JP2006073861A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細化を図るとともに、消費電力を低減することのできる磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 本発明の磁気記憶装置は、強磁性体層４と強磁性体層６との各々の磁化の向きに基づいて記憶状態を判定する磁気記憶装置であって、反強磁性体層３と、反強磁性体層３上に形成され、磁化の向きが固定された強磁性体層４と、強磁性体層４上に形成された非磁性体層５と、非磁性体層５上に形成され、外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性体層６と、強磁性体層６上に形成された金属膜７とを備えている。金属膜７はＲｕを含み、かつ強磁性体層６の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。好ましくは、強磁性体層６の膜厚は３ｎｍ以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気記憶装置に関し、より特定的には、固定層と自由層との各々の磁化の向きに基づいて記憶状態を判定する磁気記憶装置に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（以下ＭＲＡＭ）は、磁気によって情報を記憶するデバイスである。ＭＲＡＭでは、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜のメモリセルにおいて、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なる効果、すなわちトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistance）効果を利用して情報の記憶を行っている。

ＴＭＲ効果を用いて情報の記憶を行なう素子であるＴＭＲ素子は、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性層によって強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層の膜構造を形成した、いわゆるスピンバルブ構造を有している。このスピンバルブ構造では、一方の強磁性層と反強磁性層とを交換結合させることにより一方の強磁性層の磁気モーメントを固定して固定層としている。また、他方の強磁性層のスピンを外部磁界で容易に反転できるようにして自由層としている。

ＴＭＲ素子への情報の書き込みは、ＴＭＲ素子に隣接した配線に電流を流し、配線の周りに生じた磁界を用いて行なう。このようにして、固定層と自由層との磁化の向きが平行もしくは反平行の状態になる。

ＴＭＲ素子への情報の読み出しは、ＴＭＲ素子の抵抗を測定することによって行なう。より詳しくは、たとえばＴＭＲ素子を定電流源に接続し、固定層と自由層との磁化の向きが平行の場合と反平行の場合とでＴＭＲ素子の抵抗が変化することを用いて、ＴＭＲ素子の両端の電位差と基準となる電位差の大小を比較器で比較して検出する。

ＴＭＲ素子を有するＭＲＡＭは、以下のようにして作成される。半導体基板上に形成されたトランジスタ素子の上に、反強磁性、強磁性、非磁性、および強磁性の薄膜を、たとえばスパッタリング装置を用いて減圧雰囲気で連続的に積層する。次に、この積層膜を大気中にてエッチング加工し、ＴＭＲ素子を形成する。その後、配線を形成して、ＭＲＡＭデバイスが完成する。

従来のＭＲＡＭの製造方法においては、ＴＭＲ素子となる積層膜をエッチングする際に、減圧雰囲気のスパッタリング装置から積層膜が取り出される。このため、最上層の強磁性層が酸化等によって劣化するという問題があった。そこで、最上層の強磁性層の劣化を防ぐために、反強磁性、強磁性、非磁性、および強磁性の薄膜を形成した後で、積層膜の最上面にたとえばＴａ等のさまざまな金属を用いたキャップ層をさらに形成することが広く行われている。このような技術は、たとえば特開２００４−６３５９２号公報（特許文献１）に開示されている。
特開２００４−６３５９２号公報

近年、磁気記憶装置の高集積化が進んでいる。磁気記憶装置の高集積化のために、メモリセルを構成するＴＭＲ素子の自由層を横方向に微細化すると、自由層を構成する磁性体層において表皮層の割合が増加し、反磁界が増加する。その結果、保磁力が増加し、磁化の方向を反転するのに必要な電流（消費電力）が増加する。特に磁気記憶装置では、磁気ヘッドなどと比較して、自由層の保磁力を低減し消費電力を低減することが重要である。

そこで、このような消費電力の増加を抑制する方法として、自由層の膜厚を薄くすることでアスペクト比を小さくし、反磁界を減少させる方法がある。しかしながら、自由層の膜厚を５ｎｍ以下まで薄くすると、自由層の保磁力が増加し、消費電力がかえって増加するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、微細化を図るとともに、消費電力を低減することのできる磁気記憶装置を提供することである。

本発明の磁気記憶装置は、固定層と自由層との各々の磁化の向きに基づいて記憶状態を判定する磁気記憶装置であって、反強磁性体層と、反強磁性体層上に形成され、磁化の向きが固定された固定層と、固定層上に形成された第１非磁性体層と、第１非磁性体層上に形成され、外部磁場によって磁化の向きが変化する自由層と、自由層上に形成された金属膜とを備えている。金属膜はＲｕ（ルテニウム）を含み、かつ自由層の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

