JP2008251796A - 磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
強磁性細線に磁区を形成することにより記録を行なう、新たな構成を有する磁気記録装置を提供する。
【解決手段】
磁気記録装置は、強磁性材料から形成され、多数の磁区を構成することができる強磁性細線と、強磁性細線に電流を供給し、磁区を移動することのできる磁区移動回路と、強磁性細線の所定箇所に結合され、該当する磁区の情報を読み出すことのできる読み出し素子と、強磁性細線の所定箇所に磁気的に結合された磁化固定層と電気的接続とを含み、電流印加により磁化固定層の磁化情報を強磁性細線に供給することで、任意の磁区を書き込むことのできる書き込み素子と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気記録装置に関し、特に複数の磁区を含む強磁性細線を用いて磁気記録を行なう磁気記録装置に関する。

不揮発性磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、フラッシュ（ＦＬＡＳＨ）メモリに代わる次世代の超大容量不揮発性メモリの有力候補として注目されている。ＭＲＡＭは、複数のビット線と複数の書き込みワード線とを直交配置し、各交差部に磁気抵抗素子を記憶素子として配置した構成を有する。磁気抵抗素子は一対の強磁性層で形成される磁化固定層と磁化自由層とを対向配置し、磁化自由層を書き込み情報に従って磁化させる。磁気抵抗素子には、磁化固定層と磁化自由層とを絶縁層を介して対向させたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と、磁化固定層と磁化自由層を非磁性金属層を介して対向させた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子がある。

磁化固定層は、反強磁性層と強磁性層の積層、または積層フェリ構造で構成する。積層フェリ構造は、反強磁性層により磁化を固定した強磁性層の上に薄いＲｕ層等の結合層を介して他の強磁性層を積層し、一対の強磁性層を反強磁性的（反平行磁化の状態）に結合した構成である。磁化自由層は、磁化を変更できる強磁性層で構成する。例えば、ビット線と書き込みワード線とに電流を流し、交差部の磁化自由層を合成誘導磁界によって磁化させる。対向する２層の強磁性層の磁化を平行か反平行に制限する構成とすると、自由磁化層の磁化が磁化固定層の磁化と平行の時電流に対する磁気抵抗素子の抵抗は低く、反平行の時電流に対する磁気抵抗素子の抵抗は高い。

特開２０００−１９５２５０号は、ビット線と一体に構成されている細線状強磁性層上に複数個のメモリセルを配置することを提案する。メモリセルは、磁気記録層、トンネル障壁層、強磁性層を備える。例えば、２層の強磁性層を交差するように対向配置し、その外側に配線層を積層した構造を用いる。交差部が行列状に形成される構造の場合、磁化固定層を構成する強磁性層は交差部のみに配置してもよい。自由磁化層を構成する強磁性層に括れを形成して、磁壁を積極的にピン止めする構成も提案している。

特開２００２−２４６５６６号は、書き込みワード線を非磁性導体と高透磁率を持つ磁性導体との複合構造とすることを提案する。

特開２００２−２９９５８４号は、配線と強磁性層とを兼用する構成を提案している。例えば、ビット線を強磁性体で形成し、磁化固定層を兼ねさせる。ビット線の全体を強磁性体で作成する必要はなく、自由磁化層と対向する部分のみを強磁性体で作成してもよい。自由磁化層を配線として利用してもよい。

Phys. Rev. L. 92,p.077205-1 (2004)は、中間で円弧状に約９０度曲げられ、両端に電極を接続した強磁性細線を形成し、磁界を印加して、一旦一方向に一様な磁化を生じさせ、次に逆方向に弱い磁界を印加して磁壁を形成したサンプルを作成している。強強磁性細線に電流を流すと、磁壁が電流と逆方向、すなわち電子の流れる方向に移動することが報告されている。実験に用いた強強磁性細線は、厚さ０．１μｍ未満、幅２４０ｎｍ、端部が磁壁の発生を防止するように先鋭化したｘ方向延在部の長さ１０μｍ、ｙ方向延在部の長さ１０μｍ、ｘ方向延在部とｙ方向延在部との接続部の円弧の半径約３μｍである。

