JP2006332522A

JP2006332522A - 磁気記憶素子

Info

Publication number: JP2006332522A
Application number: JP2005157408A
Authority: JP
Inventors: Takashi Osanaga; 隆志長永; Takeharu Kuroiwa; 丈晴黒岩; Hiroshi Kobayashi; 浩小林; Satokatsu Haiyama; 沙徳克拜山
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP4749037B2

Abstract

【課題】素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制することが可能な磁気記憶素子を提供する。
【解決手段】この強磁性トンネル接合素子７は、順次積層された固着層２０、トンネル絶縁層２１および記録層２２を含み、記録層２２の磁化容易軸方向の長さが磁化困難軸方向の長さよりも短い。したがって、素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は磁気記憶素子に関し、特に、磁気抵抗効果によりデータを記憶する磁気記憶素子に関する。

磁気抵抗（ＭＲ：magnetoresistive）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。近年、従来の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant-magnetoresistance）効果やこれに対して更に大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance）効果を用いた不揮発性磁気記憶装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）や磁気ヘッドが検討されている。

ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を発現するＧＭＲ素子やＴＭＲ素子においては、強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層を積層し、強磁性層／反強磁性層を交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁界で容易に反転できるようにした、いわゆるスピンバルブ構造が知られている。この場合、一方の強磁性層においては小さな磁界でスピンを反転させることができるので、高感度の磁気抵抗素子を提供することができ、この磁気抵抗素子は高密度磁気記録用再生ヘッドとして用いられている。ＧＭＲ素子においては非磁性層として金属膜を用い、ＴＭＲ素子においては非磁性層としてトンネル絶縁膜を用いる。

ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子をＭＲＡＭに利用する研究は、たとえば非特許文献１，２に示されている。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子をＭＲＡＭへ利用する場合、これらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を互いに平行または反平行に制御することにより、データ“１”または“０”を記録する。読出はＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を利用して行なわれ、上記磁性層の平行または反平行状態に依存した素子抵抗値の変化を利用する。

ＭＲＡＭにおいては、ＧＭＲ効果に対しＴＭＲ効果を利用した方が低消費電力であるため、主としてＴＭＲ素子を用いることが検討されている。ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭは、室温でＭＲ変化率が２０％以上と大きく、かつトンネル接合における抵抗値が大きいので、より大きな出力電圧が得られること、また読出時にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で読出が可能であることなどの特徴があり、高速書込・読出可能な低消費電力型の不揮発性半導体記憶装置として期待されている。

上述のように、ＭＲＡＭにおいてはＴＭＲ素子の一方の強磁性層の磁化を反転することでデータ“１”または“０”の記憶を行なう。この記録層となる強磁性層は、結晶構造や形状などにより磁化しやすい方向（エネルギが低い状態）を有する。この方向は磁化容易軸（easy axis）と呼ばれる。記憶が保持されている状態では、強磁性層はこの方向に磁化される。これに対し、磁化しにくい方向は、磁化困難軸（hard axis）と呼ばれる。

記録層の磁化容易軸は通常、形状によって決定されており、記録層の長手方向となる。このため記録層の磁化を反転させる際に必要な磁界、すなわち反転磁界は記録層の形状に依存して変化する。この反転磁界は非特許文献３に示されるように、記録層の幅にほぼ反比例し、厚さに比例することが知られている。

ＭＲＡＭでは、高集積化のためにセルの微細化を実施した場合、記録層の幅に依存して、反磁界により反転磁界が増大する。これにより書込時に大きな磁界が必要となり、消費電力も増大する。
S.Tehrani et al.,"High density submicron magnetoresistive random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5822-5827 ISSCC 2001 Dig of Tech. Papers, p.122 E.Y.Chen et al.,"Submicron spin valve magnetoresitive random access memory cell", Journal of Applied Physics, vol.81, No.8, 15 April 1997, pp.3992-3994

このようなＴＭＲ素子の微細化に伴う反転磁界の増大に対し、簡便な対策としては、記録層の薄膜化があげられる。しかしながら、記録層の薄膜化を続けた場合、記録層が強磁性層として作用しなくなり、記録保持が困難になる。しかし、従来はそれ以外の有効な対策法は無かった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制することが可能な磁気記憶素子を提供することである。