本発明の磁気記憶装置によれば、自由層の膜厚が５ｎｍ以下である場合でも、自由層の磁気特性の劣化が抑制される。したがって、微細化を図るとともに、消費電力を低減することができる。なお、自由層の膜厚を１．５ｎｍ以上とすることにより、自由層から所望の磁気的性質を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、ＴＭＲ素子１は、反強磁性体層３と、固定層としての強磁性体層４と、第１非磁性体層としての非磁性体層５と、自由層としての強磁性体層６と、金属膜７とを備えている。反強磁性体層３は、たとえば下地膜２などの上に形成されている。強磁性体層４は反強磁性体層３上に形成されており、反強磁性体層３との間の交換結合バイアス磁界によってその磁化方向が所定方向に固定されている。非磁性体層５は強磁性体層４上に形成されており、強磁性体層６は非磁性体層５上に形成されている。強磁性体層６の磁化の向きは、外部磁場に応答して自由に変化するようになっており、強磁性体層４の磁化の向きに対して平行あるいは反平行となるようになっている。金属膜７はキャップ層であり、強磁性体層６上に形成されている。言い換えれば、金属膜７と強磁性体層６とは直接接している。本実施の形態において、金属膜７はＲｕよりなっている。また、強磁性体層６の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下となっており、好ましくは３ｎｍ以下である。

なお、反強磁性体層３は、たとえばＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，またはＦｅＭｎなどよりなっている。強磁性体層４および強磁性体層６はたとえばＮｉＦｅよりなっている。非磁性体層５は、たとえばＡｌ₂Ｏ₃やＮｉＯなどよりなっている。

本実施の形態のＴＭＲ素子１は、たとえば以下の構造のＭＲＡＭに用いられる。図２は、本発明の実施の形態１におけるＭＲＡＭの構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図２における１つのメモリセルを示す断面図である。

図２および図３に示すように、本実施の形態の磁気記憶装置としてのＭＲＡＭにおいて、たとえばＳｉ（シリコン）よりなる半導体基板３１の主表面には不純物拡散層であるソース／ドレイン領域３２ａ，３２ｂが互いに所定の間隔をおいて形成されている。半導体基板３１上には絶縁膜３３が形成されている。半導体基板３１の主表面におけるソース／ドレイン領域３２ａ，３２ｂに挟まれた領域がチャネル領域３２ｃであり、チャネル領域３２ｃの真上の絶縁膜３３中にはゲート電極３４が形成されている。ゲート電極３４は読み出し用のワード線３４を兼ねている。ワード線３４は、図２において紙面に垂直方向に延在している。絶縁膜３３におけるゲート電極３４と半導体基板３１との間に位置した部分はゲート絶縁膜３２ｄとして機能する。このＭＲＡＭでは、上記のように構成されたトランジスタ３５の各々がマトリクス状に配列している。

トランジスタ３５のソース／ドレイン領域３２ａにはコンタクト３６を介して下層配線３７が接続されている。下層配線３７は図２中横方向に延在している。下層配線３７上には、本実施の形態におけるＴＭＲ素子１が下地膜２を介して形成されている。ＴＭＲ素子１の各々はトランジスタ３５に対応してマトリクス状に配列しており、それぞれのメモリセルは１つのＴＭＲ素子１と１つのトランジスタ３５とで構成されている。

ＴＭＲ素子１の下方には、ＴＭＲ素子１から電気的に絶縁された書き込み用のワード線３８が設けられている。ワード線３８は、読み出し用のワード線３４に対して略平行に延在している。また、ＴＭＲ素子１の上方にはビット線３９が形成されている。ビット線３９は図２中横方向に延在している。ビット線３９と下層配線３７とは、ＴＭＲ素子１を介して電気的に接続されている。なお、このＭＲＡＭは、図示しないが、参照セルやワード線３４，３８，およびビット線３９を選択するためのデコーダやセンスアンプなどをさらに備えている。本実施の形態のＴＭＲ素子１の各々は、ワード線３８とビット線３９との交差部分付近に配置されている。

