JP2005109201A - Ferromagnetic tunnel junction element, magnetic memory cell, and magnetic head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強磁性トンネル接合素子、磁気メモリセル及び磁気ヘッドに関するものであり、特に、強磁性トンネル接合素子を薄層化するための構成に特徴のある強磁性トンネル接合素子、磁気メモリセル及び磁気ヘッドに関するものである。 The present invention relates to a ferromagnetic tunnel junction device, a magnetic memory cell, and a magnetic head, and more particularly to a ferromagnetic tunnel junction device, a magnetic memory cell, and a magnetic tunnel junction device characterized by a structure for thinning the ferromagnetic tunnel junction device. The present invention relates to a magnetic head.
強磁性トンネル接合(MTJ;Magnetic Tunnel Junction)素子は、再生用磁気ヘッドを構成する磁気センサ部として、或いは、磁気ランダムアクセスメモリ装置(MRAM;Magnetic Random Access Memory)の情報記憶部として用いられている(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。 A ferromagnetic tunnel junction (MTJ) element is used as a magnetic sensor unit constituting a reproducing magnetic head, or as an information storage unit of a magnetic random access memory device (MRAM; Magnetic Random Access Memory). (For example, refer to Patent Document 1 or Patent Document 2).
図13参照
図13は、強磁性トンネル接合素子の概念的構成図であり、反強磁性層からなるピンニング層81、強磁性層からなるピンド層82、Al−O等のトンネル絶縁膜83、及び、強磁性層からなるフリー層84を順次積層した構造からなり、膜厚方向に電流が流れるように構成されている。
See FIG.
FIG. 13 is a conceptual configuration diagram of a ferromagnetic tunnel junction device, which includes a
この強磁性トンネル接合素子において、フリー層84の磁化方向がピンド層82の磁化方向と平行の時にトンネル電流が流れやすくなるため低抵抗状態となり、両者が反平行の特にトンネル電流が流れにくくなるため高抵抗状態となり、この抵抗状態の差により磁気記録媒体に書き込まれた磁気情報を読み取ったり、或いは、「0」または「1」の情報を記憶する。
In this ferromagnetic tunnel junction device, when the magnetization direction of the
図14参照
図14は、NiFe(24nm)/Co74Fe26(10nm)/Al−O(1.6nm)/Co74Fe26(10nm)/IrMn(50nm)/Al(10nm)の積層からなり、150μm×150μmの大きさの強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗曲線である。
See FIG.
FIG. 14 is a laminate of NiFe (24 nm) / Co 74 Fe 26 (10 nm) / Al—O (1.6 nm) / Co 74 Fe 26 (10 nm) / IrMn (50 nm) / Al (10 nm), 150 μm × 2 is a magnetoresistance curve of a ferromagnetic tunnel junction element having a size of 150 μm.
図15参照
図15は、1Tr−1MTJ型MRAMの概略的断面図であり、記憶を司る強磁性トンネル接合素子100の一方の電極、即ち、キャッピング層106はビット線98に接続され、他方の電極、即ち、下地層101はトランジスタ90のソース領域91またはドレイン領域92に接続されている。
ここでは、ドレイン領域92に接続する。
See FIG.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the 1Tr-1MTJ type MRAM. One electrode of the ferromagnetic
Here, the
ビット線98と直交した書込み用ワード線95上に、層間絶縁膜96を介してリード層97が設けられていて、その上に下地層101、反強磁性層102、ピンド層103、トンネル絶縁層104、フリー層105、キャッピング層106が順次形成され、キャッピング層106上にビット線98が接続した構成になっている。
A
図16参照
図16は、このようなMRAMを構成するメモリセルの等価回路図であり、書込み用ワード線95とビット線98との交差点にMTJ素子100が配置され、ソース配線層94は接地したプレート線99に接続される。
See FIG.
FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of a memory cell constituting such an MRAM. An
このMRAMにおける記録は、フリー層105の磁化を、お互いに直交したビット線98と書込み用ワード線95に電流を流すことによって発生する合成磁場によって反転することにより行なわれる。
一方、読み出しはトランジスタ90のゲートに設けたワード線93に電圧を印加し、ソース領域91とドレイン領域92間を導通することによって、強磁性トンネル接合素子100に電流を流し、その電圧の大小によって「0」状態か「1」状態かを判別する。
Recording in this MRAM is performed by reversing the magnetization of the
On the other hand, reading is performed by applying a voltage to the
このようなMRAMにおいて大きな問題は、高密度化のために強磁性トンネル接合素子(MTJ素子)のサイズを小さくしていくと、書き込みの磁場が小さくなってしまうことである。
即ち、マイグレーションを発生させないための電流密度の上限が決まっていることより、断面積の小さな細線では電流が流せなくなるためである。
A major problem in such an MRAM is that when the size of the ferromagnetic tunnel junction element (MTJ element) is reduced for higher density, the magnetic field for writing becomes smaller.
That is, since the upper limit of the current density for preventing migration is determined, current cannot flow through a thin wire having a small cross-sectional area.
