JP2013048124A - 強磁性トンネル接合素子 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 磁場書き込み方式ＭＲＡＭ、および、スピン注入磁化反転方式ＭＲＡＭにおいても、書き込みに必要な電流値を小さくすることが可能な強磁性トンネル接合素子を提供する。
【解決手段】 順に、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性自由層２と、絶縁層３と、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性固定層４とを積層した構造を有し、前記強磁性自由層２が、該強磁性自由層２の飽和磁化を下げる働きを有する添加元素を、前記絶縁層３と接しない側において前記絶縁層３と接する側よりも多く含む強磁性トンネル接合素子１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）内の記録素子である強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子の特性改善、特に、書き込み特性の改善に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）は、図２に示されるような、強磁性自由層２０／絶縁層３／強磁性固定層４の積層構造を基本構成とするＭＴＪ素子１００を用いるメモリである。ＭＴＪ素子１００においては、強磁性自由層２０と強磁性固定層４の両者の磁化の組において磁化の方向が互いに平行か反平行かに応じて、これらの層の間を層に垂直方向に流れるトンネル電流に生じる抵抗値が異なる現象（トンネル磁気抵抗効果、ＴＭＲと呼ばれる）が観測される。そのため、この現象を応用することによって、磁化の方向の組が平行であるか反平行であるかの二つの状態として記録された２値のデータを読み出すことができる。また、強磁性自由層２０と強磁性固定層４それぞれの強磁性体に記録された磁化方向は電流を切っても保持される。これらの読み出し動作と記憶保持動作を応用して不揮発性メモリに応用されているのがＭＲＡＭである。なお、本願明細書全般において、斜線（／）によって仕切っている層や物質の記載は、そのような層や物質がそこに記載された順になるように配置されていることを示している。

このＭＲＡＭにおけるメモリセルアレイの電気的な構成としては、直交マトリックス状に配線したビット線５とライトワード線６の交点にＭＴＪ素子１００を配置する構成が一般的に採用される。この際、ＭＴＪ素子１００のそれぞれは、セル選択用のスイッチング素子となるＭＯＳトランジスタが組み合わされて１つのビットセルを構成する。

このようなＭＲＡＭにおいて用いられる書き込み手法の一つとして、ビット線５とライトワード線６の双方に電流を流すことにより、それらの交点付近にビット線５とライトワード線６の双方から誘起された磁場を印加し、その磁場によって強磁性自由層２０の磁化を反転させる手法（以下、「磁場書き込み方式」という）を用いることができる。図３にこのようなＭＴＪ素子をアドレッシングするための回路構成を示す。ここで、ビット線５あるいはライトワード線６単独では強い磁場が得られず、強磁性自由層２０を反転させるのに必要な磁場の強さ（スイッチング磁場）に以上の磁場が得られないが、ビット線５の作る磁場とライトワード線６の作る磁場がともに印加される両導線の交点にある位置ではスイッチング磁場以上の磁場を得ることができるため、所望のビットセルにつながるビット線５を選択して電流を流し、ライトワード線６にも電流を流すことによって書き込みを行うことができる。この手法における読み出し動作では、まず、所望のビット線５とリードワード線７を選択する。そして、選択したビット線５から、ＭＴＪ素子１００を通って、読み出し電極８、選択したリードワード線７へという経路に流れる電流によってＭＴＪ素子１００に生じる電圧値（すなわちＭＴＪ素子１００の抵抗値）を検出する。さらに、選択されたビット線５とリードワード線７につながるＭＴＪ素子における磁化の組がどのような状態にあるかを特定する。このような処理によって、読み出し動作が行われる。この際、ＭＴＪ素子１００において磁化方向が平行な場合と反平行な場合の検出電圧の中間値を基準電圧として設定し、検出した電圧または抵抗値によって、そのＭＴＪ素子１００が、強磁性自由層２０と強磁性固定層４の磁化方向の組み合わせに割り当てておいた‘１’であるか‘０’あるかを同定することができる。

近年、従来のＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）非晶質絶縁層を用いたＭＴＪ素子に代わり、結晶質のＭｇＯ絶縁層を用いて、ＴＭＲ比（高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値との比）の向上が達成されている（例えば、特許文献１）。結晶質のＭｇＯ絶縁層を用いたＭＴＪ素子では、強磁性自由層ならびに強磁性固定層も結晶質であり、かつＭｇＯ絶縁層とのエピタキシャル性を持つことが求められている。このためには、現在のところ、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）もしくはコバルト−鉄−ホウ素（ＣｏＦｅＢ）を用いるのが主流となっている。この材質を選択した場合のＭＴＪ素子では、ＴＭＲ比がＭＲＡＭとして動作するために十分な値である２００％を超えている。

