および周期であり、MsPは固定参照層11の飽和磁化であり、dF、dP、dAl−Oxはそれぞれ記憶層12、固定参照層11、トンネル障壁層13の厚さである。このような(1)式および図5に示したアステロイドずれの測定結果を基に、界面粗さの振幅を算出すると、試料AにおけるCoFeB膜26bの粗さRaは4.0Å、試料BおけるCoFe膜の粗さRaは4.8Åであることがわかった。
【0033】
また、試料Aおよび試料Bについて、反転磁界のばらつきを測定したところ、図6に示すような測定結果が得られた。図例では、4インチウエハの全面に形成される数の試料Aおよび試料Bについて、それぞれ反転磁界を測定した結果を、ヒストグラム化して示している。図例からも明らかなように、試料Aについては、試料Bと比較して、反転磁界の測定結果の分布が狭い範囲に抑えられていることがわかる。具体的には、標準偏差/平均値で比較すると、試料Bにおける分布範囲が17%程度であるのに対して、試料Aについてはその分布範囲が12%程度となっている。このように、試料Aについての分布範囲が狭くなっているのは、上述したような界面粗さの平坦化の効果により、CoFeB膜28における磁化反転プロセスが単純化されたためと考えられる。
【0034】
これらのことから、試料Aについては、Al−Ox膜27の直下に位置するCoFe/CoFeB膜26がCoFe膜26aおよびCoFeB膜26bからなる二層構造であるため、そのCoFe/CoFeB膜26のAl−Ox膜27側の界面の平坦化が図れ、これによりその界面の状態に起因するネール結合磁界の発生を抑制して、CoFeB膜28における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを招く要因を排除することが可能であるといえる。
【0035】
〔他の磁気抵抗効果素子の例〕
ここまでは、本発明の具体例として試料Aを挙げて説明したが、この試料Aは一例に過ぎず、これに限定されるものでないことは勿論である。図7は、他の積層膜構成についての反転磁界ばらつき、ネール結合磁界の発生量および界面粗さの測定結果を示す説明図である。他の積層膜構成としては、図中に示すように、固定参照層として機能する領域部分の材料、構成、膜厚等が異なるものを、試料C〜Gとして挙げている。
【0036】
試料C〜Gのいずれも、トンネル障壁層として機能するAl−Ox膜の直下に位置する固定参照層の領域が、二種または三種の異なる強磁性材料(Co75Fe25(原子%)、CoFeB、Ni81Fe19(原子%)等)の積層体からなる。そのため、試料C〜Gは、そのいずれも、反転磁界のばらつきが標準偏差/平均値で7%程度、すなわち試料Aにおける12%以下となっている。ネール結合磁界についても、試料C,D,E,F,Gの順に1.5Oe,4.9Oe,0.0Oe,2.1Oe,2.4Oeと、いずれも5Oe以下に抑えられている。また、試料A,Bの場合と同様に、(1)式を用いてラフネスを算出すると、試料C,D,E,F,Gの順に3.8Å,4.0Å,2.9Å,3.4Å,3.5Åと、いずれも4Å以下に抑えられている。
【0037】
これらのことから明らかなように、トンネル障壁層の直下に位置する固定参照層が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により固定参照層の界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になるといえる。さらには、試料Aまたは試料C〜G以外の材料系や四層以上の積層構造であっても、積層化による平坦化が達成されるものであれば、同様の技術的効果が期待される。
【0038】
ただし、図7に示した測定結果を鑑みると、反転磁界のばらつきやアステロイドずれの抑制といった技術的効果を確実に得るためには、固定参照層とトンネル障壁層と界面の粗さRaで4Å以下となっていることが望ましい。また、同様に、その界面粗さに起因するネール結合磁界が5Oe以下であることが望ましい。さらには、反転磁界のばらつき[標準偏差/平均値]が12%以下であることが望ましい。
【0039】
なお、積層体を構成する二種以上の異なる強磁性材料としては、種々の組み合わせが考えられるが(例えば図7参照)、成膜時の結晶粒成長を抑制するという観点からは、その積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つ(例えば、最初に成膜する第一層)が、他の強磁性材料(例えば、第一層目以降)と平衡状態での結晶構造を異にするものであり、結晶粒成長が界面で不連続となるようなものであることが好ましい。また、二種以上の異なる強磁性材料のうち、少なくとも一つが非晶質であれば、結晶粒成長の抑制の確実化が図れるので、更なる界面の平坦化が期待できる。
【0040】
また、試料Aまたは試料C〜Gのように、トンネル障壁層の直下に固定参照層が位置する、いわゆるボトム型のTMR素子の他にも、そのトンネル障壁層の直下の層を強磁性積層体とすることによって、ボトム型の場合と同様の効果を得ることが可能となる。図8は、本発明に係るTMR素子の他の積層膜構成を示す模式図である。
【0041】
図8(a)に示すTMR素子は、記憶層として機能するCoFe/CoFeB膜33がトンネル障壁層として機能するAl−Ox膜34よりも下方に位置し、さらにそのAl−Ox膜34の上方に固定参照層として積層フェリ構造のCoFe膜35、Ru膜36およびCoFe膜37並びにPtMn膜38が配された、いわゆるトップ型のものである。このようなTMR素子であっても、Al−Ox膜34の直下に位置するCoFe/CoFeB膜33が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。
【0042】
図8(b)に示すTMR素子は、図8(a)の場合と同様のトップ型のものであるが、固定参照層として積層フェリ構造でないのCoFe膜45およびPtMn膜46が配されている点で、図8(a)の場合とは異なる。ただし、図8(b)のTMR素子であっても、Al−Ox膜44の直下に位置するCoFe/CoFeB膜43が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。
【0043】
図8(c)に示すTMR素子は、図4の場合と同様のボトム型のものであるが、固定参照層として積層フェリ構造でないのCoFe/CoFeB膜54およびPtMn膜53が配されている点で、図4の場合とは異なる。ただし、図8(c)のTMR素子であっても、Al−Ox膜55の直下に位置するCoFe/CoFeB膜54が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。さらに、図8(d)に示すTMR素子は、図8(c)におけるPtMn膜53に代わってCoPt膜63が設けられている点で異なる、いわゆる保磁力差型のものであるが、これについても図8(c)の場合と全く同様のことがいえる。
【0044】
また、絶縁体または半導体からなるトンネル障壁層を二つの強磁性領域で挟んで強磁性トンネル接合を形成するTMR素子以外にも、例えば金属からなる非磁性層を二つの強磁性領域と挟んで巨大磁気抵抗効果を発生させるGMR素子であっても、本発明を適用することで、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になると考えられる。
