JP2005353819A - Magnetoresistive effect element and storage device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子及び該磁気抵抗効果素子を用いた記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a memory device using the magnetoresistive effect element.
近年、現在使用されている固体記憶装置の多くを置き換える記憶装置(以下、メモリと略す)としてMRAM(Magnetic Random Access Memory)が注目されている。MRAMは高速アクセスが可能な不揮発メモリであるが、特にTMR(Tunnel Magnetoresistance)効果を利用したMRAMは、大きな読み出し信号が得られることから、精力的に研究開発が行われている。 In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) has attracted attention as a storage device (hereinafter abbreviated as a memory) that replaces many of the currently used solid-state storage devices. The MRAM is a non-volatile memory that can be accessed at high speed. In particular, the MRAM using the TMR (Tunnel Magnetoresistivity) effect has been actively researched and developed because a large read signal can be obtained.
TMR膜はトンネル障壁層を介して磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。用いられるトンネル障壁層の膜厚は1nm〜2nm程度と非常に薄く、アルミナが好適に用いられる。 The TMR film has a sandwich structure in which magnetic layers are formed adjacent to each other through a tunnel barrier layer. The tunnel barrier layer used has a very thin film thickness of about 1 nm to 2 nm, and alumina is preferably used.
MRAMの記録密度を高くするために、例えば特許文献1で述べられているように垂直磁化膜を用いる提案がなされている。この方法では素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたMRAMよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。
In order to increase the recording density of the MRAM, a proposal has been made to use a perpendicular magnetization film as described in
磁気抵抗効果膜の磁性膜が垂直磁化膜である場合には、膜面垂直方向の磁界、つまり上向きあるいは下向きの磁界を印加し、非磁性膜に接して形成されている2つの磁性膜のうち一方の磁性膜の磁化方向のみを情報に対応した向きに向ける。 When the magnetic film of the magnetoresistive film is a perpendicularly magnetized film, a magnetic field perpendicular to the film surface, that is, an upward or downward magnetic field is applied, and two of the magnetic films formed in contact with the nonmagnetic film Only the magnetization direction of one magnetic film is directed to the direction corresponding to the information.
また、磁化方向を反転させる他の方法として、スピン偏極した電流を磁性膜に流す方法がある。これはスピン注入と呼ばれ、非特許文献1と2によって提案された磁化反転方法である。スピン偏極した電流を発生させるには磁性金属と非磁性金属の多層膜を用いることが一般的であるが、p型ガリウム砒素からなる半導体に電場を印加すると、それと垂直な方向にスピン流が発生することが、非特許文献3により、村上等によって最近報告されており、これを磁化反転に利用することも可能である。
As another method of reversing the magnetization direction, there is a method of passing a spin-polarized current through the magnetic film. This is called spin injection and is a magnetization reversal method proposed by
TMR膜をメモリ素子として利用する場合、情報の読み出し時間を短くするために素子の抵抗値は小さいことが好ましい。TMR膜の抵抗値はトンネル障壁膜の抵抗値が支配的であり、抵抗値を小さくするためにはトンネル障壁膜の抵抗を小さくする必要がある。 When the TMR film is used as a memory element, it is preferable that the resistance value of the element is small in order to shorten the information reading time. The resistance value of the TMR film is dominated by the resistance value of the tunnel barrier film. In order to reduce the resistance value, it is necessary to reduce the resistance of the tunnel barrier film.
トンネル障壁膜の抵抗を小さくする一つの方法として薄膜化が挙げられるが、メモリ素子の面積が小さくなればなるほど、逆に素子の抵抗値は増加するため、トンネル障壁膜をより薄くする必要があり、サブミクロン角サイズのメモリ素子では、1nm以下の膜厚のトンネル障壁膜が求められる。そのようなアルミナトンネル障壁膜を均一に形成することは容易ではない。したがってトンネル障壁膜の薄膜化による低抵抗化には限界があり、メモリ素子のサイズの微細化に限界があるために、例えば1Gbit以上の大容量メモリの製造は困難であるといわれている。 One way to reduce the resistance of the tunnel barrier film is to reduce the thickness. However, as the area of the memory element decreases, the resistance value of the element increases. Therefore, it is necessary to make the tunnel barrier film thinner. For a memory element of submicron square size, a tunnel barrier film having a thickness of 1 nm or less is required. It is not easy to form such an alumina tunnel barrier film uniformly. Therefore, there is a limit to reducing the resistance by thinning the tunnel barrier film, and there is a limit to miniaturization of the size of the memory element, so that it is said that it is difficult to manufacture a large capacity memory of, for example, 1 Gbit or more.