幅２４０ｎｍの強磁性細線に逆向きの２つの磁区を形成すると、逆方向の磁区の間に渦型磁壁（vortex domain wall)が形成されることを磁力顕微鏡による観察とシミュレーションにより結論付けた。観察された磁壁はサブミクロンの寸法を有する。強磁性細線に電流を流すと、磁壁は電流方向と逆方向に、電流値に比例した距離移動する。磁壁を移動させる電流値には閾値が存在する。観察された閾値は、１．０×１０^１２Ａ／ｍ^２であった。

特開２０００−１９５２５０号公報 特開２００２−２４６５６６号公報 特開２００２−２９９５８４号公報 Phys. Rev. L. 92,p.077205-1 (2004)

記録素子を行列上に配置し、誘導電流で情報を書き込むＭＲＡＭの構成は、決して完結とは言えず、どちらかといえば複雑である。

本発明の目的は、簡潔な、新たな構成を有する磁気記録装置を提供することである。
磁気メモリ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、強磁性細線に磁区を形成することにより記録を行なう、新たな構成を有する磁気記録装置を提供することである。

本発明の１観点によれば、
強磁性材料から形成され、多数の磁区を構成することができる強磁性細線と、
前記強磁性細線に電流を供給し、磁区を移動することのできる磁区移動回路と、
前記強磁性細線の所定箇所に結合され、該当する磁区の情報を読み出すことのできる読み出し素子と、
前記強磁性細線の所定箇所に磁気的に結合された磁化固定層と電気的接続とを含み、電流印加により磁化固定層の磁化情報を強磁性細線に供給することで、任意の磁区を書き込むことのできる書き込み素子と、
を有する磁気記録装置
が提供される。

電気的接続から電子流を供給することで磁区を書き込み、記録を行なうことができる。

本発明者らは、自由磁化層を強磁性細線で構成し、磁化方向が逆の２つの磁化固定層を磁気的に結合し、電子スピンの極性の異なる電子流を任意に供給することにより、強磁性細線に反平行の磁化のいずれかを選択的に書き込みできる磁気記録装置を発明した。強磁性細線には読み出し素子も結合し、電流駆動によって磁区を移動させ、読み出し素子から情報を読み出す。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、実施例による磁気記録装置の平面図、および２種類の書き込み素子の断面図を示す。

図１Ａにおいて、強磁性細線ＦＭＷは、幅方向には単一磁区のみ存在できる狭幅の強磁性層で形成され、幅方向を横断する磁壁によって画定される多数の磁区ＭＤを長さ方向に形成することができる。強磁性細線幅は、限定的ではないが、例えば、６０ｎｍ程度である。強磁性細線ＦＭＷの右端には書き込み素子として磁化固定層ＦＤが結合され、所定箇所には読み出し素子として、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲが結合されている。パルス源ＰＧの一方の端子は強磁性細線ＦＭＷの左端に接続され、他端はリードスイッチＲＳを介して強磁性細線ＦＭＷの右端内側部に接続されている。

リードスイッチＲＳをオンにすると、パルス源ＰＧから発生するパルス電流を強磁性細線ＦＭＷに供給することができる。強磁性細線ＦＭＷ内の磁区は、電流と逆方向（電子流の方向）に移動する。電流方向は反転できる。強磁性細線には、中央に記録部、両側に長さの和が記録部以上の記録部移動用収容部を形成する。従って、所望の磁区をトンネル磁気抵抗素子に対向させることができる。所望の磁区をトンネル磁気抵抗素子と対向させた状態でトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲにトンネル電流を流せば、記録された情報を読み出すことができる。

磁化固定層ＦＤは、強磁性細線に積層され、並列配置された、反平行の固定磁化を有する２種類の磁化固定層ＦＤ１（←），ＦＤ２（→）を含む。図では、強磁性細線ＦＭＷの記録部の右端が磁化固定層ＦＤの左側に接する状態を示している。パルス源ＰＧの他端は、リードスイッチＲＳ、ライトスイッチＷＳを介して、磁化固定層ＦＤ１、ＦＤ２が結合した強磁性細線ＦＭＷ右端２箇所にも接続される。リードスイッチＲＳをパス状態とし、ライトスイッチＷＳを選択することにより、磁化固定層ＦＤ１，ＦＤ２の選択された一方と結合した強磁性細線部に、磁化方向と同一の電子スピン回転の電子流を供給することができる。