しかしながら、磁場書き込み方式を用いるこのような構成のＭＴＪ素子を用いて集積度の高いＭＲＡＭを作製すると、素子の微細化に伴って、強磁性自由層２０のスイッチング磁場が増大する一方、ビット線５とライトワード線６に流れる電流が減少してしまう。このため、強磁性自由層２０の磁化を反転させること、すなわち、データの書き込みが困難になるという問題があり、ＭＲＡＭの大きな技術課題となっている。

これを解決する手段として、磁場書き込み方式に代えて、スピン偏極した電流を強磁性自由層と強磁性固定層とをまたがって流すことによって強磁性自由層の磁化を反転させる技術（「スピン注入磁化反転」、Ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−ｒｅｖｅｒｓａｌという）を利用するタイプのＭＴＪ素子、およびそれを用いたＭＲＡＭが開発されている。図４は、スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭの構成図であり、この構成は特許文献２等で提案されている構成である。

スピン注入磁化反転を用いる場合には、書き込みは以下のように行う。まず、強磁性固定層４から強磁性自由層２０に電子が注入されるように電流を流すことを考える。強磁性固定層４を通る電子のスピンは、強磁性固定層４の磁化との交換相互作用により、その磁化からスピントルク（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ）の作用によって強磁性固定層４の磁化方向に偏極（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）、すなわち電子がスピン偏極する。スピン偏極した電子は、強磁性自由層２０に入ると、今度は強磁性自由層２０の磁化にスピントルクを与える。このようにして、強磁性自由層２０の磁化は、強磁性固定層４の磁化と平行に揃う。これとは逆に、強磁性自由層２０から強磁性固定層４に電子が注入されるように電流を流すと、強磁性固定層４の磁化と反平行のスピンを有する電子が強磁性固定層４と絶縁体層３の界面で反射し、反射した電子が強磁性自由層２０の磁化にスピントルクを与える。この結果、強磁性自由層２０の磁化は、強磁性固定層４の磁化と反平行になる。以上の原理に基づき、積層膜に印加される電流の向きを選択することによって、強磁性固定層４と強磁性自由層２０の磁化を、平行または反平行にすることができる。これがスピン注入磁化反転技術である。

スピン注入磁化反転技術によって実際に書き込みの動作を行うには、電流による強磁性自由層２０の磁化反転を行うために必要な電流値（臨界電流）よりも大きい電流が必要である。読み出しの際には、臨界電流よりも小さい電流を流して、従来のＭＲＡＭと同様に、抵抗値または電圧値を検出してデータの読み出しを行う。スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭは、集積度を高めても書き込みが可能になるという利点に加えて、従来のＭＲＡＭと比較して、書き込み磁場を発生させるためのライトワード線が不要になるため、素子構造を簡略化することができるという別の利点もある。

特開２００６−８０１１６号公報 特開平１１−１２０７５８号公報

Ｊ． Ｚ． Ｓｕｎ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ， ｖｏｌｕｍｅ ６２， ｎｕｍｂｅｒ １， ｐａｇｅ ５７０

しかし、磁場書き込み方式を採用するＭＲＡＭにおいても、また、スピン注入磁化反転技術を採用するＭＲＡＭ（スピン注入磁化反転方式ＭＲＡＭ）でさえも、書き込みに必要な電流が大きすぎるという課題がある。具体的には、スピン注入磁化反転方式ＭＲＡＭにおいて磁化反転に要する臨界電流密度は、いまだ１０^６Ａ／ｃｍ^２以上であり、この臨界電流密度が実用に耐えうる５×１０^５Ａ／ｃｍ^２となるような技術を開発する必要性がある。

本発明は、上記現状に鑑み、磁場書き込み方式ＭＲＡＭ、および、スピン注入磁化反転方式ＭＲＡＭにおいても、書き込みに必要な電流値を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性自由層と、絶縁層と、強磁性を含む複数の層からなる強磁性固定層とをこの順に積層した強磁性トンネル接合素子において、前記強磁性自由層が、該強磁性自由層の飽和磁化を下げる働きを有する添加元素を、前記絶縁層と接しない側において前記絶縁層と接する側よりも多く含むように構成する。

本発明では、強磁性自由層が、前記絶縁層に接する強磁性層を含み、該強磁性層が、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）からなる磁性金属群のいずれかの単体金属と、該磁性金属群より選択される一の金属を含む合金と、該磁性金属群より選択される一の金属およびメタロイド元素を含む化合物とのいずれかからなり、前記絶縁層が、単結晶もしくは微結晶構造を有するＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなるようにされると好適である。絶縁層に接する強磁性層が上記のいずれかの材質よって構成されると、高いＴＭＲ比を得ることができる。
特に、絶縁層と、強磁性自由層とがエピタキシャルに接合しているような強磁性トンネル接合素子であると好適である。ここでエピタキシャルに接合しているとは、互いの層の結晶が、他方の層の結晶格子の配置の影響を受けた結晶構造となっていることを示している。なお、このような接合は、一方の膜の上に他方の膜がエピタキシャル成長された場合に限定されるものではない。なお、実際の製品において、エピタキシャルに接合していることは、たとえば、透過型電子顕微鏡などの観察手段によって確認することができる。