この発明に係る磁気記憶素子は、交差する２本の書込線の間に配置され、２本の書込線に流される電流の方向に応じて磁化方向が変化する記録層を備えた磁気記憶素子において、記録層の磁化容易軸方向の長さが磁化困難軸方向の長さよりも短いことを特徴とするものである。

この発明に係る磁気記憶素子では、記録層の磁化容易軸方向の長さが磁化困難軸方向の長さよりも短いので、素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制することができる。したがって、素子の微細化に伴う書込電流の増大を抑制することができ、素子を高集積化した場合でも消費電力が小さくて済む。

図１は、この発明の一実施の形態による強磁性トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの要部を示す回路図である。図１において、読出ビット線１とライト線２と書込ビット線３とが図中で左右方向に延在しており、これらの配線１〜３が図中上下方向に複数組配列されている。複数組の配線１〜３と交差してワード線４が図中上下方向に延在しており、ワード線４は図中左右方向に複数配列されている。複数の読出ビット線１は、ともにセンスアンプ５の入力ノードに接続されている。

配線１〜３の組とワード線４の各交差部にメモリセルＭＣが設けられ、複数のメモリセルＭＣがマトリックス状に配置されている。各メモリセルＭＣは、素子選択用トランジスタ６と、磁気記憶素子である強磁性トンネル接合素子７との直列接続体を含む。より詳細には、強磁性トンネル接合素子７は、ライト線２と書込ビット線３の交差部に配置される。

図２は、メモリセルＭＣの構成を示す概略断面図である。半導体基板１０の上面内には素子選択用トランジスタ６が形成され、ワード線４がそのゲート電極として機能し、ワード線４と半導体基板１０の間にはゲート絶縁膜６ｇが設けられている。またワード線４の両側にはサイドウォール６ｗが設けられている。素子選択用トランジスタ６のドレイン６ｄは、コンタクトプラグ１１および導電層１４を介して強磁性トンネル接合素子７に接続される。素子選択用トランジスタ６のソース６ｓは、コンタクトプラグ１５を介して読出ビット線１に接続されている。導電層１４と半導体基板１０の間には、層間絶縁膜１６を介して絶縁されつつライト線２が設けられている。コンタクトプラグ１１，１５は、たとえば層間絶縁膜１６中でいずれも多段に積み上げられている。コンタクトプラグ１１，１５の各段、読出ビット線１、ライト線２、書込ビット線３は、たとえば銅配線１２と、銅配線１２を囲むバリアメタル１３を含んでいる。

強磁性トンネル接合素子７は、固着層２０と、トンネル絶縁層２１と、記録層２２とが半導体基板１０側から順に積層された構造を有している。固着層２０はコンタクトプラグ１１と導通し、記録層２２は書込ビット線３と導通している。書込ビット線３は、記録層２２との接触のための開口部３ａを有している。

図３（ａ）（ｂ）は、強磁性トンネル接合素子７の構成および記憶状態を示す断面図である。図３（ａ）（ｂ）において、固着層２０の磁化は、予め所定の方向、たとえばライト線２の延在方向に固定されている。記録層２２は、外部磁界によって磁化方向が変化する。そして図３（ａ）に示すように、固着層２０の磁化方向と、記録層２２の磁化方向とが一致している状態を、強磁性トンネル接合素子７がデータ“０”を記憶している状態とする。また図３（ｂ）に示すように、固着層２０の磁化方向と、記録層２２の磁化方向が逆向きの状態を、強磁性トンネル接合素子７がデータ“１”を記憶している状態とする。

固着層２０は、たとえば反強磁性層２３と強磁性層２４との積層構造とすることにより磁化方向を固定されている。つまり、反強磁性層２３が強磁性層２４のスピンの向きを固定することで、強磁性層２４の磁化方向を固定している。この反強磁性層２３は強磁性層２４の下に（つまり記録層２２とは反対側に）設けられている。強磁性層２４としてはたとえばＣｏＦｅを、反強磁性層２３としてはたとえばＰｔＭｎを、それぞれ採用することができる。