強磁性体中の電子は、電子スピン回転が一方向に揃っており（これが強磁性の起源）、スピン偏極した電子と呼ばれる。強磁性体中を通過する電子は、この電子スピントルクを得て、磁化方向と同一の電子スピン回転となる。従って、磁化方向が反平行の強磁性層ＦＤ１，ＦＤ２からは、電子スピン回転方向が逆方向のスピン電子流を強磁性細線ＦＭＷ記録部に注入できる。すなわち、ライトスイッチＷＳの切り替えにより、スピン回転方向の異なる電子流を注入することで、磁化方向の異なる磁区を任意に強磁性細線ＦＭＷ記録部に形成することが可能となる。言い換えると、磁化固定層ＦＤと磁気的に結合した強磁性細線部は、磁化固定層ＦＤと同じ方向に磁化するので、その磁化を強磁性細線ＦＭＷの記録部に送り込むことができる。上述のように、磁化固定層ＦＤ１，ＦＤ２、ライトスイッチＷＳ、強磁性細線への電気的接続は、強磁性細線ＦＭＷに所望の磁化を有する磁区を書き込む書き込み素子を構成する。

図１Ｂは、一方の磁化固定層ＦＤ１の断面図である。反強磁性層１１の上に強磁性層１２が積層され、その上に強磁性細線ＦＭＷが積層されている。反強磁性層１１によって磁化を固定された強磁性層１２が積層された強磁性細線部分の磁化を同方向に決める。

図１Ｃは、他方の磁化固定層ＦＤ２の断面図である。反強磁性層２１の上に、強磁性層２２、結合層２３、強磁性層２４が積層されて積層フェリ構造を構成し、その上に強磁性細線ＦＭＷが積層されている。強磁性層２２の磁化方向は、反強磁性層２１によって固定される。結合層２３は、非磁性のＲｕ等で形成され、厚さを選択することなどにより、両側の強磁性層２２，２４を反平行磁化状態に結合する層である。従って、強磁性層２４は、強磁性層２２と逆向きの磁化を持つ。

磁界を印加しつつ、アニールを行なうと、反強磁性層１１，２１に接する強磁性層１２，２２に同一方向の磁化を持たせることができる。強磁性層２４は、積層フェリ構造により、強磁性層１２，２２と反平行の磁化を有するようになる。このようにして、反平行の固定磁化を有する磁化固定層ＦＤ１，ＦＤ２を形成することができる。磁化固定層ＦＤ１，ＦＤ２上に強磁性細線を積層、結合することにより、強磁性細線ＦＭＷ内に反平行の磁化方向を有する領域を形成できる。磁化固定層と積層された強磁性層に電子流を供給すれば、所望磁化の磁区を送り出すことができる。

図２Ａ〜２Ｎは、実施例による磁気記録装置の製造方法を示す。

図２Ａに示すように、必要に応じてＭＯＳトランジスタ等を形成したシリコン基板１の上に、例えば厚さ２００ｎｍ程度の酸化シリコン膜２を化学気相堆積（ＣＶＤ）等により堆積する。酸化シリコン膜２上に開口を有するレジストパターンを形成し、酸化シリコン膜２をドライエッチングすることにより、磁化固定層用の２つの溝３を形成する。その後、レジストパターンは除去する。

図２Ｂは、溝の上面図を示す。２つの磁化固定層用の溝３ａ、３ｂが形成される。破線は後に形成される強磁性細線の配置を示す。

図２Ｃに示すように、レジストや酸化膜等のマスク２５で開口３ａ以外を覆った状態で、スパッタリングにより、磁化固定層を形成する、ＰｔＭｎ反強磁性層２１を厚さ２０ｎｍ、ＮｉＦｅ強磁性層２２を厚さ２０ｎｍ、Ｒｕ結合層２３を厚さ０．８ｎｍ、ＮｉＦｅ強磁性層２４を厚さ２０ｎｍ、積層し、さらにＣＭＰ用のＴａ犠牲層２６を厚さ１０ｎｍ堆積する。