さらに本発明では、前記強磁性自由層が、前記絶縁層との界面において、前記添加元素を実質的に含まないことが望ましい。実質的に含まないとは、前記絶縁層とのエピタキシャルな接合を破壊せず、かつ界面における強磁性自由層の磁気偏極に影響しない程度の量しか含まないことを意味する。
なお、前記強磁性自由層の前記絶縁層との界面における前記添加元素の存在または量は、深さ分解Ｘ線光電子分光法などによって検知することができる。

本発明にかかるＭＴＪ素子の製造方法は、上述したエピタキシャル性と、界面における強磁性自由層の強磁性を破壊せずに強磁性自由層の飽和磁化を下げるような添加元素を含有する層を積層する工程を含む。その際の添加元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉに置換する非磁性３ｄ遷移金属を用いることができ、なかでも少量の添加で強磁性金属の磁気特性を低下させることができるＣｒ膜を用いることができる。

このとき、実際に強磁性自由層の飽和磁化を下げる手段として、前記強磁性自由層を積層した後もしくは素子微細加工後にアニールを施すことで、強磁性自由層への不純物拡散を引き起こし、これによる強磁性自由層の磁気特性低下を利用する。

本発明により、書き込みに要する電流値が小さいＭＴＪ素子を実現することができ、消費電力の小さい磁気ランダムアクセスメモリを構成することが可能になる。

実施例における、強磁性トンネル接合素子の断面図である。 従来技術における、磁気ランダムアクセスメモリの構成単位の断面図である。 従来技術における、磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子をアドレッシングするための回路構成の平面図である。 従来技術における、スピン注入磁化反転技術を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成を説明する図である。

図１は、本実施例のＭＴＪ素子１の断面構成図を示したものであり、以下で本実施例のＭＴＪ素子の作成方法の一例について記す。
本実施例のＭＴＪ素子は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ層１２（５ｎｍ）／Ｒｕ層１４（１０ｎｍ）／Ｉｒ_７５Ｍｎ_２５（１０ｎｍ）／Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２ｎｍ）／Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０（２ｎｍ）／Ｃｒ（０．２ｎｍ）／Ｔａ層１８（１０ｎｍ）の順に積層した構成を用いる。このうち、Ｓｉ／ＳｉＯ２基板１０は熱酸化Ｓｉウェハー基板を意味し、ＩｒＭｎ層１６は固定層４に反強磁性交換バイアスをつけるための層であり、固定層４の磁化方向を固定化させる働きを有する。また、固定層４はＣｏＦｅ強磁性層４ａ／ Ｒｕ中間層４ｂ／ＣｏＦｅＢ強磁性層４ｃの積層フェリ構造である。ＭｇＯ絶縁層３を挟んで、ＣｏＦｅ強磁性自由層２が配置され、その直上にＣｒ層が成膜してある。なお、膜厚に関しては、成膜レートから換算したものであり、特にＣｒ層に関しては一様な薄膜にはなっていないものと考えられる。

上記の積層構造の成膜には、マグネトロンスパッタリング装置を用いた。基準圧は３× １０^−６ Ｐａ以下である必要がある。ＭｇＯ以外の膜、すなわち、金属膜の成膜は、Ａｒガス雰囲気内でのｄｃマグネトロンスパッタリングで行った。一方、ＭｇＯ膜の成膜は、焼結ＭｇＯターゲットから、Ａｒガス雰囲気内でのｒｆマグネトロンスパッタリングで行った。

積層膜の成膜後、フォトリソグラフィおよび電子ビームリソグラフィによるパターニング工程と、アルゴンイオンミリング工程にて、ＭＴＪ素子を作成する。本実施例では、ＭＴＪ素子の切り出しにミリング工程を用いた。
その後、本ＭＴＪ素子を真空内で磁場中アニールする。本実施例では、加熱温度は３５０℃、加熱時間は１時間、磁場の大きさは１０ｋＯｅ、真空度はおよそ１０^−４ Ｐａである。アニール温度については、ＣｏＦｅの結晶化の観点からは、高いほど好ましく、例えば、３００℃〜５００℃とすることができる。高温にしすぎると、ＩｒＭｎ層１６からのＭｎ拡散が発生するため、３７０℃未満とすることが好ましいが、本発明は、３７０℃以上にすることを何ら制限するものではない。
成膜後のアニール工程により、固定層４の磁化をＩｒＭｎ層１６との反強磁性結合により一方向に固定するとともに、成膜直後は非晶質であったＣｏＦｅＢ膜４ｃが単結晶ＭｇＯを種としてｂｃｃ（体心立方）構造に結晶化する。
また、この時、ＣｒがＣｏＦｅ強磁性自由層２に拡散する。Ｃｒ拡散により、ＣｏＦｅ強磁性自由層２の飽和磁化を低下させることができる。表１はＭｇＯ上のＣｏＦｅ（２ｎｍ）／Ｃｒ（１０ｎｍ）積層膜を温度を変えてアニールしたときの飽和磁化である。