また、他の方法としてトンネル障壁膜にエネルギー障壁高さの低い材料を用いることが挙げられる。しかし、これまでに酸化ニッケルや窒化アルミニウム等様々な材料が検討されたが、十分な磁気抵抗変化率の得られる材料は見つかっていない。 Another method is to use a material having a low energy barrier height for the tunnel barrier film. However, various materials such as nickel oxide and aluminum nitride have been studied so far, but no material capable of obtaining a sufficient magnetoresistance change rate has been found.
また、1999年に新しい磁気抵抗効果であるBMR(Ballistic Magnetoresistance)効果がGarciaなどによって報告された(非特許文献4)。この研究においては、直径2mmの2本のニッケル細線を、樹脂を用いてテフロンチューブに固定し、お互いに先端を押し付けることにより、局部的な接点を有する磁気抵抗効果素子を作成している。2本のニッケル細線の磁化方向が反平行であるとき接点に磁壁が形成され、磁化方向を平行にすると磁壁は消滅する。2つのニッケル細線の両端に電圧を印加し、接点を電子が通過するように電流を流すと、磁壁が形成されているときの電気抵抗は、磁壁が存在しないときよりも大きく、その抵抗変化率は、非特許文献4に示されるように280%と巨大である。また、その後の研究において、非特許文献5では、100000%というさらに大きな磁気抵抗変化率が報告されている。
しかしながらこれまでの報告ではBMR素子は直径数mmから数百μm程度の磁性ワイヤーを用いており、メモリ素子としては著しく大きなものであった。 However, in the reports so far, the BMR element uses a magnetic wire having a diameter of about several millimeters to several hundreds of micrometers, and is extremely large as a memory element.
例えば、現在の主流である、DRAM(ランダムアクセスメモリ)では、90nmルールが採用され、現在製品化が検討されているTMR素子を用いたMRAMにおいても、0.6μmルールあるいはそれ以下の配線ルールを用いて、メモリ素子の微小化が進んでいる。 For example, in the current mainstream DRAM (Random Access Memory), the 90 nm rule is adopted, and even in an MRAM using a TMR element currently being commercialized, a wiring rule of 0.6 μm or less is used. As a result, the miniaturization of memory elements is progressing.
したがって、BMR素子を用いたメモリを実現するためにはメモリ素子の更なる微小化の検討が必要である。 Therefore, in order to realize a memory using a BMR element, it is necessary to study further miniaturization of the memory element.
上記課題を解決するために、本発明の構成は、遷移金属元素の中から選ばれる少なくとも1種類の元素を含む第1の磁性体および第2の磁性体が、絶縁層中に層の面に垂直な方向に対向して設けられ、第1の磁性体および前記第2の磁性体が、接続部で接続され、接続部の第1の磁性体と第2の磁性体との接触面の面積が、少なくとも接続部と接する第1の磁性体および第2の磁性体の前記接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さく、接続部に電流が流れるように電圧を印加した場合、第1の磁性体および第2の磁性体の磁性体の磁化方向がなす角度によって電気抵抗が異なる(磁気抵抗変化率(MR比))ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the configuration of the present invention is such that a first magnetic body and a second magnetic body containing at least one element selected from transition metal elements are disposed on the surface of a layer in an insulating layer. The first magnetic body and the second magnetic body are provided so as to face each other in a vertical direction, and are connected at a connection portion. An area of a contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body at the connection portion. Is smaller than the cross-sectional area parallel to the plane forming the connection part of the first magnetic body and the second magnetic body at least in contact with the connection part, and when a voltage is applied so that a current flows through the connection part, The electrical resistance varies depending on the angle formed by the magnetization directions of the first magnetic body and the second magnetic body (magnetic resistance change rate (MR ratio)).
本発明によれば、メモリ素子が高いMR比を有しているため、安定した情報の読み書きをすることが可能となり、簡易な構成で、小型で高い記録密度で、かつ高速であるメモリが実現できる。 According to the present invention, since the memory element has a high MR ratio, it is possible to read and write stable information, and a small configuration, a high recording density, and a high-speed memory are realized with a simple configuration. it can.
微細なBMR素子を作製することは、メモリの小型化のために必要である。その実現のために、本発明のBMR素子は、絶縁体膜中に、第1の磁性体および第2の磁性体を該絶縁体膜の膜面垂直方向に積層させて形成し、第1の磁性体および前記第2の磁性体は、接続部で接続し、接続部の第1の磁性体と第2の磁性体との接触面の面積を、少なくとも接続部と接する第1の磁性体および第2の磁性体の接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さくすることによって、微細な磁気抵抗効果膜を実現することが可能である。 Fabrication of a fine BMR element is necessary for miniaturization of the memory. To achieve this, the BMR element of the present invention is formed by laminating a first magnetic body and a second magnetic body in the insulator film in a direction perpendicular to the film surface of the insulator film. The magnetic body and the second magnetic body are connected at a connection portion, and the area of the contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body of the connection portion is at least the first magnetic body in contact with the connection portion, and A fine magnetoresistive film can be realized by making it smaller than the cross-sectional area parallel to the plane forming the connecting portion of the second magnetic body.
