JP2008300622A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子サイズを微小にしても、高い磁気抵抗比を維持しつつ磁化反転に必要な電流密度を低くすることができる磁気抵抗効果素子等を提供する。
【解決手段】磁化方向が一方向に固着された第１磁性層４１と、第１磁性層４１の一つの面に対峙する非磁性層４２と、非磁性層４２の第１磁性層４１に対峙する面とは反対の面に対峙して形成される第２磁性層４３と、第１磁性層４１と第２磁性層４３との間に設けられた非磁性層４２と、第２磁性層４３の非磁性層４２に対峙する面とは反対の面に対峙して形成され、Ｇｄ等の希土類金属とＦｅ等の遷移金属との合金からなる第３磁性層４４と、を有し、第２磁性層４３の磁化方向は、第３磁性層４４の磁化方向の反転に応じて反転することを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子等に関し、より詳しくは、特に高容量の磁気メモリ装置に適した磁気抵抗効果素子等に関する。

近年、新原理に基づくデータを記憶するメモリが多数提案されており、その一つとして、磁気抵抗効果を用いてデータの読み取りを行う磁性薄膜メモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）が注目されつつある。
ＭＲＡＭは不揮発性で書き込み、読み出しに制限の無いメモリである。また、現在メモリとして主に用いられているＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に比べて高速でかつ低電圧駆動が出来る特徴がある。

特に、酸化物等の絶縁層を強磁性層で挟んだ構造で発現するトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＴＭＲ効果）は巨大磁気抵抗効果の一種で、トンネル電流が強磁性層の相対的な磁化方向に影響を受けて電気抵抗が大きく変化する現象である。そのため大きな出力を得ることができ、ＭＲＡＭの高密度化に適している。そこで、相対的な磁化方向を制御して電流を読み出すことで、書き込み及び読み出しを行うことができる。

しかし、高容量を実現するために素子サイズを減少させていくと、磁化反転に必要な磁場が増大し、反転に必要な電流が増大する問題がある。
この問題を解決する方法として、磁場によって素子の磁化を反転するのではなく、素子に流す電流によって直接素子の磁化を反転させるスピン注入磁化反転と称する技術が提案されている。
原理上、スピン注入磁化反転は素子構造が微小になるほど磁化反転に必要な臨界電流値は減少するので、磁気抵抗効果素子の微細化に対して有効な技術であるが、現在の問題点は磁化反転に必要な電流密度が高いことである。この問題の解決方法として、例えば、２つのスピンフィルター層を設け、これらのスピンフィルター層の磁化方向が互いに逆向きに固定されている構造からなる磁気抵抗効果素子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５０４８２号公報

しかしながら、上記２つのスピンフィルター層を用いる方法では、磁気抵抗比を維持しつつ磁化反転に必要な電流密度を低下させるという観点からは、未だ不十分であり、また、磁化の熱的な安定性という観点からも問題点があった。

本発明は、上記のような従来の技術が有する種々の問題点に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、素子サイズを微小にしても、磁気抵抗比を維持しつつ磁化反転に必要な電流密度を低くすることができる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、高容量なメモリセル部を有し、消費電力が低い磁気メモリ装置を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討した結果、従来の２つの磁性層に加えて低い電流密度で磁化が反転する第３磁性層を設け、記憶層である第２磁性層と磁気的に結合させることにより、上記要件を満たすことが出来ることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成した。即ち、本発明は以下を要旨とするものである。

即ち、本発明によれば、磁化方向が一方向に固着された第１磁性層と、第１磁性層の一つの面に対峙する非磁性層と、非磁性層の第１磁性層に対峙する面とは反対の面に対峙して形成される第２磁性層と、第２磁性層の非磁性層に対峙する面とは反対の面に対峙して形成される第３磁性層と、を有し、第２磁性層の磁化方向は、第３磁性層の磁化方向の反転に応じて反転することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。

ここで、第３磁性層は、希土類金属と遷移金属との合金からなることが好ましく、希土類金属は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙから選ばれる少なくとも１つであり、遷移金属は、Ｆｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１つであることが更に好ましい。