記録層２２は強磁性層であり、たとえばＣｏＦｅ層を採用することができる。トンネル絶縁層２１としては、たとえばＡｌＯxを採用することができる。トンネル絶縁層２１および固着層２０は記録層２２と同じ形状か、あるいは記録層２２の形状を含んでこれよりも大きい面積を有していてもよい。

次に、強磁性トンネル接合素子７への書込動作を説明する。図４は、強磁性トンネル接合素子７の近傍を示す平面図である。書込ビット線３とライト線２とは互いに直交する方向に延びる。強磁性トンネル接合素子７は、ライト線２と書込ビット線３との平面視上の交差箇所に配置される。ただし、図２で示したように、強磁性トンネル接合素子７はライト線２の上方（半導体基板１０とは反対側）かつ書込ビット線３の下方（半導体基板１０側）に配置される。

一般に強磁性体には、結晶構造や形状などにより磁化しやすい方向（エネルギが低い状態）がある。この方向は磁化容易軸（easy axis）と呼ばれる。これに対し、磁化しにくい方向は、磁化困難軸（hard axis）と呼ばれる。記録層２２の磁化容易軸および磁化困難軸は、それぞれライト線２が延びる方向と、書込ビット線３が延びる方向とに設定される。

書込時においては、書込ビット線３とライト線２とに電流が流される。書込ビット線３には、たとえば矢印３１方向に電流が流され、それにより書込ビット線３を取巻く方向に磁界が生じる。この磁界により、書込ビット線３の下方にある記録層２２には磁化容易軸方向の磁界３３が印加される。一方、ライト線２には、たとえば矢印３２方向に電流が流され、それによりライト線２を取巻く方向に磁界が生じる。この磁界により、ライト線２の上方にある記録層２２には、磁化困難軸方向の磁界３４が印加される。よって書込時においては、記録層２２に対して、磁界３３，３４の合成磁界３５が印加される。

一方、記録層２２の磁化の向きを反転させるために必要な磁界の大きさは、曲線３６で示されるアステロイド曲線となる。そして磁界３５の向きにおいて、曲線３６よりも磁界３５が大きな値になると、記録層２２は磁化容易軸方向の矢印３２で示す方向に磁化する。

固着層２０において磁化が予め磁界３３と同じ方向に磁化されている場合、強磁性トンネル接合素子７においては固着層２０と記録層２２の磁化方向は平行となる（図３（ａ）の状態：“０”を記憶）。この場合には、強磁性トンネル接合素子７の厚さ方向（記録層２２と固着層２０とが積層される方向）についての抵抗値が小さくなる。

固着層２０において磁化が予め磁界３３と反対方向に磁化されている場合、強磁性トンネル接合素子７の固着層２０と記録層２２の磁化方向は互いに反平行となる（図３（ｂ）の状態：“１”を記憶）。この場合には、強磁性トンネル接合素子７の厚さ方向についての抵抗値が大きくなる。かかる状態は、固着層１１において磁化が予め図中の磁界３３と同じ方向に磁化されており、かつ書込ビット線３に対して矢印３１と反対方向に電流を流す場合にも生じる。

次に読出動作について説明する。読出時には、所定のワード線４を選択駆動することによりそのワード線４に接続された素子選択用トランジスタ６がオン状態とされる。さらに、所定の書込ビット線３に電流を流すことによってオン状態の素子選択用トランジスタ６に接続された強磁性トンネル接合素子７にトンネル電流が流される。このときの強磁性トンネル接合素子７の抵抗値に基づいて記憶データが判定される。つまり、強磁性トンネル接合素子７は磁化方向が平行の場合は抵抗値が小さく、磁化方向が反平行の場合は抵抗値が大きいという性質を有するため、この性質を利用して選択メモリセルＭＣの出力信号が参照セル(図示せず)の出力信号より大きいか小さいかがセンスアンプ５によって検出される。以上のようにして、選択メモリセルＭＣの記憶データが“０”であるか“１”であるかが判定される。