第1の磁性体と第2の磁性体とは、接続部で直接接続していても、磁性体からなる接続領域に互いに対向して接触していても良い。第1の磁性体と第2の磁性体とが、接続部で直接接続する場合は、接触面の面積がこれらの接触面に平行な第1の磁性体と第2の磁性体との断面積よりも小さい必要がある。 The first magnetic body and the second magnetic body may be directly connected at the connection portion, or may be in contact with each other in a connection region made of the magnetic body. When the first magnetic body and the second magnetic body are directly connected at the connection portion, the cross-sectional area of the first magnetic body and the second magnetic body in which the area of the contact surface is parallel to these contact surfaces. Need to be smaller than.
接続部の上部に位置する磁性体と下部に位置する磁性体はそれらの磁化方向を平行あるいは反平行の2つの状態に制御できるように設計しておく。例えば、磁化方向を磁界の印加によって制御する場合は、2つの磁性体の磁化反転磁界(保磁力)は異なる大きさとする。あるいは、スピン注入によって磁化反転を行う場合は2つの磁性体を異なる体積としておくことで一方の磁性体のみ磁化反転可能である。 The magnetic body located at the upper part of the connecting portion and the magnetic body located at the lower part are designed so that their magnetization directions can be controlled in two states, parallel or antiparallel. For example, when the magnetization direction is controlled by applying a magnetic field, the magnetization reversal magnetic fields (coercive force) of the two magnetic bodies have different magnitudes. Alternatively, when magnetization reversal is performed by spin injection, it is possible to reverse the magnetization of only one of the two magnetic bodies by setting the two magnetic bodies to different volumes.
本発明の磁気抵抗効果素子の磁化反転をスピン注入によって行う場合、磁界を発生させる導線を素子の横に配置する必要がないので、さらに高密度でかつ高速なメモリ素子が実現可能である。 When the magnetization reversal of the magnetoresistive effect element of the present invention is performed by spin injection, it is not necessary to arrange a conducting wire for generating a magnetic field beside the element, so that a higher-density and high-speed memory element can be realized.
また、より小さなBMR素子を実現するためには、その磁性体は面内磁化膜よりも垂直磁化膜であることが好ましい。垂直磁化膜にはガドリニウムやテルビウムの希土類金属と鉄やコバルトの遷移金属からなるアモルファス合金膜が挙げられる。特に磁界印加によって磁化反転させる場合には保磁力の比較的小さなガドリニウムと遷移金属の合金を用いることが好ましい。 In order to realize a smaller BMR element, the magnetic material is preferably a perpendicular magnetization film rather than an in-plane magnetization film. Examples of the perpendicular magnetization film include an amorphous alloy film made of a rare earth metal such as gadolinium or terbium and a transition metal such as iron or cobalt. In particular, when the magnetization is reversed by applying a magnetic field, it is preferable to use an alloy of gadolinium and a transition metal having a relatively small coercive force.
磁性体を柱状形状あるいは針状形状などの膜面垂直方向に細長い形状である場合は、形状異方性によって磁化は膜面垂直方向に向く。この場合、磁性体は鉄、コバルトあるいはニッケル等の遷移金属が使用可能である。 When the magnetic material is elongated in the direction perpendicular to the film surface, such as a columnar shape or a needle shape, the magnetization is directed in the direction perpendicular to the film surface due to shape anisotropy. In this case, a transition metal such as iron, cobalt or nickel can be used as the magnetic material.
上記の様にBMR素子は磁気抵抗変化率が大きく、かつ著しく薄いトンネル障壁膜を形成する必要が無いので、磁気抵抗効果素子として有用であり、微細化することによって大容量不揮発固体メモリの記憶素子への応用が可能となる。 As described above, the BMR element has a large magnetoresistance change rate and does not require the formation of a remarkably thin tunnel barrier film. Therefore, the BMR element is useful as a magnetoresistive effect element. Application to is possible.