また、非磁性層は、金属酸化物からなる絶縁体または金属窒化物からなる絶縁体であることが好ましく、第３磁性層の磁化方向の反転は、スピン注入磁化反転により生ずることが好ましい。

一方、本発明によれば、磁気抵抗効果素子がメモリセル部を構成している磁気メモリ装置であって、磁気抵抗効果素子は、磁化方向が一方向に固着された第１磁性層と、第１磁性層に積層される非磁性層と、非磁性層に積層される第２磁性層と、第２磁性層に積層される第３磁性層と、を有し、第２磁性層の磁化方向は、第３磁性層の磁化方向の反転に応じて反転することを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。

本発明によれば、素子サイズを微小にしても、高い磁気抵抗比を維持しつつ磁化反転に必要な電流密度を低くすることができる磁気抵抗効果素子等を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１は、本実施の形態が適用される磁気メモリ装置の概要を説明した模式図である。
図１（ａ）に示した磁気メモリ装置１０には、複数のメモリセル部２０がグリッド状に配置されており、各々のメモリセル部２０には本実施の形態が適用される磁気抵抗効果素子が用いられている。そして、各々のメモリセル部２０を挟むようにして、ビット線１２とワード線１３が各々複数本設置されている。これらビット線１２とワード線１３はメモリセル部２０を挟んで直交する。Ｘ方向に隣り合うメモリセル部２０同士は同じワード線１３を共有し、Ｙ方向に隣り合うメモリセル部２０同士は同じビット線１２を共有する。

また、図２は、図１に示した磁気メモリ装置１０を構成する複数のメモリセル部２０のうち１つに関する回路図である。
以下、図１および図２を参照しながら磁気メモリ装置１０の動作の説明を行う。
図２に示すように、１つのメモリセルは、基本的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３１とメモリセル部（磁気抵抗効果素子）２０の組み合わせからなる。電界効果トランジスタ３１のゲート電極はワード線１３に接続され、ワード線１３によって制御される。

メモリセル部２０は、後に詳述するが、図１（ｂ）に示すように基本構造として、第１磁性層４１（「磁化固定層」とも言う。）、非磁性層４２（「絶縁層」とも言う。）、第２磁性層４３（「磁化自由層」とも言う。）、第３磁性層４４からなる。第１磁性層４１の磁化の向きは固定されており、第２磁性層４３の磁化の向きが第１磁性層４１の磁化の向きと平行の状態を”０”とし、反平行の状態を”１”とする。
このメモリセル部２０に情報を書き込み、もしくは読み出す際には、ワード線１３からゲート電極にオン電圧が印加される。電界効果トランジスタ３１のソース・ドレイン電極の一方はプレート電極に接続され、他方のソース・ドレイン電極は電界効果トランジスタ３１に接続されているため、電界効果トランジスタ３１がオン状態になるとプレート電極とメモリセル部２０間が導通状態（オン状態）となる。

書き込みのときは、この際に空間的に生じる磁界により第２磁性層４３の磁化の向きを反転させる。
また、この導通状態においてメモリセル部２０の電気抵抗値を測定することができる。この電気抵抗値の測定は、ビット線１２の端部に接続された図示しないセンス回路によって行う。
トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により、第１磁性層４１と第２磁性層４３の磁化の向きが平行状態のとき（即ち”０”の状態）、電気抵抗値は低い。また、第１磁性層４１と第２磁性層４３の磁化の向きが反平行状態のとき（即ち”１”の状態）電気抵抗値は高い。このため電気抵抗値の大小を測定することで、メモリセル部２０が記憶している”０”もしくは”１”の磁気記憶情報を判定することができる。
なお、図２に示した回路図は、あくまで一例であり、他の形態のものも考えられるのは勿論である。例えば、ビット線１２を読み出し用と、書き込み用の２本に分け、読み出し用のビット線を第１磁性層４１に接続し、書き込み用のビット線を第２磁性層４３に接続するような形態でもかまわない。