表１から、３５０℃で飽和磁化が減少しており、Ｃｒ拡散の効果が観察された。またアニール温度を上げていくにしたがって拡散が進み、さらに飽和磁化が低下していることがわかった。

さて、非特許文献１によれば、スピン注入磁化反転に必要な電流値は、Ｈｋ×Ｍｓ×（Ｈｋ＋２πＭｓ）に比例する。ここで、Ｈｋは強磁性自由層の異方性磁場、Ｍｓは飽和磁化である。

これから、強磁性自由層の異方性磁場Ｈｋと飽和磁化Ｍｓを下げることにより、強磁性自由層への書き込みがしやすくなる。特に、飽和磁化Ｍｓの低減の効果は大きい。

すなわち、Ｃｒ拡散により、ＣｏＦｅ強磁性自由層の磁化反転電流を低減することが可能になる。
本実施例では、Ｃｒ拡散は当初強磁性自由層上に積層したＣｒ含有層とＣｏＦｅ強磁性自由層との界面近くに留まり、ＭｇＯ絶縁層からのＣｏＦｅの固層エピタキシャル成長を妨げない程度に、Ｃｒ含有層を薄くし、Ｃｒの絶対量を少なくした（本実施例では膜厚で制御し、０．２ｎｍとした）。また、アニール温度を３５０℃とした。このとき、Ｃｒ拡散長はＣｏＦｅ強磁性自由層の膜厚よりも十分に小さいために、ＣｏＦｅ強磁性自由層のＭｇＯとの界面における強磁性自由層の強磁性をほとんど低下させないという利点がある。以上より、強磁性自由層の飽和磁化Ｍｓを低減しながらも、高いＭＲ比を保持している強磁性トンネル接合素子を実現できた。

１ 強磁性トンネル接合素子
２ Ｃｒ含有強磁性自由層
３ 絶縁層
４ 強磁性固定層
４ａ ＣｏＦｅ強磁性層
４ｂ Ｒｕ中間層
４ｃ ＣｏＦｅＢ強磁性層
５ ビット線
６ ライトワード線
７ リードワード線
８ 読み出し電極
１０ Ｓｉ／ＳｉＯ_２基板
１２、１８ Ｔａ層
１４ Ｒｕ層
１６ ＩｒＭｎ層（磁化バイアス付与層）
２０ Ｃｒ非含有強磁性自由層
１００ 強磁性トンネル接合素子

Claims (7)

1. 順に、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性自由層と、絶縁層と、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性固定層とを積層した構造を有する強磁性トンネル接合素子であって、
   前記強磁性自由層が、該強磁性自由層の飽和磁化を下げる働きを有する添加元素を、前記絶縁層と接しない側において前記絶縁層と接する側よりも多く含む強磁性トンネル接合素子。
2. 前記強磁性自由層が、前記絶縁層と接する強磁性層を含み、該絶縁層と接する強磁性層が、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）からなる磁性金属群のいずれかの単体金属と、該磁性金属群より選択される一の金属を含む合金と、該磁性金属群より選択される一の金属およびメタロイド元素を含む化合物とのいずれかからなり、
   前記絶縁層が、単結晶もしくは微結晶構造を有するＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜であることを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
3. 前記絶縁層と前記強磁性自由層とがエピタキシャルに接合していることを特徴とする請求項１または２に記載の強磁性トンネル接合素子。
4. 前記強磁性自由層が、前記絶縁層との界面において、前記添加元素を実質的に含まないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の強磁性トンネル接合素子。
5. 前記添加元素が、Ｃｒ（クロム）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の強磁性トンネル接合素子。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載された強磁性トンネル接合素子を基本素子として備える磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 強磁性層を含む複数の層からなる強磁性固定層上に、絶縁層を積層する工程と、
   前記絶縁層上に、強磁性層を含む複数の層からなる強磁性自由層を積層する工程と、
   前記強磁性自由層を積層した後もしくは素子微細加工後に、前記強磁性自由層上に該強磁性自由層の飽和磁化を下げる働きを有する添加元素を含有する層を積層する工程と、
   前記添加元素を含有する層から前記強磁性自由層に前記添加元素の拡散を起こすためのアニール工程とを含む強磁性トンネル接合素子の製造方法。

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