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
(第1の実施例)
本発明の第1の実施例を、図1の概略断面図を用いて説明する。基板面方位が(100)でオリエンテーションフラットが(110)面の結晶シリコンからなる基板100の表面と裏面とに一辺が(110)方向である長方形の被エッチング領域以外の領域を覆うようにレジストパターンを形成し、(111)面方位依存性のあるエッチング溶液である水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に浸しエッチングを行い、鋸歯形状の溝を形成する。この際、基板100の表側から形成された溝の頂点が裏側から形成された溝の頂点と繋がるようにする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. A resist pattern is formed so as to cover a region other than the rectangular region to be etched whose one side is in the (110) direction on the front and back surfaces of the
その後、レジストを剥離し、基板100の表面を酸化させることにより絶縁膜(図示せず)を基板100表面に形成する。図のようなテーパ形状を有する構成の場合には、本実施形態のようにウエットエッチングで行なうことが好ましい。
Thereafter, the resist is removed, and the surface of the
尚、絶縁膜は通常の熱酸化法あるいは、気相成長法により形成することができる。その後、基板100の一方の面にガドリニウム、鉄、コバルトからなるアモルファス合金膜を、基板100の他方の面にテルビウム、鉄、コバルトからなるアモルファス合金膜をスパッタリングし、基板100の窪みの中に第1の磁性体201と第2の磁性体202を形成する(図1(a))。この結果、第1の磁性体201と第2の磁性体202とは、絶縁膜で囲われた溝中に形成され、該溝の頂点で接続された構造となる。
The insulating film can be formed by a normal thermal oxidation method or a vapor phase growth method. Thereafter, an amorphous alloy film made of gadolinium, iron, and cobalt is sputtered on one surface of the
ガドリニウム、鉄、コバルトからなる第1の磁性体201は、テルビウム、鉄、コバルトからなる第2の磁性体202よりも保磁力が小さい。従って、第1の磁性体201の保磁力よりも大きく、かつ第2の磁性体202の保磁力よりも小さな外部磁界を印加すると、第1の磁性体の磁化方向のみ所望の方向に向けることが可能である。
The first
この結果、基板面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。 As a result, a magnetoresistive element having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the substrate surface can be obtained.
磁界印加の他にスピン注入によって磁化反転させることも可能である。ただしこの場合2つの磁性体を異なる体積とし、磁化反転させる磁性体の体積は、磁化反転させない磁性体の体積よりも小さくしておくことが好ましい。 In addition to applying a magnetic field, the magnetization can be reversed by spin injection. However, in this case, it is preferable that the two magnetic bodies have different volumes, and the volume of the magnetic body to be reversed is smaller than the volume of the magnetic body that is not reversed.
第1の磁性体201と第2の磁性体202との体積を異なるものにする方法としては、例えば、一方の面に形成するレジストパターンの長方形の被エッチング領域の(110)面に垂直な辺を、他方の面に形成する長方形の被エッチング領域の辺よりも短くしておくことにより、被エッチング領域が小さな方は、エッチングの性質によりエッチングされる体積が小さくなり、従ってその溝の中に形成される磁性体の体積を少なくすることが可能である。
(第2の実施例)
本実施例について、図2を用いて説明する。シリコンからなる基板100(図示せず)上に1.2μmの厚さの第1のアルミ膜を成膜し、FIB(Focused Ion Beam)を用いて所望の位置に窪みを形成し空孔の起点とする。第1のアルミ膜全体を陽極酸化処理することによって直径数10nmの空孔を空けると共にアルミを第1の絶縁体(層)101とする。上記陽極酸化処理は、従来の方法を用いることが可能であり、シュウ酸溶液中にアルミ膜を入れこれを陽極としてパルス電圧を印加し水を電気分解する。陽極から発生した酸素はアルミ膜と反応し、酸化アルミ膜となる。このときFIBによって形成した窪みを基点として微細な空孔が形成される。
As a method for making the first
(Second embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film having a thickness of 1.2 μm is formed on a substrate 100 (not shown) made of silicon, and a hollow is formed at a desired position by using FIB (Focused Ion Beam). And By subjecting the entire first aluminum film to anodization, holes having a diameter of several tens of nanometers are formed and aluminum is used as the first insulator (layer) 101. A conventional method can be used for the anodizing treatment. An aluminum film is placed in an oxalic acid solution, and this is used as an anode to apply a pulse voltage to electrolyze water. Oxygen generated from the anode reacts with the aluminum film to form an aluminum oxide film. At this time, fine holes are formed with the depression formed by FIB as a base point.
