JP2006332527A

JP2006332527A - 磁気記憶素子

Info

Publication number: JP2006332527A
Application number: JP2005157459A
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
Also published as: US8036024B2; US20060267058A1; TW200703328A; KR20060124578A

Abstract

【課題】素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制し、かつ記録層の磁化分布を制御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では、記録層２２を円形にしたので、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。また、記録層２２は順次積層された強磁性層２５、非磁性層２６、強磁性層２７、非磁性層２８、および強磁性層２９を含み、強磁性層２５と２７、および強磁性層２７と２９はそれぞれ反平行結合しているので、記録層２２の磁化分布を略一方向に制御することができる。
【選択図】図３

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。

上記微細化に伴う反転磁界の増大を抑制する方法として、記録層の形状異方性を無くす技術が非特許文献４，５に示されている。この技術における記録層は、磁化容易軸方向および磁化困難軸方向の長さを等しくした形状を有している。この場合、形状による異方性が得られなくなるため、記録層を強磁性／非磁性／強磁性の積層構造とし、２つの強磁性層を反平行結合することで、記録層面内の磁化分布を制御し磁気異方性を付与している。この構成における記録層の反転磁界は、次式（１）で近似される。

Ｈｓｗ＝２Ｋｕ（ｔ２＋ｔ１）／｜Ｍ２ｔ２−Ｍ１ｔ１｜
＋４πＣ（ｋ）｜Ｍ２ｔ２−Ｍ１ｔ１｜／ｗ …（１）
ここで、Ｈｓｗは記録層の反転磁界であり、Ｋｕは記録層の異方性エネルギであり、ｔ１，ｔ２はそれぞれ２つの強磁性層の厚さであり、Ｍ１，Ｍ２はそれぞれ２つの強磁性層の飽和磁化である。ｋは記録層のアスペクト比でありＣ（ｋ）はこれに依存した係数、ｔおよびｗはそれぞれ記録層の厚さと幅である。

Ｃ（ｋ）は無限に長い形状においては１、等方的な形状においては０とそれぞれみなすことができる。数式（１）の右辺第１項は異方性エネルギによる項であり、第２項は形状異方性により発生する反磁界の影響を記述した項である。ここではＣ（ｋ）＝０であり、形状異方性により発生する反磁界の影響を無視できる。これにより記録層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。

上記構成においては、数式（１）からも明らかな通り、２層の強磁性層の飽和磁化と厚さの積に差を与えることで反転磁界を小さくすることが可能である。しかしながら、前記２層の強磁性層の厚さの差が大きくなると、反平行結合の効果が小さくなり、記録層の磁化分布の制御が困難となることが非特許文献５に示されている。
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 K. Inomata et al., "Size-independent spin switching field using synthetic antiferromagnets", Applied Physics Letters, vol.82, No.16, 21 April 2003, pp.2667-2669 Ｎ. Tezuka et al., "Magnetization reversal and domain structure of antiferromagnetically coupled submicron elements", Journal of Applied Physics, vol.93, No.10, 15 May 2003, pp.7441-7443

このような積層構造を有する記録層では、素子の微細化に伴う反転磁界の増大を抑制し、かつ記録層の磁化分布を制御することは困難であった。

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し、かつ記録層の磁化分布を制御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、記録層の磁化困難軸方向の長さと磁化容易軸方向の長さは略等しく、記録層は、順次積層された第１の強磁性層、第１の非磁性層、第２の強磁性層、第２の非磁性層、および第３の強磁性層を含み、第１の強磁性層と第２の強磁性層、および第２の強磁性層と第３の強磁性層はそれぞれ反平行結合している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、記録層の磁化困難軸方向の長さと磁化容易軸方向の長さが略等しくされているので、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。また、順次積層された第１の強磁性層、第１の非磁性層、第２の強磁性層、第２の非磁性層、および第３の強磁性層で記録層が構成され、第１の強磁性層と第２の強磁性層、および第２の強磁性層と第３の強磁性層はそれぞれ反平行結合しているので、記録層面内の磁化分布を制御することができる。