また、上記の例では、書き込みのときに、空間的に生じる磁界により第２磁性層４３の磁化の向きを反転させる例を挙げたが、スピン注入磁化反転により、第２磁性層４３の磁化の向きを反転させる手段もある。
この場合は、図１において、膜面に垂直に第２磁性層４３から第１磁性層４１に向け電流を流すと、スピン偏極した伝導電子が第１磁性層４１から第２磁性層４３に流れ込み、第２磁性層４３の電子と交換相互作用する。この結果、電子間にトルクが発生し、このトルクが十分に大きいと、第２磁性層４３の磁化方向は反平行から平行に反転する。
一方、電流印加の方向を逆にすると、伝導電子が第２磁性層４３から第１磁性層４１に向かって流れる。このとき、非磁性層４２と第１磁性層４１との界面により伝導電子の一部が反射され、そのスピンが反転する。界面反射された伝導電子は、非磁性層４２から再び第２磁性層４３に流れ込み、第２磁性層４３の電子と交換相互作用する。この結果、電子間にトルクが発生し、このトルクが十分に大きいと、第２磁性層４３の磁化方向は平行から反平行に反転する。このように、スピン注入磁化反転では、電流制御（印加方向及び印加電流値）のみによって第２磁性層４３の磁化の反転を誘発し、記憶状態を書き換えることができる。
なお、詳しくは後述するが、本実施の形態においては、高い磁気抵抗比を維持しつつ磁化反転に必要な電流密度を低くすることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。この観点からは、本実施の形態の磁気抵抗効果素子は、スピン注入磁化反転を用いた書き込み方式を使用した磁気メモリ装置１０の方により好ましく適用が可能である。

次に、メモリセル部２０について詳細に説明を行う。
図３は、本実施の形態が適用される磁気抵抗効果素子であるメモリセル部２０の構造の一例を説明した図である。
図３に示すメモリセル部２０は、シリコン基板５１、下部電極層５２、反強磁性層５３、第１磁性層４１、非磁性層４２、第２磁性層４３、第３磁性層４４、上部電極層５４が順次積層した構造をしている。本実施の形態のメモリセル部２０（磁気抵抗効果素子）は、第１磁性層４１、非磁性層４２、第２磁性層４３、第３磁性層４４を基本構成とするが、下記理由により他の層を形成するのが好ましい。

下部電極層５２および上部電極層５４は、メモリセル部２０に電流を流すための層であり、情報の書き込み、読み出しの際には、この２つの電極層間に電圧を印加する。材料として具体的には、Ｔａ等が使用できる。

また、反強磁性層５３は、第１磁性層４１の磁化方向を一定方向に固着するための層である。第１磁性層４１を一方向に固着する方法としては、反強磁性層５３上に第１磁性層４１を形成した後に磁場中アニール処理をすることが望ましい。
反強磁性層５３としては、Ｍｎおよび、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈの少なくとも一つの元素からなるＭｎ合金であることが好ましく、例えばＩｒＭｎ合金等が使用できる。

第１磁性層４１、非磁性層４２、第２磁性層４３の部分は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を生じるために必要な最低限の素子構造である。前述の通り、第１磁性層４１は、反強磁性層５３により磁化の向きが固定された磁化固定層であり、第２磁性層４３は、磁化の向きが任意の方向を向くことができる磁化自由層である。第２磁性層４３の磁化の向きが第１磁性層４１の磁化の向きと平行の状態を”０”、反平行の状態を”１”とすることで情報の記録を行うことができる。
第１磁性層４１と第２磁性層４３には、遷移金属、または遷移金属合金が使用できる。例えば、Ｆｅまたは、ＦｅＣｏＢ合金等のＦｅを含む合金が使用できる。