ここで、ＭＲＡＭの高集積化に伴い、記録層が微細化した場合について考える。図５は、記録層の幅Ｗ（ｎｍ）を変えた場合における、磁化を磁化容易軸方向に沿った所望の方向に向けるために必要な磁界（以下「反転磁界」と称す）Ｈ_ＳＷ（Ｏｅ）の変化を示す図である。記録層としては、矩形で、磁化容易軸が長手方向を向いた一般的に用いられるものを使用した。図５に示すように、記録層の幅Ｗにほぼ反比例して反転磁界Ｈ_ＳＷが増大した。これは、記録層の短辺方向に受ける反磁界の影響によるものである。この結果は、強磁性トンネル接合素子における記録層が微細化した場合、書込時に要する書込ビット線３とライト線２の電流も大きくなり、消費電力が増大することを示している。

そこで微細化しても、書込時の消費電力が増大しない記録層が望まれる。図６は、本発明において提案される記録層２２の形状を示す平面図である。記録層２２の輪郭は、２つの直線部４１，４２と、２つの円弧４３，４４により閉曲線を構成している。ここで、たとえば長手方向の長さは１００ｎｍ、短辺方向長さは８０ｎｍであり、円弧４３，４４の半径Ｒは短辺長の半分の４０ｎｍである。磁化容易軸は短辺方向である。記録層２２は、たとえばＣｏＦｅ層である。かかる形状を有する記録層２２、あるいは更にトンネル絶縁層２１および固着層２０を含む強磁性トンネル接合素子７は、たとえばリソグラフィーを用いてパターニングされる。

ここで、記録層２２の磁化容易軸を決定するための磁気異方性の付与であるが、これは強磁性膜の形成時、および後工程における熱処理で実施する。たとえば、強磁性膜の形成時に、膜面方向に１００Ｏｅの均一磁界を印加する。この方向が磁化容易軸となるようにパターニングを行い、素子形成後にも同様な方向に磁界を印加して熱処理を実施する。この際、固着層２０の磁化方向も同時に決定するため、固着層２０の強磁性層２４および記録層２２の磁化が飽和するだけの磁界を印加する。たとえば５ｋＯｅを印加して３００℃で１時間保持する。

本実施の形態におけるＣｏＦｅ膜の異方性エネルギは約３×１０５ｅｒｇ／ｃｍ^２であり、飽和磁化は約１２００ｅｍｕ／ｃｃであり、記録層２２の厚さが５ｎｍ、短辺方向の長さが８０ｎｍである。本構成の記録層２２においては、異方性エネルギが十分に大きいため、記録層２２の磁化を、無磁界において短辺方向を向けることが可能である。この磁化の０°または１８０°の向きによりデータ“０”または“１”を保持可能である。

図７は、記録層２２の短辺方向の長さＷ（ｎｍ）を変えた場合における反転磁界Ｈ_ＳＷ（Ｏｅ）の変化を示す図である。図７では、長手方向の長さを一定にした場合の反転磁界Ｈ_ＳＷを●で示し、アスペクト比を一定とした場合の反転磁界Ｈ_ＳＷを○で示している。この結果は、図５に示された結果とは逆に、短辺方向の長さＷに依存して反転磁界Ｈ_ＳＷが減少することを示している。すなわち記録層２２の微細化に伴い、反転磁界Ｈ_ＳＷは減少する。

図８は、記録層２２の厚さｔ_ＣｏＦｅ（ｎｍ）を変えた場合における反転磁界Ｈ_ＳＷ（Ｏｅ）の変化を示す図である。本実施の形態における記録層２２においては、膜を厚くすることで反転磁界Ｈ_ＳＷの低減が可能であり、従来技術において問題となる薄膜化による磁性の消失はない。

なお、この実施の形態では、記録層２２がＣｏＦｅ膜である例を示したが、記録層２２はＣｏＦｅＢ膜であってもよく、無磁界において記録層２２の短辺方向に磁化が向くのに十分な異方性エネルギを有する膜であればよい。

また、図９は、この実施の形態の変更例を示す平面図であって、図６と対比される図である。この変更例では、記録層２２の輪郭は楕円形状であり、たとえば長手方向の長さは１００ｎｍ、短辺方向長さは８０ｎｍである。他の構成および動作は、実施の形態と同じであるので、その説明は繰り返さない。この変更例では、実施の形態と同じ効果が得られる他、記録層２２に直線部分が無いので、図６で示したものよりも容易に作成できる。