図17参照
図17は、電流密度の上限を8×106 A/cm2 とした場合において、0.5μm×0.5μmの線幅を0.1μm×0.1μmの線幅にシュリンクした場合の発生磁場を示したものであり、幾何学的に1/5のシュリンクに対して、発生磁場も1/5程度となっている。
See FIG.
FIG. 17 shows the generated magnetic field when the line width of 0.5 μm × 0.5 μm is shrunk to the line width of 0.1 μm × 0.1 μm when the upper limit of the current density is 8 × 10 6 A / cm 2. The generated magnetic field is about 1/5 with respect to the shrinkage of 1/5 geometrically.
このシュリンクによる発生磁場の強度の低減の問題を改善するために、配線の周りにNiFe等から構成される磁気ヨークを設ける方法が考案されている。 In order to improve the problem of reducing the strength of the generated magnetic field due to shrink, a method of providing a magnetic yoke made of NiFe or the like around the wiring has been devised.
図18参照
図18は、0.1μm×0.1μmの断面と0.07μm×0.07μmの断面の2種類の配線に対して10nm離れた位置における発生磁場の強度Hx をシミュレーションした図であり、磁気ヨークを設けた場合と設けない場合とを示しており、図に示すように磁気ヨークを設けることによって発生磁場は3〜4倍に増大する。
See FIG.
FIG. 18 is a diagram simulating the intensity H x of the generated magnetic field at a
しかし、発生磁場Hx は配線からの距離によっても異なり、配線より離れるに従って小さくなるのでこの事情を図19を参照して説明する。
図19参照
図19は、0.1μm×0.1μmの断面の配線における、発生磁場Hx の配線の表面からの距離依存性を示したものであり、磁気ヨークを設けた場合に約1〔Oe/nm〕の低減率で減少する。
However, since the generated magnetic field H x varies depending on the distance from the wiring and decreases as the distance from the wiring increases, this situation will be described with reference to FIG.
See FIG.
FIG. 19 shows the distance dependence of the generated magnetic field H x from the surface of the wiring in the wiring having a cross section of 0.1 μm × 0.1 μm, and about 1 [Oe / nm when the magnetic yoke is provided. ] At a reduction rate of].
したがって、配線、即ち、書込み用ワード線にいかに接近させてMTJ素子を配置するかが重要な問題となる。
フリー層と書込みワード線とを接近させるためには、両者の間に介在する各層、特に、膜厚が最大のピンニング層を薄くすれば良いが、PtMn等の反強磁性層からなるピンニング層にピンニング効果を発現させるためには、最低でも10nm〜20nmの膜厚が必要となり、近接のための制限要件となる。 In order to bring the free layer and the write word line close to each other, each layer interposed between them, in particular, the pinning layer having the maximum film thickness may be thinned. However, the pinning layer made of an antiferromagnetic layer such as PtMn may be used. In order to develop the pinning effect, a film thickness of 10 nm to 20 nm is required at least, which is a limiting requirement for proximity.
なお、ピンド層とフリー層との保磁力の差を利用すれば、動作条件下においてピンド層の磁化方向を固定することも可能であるが、印加磁場強度に制限がかかり安定な動作が期待できないという問題がある。 If the difference in coercive force between the pinned layer and the free layer is used, the magnetization direction of the pinned layer can be fixed under operating conditions, but the applied magnetic field strength is limited and stable operation cannot be expected. There is a problem.
一方、磁気記録媒体における記録密度は再生ヘッドを構成するMTJ素子の膜厚により規制されるため、高記録密度化のためにはMTJ素子の薄膜化に必要になるが、ここでも、MTJ素子において最も厚い反強磁性層の存在が問題となる。 On the other hand, since the recording density in the magnetic recording medium is regulated by the film thickness of the MTJ element constituting the reproducing head, it is necessary to reduce the thickness of the MTJ element in order to increase the recording density. The presence of the thickest antiferromagnetic layer becomes a problem.
したがって、本発明は、磁気メモリ装置或いは磁気ヘッドにおいて要請される素子の薄層化を磁気特性を大幅に低下させることなく実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize the thinning of elements required in a magnetic memory device or a magnetic head without significantly deteriorating magnetic characteristics.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、下地層1/厚さが0〜5nmの反強磁性層2/ピンド層3/絶縁層4/フリー層5からなる積層構造を有する強磁性トンネル接合素子において、少なくともピンド層3の形状を上記フリー層5の形状より磁気異方性が現れる形状としたことを特徴とする。
この場合、ビット線に流す電流による書込み磁界の方向は、通常は、ピンド層3の長手方向になるので、ピンド層3の長手方向に形状異方性を持たせることが好適である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention has a strong structure having a laminated structure comprising an underlayer 1 / an
In this case, since the direction of the write magnetic field caused by the current passed through the bit line is normally the longitudinal direction of the pinned layer 3, it is preferable to have shape anisotropy in the longitudinal direction of the pinned layer 3.