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を構成しトンネル絶縁層２１と接する強磁性層２５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の強磁性層２５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、トンネル絶縁層２１側から順次積層された強磁性層２５、非磁性層２６、強磁性層２７、非磁性層２８、および強磁性層２９により構成される。強磁性層２５，２７，２９としてはたとえばＣｏＦｅ層を採用することができる。非磁性層２６，２８としては、たとえばＲｕ膜を採用することができる。それぞれの強磁性層はＲｕ膜を介して反平行結合しており、強磁性層２５と２７、および強磁性層２７と２９はそれぞれ反平行結合している。ここで、強磁性層２５，２７，２９の厚さをｔ１，ｔ２，ｔ３とするとｔ２＞ｔ１＋ｔ３であり、それぞれのＣｏＦｅ膜の飽和磁化をＭとした場合、記録層２２全体の磁化はＭ・｛ｔ２−（ｔ１＋ｔ３）｝となり、この磁化が外部磁界によるトルクを受けて磁化反転する。

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、これは強磁性層２５，２７，２９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、強磁性層２５，２７，２９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、強磁性トンネル接合素子７の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。

図４に示されるように、記録層２２の平面形状は円形である。記録層２２の半径Ｒ１は、たとえば５０ｎｍである。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５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の強磁性層２５との各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の強磁性層２５と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。

図４で示したように、記録層２２は形状異方性を有しないため、記録層２２が微細化した場合においても反転磁界の増大はない。本構成を用いた場合、最も厚い強磁性層２７は上下方向と反平行結合していることから、磁化分布が記録層２２の面内で一様になり、安定した磁気特性が得られる。図６（ａ）（ｂ）に示される従来構造の磁化分布とともに、図６（ｃ）に本構成で得られる記録層２２の磁化分布を示す。なお、ここではトンネル絶縁膜２１に接する強磁性層２５における磁化分布を示している。図６（ａ）（ｂ）の状態では、磁化が膜面内で閉じており、外部磁界からのトルクを受けにくい構造となっている。これによって反転磁界が増大する。また、図６（ａ）の状態では、記録層全体の磁化が０であり、磁気抵抗変化率が得られなくなる。本実施の形態１では、図６（ｃ）の磁化分布が得られ、前記の理由による反転磁界の増大がない。

なお、この実施の形態では、強磁性層２５，２７，２９がＣｏＦｅ膜で構成された例を示したが、強磁性層２５，２７，２９はＣｏＦｅＢのようにＣｏもしくはＦｅ元素を主成分とする膜であればよい。また、非磁性層２６，２８は、Ｒｕ膜に限られるものではなく、Ｃｕ、Ｔａ、その他の金属膜であってもよい。

また、記録層２２は必ずしも円形である必要はなく、図７に示すように、正方形の角を丸く加工した形状でもよい。図７では、記録層２２の輪郭は、４つの直線部２２ａと４つの円弧２２ｂにより閉曲線を構成している。ここで、たとえば直線部２２ａの長さは５０ｎｍであり、円弧２２ｂの半径Ｒ２はたとえば５０ｎｍである。なお、記録層２２の積層構造は図３で示した通りである。

また、図８は、この実施の形態の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図８において、この強磁性トンネル接合素子７では、強磁性層２５，２７，２９の厚さをｔ１，ｔ２，ｔ３とするとｔ１＋ｔ３＞ｔ２であり、それぞれのＣｏＦｅ膜の飽和磁化をＭとした場合、記録層２２全体の磁化はＭ・｛（ｔ１＋ｔ３）−ｔ２｝となり、この磁化が外部磁界によるトルクを受けて磁化反転する。他の構成および効果は、上記実施の形態と同じであるので、その説明は繰り返さない。

なお、実施の形態において、磁化反転の手段として、配線電流により発生する磁界を用いたが、トンネル絶縁膜２１越しにスピン偏極した電子を記録層２２に注入し、そのトルクにより磁化反転を実施する方法を用いる場合でも同様な効果が得られる。

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３に示した記録層の形状を示す平面図である。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。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、２２ａ直線部、２２ｂ円弧部、２３反強磁性層、２４，２５，２７，２９強磁性層、２６，２８非磁性層、３３，３４磁界、３５合成磁界。

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、
前記記録層の磁化困難軸方向の長さと磁化容易軸方向の長さは略等しく、
前記記録層は、順次積層された第１の強磁性層、第１の非磁性層、第２の強磁性層、第２の非磁性層、および第３の強磁性層を含み、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層、および前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層はそれぞれ反平行結合していることを特徴とする、磁気記憶素子。
前記第１および第３の強磁性層の飽和磁化と厚さの積の和は、前記第２の強磁性層の飽和磁化と厚さの積と異なることを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶素子。
前記第１〜第３の強磁性層の主成分はＣｏ元素もしくはＦｅ元素であることを特徴とする、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３までのいずれかに記載の磁気記憶素子。