非磁性層４２は、絶縁体であり、トンネル障壁を形成するための層である。絶縁体を磁性体で挟んだ際に生じるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）は、高い磁気抵抗を示すことが知られている。
非磁性層４２としては、金属酸化物の絶縁体または金属窒化物の絶縁体が好ましい。具体的には、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等の金属酸化物あるいは、ＴｉＮ、ＴａＮ等の金属窒化物が例示される。しかし、磁気抵抗変化率が飛躍的に向上すると共に、素子の電気抵抗の低減が実現できるＭｇＯが特に好ましい。

ここで、本実施の形態では、第２磁性層４３の上に第３磁性層４４を新たに設けている。この第３磁性層４４は、フェリ磁性であることが好ましい。
磁性体にはフェロ磁性を有するものとフェリ磁性を有するものの２種類があり、前者は全てのスピンが平行に向いている強磁性体で、後者はスピンが反平行を向いており、スピンの差分に応じた磁化が生じる強磁性体である。
フェリ磁性の磁性体の一つとして、希土類金属と遷移金属からなる合金がある。これは、希土類金属のスピンと遷移金属のスピンが反平行に並び、希土類金属スピンの大きさと遷移金属スピンの大きさの差に応じた磁化が飽和磁化となる。従って、合金の希土類金属と遷移金属の組成を調整することで、室温において飽和磁化を非常に低くすることが可能となる。そのために磁化反転に必要な臨界電流値も減少する。

第１磁性層４１／非磁性層４２／第２磁性層４３／第３磁性層４４からなる磁気抵抗効果素子の第１磁性層４１及び第２磁性層４３は、通常遷移金属合金から形成されるので、磁化は遷移金属のスピンが担っている。従って、希土類金属と遷移金属からなる合金を第３磁性層４４として、第２磁性層４３上に形成すると、第２磁性層４３の磁化の方向と第３磁性層４４である希土類遷移金属合金の遷移金属スピンの方向が平行になるように磁気的に結合する。

このような構造の素子に対して電流による磁化反転を試みた場合、第１磁性層４１及び第２磁性層４３よりも第３磁性層４４の方が飽和磁化が小さいため、第１磁性層４１及び第２磁性層４３よりも小さな電流で、第３磁性層４４の磁化反転が生じる。ここで重要なのは前述したように第３磁性層４４は第２磁性層４３と磁気的に結合していることで、第３磁性層４４の磁化反転が生じると、磁気的に結合した第２磁性層４３も同時に磁化反転が起こる。その結果、従来よりも低い電流値で第２磁性層４３の磁化を反転させることが可能となる。

また、磁気抵抗効果素子として重要なことは、電流スピン注入による磁化反転を実現するために反転に必要な臨界電流値を下げることと同時に、高い磁気抵抗比を両立することである。
磁気抵抗比は磁性層と非磁性層の界面の電子構造、特にスピンの分極率に大きく支配される。つまり、磁気抵抗に対しては第１磁性層４１／非磁性層４２／第２磁性層４３の状態の方が重要であって、第３磁性層４４は磁気抵抗比には影響を与えない。よって高い磁気抵抗比を維持したまま、磁化反転に必要な電流値を下げることができる磁気抵抗効果素子が実現できる。

第３磁性層４４を構成する元素として、希土類金属としてＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙの中から選ばれる少なくとも１種の元素と、遷移金属としてＦｅ、Ｃｏの少なくとも１種の元素を含む合金であることが好ましい。例えば、ＧｄＦｅ合金が使用できる。
希土類金属と遷移金属の割合は、元素数比で希土類金属が２０％〜２５％、遷移金属が７５％〜８０％であることが好ましい。この割合で室温において、磁気モーメントは、打ち消し合い飽和磁化をほぼ０とすることができる。そしてこの場合、保磁力がほぼ無限大となるため磁化の熱的な安定性からも優れている。

以下、実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
磁気抵抗効果素子として、図３に示した構造のものを作製した。
各層の材料および膜厚は、下記表１に示した通りである。これらの全ての層は、３×１０^−５Ｐａ以下まで排気した後にマグネトロンスパッタリング法により形成した。
また、反強磁性層５３と第１磁性層４１の間に一方向異方性を付与するため、反強磁性層５３と第１磁性層４１を成膜する際に、２ｋＯｅの磁場を印加した。最後に、イオンミリングにより、素子形状に加工した。形状は、直径１００ｎｍの円筒形とした。