【0045】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置によれば、非磁性層の前に成膜される強磁性領域が単一の強磁性材料の層からなる場合に比べて、その強磁性領域における非磁性層との界面の平坦化が図れるので、各層の界面の状態に起因して発生するネール結合磁界の影響を排除し、強磁性領域における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを「0」に近づけることが容易に実現可能となる。したがって、例えば複数の磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置を構成した場合であっても、各素子の選択記録のマージンを大きく確保して良好な記録特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MRAMの基本的な構成例を示す模式図である。
【図2】MRAMを構成する単一のTMR素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。
【図3】MTJ構造の基本的な構成例を示す模式図である。
【図4】本発明が適用されたTMR素子における積層膜構造を具体的に説明するための模式図である。
【図5】アステロイドのずれの測定結果の一具体例について、そのアステロイドの容易軸方向へのずれHfを、TMR素子の長軸方向の寸法Lの逆数に対してプロットして示した説明図である。
【図6】反転磁界のばらつきの測定結果の一具体例についてヒストグラム化して示した説明図であり、(a)は本発明が適用された試料Aについて示す図、(b)は従来の試料Bについて示す図である。
【図7】本発明が適用されたTMR素子における積層膜構造の他の具体例、およびその反転磁界ばらつき、ネール結合磁界の発生量および界面粗さの測定結果を示す説明図である。
【図8】本発明に係るTMR素子の他の積層膜構成を示す模式図であり、(a)および(b)はトップ型の例を示す図、(c)はボトム型の例を示す図、(d)は保磁力差型の例を示す図である。
【図9】アステロイド曲線の一例を示す説明図であり(a)は理想的なアステロイド曲線を示す図、(b)はずれが生じている状態のアステロイド曲線を示す図である。
【符号の説明】
1…TMR素子、11…固定参照層、12…記憶層、13…トンネル障壁層、26,33,43,54,64…CoFe/CoFeB膜、26a…CoFe膜、26b…CoFeB膜、27,34,44,55,65…Al−Ox膜
Claims (11)
- 少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、
前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域は、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなる
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体は、当該積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つが、当該積層体を構成する他の強磁性材料と平衡状態での結晶構造を異にするものである
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体は、当該積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つが非晶質である
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体は、コバルトおよび鉄を含む合金材料と、コバルト、鉄およびホウ素を含む合金材料とからなる二層構造を有している
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体は、前記非磁性層との界面の粗さRaが4Å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。 - 前記非磁性層と当該非磁性層の前に成膜される強磁性領域との間の磁気的な相互作用磁界のうち、当該強磁性領域の前記非磁性層との界面粗さに起因するネール結合磁界が5Oe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。 - 前記非磁性層が絶縁体または半導体からなり、当該非磁性層とこれを挟む二つの強磁性領域とで強磁性トンネル接合を形成する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記非磁性層が金属からなり、当該非磁性層とこれを挟む二つの強磁性領域とで巨大磁気抵抗効果を発生させる
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を製造するための製造方法であって、
前記二つの強磁性領域および前記非磁性層をその積層順に成膜するとともに、
前記非磁性層の成膜に先立って行う強磁性領域の成膜に際して、二種以上の異なる強磁性材料を順に成膜し、当該強磁性領域を前記強磁性材料の積層体によって形成する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気抵抗効果素子における強磁性領域の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、
前記磁気抵抗効果素子は、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域が、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものである
ことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 前記磁気抵抗効果素子が複数配されている場合に、各磁気抵抗効果素子での磁化方向の反転に必要となる外部磁界の大きさのばらつきが、標準偏差/平均値で12%以下に収まっている
ことを特徴とする請求項10記載の磁気メモリ装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007525839A (ja) * | 2004-02-19 | 2007-09-06 | グランディス インコーポレイテッド | 低飽和磁化自由層を有するスピン転移磁気素子 |
JP2008507854A (ja) * | 2004-07-26 | 2008-03-13 | フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド | 磁気トンネル接合素子構造と磁気トンネル接合素子構造の製造方法 |
JP2008227499A (ja) * | 2007-03-08 | 2008-09-25 | Magic Technologies Inc | 磁気トンネル接合素子およびその形成方法、磁気ランダムアクセスメモリ |
JP2012169626A (ja) * | 2011-02-11 | 2012-09-06 | Headway Technologies Inc | Tmrデバイスおよびその製造方法 |
JP2013012756A (ja) * | 2005-07-28 | 2013-01-17 | Hitachi Ltd | 磁気抵抗効果素子及びそれを搭載した不揮発性磁気メモリ |
-
2002
- 2002-06-20 JP JP2002179405A patent/JP2004023015A/ja active Pending
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