本実施の形態のＭＲＡＭに情報を書き込む際には、１本のワード線３８と１本のビット線３９とに書き込み電流を流し、電流により発生する合成磁場をこれらの交差部分に配置されたＴＭＲ素子１に作用させる。ＴＭＲ素子１の強磁性体層６は、ビット線３９に流した電流の向きに応じて、その磁化の向きを反転させるか，または維持する。このようにして、情報の書き込みを行う。

また、本実施の形態のＭＲＡＭから情報を読み出す際には、読み出すＴＭＲ素子１に対応したビット線３９を選択するとともに、読み出すＴＭＲ素子１に対応したワード線３４に所定の電圧を印加して、ＴＭＲ素子１に接続されたトランジスタ３５を導通状態とする。ＴＭＲ素子１の抵抗値は、強磁性体層４の磁化の向きと強磁性体層６の磁化の向きとが等しい場合と逆である場合とで異なる。そこで、ビット線３９と下層配線３７との間を流れる電流をセンスアンプにより検出することにより、ＴＭＲ素子１が記憶している情報を読み出すことができる。

次に、本実施の形態のＭＲＡＭの製造方法について、図４〜図６を用いて説明する。

始めに、図４に示すように、一般的に知られている方法によって半導体基板３１の主表面上にトランジスタ３５を形成し、コンタクト３６、下層配線３７、およびワード線３８を絶縁膜３３内に形成する。このとき、絶縁膜３３は下層配線３７の上面よりも下に存在する部分のみ形成される。

次に、図５に示すように、下地膜２となる膜２ａ、反強磁性体層３となる膜３ａ、強磁性体層４となる膜４ａ、非磁性体層５となる膜５ａ、強磁性体層６となる膜６ａ、および金属膜７となる膜７ａの各々を、下層配線３７を覆うように積層して形成する。膜２ａ、膜３ａ、膜４ａ、膜５ａ、膜６ａ、および膜７ａの各々は、たとえばマルチチャンバ型のスパッタリング装置を用いて減圧雰囲気で形成される。ここで、強磁性体層６となる膜６ａはキャップ層である膜７ａによって覆われているため、膜２ａ〜膜７ａの形成後に半導体基板３１が大気中に移されても、強磁性体層６が酸化により劣化することはない。また、膜７ａを構成するＲｕは非磁性体であり、ＮｉＦｅよりなる膜６ａなどとの反応性が低く、大気中での変質が少なく、スパッタリング装置を用いて容易に成膜することができる。したがって、キャップ層として適している。

次に、図６に示すように、通常の写真製版技術およびドライエッチング技術により、膜２ａ、膜３ａ、膜４ａ、膜５ａ、膜６ａ、および膜７ａの各々を所定の形状にパターニングし、下地膜２、反強磁性体層３、強磁性体層４、非磁性体層５、強磁性体層６、および金属膜７の各々を形成する。これによりＴＭＲ素子１が形成される。

次に、図２に示すように、一般的に知られている方法によって、下層配線３７上に残りの絶縁膜３３を形成し、ＴＭＲ素子１を覆うように絶縁膜３３上にビット線３９を形成する。その後、磁場中で熱処理することにより反強磁性体層３の規則化を行なう。熱処理は、反強磁性体層３の規則化が起こる程度の温度であって、金属膜７に含まれるＲｕの酸化が起こらない程度の温度で行なわれることが好ましく、大気中に比べて酸素濃度が低い雰囲気で行なわれることが好ましい。具体的には、圧力が１．３３×１０^-3Ｐａ以下の真空中で３００℃の温度で１〜１０時間、熱処理する。以上の工程により、本実施の形態のＭＲＡＭが完成する。

本実施の形態のＭＲＡＭは、強磁性体層４と強磁性体層６との各々の磁化の向きに基づいて記憶状態を判定するものであって、反強磁性体層３と、反強磁性体層３上に形成され、磁化の向きが固定された強磁性体層４と、強磁性体層４上に形成された非磁性体層５と、非磁性体層５上に形成され、外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性体層６と、強磁性体層６上に形成された金属膜７とを備えている。金属膜７はＲｕを含み、かつ強磁性体層６の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。好ましくは、強磁性体層６の膜厚は３ｎｍ以下である。

本実施の形態のＭＲＡＭによれば、強磁性体層６の膜厚が５ｎｍ以下である場合でも、強磁性体層６の磁気特性の劣化が抑制される。したがって、微細化を図るとともに、消費電力を低減することができる。なお、強磁性体層６の膜厚を１．５ｎｍ以上とすることにより、強磁性体層６から所望の磁気的性質を得ることができる。本願発明者はこの効果を確認すべく、以下の試験を行なった。