このように、ピンド層3の形状異方性を大きくすることによって、反強磁性層2を薄くしても或いは無くしても、ピンド層3の磁化方向を安定に固定することができ、したがって、強磁性トンネル接合素子の薄層化が可能になる。
As described above, by increasing the shape anisotropy of the pinned layer 3, the magnetization direction of the pinned layer 3 can be stably fixed even if the
或いは、形状に磁気異方性を持たせるかわりに、下地層1とピンド層3の応力の違いにより発生する磁歪効果を用いてピンド層3の磁化を磁気的に固定するようにしても良い。 Alternatively, instead of giving magnetic anisotropy to the shape, the magnetization of the pinned layer 3 may be magnetically fixed using a magnetostrictive effect generated by the difference in stress between the underlayer 1 and the pinned layer 3.
この場合、磁気異方性は磁歪定数と応力との積で表されるので、ピンド層3の長手方向に磁気異方性を持たせるためには、下地層1の熱膨張係数がピンド層3の熱膨張係数よりも小さい場合にはピンド層3の長手方向に引張応力が働くので、ピンド層3の磁歪定数を正にする必要がある。 In this case, since the magnetic anisotropy is represented by the product of the magnetostriction constant and the stress, in order to give the magnetic anisotropy in the longitudinal direction of the pinned layer 3, the thermal expansion coefficient of the underlayer 1 is the pinned layer 3. When the thermal expansion coefficient is smaller than that, tensile stress acts in the longitudinal direction of the pinned layer 3, so that the magnetostriction constant of the pinned layer 3 needs to be positive.
一方、下地層1の熱膨張係数がピンド層3の熱膨張係数よりも大きい場合には、ピンド層3の長手方向に圧縮応力が働くので、ピンド層3の磁歪定数を負にする必要がある。 On the other hand, when the thermal expansion coefficient of the underlayer 1 is larger than the thermal expansion coefficient of the pinned layer 3, a compressive stress acts in the longitudinal direction of the pinned layer 3, so that the magnetostriction constant of the pinned layer 3 needs to be negative. .
また、上記の構成においては、反強磁性層2の厚さを0にすることによって、強磁性トンネル接合素子を最も薄くすることができる。
In the above configuration, the ferromagnetic tunnel junction element can be made the thinnest by setting the thickness of the
また、反強磁性層2は0〜5μmの範囲では充分なピンニング効果を発現することができないが、2.5〜5nmの範囲において保磁力に極大値を有するので、この大きな保磁力を利用することによって、ピンド層3の磁化方向を安定に固定することができ、ピンド層3の形状異方性及び/又は磁気異方性を併せることによって、さらなる安定化が可能になる。
Further, the
また、上記の構成の強磁性トンネル接合素子を記憶保持部として用いることによって、フリー層5と書込み用ワード線との間隔をより近接させることができるので、書込み用ワード線等の配線の線幅の狭い微細な磁気メモリセルを構成することができ、この磁気メモリセルを複数個配列することによって高集積度の磁気メモリ装置を構成することができる。
Further, since the space between the
また、上記の構成の強磁性トンネル接合素子を再生用の磁気センサ部として用いることによって、微細な磁気ヘッドを構成することができ、それによって、高記録密度の磁気記録装置を実現することができる。 Further, by using the ferromagnetic tunnel junction element having the above configuration as a magnetic sensor unit for reproduction, it is possible to configure a fine magnetic head, thereby realizing a high recording density magnetic recording apparatus. .
本発明によれば、強磁性トンネル接合素子を薄層化によって、MRAMにおいてはフリー層を書込み用ワード線に近づけることができ、ワード線からの発生磁場強度を強めることができ、そのため書き込みにおける電流を減少させることが可能となる。 According to the present invention, by thinning the ferromagnetic tunnel junction device, the free layer in the MRAM can be brought close to the write word line, and the magnetic field intensity generated from the word line can be increased, so that the current in writing can be increased. Can be reduced.
また、磁気ヘッドにおいては、再生ヘッドを構成する磁気センサ部を薄くすることができ、それによって、記録ビットの微細化が可能になるので、磁気記録装置に高密度化が可能になる。 Further, in the magnetic head, the magnetic sensor part constituting the reproducing head can be made thin, whereby the recording bits can be miniaturized, so that the magnetic recording apparatus can be increased in density.
本発明においては、反強磁性層を充分なピンニング効果が発現しない薄さにするか或いは反強磁性層をなくすことによって、強磁性トンネル接合素子を薄層化するものであり、反強磁性層によるピンニング効果の消失を反強磁性層の保磁力の増大、或いは、ピンド層の形状異方性及び/又は磁気異方性によって補うものである。 In the present invention, the ferromagnetic tunnel junction device is thinned by thinning the antiferromagnetic layer so that a sufficient pinning effect does not appear or eliminating the antiferromagnetic layer. The disappearance of the pinning effect due to the increase in the coercive force of the antiferromagnetic layer or the shape anisotropy and / or the magnetic anisotropy of the pinned layer is compensated.