その後、電着により空孔にコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去し、柱状構造の第1の磁性体201を形成する。さらにアルミとシリコンとを同時にスパッタリングし、シリコン膜中に直径数nmのアルミ柱状構造が形成された膜厚20nmの共晶薄膜121を形成した。
Thereafter, the holes are filled with cobalt by electrodeposition, the surface of the obtained structure is polished, the cobalt protruding from the holes is removed, and the first
本発明では、磁壁をできるだけ薄く形成させることでより大きい磁気抵抗変化が期待できるので、アルミ柱状構造が形成された共晶薄膜の膜厚は薄く形成するほうが好ましい。現在の技術では、5nm以上の膜厚が有れば共昌薄膜が形成されると言われている。 In the present invention, since a greater change in magnetoresistance can be expected by forming the domain wall as thin as possible, it is preferable to form the eutectic thin film on which the aluminum columnar structure is formed thin. According to the current technology, it is said that if the film thickness is 5 nm or more, a Kyochang thin film is formed.
さらに400nmの厚さの第2のアルミ膜を成膜し、第2のアルミ膜の、第1の磁性体201の直上に位置するように、前述のFIBを用いて第2のアルミ膜表面に空孔の基点となる窪みを形成し、さらに陽極酸化によって第2のアルミ膜に空孔を空けるとともに第2のアルミ膜を陽極酸化処理し第2の絶縁体(層)102とする。
Further, a second aluminum film having a thickness of 400 nm is formed, and the second aluminum film is formed on the surface of the second aluminum film by using the above-described FIB so that the second aluminum film is positioned immediately above the first
このときアルミとシリコンからなる薄膜121には、アルミが除去され、薄膜121を貫通する複数の微細な空孔が空く。 At this time, the aluminum is removed from the thin film 121 made of aluminum and silicon, and a plurality of fine holes penetrating the thin film 121 are formed.
その後、薄膜121に残存するシリコンを酸化処理して絶縁体とした後、電着によってコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。この結果、第2の絶縁体102に柱状の第2の磁性体202と薄膜121に形成された微細な柱状の磁性体とが形成される。第1の磁性体201と第2の磁性体202とは薄膜121に形成された複数の微細な柱状の磁性体により局部的に結合した構造を持つ磁気抵抗効果素子膜が形成される(図2)。
Thereafter, the silicon remaining in the thin film 121 is oxidized to form an insulator, and then filled with cobalt by electrodeposition, and the surface of the obtained structure is polished to remove cobalt protruding from the holes. As a result, the columnar second
磁性体201と202とは、絶縁体(層)の膜の面内方向の長さよりも層の面に垂直方向の長さが長い形状をしている。この形状異方性から、共に層の面に垂直方向に磁気異方性を有し、かつ形状の違いから異なる磁化反転磁界を有する。したがって外部磁界を印加することによって一方の磁性体の磁化方向のみ反転することが可能であり、2つの磁性体の磁化方向が反平行であるとき局所的な結合部分に磁壁が形成される。先述のように、2つの磁性体の磁化方向が反平行であるときは、それらが平行であるときに比して電気抵抗が高い。
The
本実施例では磁性体としてコバルトを用いたが、磁気抵抗効果を示す磁性体であれば何でもよく、例えば鉄やニッケル等が使用可能である。
(第3の実施例)
本実施例について図3を用いて説明する。シリコンからなる基板100(図示せず)上に1μmの厚さの第1のアルミ膜を成膜し、所望の位置に針を押し付けることにより窪みを形成し空孔の起点とする。起点の形成はもちろん第2の実施例に記載のようにFIBで形成しても構わない。
In this embodiment, cobalt is used as the magnetic material. However, any magnetic material exhibiting a magnetoresistive effect may be used. For example, iron or nickel can be used.
(Third embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film having a thickness of 1 μm is formed on a substrate 100 (not shown) made of silicon, and a dent is formed by pressing a needle at a desired position to be a starting point of a hole. Of course, the starting point may be formed by FIB as described in the second embodiment.