自由層（強磁性体層６）に対応するＮｉＦｅ膜をシリコン酸化膜の上に形成し、ＮｉＦｅ膜の上に厚さ５ｎｍのＲｕよりなる金属膜を形成し、試料Ａを製造した。試料ＡにおけるＮｉＦｅ膜の膜厚は２．２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変化させた。一方、ＮｉＦｅ膜をシリコン酸化膜の上に形成し、ＮｉＦｅ膜の上に厚さ５ｎｍのＴａよりなる金属膜を形成し、試料Ｂを製造した。試料ＢにおけるＮｉＦｅ膜の膜厚は２．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変化させた。次に試料Ａおよび試料Ｂに対して、５．６×１０⁵Ａ／ｍの減圧磁場雰囲気中において温度３００℃で１時間、熱処理を行なった。これは反強磁性体層３の規則化のための熱処理を想定したものである。その後、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer）を用いて、試料Ａおよび試料Ｂの各々のＮｉＦｅ膜の磁気特性を評価した。

図７は、ＮｉＦｅ膜の膜厚とＮｉＦｅ膜の保磁力との関係を示す図である。図７を参照して、ＮｉＦｅ膜の膜厚が５ｎｍを超えるの場合には、試料Ａの保磁力と試料Ｂの保磁力との間にそれほど差はなく、共に約６５（Ａ／ｍ）〜約７０（Ａ／ｍ）となっている。

試料Ｂの保磁力は、ＮｉＦｅ膜の膜厚が５ｎｍ以下となると増大している。具体的には、ＮｉＦｅ膜の膜厚が４ｎｍでは約８０（Ａ／ｍ）となっており、ＮｉＦｅ膜の膜厚が２．５ｎｍでは約１２０（Ａ／ｍ）となっている。

一方、試料Ａの保磁力の増加量は、ＮｉＦｅ膜の膜厚が５ｎｍ以下となると、試料Ｂの保磁力の増加量に比べて抑制されている。具体的には、ＮｉＦｅ膜の膜厚が４ｎｍでは約７５（Ａ／ｍ）となっている。

さらに、ＮｉＦｅ膜の膜厚が３ｎｍ以下となると試料Ａの保磁力は大きく減少している。具体的には、ＮｉＦｅ膜の膜厚が３ｎｍでは約５５（Ａ／ｍ）となっており、ＮｉＦｅ膜の膜厚が２．５ｎｍでは約４０（Ａ／ｍ）となっており、ＮｉＦｅ膜の膜厚が２．２ｎｍでは約８（Ａ／ｍ）となっている。以上の結果から、金属膜としてＲｕを用いると、自由層であるＮｉＦｅ膜の膜厚を５ｎｍ以下まで薄くしても、ＮｉＦｅ膜の保磁力の増加が抑制されることが分かる。

また、本願発明者は、ＮｉＦｅ膜の膜厚が３ｎｍである場合の試料Ａおよび試料Ｂの飽和磁化を測定した。その結果、試料Ｂの飽和磁化は９．８７×１０^-3（Ａ／ｍ）であったのに対して、試料Ａの飽和磁化は１．０７×１０^-2（Ａ／ｍ）であった。このことから、金属膜としてＲｕを用いると、金属膜としてＴａを用いた場合よりも、ＮｉＦｅ膜の膜厚が５ｎｍ以下である場合の飽和磁化を向上できることが分かる。

以上の結果より、本実施の形態のＭＲＡＭによれば、強磁性体層６の膜厚を５ｎｍ以下まで薄くしても、強磁性体層６の磁気特性の劣化が抑制されることが分かる。また、強磁性体層６の膜厚を３ｎｍ以下まで薄くすることにより、強磁性体層６の保磁力を低減できることが分かる。したがって、本実施の形態のＭＲＡＭによれば、微細化を図るとともに、消費電力を低減することができる。

本願発明者は、自由層の膜厚を５ｎｍ以下まで薄くすると自由層の磁気特性が劣化するという従来の問題は、以下の理由によるものであると考えている。すなわち、膜厚が薄くなると自由層が島状膜に近い状態になり、局所的な膜厚の均一性や結晶性が低下する。また、膜厚が薄くなると自由層が基板のラフネスの影響を受け、膜厚の均一性や結晶性が低下する。このように、自由層の膜厚の均一性や結晶性が低下すると、自由層の磁化の方向（磁気モーメントの配向性）が揃いにくくなるため、磁気特性が劣化する。本実施の形態では、金属膜７としてＲｕを用いることにより自由層である強磁性体層６の磁気モーメントの配向性が向上し、磁気特性が向上する。