ここで、図2乃至図9を参照して、本発明の実施例1の製造工程を説明する。
図2参照
まず、n型シリコン基板11の所定領域にp型ウエル領域12を形成するとともに、n型シリコン基板11を選択酸化することによって素子分離酸化膜13を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜14を介して読み出しワード線となるWSiからなるゲート電極15を形成し、このゲート電極15をマスクとしてAsイオンを注入することによってn- 型LDD領域16を形成する。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 9, the manufacturing process of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, a p-
次いで、全面にSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール17を形成したのち、再び、Asイオン注入することによってn+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19を形成し、次いで、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる厚い第1層間絶縁膜20を形成したのち、n+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ21、22を形成する。
なお、O3 −TEOS−SiO2 膜の堆積に際しては、TEOS+O3 をソースガスとして用いたCVD法により、400℃で堆積させるものであり、以下の工程においても同様である。
Next, a SiO 2 film is deposited on the entire surface, and anisotropic etching is performed to form the
The O 3 -TEOS-SiO 2 film is deposited at 400 ° C. by the CVD method using TEOS + O 3 as a source gas, and the same applies to the following steps.
図3参照
次いで、スパッタ法を用いて全面にTiN/Al/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体23及びソース配線層24を形成したのち、再び、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる第2層間絶縁膜25を形成し、次いで、接続導体23に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ26を形成する。
なお、ソース配線層24は、最終的には接地したプレート線に接続される。
See Figure 3
Next, after depositing TiN / Al / TiN on the entire surface using a sputtering method and patterning, the
The
図4参照
次いで、再び、全面にTi/TiN/Al/Ti/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体27と書込み用ワード線28を形成したのち、再び、TEOS−NSG膜等の薄いSiO2 膜等からなる第3層間絶縁膜29を形成し、次いで、接続導体27に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをTi/TiNを介してWで埋め込むことによってWプラグ30を形成する。
See Figure 4
Next, Ti / TiN / Al / Ti / TiN is again deposited on the entire surface and then patterned to form the
図5参照
次いで、再び、スパッタ法を用いて全面に厚さが、例えば、20nmのTaを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体27に接続する下部電極31を形成したのち、再び、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる薄い第4層間絶縁膜32を堆積させ、次いで、下部電極31が露出するまでCMPして平坦化する。
See Figure 5
Next, the
図6参照
次いで、スパッタ法を用いて、基板温度を例えば、100℃とした状態で、厚さが、例えば、1.4nmのCo74Fe26層33、厚さが、例えば、0.75nmのRu層34、厚さが、例えば、2.2nmのCo74Fe26層35を順次堆積させてフェリスピン構造のピンド層36とする。
この場合、Ru層34を1nm程度以下で最適化しているので、その両側のCo74Fe26層33及びCo74Fe26層35が強く反強磁性的に結合して、全体として一つの磁性膜のように振舞う。
See FIG.
Next, using a sputtering method, a Co 74 Fe 26 layer 33 with a thickness of, for example, 1.4 nm and a
In this case, since the
引き続いて、厚さが、例えば、0.9nmのAlを堆積させたのち、酸化することによってAl−Oからなるトンネル絶縁膜37を形成したのち、再び、同様なスパッタ条件で厚さが、例えば、1nmのCo74Fe26層38、厚さが、例えば、6nmのNiFe層39、及び、厚さが、例えば、20nmのAuからなるキャップ層41を順次堆積させる。
なお、Co74Fe26層38及びNiFe層39によってフリー層40が構成される。
Subsequently, after depositing Al having a thickness of, for example, 0.9 nm, the
The Co 74 Fe 26 layer 38 and the
図7参照
次いで、レジストパターン42をマスクとしてイオンミリングを施すことによって例えば、下部電極31の長手方向のが長くなる1.5:1の長方形状にキャップ層41乃至ピンド層36をエッチングする。
See FIG.
Next, by performing ion milling using the resist
図8参照
次いで、レジストパターン42を除去したのち、新たなレジストパターン43を用いてキャップ層41乃至フリー層40を1:1の正方形状にエッチングすることによって、フリー層40より大きな磁気異方性を有するピンド層36を備えたMTJ素子44を形成する。
See FIG.
Next, after removing the resist
図9参照
次いで、レジストパターン43を除去したのち、全面にO3 −TEOS−SiO2 膜からなる第5層間絶縁膜45を厚く堆積させたのち、CMP法を用いて、キャップ層41の表面が露出するまで研磨して、全体を平坦化する。
See FIG.