次に該第1のアルミ膜を陽極酸化処理することによって直径数10nmの空孔を空けると共にアルミを第1の絶縁体(層)101とする。その後、電着により空孔にコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去し、柱状構造の第1の磁性体201を形成する。その後、第2の実施例と同様に、アルミとシリコンを同時にスパッタリングし、シリコン膜中に直径数nmのアルミ柱状構造が形成された膜厚20nmの共晶薄膜121を形成し、さらに1μmの厚さの第2のアルミ膜を成膜する。
Next, the first aluminum film is anodized to open holes with a diameter of several tens of nanometers, and aluminum is used as the first insulator (layer) 101. Thereafter, the holes are filled with cobalt by electrodeposition, the surface of the obtained structure is polished, the cobalt protruding from the holes is removed, and the first
第1のアルミ膜に空孔を設けると同様な手法を用い、第2のアルミ膜の第1の磁性体201の直上に位置するように陽極酸化によって空孔を空けるとともにアルミ膜を陽極酸化し第2の絶縁体(層)102とする。このときアルミとシリコンからなる薄膜121は、アルミが除去され微細な空孔が空く。残存したシリコンを酸化処理して絶縁体とした後、電着によってコバルトを充填し、得られた構造体の表面を研磨し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。以上の工程によって絶縁層膜中に柱状構造の磁性体201と202とが、薄膜121に形成された複数の微細な柱状の磁性体により局部的に結合した構造が形成される。
When a hole is provided in the first aluminum film, a hole is formed by anodization so that the hole is located immediately above the first
次に、第2の磁性体202の磁化方向は層の面に垂直な方向の上下どちらかの向きに揃える。
Next, the magnetization direction of the second
その後、第2の磁性体202の上部にマンガンとプラチナからなる反強磁性体211を形成する。反強磁性体211を形成することによって反強磁性体211の一方向異方性を誘起させる。この結果、図3に示す磁気抵抗効果素子が形成される。
Thereafter, an antiferromagnetic material 211 made of manganese and platinum is formed on the second
第1の磁性体201と第2の磁性体202の磁化方向がともに反強磁性体211の一方向異方性の方向に揃っている場合、第2の磁性体202は反強磁性体211と交換結合しており、磁化方向と反平行な方向に外部磁界を印加すると、第1の磁性体の磁化方向は第2の磁性体の磁化方向よりも小さな磁界で磁化反転させることが可能である。
(第4の実施例)
第2の実施例に記載の磁気抵抗効果素子は、第1の磁性体201と第2の磁性体202の体積が異なるためスピン注入による磁化反転も可能である。
When the magnetization directions of the first
(Fourth embodiment)
In the magnetoresistive effect element described in the second embodiment, since the volumes of the first
スピン注入を行うには第2の磁性膜202の上部に非磁性金属膜103を形成し、さらに連続して第4の磁性体204を形成する。
In order to perform spin injection, the nonmagnetic metal film 103 is formed on the second
第3の実施例と同様にシリコンとアルミからなる共晶薄膜121まで形成し、その後十分に厚い第2のアルミ膜を成膜する。アルミ膜を陽極酸化して作製した第2の絶縁体202の空孔中に、第2の磁性体202、非磁性金属103そして第4の磁性体204を連続して形成する。このとき非磁性金属103の膜厚はスピンが反転しない厚さ、つまりスピン緩和長よりも薄くしておく。膜厚は磁性体202と非磁性金属103により変化するので材料により適宜変更する必要がある。
Similarly to the third embodiment, a eutectic thin film 121 made of silicon and aluminum is formed, and then a sufficiently thick second aluminum film is formed. A second
第1の磁性体201および第4の磁性体204はスピン注入時に磁化が反転しないような大きな体積とする。例えば、第2のアルミ膜の厚さを3μmとし、これを陽極酸化し、第1の磁性体201の上部に空孔を形成すると同時にアルミ膜を酸化させる。次いで第2の磁性体202として電着により300nmのコバルト、非磁性金属103として5nmの厚さの銅、さらに第2の磁性体202としてコバルトを膜表面まで充填する(図4)。
The first
第4の磁性体204の磁化方向は第1の磁性体201の磁化方向と平行とする。第4の磁性体204の磁化と第2の磁性体202の磁化の方向が反平行であり、第2の磁性体202の磁化方向を第4の磁性体204の磁化方向に揃える場合、第4の磁性体204からスピン偏極した電子を、非磁性金属103を通じて第2の磁性体202へ注入する。すると電子のスピンと第2の磁性体202の磁化の相互作用により、第2の磁性体202の磁化は第4の磁性体204の磁化方向と平行となる。逆に第2の磁性体202の磁化方向を第4の磁性体204の磁化方向に対して反平行に向ける場合は、第2の磁性体202の方から電子を注入する。注入された電子はスピン偏極し、第4の磁性体204の磁化方向と平行なスピンを持つ電子は、非磁性金属103を通って第4の磁性体204を通り抜けていく。
The magnetization direction of the fourth
しかし、第4の磁性体204と反平行なスピンを持つ電子は、第4の磁性体204と非磁性金属103との界面で反射され、再び第2の磁性体202へ注入される。この電子の注入によって第2の磁性体202の磁化は反転する。第4の磁性体204と第1の磁性体201は体積が大きいために磁化反転せず、第1の磁性体201と第2の磁性体202の界面には磁壁が形成される。スピン注入方で磁化反転に必要な電流量は第1の磁性体201と第4の磁性体204が磁化反転可能で、第2の磁性体202が磁化反転しないように決められる。情報記録回路に関しては、従来の単純マトリクス方式とほぼ同じであるが、従来の単純マトリクス方式では磁界記録方式が一般的であるため、検出回路と記録回路が別になっている。それに対して、スピン注入記録を用いる場合は検出回路と記録回路の共有部分があり、磁界記録単純マトリクス方式の検出回路の選択トランジスタまでが共有部分となる。選択トランジスタの先に検出回路と電源が接続され、これらはスイッチによって切り替えるようにしておけばよい。
(第5の実施例)
本実施例について、図5を用いて説明する。第1のアルミ膜を1.5μm成膜し、所望の位置に針を押し付けることによってエッチングの起点となる窪みを形成する。陽極酸化することによって柱状の空孔を形成するとともにアルミを酸化させる。
However, electrons having spins antiparallel to the fourth
(Fifth embodiment)
This embodiment will be described with reference to FIG. A first aluminum film is formed to a thickness of 1.5 μm, and a dent is formed as a starting point of etching by pressing a needle at a desired position. Anodizing forms columnar holes and oxidizes aluminum.