（実施例２〜６）
磁気抵抗効果素子として、図３に示した構造のものを作製した。
各層の材料および膜厚は、第３磁性層４４以外は、表１に示したものと同様とした。なお、第３磁性層４４の材料および膜厚は、以下の表２の通りとした。
また、磁気抵抗効果素子の作製方法は、実施例１と同様に行った。

（比較例１）
磁気抵抗効果素子として、実施例１の構造のものに対し、第３磁性層４４がない構造のものを作製した。
他の層の材料および膜厚は、実施例１と同様とし、また作製方法も実施例１と同様に行った。

[評価]
次に、上記のようにして作製した磁気抵抗効果素子の特性を評価した。
実施例１〜６、比較例１で作製した磁気抵抗効果素子について、素子に電流の大きさと向きを変化させながら電気抵抗値を測定した。ここで、電流値は第１磁性層４１から第２磁性層４３に電流が流れる方向を正とした。磁化反転に必要な電流は磁化が平行から反平行に変わる際の方が大きな電流密度が必要となる。磁化が平行から反平行になるときの素子に流した電流密度（電流反転密度）及びその際の抵抗変化率（磁気抵抗比）を表３に示す。

表３より、実施例１〜６と比較例１では電気抵抗値が変化する電流反転密度は実施例１〜６の方が、比較例１よりも低い。これにより、従来よりも低い電流密度で磁化反転が生じたことがわかる。
一方、磁気抵抗比は実施例１〜６と比較例１ではほとんど違いがなかった。これは、磁気抵抗が生じるのが絶縁層に接する磁性層の界面に起因するためであると考えられる。すなわち、遷移金属と希土類金属からなる合金を第３磁性層４４として用いることにより、磁気抵抗比に影響を及ぼすことなく、磁化反転に必要な電流密度のみを低減できることがわかる。

本実施の形態が適用される磁気メモリ装置の概要を説明した模式図である。 図１に示した磁気メモリ装置を構成する複数のメモリセル部のうち１つに関する回路図である。 本実施の形態が適用される磁気抵抗効果素子であるメモリセル部の構造の一例を説明した図である。

符号の説明

１０…磁気メモリ装置、１２…ビット線、１３…ワード線、２０…メモリセル部、３１…電界効果トランジスタ、４１…第１磁性層、４２…非磁性層、４３…第２磁性層、４４…第３磁性層、５１…シリコン基板、５２…下部電極層、５３…反強磁性層、５４…上部電極層

Claims (6)

1. 磁化方向が一方向に固着された第１磁性層と、
   前記第１磁性層の一つの面に対峙する非磁性層と、
   前記非磁性層の前記第１磁性層に対峙する面とは反対の面に対峙して形成される第２磁性層と、
   前記第２磁性層の前記非磁性層に対峙する面とは反対の面に対峙して形成される第３磁性層と、を有し、
   前記第２磁性層の磁化方向は、前記第３磁性層の磁化方向の反転に応じて反転することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第３磁性層は、希土類金属と遷移金属との合金からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記希土類金属は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙから選ばれる少なくとも１つであり、前記遷移金属は、Ｆｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記非磁性層は、金属酸化物からなる絶縁体または金属窒化物からなる絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第３磁性層の磁化方向の反転は、スピン注入磁化反転により生ずることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 磁気抵抗効果素子がメモリセル部を構成している磁気メモリ装置であって、
   前記磁気抵抗効果素子は、
   磁化方向が一方向に固着された第１磁性層と、
   前記第１磁性層に積層される非磁性層と、
   前記非磁性層に積層される第２磁性層と、
   前記第２磁性層に積層される第３磁性層と、を有し、
   前記第２磁性層の磁化方向は、前記第３磁性層の磁化方向の反転に応じて反転することを特徴とする磁気メモリ装置。

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