図２Ｄに示すように、化学機械研磨（ＣＭＰ）により溝内の堆積層以外の堆積層をマスクと共に除去する。ＣＭＰにより、犠牲Ｔａ層２６は消滅し、ＮＩＦｅ強磁性層２４の厚さは５ｎｍとする。このようにして、溝３ａ内に、ＰｔＭｎ２０ｎｍ／ＮｉＦｅ２０ｎｍ／Ｒｕ０．８ｎｍ／ＮｉＦｅ５ｎｍの積層フェリ構造を有する磁化固定層ＦＤ２が形成される（積層膜厚４５．８ｎｍ）。

図２Ｅに示すように、同様のＴａ犠牲層を用いた工程により、溝３ｂ内に厚さ４０．８ｎｍのＰｔＭｎ反強磁性層１１と厚さ５ｎｍのＮｉＦｅ強磁性層１２を積層した磁化固定層ＦＤ１が形成される（積層膜厚４５．８ｎｍ）。

図２Ｆに示すように、長手方向に磁場強度１Ｔの磁場を印加しながら、２５０℃で真空磁場アニールを行なうことにより、磁化方向を安定化する。磁化固定層ＦＤ１，ＦＤ２の最上層の強磁性層１２，２４の磁化方向は反対向きになる。

図２Ｇに示すように、基板上にスパッタリング等で、強磁性細線膜ＦＭＷとして厚さ２０ｎｍのＮｉＦｅ層を堆積し、その上に読み出し素子を形成するためのＭｇＯトンネル絶縁膜３１を厚さ１．０ｎｍ、ＣｏＦｅＢ強磁性層３２を厚さ２．３ｎｍ、Ｒｕ結合層３３を厚さ０．８ｎｍ、ＣｏＦｅ強磁性層３４を厚さ１．７ｎｍ、ＰｔＭｎ反強磁性層３５を厚さ２０ｎｍ堆積する。ＴＭＲ素子構造が形成される。ＣｏＦｅＢ強磁性層３２／Ｒｕ結合層３３／ＣｏＦｅ強磁性層３４／ＰｔＭｎ反強磁性層３５は、積層フェリ構造を構成する。さらに、Ｔａ接続電極層４１を厚さ５０ｎｍ堆積する。

図２Ｈに示すように、リソグラフィとドライエッチングにより接続金属層４１、読み出し素子層ＴＭＲ，強磁性細線層ＦＭＷを幅６０ｎｍ、スペース６０ｎｍでパターニングする。次いで同様の工程により、接続金属層４１、読み出し素子層ＴＭＲを例えば幅５０ｎｍ長さ１００ｎｍの所定形状にパターニングする。この際は、強磁性細線層ＦＭＷでエッチングを終了するように、エッチングエンドポイントを制御する。

図２Ｉに示すように、基板上に酸化シリコン膜４２を厚さ２００ｎｍ程度ＣＶＤ等で堆積し、ＣＭＰ，エッチバック等により、表面を平坦化し、接続金属層４１の表面を露出する。次いで、リソグラフィとドライエッチングにより、強磁性細線ＦＭＷ表面に達するコンタクトホールＣＨを形成する。

図２Ｊに示すように、例えばＣＶＤにより、バリアメタルとしてＴｉＮ層、導電性プラグ層としてＷ層を堆積して、コンタクトホールを埋め込み、エッチバック、ＣＭＰ等により酸化シリコン膜４２上の導電層を除去して、強磁性細線ＦＭＷに電気的に接続された導電性プラグ４３をコンタクトホールに埋め込む。

図２Ｋは、基板の上面図を示す。表面に露出した接続金属層４１、導電性プラグ４３の配置が示されている。

図２Ｌに示すように、Ｃｕ層４４を厚さ２００ｎｍ程度成膜し、パターニングして上部電極４４を形成する。

図２Ｍは、上部電極４４の配置を示す上面図である。

図２Ｎに示すように、上部電極を覆って、酸化シリコン膜４６を厚さ４００ｎｍ程度ＣＶＤ等によって堆積する。必要に応じてさらに配線などを形成する。このようにして、強磁性細線，読み出し素子，書き込み素子を備えた磁区移動型磁気記録装置が形成される。