次に、空孔中に電着によって第1の磁性体201としてコバルトを充填し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。その後、試料表面上にさらに第2のアルミ膜を500nm成膜する。第1の磁性体201の直径よりもわずかに短い距離だけずらして、第2のアルミ膜表面に針を押し付けエッチングの起点となる窪みを形成し、陽極酸化により空孔を空ける。この空孔に第2の磁性体202となるコバルトを電着により充填し、空孔からはみ出ているコバルトを除去する。
Next, cobalt is filled in the holes as the first
第1の磁性体201の直径よりもわずかに短い距離だけずらして、第2のアルミ膜表面に針を押し付けエッチングの起点となる窪みを形成し、陽極酸化により空孔を空けることにより、第1の磁性体201と第2の磁性体202は図5に示すように局部的に結合するように形成される。第1の磁性体201および第2の磁性体202には、磁気抵抗効果を示すものであればどのような材料でも使用可能であり、コバルト以外にも例えば鉄やニッケルが挙げられる。
The first
第1の磁性体201は第2の磁性体202に比して大きな磁化反転磁界(保磁力)を持つ。初期状態で第1の磁性体201と第2の磁性体202の磁化方向が平行だとすると、この磁化方向と反平行に磁界を印加すると第2の磁性体202の磁化のみ反転し、第1の磁性体201および第2の磁性体202の界面には磁壁が形成される。また、磁化が反平行である場合、平行であるときよりも大きな電気抵抗を示す。
The first
さらに本実施例の膜構成の磁気抵抗効果素子は、第1の磁性体201と第2の磁性体202の体積が異なるために、スピン注入によって第2の磁性体202の磁化方向のみ反転させることが可能である。
(第6の実施例)
本発明の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として不揮発メモリが実現可能である。p型シリコンウエハー104表面に形成したソースおよびドレイン領域となるn型拡散領域105、106と、該n型拡散領域105,106の間に、シリコンウエハー104とゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極107とを有するn型のMOS(NMOS)トランジスタを有している。
Further, in the magnetoresistive effect element having the film configuration of the present embodiment, since the first
(Sixth embodiment)
A nonvolatile memory can be realized using the magnetoresistive effect element of the present invention as a memory element. n-type diffusion regions 105 and 106 to be source and drain regions formed on the surface of the p-
この素子選択用のスイッチトランジスタは周辺回路と同時にCMOSプロセスで形成することが好ましい。n型拡散領域105上にはコンタクトプラグ108が形成され、選択用トランジスタと磁気抵抗効果素子を電気的に接続する。第3の実施例に記載した製造方法と同様にしてコバルトからなる第1の磁性体201と第2の磁性体202が局部的に結合した構造を形成する。さらに第2の磁性体にテルビウム、鉄そしてコバルトからなる第3の磁性体203であるアモルファス合金垂直磁化膜203を成膜し、第2の磁性体202の磁化方向を固定する。ただし、第3の磁性体203の組成は補償組成付近とし、大きな保磁力を持たせ外部磁化によって容易に反転しないようにしておく。
The switch transistor for element selection is preferably formed by a CMOS process simultaneously with the peripheral circuit. A
第1の磁性体201の近くに書き込み線111および112を配し、これに電流を流すことによって第1の磁性体201に膜面垂直方向の磁界を印加できるようにする。ただし、所望のメモリ素子に記録を行う場合には、書き込み線111および112に電流を流すと同時に所望のメモリ素子に接続されているビット線113にも電流を流し、第1の磁性体201に膜面内方向の磁界を印加することにより第1の磁性体201の磁化を反転させ、所望のメモリ素子のみ選択的に記録を行う。書き込み線111,112には図示しない電流を双方向に流すことが可能な電源が接続されており、書き込み線、電源によって情報記録手段を構成している。また、ビット線の一端には、磁気抵抗効果素子の抵抗を検出するための回路が接続され、このビット線と該回路によって情報検出手段を構成している。検出するための回路としては、差動アンプなどを用いればよい。
またゲート電極107には、情報の読み出しの際に所望の素子を選択するためのワード線が接続されている。
(第7の実施例)
本発明の、第4の実施例に記載の磁気抵抗効果素子をメモリ素子として用い、情報の記録方法にスピン注入を用いることによって、図7に示す、ように、本発明の磁気抵抗効果素子をビット線とワード線との間に本発明の磁気抵抗効果素子を挟んだ、クロスポイント型構造が取れる。
The write lines 111 and 112 are arranged in the vicinity of the first
The
(Seventh embodiment)
By using the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment of the present invention as a memory element and using spin injection for the information recording method, the magnetoresistive effect element of the present invention is obtained as shown in FIG. A cross-point structure in which the magnetoresistive effect element of the present invention is sandwiched between a bit line and a word line can be taken.