本実施の形態のＭＲＡＭにおいて、強磁性体層６はＮｉＦｅよりなっている。これにより、強磁性体層６の保磁力を低減できる。

なお、本実施の形態では、強磁性体層４および強磁性体層６がＮｉＦｅよりなっている場合について示した。しかし、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、強磁性体層４および強磁性体層６がたとえばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，もしくはＦｅＣｏなどよりなっていてもよい。また、強磁性体層４および強磁性体層６は単層膜である必要はなく、たとえばＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜との多層膜よりなっていてもよい。強磁性体層４と強磁性体層６とは互いに異なる材料で構成されていてもよい。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。図８に示すように、本実施の形態のＴＭＲ素子１１においては、固定層がＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetics）構造となっている。すなわち、ＴＭＲ素子１１は、強磁性体層４の代わりに、第１強磁性体層としての強磁性体層１５と、第２非磁性体層としての非磁性体層１６と、第２強磁性体層としての強磁性体層１７とを備えている。固定層は、強磁性体層１５と、非磁性体層１６と、強磁性体層１７とによって構成されている。強磁性体層１５は下地膜２上に形成されており、強磁性体層１５は非磁性体層１６上に形成されている。そして、非磁性体層１６上に強磁性体層１７が形成されており、強磁性体層１７上には非磁性体層５が形成されている。

なお、これ以外のＴＭＲ素子１１の構成は、図１に示す実施の形態１のＴＭＲ素子１の構成とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９は、図８のＳＡＦ構造部分の構成を示す拡大断面図である。図８に示すように、本実施の形態においては、強磁性体層１７の磁気モーメントＭ１と、強磁性体層１５の磁気モーメントＭ２とは、非磁性体層１６を挟んで互いに反平行の状態で結合している。磁気モーメントＭ１と磁気モーメントＭ２との差が固定層の磁気モーメントとなる。この構造では、強磁性体層１５の端部から出た磁力線Ｂ１は強磁性体層１７の端部に入り、強磁性体層１７の端部から出た磁力線Ｂ２は強磁性体層１５の端部に入るので、磁束が外部に漏れなくなる。これにより、固定層の磁界の影響を自由層である強磁性体層６に及ぼしにくくなるので、強磁性体層６の磁化の方向を反転するのに必要な電流（消費電力）をさらに減少することができる。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１におけるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＭＲＡＭの構成を模式的に示す斜視図である。 図２における１つのメモリセルを示す断面図である。 本発明の実施の形態１のＭＲＡＭの製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１のＭＲＡＭの製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１のＭＲＡＭの製造方法の第３工程を示す断面図である。 ＮｉＦｅ膜の膜厚とＮｉＦｅ膜の保磁力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＴＭＲ素子の構成を示す断面図である。 図８のＳＡＦ構造部分の構成を示す拡大断面図である。

符号の説明

１，１１ ＴＭＲ素子、２ 下地膜、２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ，７ａ 膜、３ 反強磁性体層、４，６，１５，１７ 強磁性体層、５，１６ 非磁性体層、７ 金属膜、３１ 半導体基板、３２ａ，３２ｂ ソース／ドレイン領域、３２ｃ チャネル領域、３２ｄ ゲート絶縁膜、３３ 絶縁膜、３４，３８ ワード線（ゲート電極）、３５ トランジスタ、３６ コンタクト、３７ 下層配線、３９ ビット線。

Claims (4)

1. 固定層と自由層との各々の磁化の向きに基づいて記憶状態を判定する磁気記憶装置であって、
   反強磁性体層と、
   前記反強磁性体層上に形成され、磁化の向きが固定された前記固定層と、
   前記固定層上に形成された第１非磁性体層と、
   前記第１非磁性体層上に形成され、外部磁場によって磁化の向きが変化する前記自由層と、
   前記自由層上に形成された金属膜とを備え、
   前記金属膜はルテニウムを含み、かつ前記自由層の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である、磁気記憶装置。
2. 前記自由層の膜厚は３ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記自由層はニッケルと鉄とを含んでいることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記固定層は、第１強磁性体層と、前記第１強磁性体層上に形成された第２非磁性体層と、前記第２非磁性体層上に形成された第２強磁性体層とを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気記憶装置。

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