Next, after removing the resist
次いで、プラズマCVD法を用いて厚さが、例えば、100nmのp−SiN膜46を堆積させたのち、MTJ素子44に対するコンタクトホールを設け、次いで、スパッタ法を用いて全面に、厚さが、例えば、100nmのTiN層、厚さが、例えば、800nmのAl層、及び、厚さが、例えば、100nmのTiN層を順次堆積させてTiN/Al/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、書込み用ワード線28と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線47を形成することによって、MRAMの基本構造が完成する。
Next, after depositing a p-
この実施例1においては、形状効果により、ピンド層36の磁気異方性をフリー層40の磁気異方性より大きくしているので、反強磁性層を用いることなく、ピンド層36の磁化方向を安定して固定することができる。
In Example 1, since the magnetic anisotropy of the pinned
そして、反強磁性層を省略しているので、MTJ素子44の膜厚を飛躍的に薄くすることができ、それによって、フリー層40と書込み用ワード線28との距離をより近接することができるため、書込み用ワード線28に流れる電流が少なくなっても、フリー層40を充分な磁場強度が発生する位置に位置させることができ、MRAMの高集積度化が可能になる。
Since the antiferromagnetic layer is omitted, the thickness of the
次に、図10乃至図12を参照して、本発明の実施例2の磁気ヘッドを説明する。
図10参照
図10は、本発明の実施例2の磁気ヘッドの概略的要部断面図であり、まず、Al2 O3 −TiC基板51上に、Al2 O3 膜52を介してメッキ法により厚さが、例えば、300nmのNiFeからなる下部磁気シールド層53を形成したのち、厚さが、例えば、10nmのTaからなる下部電極54を蒸着法により形成する。
Next, a magnetic head according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
See FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the main part of the magnetic head according to the second embodiment of the present invention. First, the thickness is formed on the Al 2 O 3 —
次いで、スパッタ法を用いて、基板温度を例えば、100℃とした状態で、厚さが、例えば、25nmのNiFeからなる下地層55、厚さが2.5〜5nm、例えば、3.3nmのFeMn層56、及び、1.4nmのCo74Fe26層57、厚さが、例えば、0.75nmのRu層58、厚さが、例えば、2.2nmのCo74Fe26層59を順次堆積させてフェリスピン構造のピンド層60とする。
Next, using a sputtering method, with the substrate temperature set at, for example, 100 ° C., the thickness is, for example, an
引き続いて、厚さが、例えば、0.9nmのAlを堆積させたのち、酸化することによってAl−Oからなるトンネル絶縁膜61を形成したのち、再び、同様なスパッタ条件で厚さが、例えば、1nmのCo74Fe26層62、厚さが、例えば、6nmのNiFe層63、及び、厚さが、例えば、20nmのAuからなるキャップ層65を順次堆積させる。なお、Co74Fe26層62及びNiFe層63によってフリー層64が構成される。
Subsequently, after depositing Al having a thickness of, for example, 0.9 nm, the
次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクとしてイオンミリングを施すことによって、キャップ層65乃至ピンド層60をパターニングして磁気センサ部66を形成する。
Next, by performing ion milling using a resist pattern (not shown) as a mask, the
次いで、レジストパターンをそのままリフトオフ用マスクとして用いて、スパッタ法を用いてSiO2 膜67及びCoCrPtからなる磁区制御膜68を順次堆積させたのち、レジストパターンを除去する。
Next, using the resist pattern as it is as a lift-off mask, a SiO 2 film 67 and a magnetic
次いで、全面にSiO2 平坦化膜69を設け、平坦化処理したのち、キャップ層65に達するコンタクトホールを形成し、次いで、全面にTa膜を堆積させたのち、パターニングすることによって上部電極70を形成する。
Next, an SiO 2 planarizing film 69 is provided on the entire surface, and after planarizing, a contact hole reaching the
次いで、選択メッキ法により、厚さが、例えば、1μmのNiFeからなる上部磁気シールド層71を形成する。
以降は従来の誘導型のライトヘッドを上部磁気シールド層71上に形成し、スライダー加工等を施すことによって反強磁性層を極薄にしたMTJ素子を磁気センサ部66とした複合型磁気ヘッドが得られる。
Next, the upper
Thereafter, a composite type magnetic head in which a conventional inductive write head is formed on the upper
図11参照
図11は、反強磁性層であるFeMnにおけるのHuaの膜厚依存性の説明図であり、ピンド層のピン止めに寄与する磁界強度Huaは、FeMnの膜厚が約6nmになるまで発現しない。
なお、図は、Ta(10nm)/NiFe(25nm)/FeMn(xnm)/Ta(10nm)構造の試料についての測定結果である。
See FIG.
Figure 11 is an explanatory diagram of film thickness dependency of H ua of the antiferromagnetic a layer FeMn, contributes magnetic field strength H ua pinning of the pinned layer until the thickness of the FeMn is approximately 6nm Not expressed.
The figure shows the measurement results for a sample having a structure of Ta (10 nm) / NiFe (25 nm) / FeMn (xnm) / Ta (10 nm).
図12参照
図12は、図11と同じ試料における保磁力Hc の膜厚依存性の説明図であり、約3.3nmにおいて極大値を示し、以降は膜厚の増加とともに急激に減衰する。
See FIG.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the film thickness dependence of the coercive force H c in the same sample as FIG. 11, showing a maximum value at about 3.3 nm, and thereafter abruptly attenuates as the film thickness increases.
したがって、この実施例2においては、反強磁性層であるFeMn層56はピンニング効果を発現していないが、非常に大きな保磁力Hc を有しているので、この大きな保磁力を利用してピンド層60の磁化方向を安定に固定することができる。
Therefore, in Example 2, although the
このように、実施例2においては、反強磁性層を従来のMTJ素子に比べて飛躍的に薄くしているので、MTJ素子自体の厚さを大幅に薄くすることができ、それによって、高記録密度化が可能になる。 As described above, in Example 2, since the antiferromagnetic layer is remarkably thin compared with the conventional MTJ element, the thickness of the MTJ element itself can be significantly reduced. Recording density can be increased.