情報の記録は所望の磁気抵抗効果素子に接続されたビット線とワード線に記録する情報に対応した方向の電流を流して行う。また、情報の読み出しは、記録動作と同様にビット線とワード線に、磁気抵抗効果素子の磁化が反転しないような小さな電流を流し、素子の抵抗値の違いを検出することによって行う。 Information is recorded by passing a current in a direction corresponding to information recorded on the bit line and the word line connected to the desired magnetoresistive element. In addition, information is read by passing a small current that does not reverse the magnetization of the magnetoresistive effect element to the bit line and the word line as in the recording operation, and detecting a difference in the resistance value of the element.
本発明のBMR磁気抵抗素子は、TMR素子を用いたクロスポント型のメモリ例えば、特開2000−315382号公報等と同様な構成と動作を行う。TMR素子に比べ、本発明のBMR素子はMR比が10倍以上高く、セル面積を1/10以下にすることができるので、検出回路の構成を簡略化でき、更に、記憶密度が高いメモリを得ることができる。 The BMR magnetoresistive element of the present invention performs the same configuration and operation as a cross-point type memory using a TMR element, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-315382. Compared with the TMR element, the BMR element of the present invention has an MR ratio of 10 times or more and the cell area can be reduced to 1/10 or less, so that the configuration of the detection circuit can be simplified and a memory with a high storage density can be obtained. Can be obtained.
100 基板
101 第1の絶縁体
102 第2の絶縁体
103 非磁性金属膜
104 p型シリコン基板
105 n型拡散領域
106 n型拡散領域
107 ゲート電極(ワード線)
108 コンタクトプラグ
109 コンタクトプラグ
110 ソース電極
111 書き込み線
112 書き込み線
113 ビット線
114 ワード線
121 共晶薄膜
200 磁気抵抗効果素子
201 第1の磁性体
202 第2の磁性体
203 第3の磁性体
204 第4の磁性体
211 反強磁性体
301 磁性膜
302 磁性膜
303 非磁性膜
100 substrate 101 first insulator 102 second insulator 103 nonmagnetic metal film 104 p-type silicon substrate 105 n-type diffusion region 106 n-
108 contact plug 109 contact plug 110 source electrode 111 write line 112 write line 113 bit line 114 word line 121 eutectic
Claims (13)
前記接続部の前記第1の磁性体と前記第2の磁性体との接触面の面積が、少なくとも前記第1の磁性体および前記第2の磁性体の前記接続部を形成する平面に平行な断面積よりも小さく、
前記第1の磁性体および前記第2の磁性体の磁性体の磁化方向がなす角度によって電気抵抗が異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first magnetic body and a second magnetic body provided in the insulating layer so as to face each other in a direction perpendicular to the surface of the layer are connected at a connection portion, and the first magnetic body and the second magnetic body are , Including at least one element selected from transition metal elements,
An area of a contact surface between the first magnetic body and the second magnetic body of the connection portion is parallel to at least a plane that forms the connection portion of the first magnetic body and the second magnetic body. Smaller than the cross-sectional area,
A magnetoresistive effect element, wherein an electric resistance varies depending on an angle formed by magnetization directions of the first magnetic body and the magnetic body of the second magnetic body.
The memory according to claim 11, wherein the mechanism for spin-polarizing the current includes a semiconductor and a mechanism for applying an electric field to the semiconductor.
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