また、図１０（ａ）（ｂ）は、この実施の形態の変更例を示す断面図であって、図３（ａ）（ｂ）と対比される図である。この変更例では、記録層２２は強磁性層２５、非磁性層２６、強磁性層２７が順次積層された断面構造を有する。ここで強磁性層２５，２７の各々はＣｏＦｅ膜からなり、非磁性層２６はＲｕ膜からなる。強磁性層２５と２７の磁化は、非磁性層２６を介して反平行結合している。

記録層２２の異方性の付与は、強磁性膜の形成時、および後工程における熱処理で実施する。たとえば、強磁性膜の形成時に、膜面方向に１００Ｏｅの均一磁界を印加する。この方向が磁化容易軸となるようにパターニングを行い、素子形成後にも同様な方向に磁界を印加して熱処理を実施する。これによって前記反平行結合の方向も決定される。このような積層構造を有する記録層２２の全体の磁化は、２層の強磁性層２５，２７の磁化の差で近似できる。

この場合、記録層２２の反転磁界は、材料によって決定される２層の強磁性層２５，２７の飽和磁化、２層の強磁性層２５，２７の厚さにより制御可能である。ここでの例は磁性層１５および強磁性層１７はＣｏＦｅ膜としているが、たとえば、磁性層１５をＣｏＦｅＢとしてもよい。また、非磁性層１６は、Ｒｕ膜に限られるものではなく、ＣｕやＴａなどその他の金属膜であってもよい。他の構成および動作は、実施の形態と同じであるので、その説明は繰り返さない。

この変更例では、実施の形態と同じ効果が得られる他、強磁性層２５と２７の磁化は非磁性層２６を介して反平行結合しているため、記録層２２内の磁化の分布が一様となり、磁気特性を安定化することが可能である。また、異なる材料、厚さの強磁性層２５，２７を組み合わせることで、記録層２２の特性の制御が容易となる。また、磁気特性の安定化が可能である。

今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による強磁性トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの要部を示す回路図である。図１に示したメモリセルの構成を示す断面図である。図１に示した強磁性トンネル接合素子の構成および記憶状態を示す断面図である。図１に示した強磁性トンネル接合素子の近傍を示す平面図である。従来の問題点を説明するための図である。図３に示した記録層の形状を示す平面図である。この実施の形態の効果を説明するための図である。この実施の形態の効果を説明するための他の図である。この実施の形態の変更例を示す平面図である。この実施の形態の他の変更例を示す断面図である。

符号の説明

１読出ビット線、２ライト線、３書込ビット線、３ａ開口部、４ワード線、５センスアンプ、ＭＣメモリセル、６素子選択用トランジスタ、６ｇゲート絶縁膜、６ｗサイドウォール、６ｄドレイン、６ｓソース、７強磁性トンネル接合素子、１０半導体基板、１１，１５コンタクトプラグ、１２銅配線、１３バリアメタル、１４導電層、１６層間絶縁膜、２０固着層、２１トンネル絶縁層、２２記録層、２３反強磁性層、２４，２５，２７強磁性層、２６非磁性層、３３，３４磁界、３５合成磁界、４１，４２直線部、４３，４４円弧。

Claims

交差する２本の書込線の間に配置され、前記２本の書込線に流される電流の方向に応じて磁化方向が変化する記録層を備えた磁気記憶素子において、
前記記録層の磁化容易軸方向の長さが磁化困難軸方向の長さよりも短いことを特徴とする、磁気記憶素子。
前記記録層の磁化方向は、無磁界において略短辺方向であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶素子。
前記記録層は、Ｃｏ元素もしくはＦｅ元素を主成分とする磁性層を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の磁気記憶素子。
前記記録層は、順次積層された第１の強磁性層と非磁性層と第２の強磁性層とを含み、前記第１および第２の強磁性層は反平行結合していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の磁気記憶素子。
前記記録層の磁気異方性は、前記記録層の形成時および熱処理時に磁界を印加することにより付与されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の磁気記憶素子。