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の膜厚等の数値は、単なる一例に過ぎず、時代や必要に応じて適宜変更されるものである。
As mentioned above, although each Example of this invention was described, this invention is not restricted to the structure and conditions described in each Example, A various change is possible.
For example, the above numerical values such as film thickness are merely examples, and may be changed as appropriate according to the times and needs.
また、上記の各実施例においては、ピンド層としてCoFe/Ru/CoFe構造の反強磁性的に結合したフェリスピン構造膜を用いているが、単層のCoFeを用いても良いものである。 In each of the above embodiments, the antiferromagnetically coupled ferri-spin structure film having a CoFe / Ru / CoFe structure is used as the pinned layer, but a single layer of CoFe may be used.
また、上記の実施例においては、フリー層としてCoFe/NiFeの積層膜を用いているが、積層膜に限られるものではなく、単層膜を用いても良いものである。 In the above embodiment, a CoFe / NiFe laminated film is used as the free layer. However, the invention is not limited to the laminated film, and a single layer film may be used.
また、上記の各実施例においては、トンネル絶縁膜を成膜したAlを酸化して形成したAl−O膜で構成しているが、Al−O膜に限られるものではなく、Al2 O3 自体を成膜しても良いものであり、さらには、SiN膜等の他の非磁性絶縁体を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, the Al-O film is formed by oxidizing Al with a tunnel insulating film formed thereon, but is not limited to the Al-O film, and Al 2 O 3 The film itself may be formed, and another nonmagnetic insulator such as a SiN film may be used.
また、上記の実施例1においては、反強磁性層を全く設けていないが、5nm以下の保磁力が極大値をとる近傍の膜厚、例えば、極大値を中心に半値幅の範囲内の膜厚の反強磁性層を設けても良いものであり、それによって、ピンド層の磁化方向をより安定に固定することができる。 In the first embodiment, an antiferromagnetic layer is not provided at all, but the film thickness in the vicinity where the coercive force of 5 nm or less takes a maximum value, for example, a film within the range of the half width around the maximum value. A thick antiferromagnetic layer may be provided, whereby the magnetization direction of the pinned layer can be more stably fixed.
また、上記の実施例1においては、ピンド層を1.5:1の長方形としているが、1.5:1に限られるものではなく、より細長い形状になるほど形状異方性が大きくなるので、この比率は任意であり、また、それに応じてフリー層の形状もピンド層の形状異方性を上回らない範囲で長方形にしても良いものである。 In Example 1 described above, the pinned layer has a 1.5: 1 rectangular shape. However, the pinned layer is not limited to 1.5: 1, and the shape anisotropy increases with an elongated shape. This ratio is arbitrary, and the shape of the free layer may be made rectangular as long as it does not exceed the shape anisotropy of the pinned layer.
また、上記の実施例1においては、形状異方性を用いてピンド層の磁化方向を安定に固定しているが、下地層との間の熱膨張係数の差によりピンド層に印加される応力を利用しても良いものである。
即ち、磁気異方性は磁歪定数と応力の積で表されるので、応力を大きくすることによって磁気異方性を大きくすることができる。
In Example 1 described above, the magnetization direction of the pinned layer is stably fixed using shape anisotropy, but the stress applied to the pinned layer due to the difference in thermal expansion coefficient with the underlayer. May be used.
That is, since the magnetic anisotropy is represented by the product of the magnetostriction constant and the stress, the magnetic anisotropy can be increased by increasing the stress.
例えば、TaはCoFeより熱膨張係数が小さいので、Taを下地層とした場合、CoFeピンド層の長手方向には引張応力が印加される。
また、CoFeはCo90Fe10において磁歪定数が0で、Feの組成比がそれより大きくなる磁歪定数は正になり、小さければ負になる。
したがって、Co74Fe26は正の磁歪定数を有するので、ピンド層の長手方向に大きな磁気異方性が発現することになる。
For example, since Ta has a smaller thermal expansion coefficient than CoFe, when Ta is used as an underlayer, tensile stress is applied in the longitudinal direction of the CoFe pinned layer.
CoFe has a magnetostriction constant of 0 in Co 90 Fe 10 , and the magnetostriction constant at which the Fe composition ratio is larger is positive, and is negative when it is small.
Therefore, since Co 74 Fe 26 has a positive magnetostriction constant, a large magnetic anisotropy appears in the longitudinal direction of the pinned layer.
一方、下地層の熱膨張係数がピンド層の熱膨張係数より大きな場合には、ピンド層の長手方向に圧縮応力が印加されるため、この場合には、ピンド層としてCo95Fe5 等の負の磁歪定数有する強磁性体をピンド層として用いることによって、ピンド層の長手方向に大きな磁気異方性が発現することができる。 On the other hand, when the thermal expansion coefficient of the underlayer is larger than the thermal expansion coefficient of the pinned layer, a compressive stress is applied in the longitudinal direction of the pinned layer. In this case, a negative layer such as Co 95 Fe 5 is used as the pinned layer. By using a ferromagnetic material having a magnetostriction constant of 2 as the pinned layer, a large magnetic anisotropy can be exhibited in the longitudinal direction of the pinned layer.