なお、以上説明した構成は例示であり、種々の変更が可能である。例えば、図２Ａ−２Ｎに示した工程では、強磁性細線上にＴＭＲ読み出し素子を形成し、磁壁移動に必要な電流値より小さい電流を強磁性細線を介してＴＭＲ読み出し素子に流すことにより情報読み出しを行なう形態を示したが、図１Ａに示すように、ＴＭＲ読み出し素子の反対側に読み出し用電極を形成してもよい。反強磁性層は、ＰｔＭｎに限らず、ＩｒＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料で構成してもよい。強磁性層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれか、またはこれらを含む合金の強磁性材料で形成することができる。積層フェリ構造の比磁性結合層はＲｕの他，Ｒｈ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ等の導電性非磁性材料により構成してもよい。トンネル絶縁層は、ＭｇＯの他，ＡｌＯ，ＨｆＯ，ＴｉＯ，ＴａＯ等の絶縁材料により構成してもよい。読み出し素子をＴＭＲで構成する場合を説明したが、トンネル絶縁膜を非磁性金属層に置換して、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子で構成してもよい。

その他種々の変更、置換、改良、組合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ、１Ｂ，１Ｃは、本発明の実施例による強磁性細線型磁気記録装置の構成を概略的に示す平面図、および反平行の固定磁化を有する書き込み素子の平面図である。 ／ ／ 図２Ａ〜２Ｎは、図１Ａ〜１Ｃに示す磁気記録装置の製造方法の主要工程を示す基板の断面図および上面図である。

符号の説明

１ シリコン基板、
２ 酸化シリコン膜、
３ 溝、
１１ 反強磁性（ＰｔＭｎ）層、
１２ 強磁性（ＮｉＦｅ）層、
２１ 反強磁性（ＰｔＭｎ）層、
２２ 強磁性（ＮｉＦｅ）層、
２３ 結合（Ｒｕ）層、
２４ 強磁性（ＮｉＦｅ）膜、
２６ 犠牲（Ｔａ）層、
ＦＤ 磁化固定層、
ＷＳ 書き込みスイッチ、
ＲＳ 読み出しスイッチ、
ＰＧ パルス源、
ＭＤ 磁区、
ＦＭＷ 強磁性細線（ＮｉＦｅ層）、
ＴＭＲ トンネル磁気抵抗素子、
３１ トンネル絶縁（ＭｇＯ）膜、
３２ 強磁性（ＣｏＦｅＢ）層、
３３ 結合（Ｒｕ）層、
３４ 強磁性（ＣｏＦｅ）層、
３５ 反強磁性（ＰｔＭｎ）層、
４１ 電極（Ｔａ）膜、
４２ 酸化シリコン膜、
４３ 導電性プラグ、
４４ 電極、
４６ 絶縁保護層。

Claims (5)

1. 強磁性材料から形成され、多数の磁区を構成することができる強磁性細線と、
   前記強磁性細線に電流を供給し、磁区を移動することのできる磁区移動回路と、
   前記強磁性細線の所定箇所に結合され、該当する磁区の情報を読み出すことのできる読み出し素子と、
   前記強磁性細線の所定箇所に磁気的に結合された磁化固定層と電気的接続とを含み、電流印加により磁化固定層の磁化情報を強磁性細線に供給することで、任意の磁区を書き込むことのできる書き込み素子と、
   を有する磁気記録装置。
2. 前記書き込み素子が、磁化方向が反平行な２種類の磁化固定層と、いずれの磁化固定層を選択するかを決めるスイッチとを含む請求項１記載の磁気記録装置。
3. 前記２種類の磁化固定層の一方は反強磁性層と、該反強磁性層に積層された第１強磁性層と、結合層と、第２強磁性層との積層を含み、積層フェリ構造を形成する請求項２記載の磁気記録装置。
4. 前記２種類の磁化固定層の他方は反強磁性層と、該反強磁性層に積層された強磁性層との積層を含む請求項３記載の磁気記録装置。
5. 前記読み出し素子は、トンネル磁気抵抗素子または巨大磁気抵抗素子を含む請求項１〜４のいずれか１項記載の磁気記録装置。

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