このように、磁気異方性を積極的に利用する場合に、即ち、磁気異方性が大きく現れるように下地層とピンド層との間の熱膨張係数の差を大きくした場合には、ピンド層とフリー層の形状は同じ形状にしても良いものである。 As described above, when magnetic anisotropy is actively used, that is, when the difference in the thermal expansion coefficient between the underlayer and the pinned layer is increased so that the magnetic anisotropy appears greatly, The shape of the layer and the free layer may be the same shape.
また、上記の実施例2においては、MTJ素子におけるピンド層とフリー層の平面形状は略同様であるが、上記の実施例1と同様にピンド層のピン止め方向にフリー層よりも大きな磁気異方性が得られるようにピンド層の形状を長方形状にしても良いものであり、それにより、ピンド層の磁化方向をより安定に固定することができる。 Further, in Example 2 above, the planar shapes of the pinned layer and the free layer in the MTJ element are substantially the same. The pinned layer may have a rectangular shape so as to obtain a directivity, whereby the magnetization direction of the pinned layer can be more stably fixed.
また、上記の実施例2においては、反強磁性層としてFeMnを用いているが、FeMnに限られるものではなく、IrMn或いはPdPtMn等の他の反強磁性層を用いても良いものである。
その場合に、保磁力が極大値となる値は厳密にはFeMnと異なるが、反強磁性層の膜厚としては、極大値を中心に半値幅の範囲内であれば良い。
In Example 2 described above, FeMn is used as the antiferromagnetic layer. However, the antiferromagnetic layer is not limited to FeMn, and other antiferromagnetic layers such as IrMn or PdPtMn may be used.
In this case, the value at which the coercive force becomes a maximum value is strictly different from that of FeMn, but the film thickness of the antiferromagnetic layer may be in the range of the half value width around the maximum value.
また、上記の実施例2においては、ライトヘッドと一体にして複合型薄膜磁気ヘッドとして説明しているが、再生ヘッド単独の磁気ヘッドにも適用されることは言うまでもない。 In the second embodiment, the composite thin-film magnetic head is described as being integrated with the write head.
ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) 下地層1/厚さが0〜5nmの反強磁性層2/ピンド層3/絶縁層/フリー層5からなる積層構造を有する強磁性トンネル接合素子において、少なくとも上記ピンド層3の形状を上記フリー層5の形状より磁気異方性が現れる形状としたことを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
(付記2) 上記ピンド層3の長手方向に形状異方性を持たせたことを特徴とする付記1記載の強磁性トンネル接合素子。
(付記3) 下地層1/厚さが0〜5nmの反強磁性層2/ピンド層3/絶縁層4/フリー層5からなる積層構造を有する強磁性トンネル接合素子において、上記下地層1と上記ピンド層3の応力の違いにより発生する磁歪効果を用いてピンド層3の磁化を磁気的に固定することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
(付記4) 上記下地層1の熱膨張係数を上記ピンド層3の熱膨張係数よりも小さくし、前記ピンド層3の磁歪定数を正にしたことを特徴とする付記3記載の強磁性トンネル接合素子。
(付記5) 上記下地層1の熱膨張係数を上記ピンド層3の熱膨張係数よりも大きくし、前記ピンド層3の磁歪定数を負にしたことを特徴とする付記3記載の強磁性トンネル接合素子。
(付記6) 上記反強磁性層2の厚さを0にしたことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の強磁性トンネル接合素子。
(付記7) 下地層1/厚さが0〜5nmの反強磁性層2/ピンド層3/絶縁層4/フリー層5からなる積層構造を有する強磁性トンネル接合素子において、前記反強磁性層2の厚さを2.5nm〜5nmとしたことを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
(付記8) 付記1乃至7のいずれか1に記載の強磁性トンネル接合素子を記憶保持部として用いたことを特徴とする磁気メモリセル。
(付記9) 付記8記載の磁気メモリセルを複数個配列したことを特徴とする磁気メモリ装置。
(付記10) 付記1乃至7のいずれか1に記載の強磁性トンネル接合素子を再生用の磁気センサ部として用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) In the ferromagnetic tunnel junction element which has the laminated structure consisting of the underlayer 1 /
(Supplementary note 2) The ferromagnetic tunnel junction device according to supplementary note 1, wherein shape anisotropy is provided in a longitudinal direction of the pinned layer 3.
(Supplementary Note 3) In a ferromagnetic tunnel junction device having a laminated structure composed of an underlayer 1 / an
(Additional remark 4) The ferromagnetic tunnel junction of Additional remark 3 characterized by making the thermal expansion coefficient of the said foundation | substrate layer 1 smaller than the thermal expansion coefficient of the said pinned layer 3, and making the magnetostriction constant of the said pinned layer 3 positive. element.
(Supplementary note 5) The ferromagnetic tunnel junction according to supplementary note 3, wherein the thermal expansion coefficient of the underlayer 1 is made larger than the thermal expansion coefficient of the pinned layer 3 and the magnetostriction constant of the pinned layer 3 is made negative. element.
(Supplementary note 6) The ferromagnetic tunnel junction device according to any one of supplementary notes 1 to 5, wherein the
(Additional remark 7) In the ferromagnetic tunnel junction element which has the laminated structure which consists of the underlayer 1 /
(Supplementary note 8) A magnetic memory cell using the ferromagnetic tunnel junction device according to any one of supplementary notes 1 to 7 as a memory holding unit.
(Supplementary Note 9) A magnetic memory device in which a plurality of magnetic memory cells according to Supplementary Note 8 are arranged.
(Supplementary Note 10) A magnetic head using the ferromagnetic tunnel junction device according to any one of Supplementary Notes 1 to 7 as a magnetic sensor unit for reproduction.
本発明の活用例としては、MRAMが典型的なものであり、情報機器の不揮発性記憶装置として適用できるものであり、さらには、MRAMとしてではなく、薄膜磁気ヘッドを構成する再生ヘッドの磁気センサとして用いても良いものである。 As an application example of the present invention, MRAM is typical, and can be applied as a nonvolatile storage device of information equipment. Further, it is not used as MRAM, but a magnetic sensor of a reproducing head constituting a thin film magnetic head. It may be used as.
1 下地層
2 反強磁性層
3 ピンド層
4 絶縁層
5 フリー層
11 n型シリコン基板
12 p型ウエル領域
13 素子分離酸化膜
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 n- 型LDD領域
17 サイドウォール
18 n+ 型ドレイン領域
19 n+ 型ソース領域
20 第1層間絶縁膜
21 Wプラグ
22 Wプラグ
23 接続導体
24 ソース配線層
25 第2層間絶縁膜
26 Wプラグ
27 接続導体
28 書込み用ワード線
29 第3層間絶縁膜
30 Wプラグ
31 下部電極
32 第4層間絶縁膜
33 Co74Fe26層
34 Ru層
35 Co74Fe26層
36 ピンド層
37 トンネル絶縁膜
38 Co74Fe26層
39 NiFe層
40 フリー層
41 キャップ層
42 レジストパターン
43 レジストパターン
44 MTJ素子
45 第5層間絶縁膜
46 p−SiN膜
47 ビット線
51 Al2 O3 −TiC基板
52 Al2 O3 膜
53 下部磁気シールド層
54 下部電極
55 下地層
56 FeMn層
57 Co74Fe26層
58 Ru層
59 Co74Fe26層
60 ピンド層
61 トンネル絶縁膜
62 Co74Fe26層
63 NiFe層
64 フリー層
65 キャップ層
66 磁気センサ部
67 SiO2 膜
68 磁区制御膜
69 SiO2 平坦化膜
70 上部電極
71 上部磁気シールド層
81 ピンニング層
82 ピンド層
83 トンネル絶縁膜
84 フリー層
90 トランジスタ
91 ソース領域
92 ドレイン領域
93 ワード線
94 ソース配線層
95 書込み用ワード線
96 層間絶縁膜
97 リード層
98 ビット線
99 プレート線
100 強磁性トンネル接合素子
101 下地層
102 反強磁性層
103 ピンド層
104 トンネル絶縁層
105 フリー層
106 キャッピング層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Underlayer 2 Antiferromagnetic layer 3 Pinned layer 4 Insulating layer 5 Free layer 11 n-type silicon substrate 12 p-type well region 13 Element isolation oxide film 14 Gate insulating film 15 Gate electrode 16 n − type LDD region 17 Side wall 18 n + Type drain region 19 n + type source region 20 first interlayer insulating film 21 W plug 22 W plug 23 connecting conductor 24 source wiring layer 25 second interlayer insulating film 26 W plug 27 connecting conductor 28 writing word line 29 third layer Insulating film 30 W plug 31 Lower electrode 32 Fourth interlayer insulating film 33 Co 74 Fe 26 layer 34 Ru layer 35 Co 74 Fe 26 layer 36 Pinned layer 37 Tunnel insulating film 38 Co 74 Fe 26 layer 39 NiFe layer 40 Free layer 41 Cap Layer 42 resist pattern 43 resist pattern 44 MTJ element 45 fifth interlayer insulating film 46 p-SiN film 47 bit 51 Al 2 O 3 -TiC substrate 52 Al 2 O 3 film 53 lower magnetic shield layer 54 lower electrode 55 base layer 56 FeMn layer 57 Co 74 Fe 26 layer 58 Ru layer 59 Co 74 Fe 26 layer 60 pinned layer 61 tunnel insulating film 62 Co 74 Fe 26 layer 63 NiFe layer 64 Free layer 65 Cap layer 66 Magnetic sensor part 67 SiO 2 film 68 Magnetic domain control film 69 SiO 2 planarizing film 70 Upper electrode 71 Upper magnetic shield layer 81 Pinning layer 82 Pinned layer 83 Tunnel insulation Film 84 Free layer 90 Transistor 91 Source region 92 Drain region 93 Word line 94 Source wiring layer 95 Write word line 96 Interlayer insulating film 97 Lead layer 98 Bit line 99 Plate line 100 Ferromagnetic tunnel junction element 101 Underlayer 102 Antiferromagnetic Layer 103 Pinned layer 104 Tunnel insulating layer 105 Free Layer 106 capping layer
Claims (5)
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