JP3650735B2 - 磁気抵抗性素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
磁気抵抗性素子とも称されるＭＲ素子は、センサ素子としてもまたメモリセル装置いわゆるＭＲＡＭのメモリ素子としてもますます頻繁に使用されるようになってきている（S.Mengel, Technologieanalyse Magnetismus Band2, XMR-Technologien, Herausgeber VDI Technologiezentrum Physilkalische Technologien, August 1997 を参照）。磁気抵抗性素子とは、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置された非磁性層とを有する構造のことである。層構造を用いた構成形態に応じて、ここではＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、およびＣＭＲ素子の区別がある。
【０００２】
ＧＭＲ素子の概念は、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置される導電性の非磁性層とを有し、いわゆるＧＭＲ効果（giant magnetoresistance effect）を示す層構造に対して使用される。ＧＭＲ効果とは、ＧＭＲ素子の電気抵抗が２つの強磁性層内の磁化状態が平行に配向されているか反平行に配向されているかに依存することを意味する。ＧＭＲ効果はいわゆるＡＭＲ効果（anisotropic magnetoresistance effect）に比べて大きい。ＡＭＲ効果とは磁化された導体の抵抗がそれぞれ異なり磁化方向に対して平行または垂直であることを意味する。ＡＭＲ素子は強磁性の単層で発生する体積効果である。
【０００３】
ＴＭＲ素子の概念は、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置される絶縁性の非磁性層とを有する層構造の磁気抵抗トンネル作用に対して使用される。絶縁性の層はここでは、２つの強磁性層の間でトンネル電流が発生する程度の薄さである。こうした層構造は同様に、これはスピン分極したトンネル電流が２つの強磁性層の間に配置された絶縁性の非磁性層を通って作用する磁気抵抗効果を示す。この場合にもＴＭＲ素子の電気抵抗は２つの強磁性層内の磁化状態が平行に配向されているか反平行に配向されているかに依存する。相対的な抵抗変化量はこの場合約６％〜約３０％である。
【０００４】
他の磁気抵抗効果として、その大きさ（室温での相対的な抵抗変化量１００％〜４００％）のためにＣＭＲ効果（collosal magnetoresistance effect）と称される効果は、高い保磁力により磁化状態をスイッチングするための高い磁界を必要とする。
【０００５】
米国特許出願第５４７７４８２号明細書ではＣＭＲ素子の強磁性層および非磁性層を環状に構成することが提案されており、ここでこの環は相互に積層されるか、または相互に同心に配置されている。
【０００６】
ＧＭＲ素子ないしＴＭＲ素子をメモリ素子としてメモリセル装置で使用することが提案されている（例えば S.Tehrani et al, IEDM 96頁〜193頁、D.D.Tang et al, IEDM 95頁〜997頁を参照）。メモリ素子は読み出し線路を介して直列接続されている。これに対して横断方向にワード線が延在しており、この線路は読み出し線路からもメモリ素子からも分離されている。ワード線に印加される信号はワード線を流れる電流により磁界を発生し、この磁界が充分な強さを有する場合下方に存在するメモリセルが制御される。このメモリセル装置では２つの強磁性層の磁化状態が相互に平行に配向されているか反平行に配向されているかに応じてメモリ素子の抵抗が異なることを利用している。したがって情報を書き込む際には、一方の強磁性層の磁化方向を固定し、他方の強磁性層の磁化方向をスイッチングする。このために交差する線路に信号を印加し、交点で磁化のスイッチングに充分な磁界が発生するようにする。交差線路はｘｙ線路と称され、書き込むべきメモリセルの個所で交差している。
【０００７】
一方の強磁性層での磁化方向の固定は、磁化状態を保持する隣接の反強磁性層によって行われる（D.D.Tang et al, IEDM 95頁〜997頁を参照）か、または異なる層厚さの強磁性層によって行われる（S.Tehrani et al, IEDM 96頁〜193頁を参照）。ここで反強磁性層は、磁化状態を保持すべき隣接の強磁性層とは別の材料組成を有している。
【０００８】
２つの強磁性層の厚さが異なると、一方の強磁性層で磁化方向を制御するために他方の強磁性層の磁界よりも高い磁界が必要となる。情報を書き込む際には、この磁界は２つの強磁性層のうち一方の層の磁化方向のみが制御されるように選定される。他方の強磁性層の磁化方向はきわめて高い磁界でしかスイッチングされず、制御されないまま保持される。
【０００９】
強磁性層の層厚さは、一方では製造技術上の理由から約５ｎｍの最小の層厚さを下回ってはならず、他方ではＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の強磁性層の最大の層厚さも所定の磁化方向が層の平面に対して平行に存在しなければならないことによって制限されている。したがってこの場合スイッチング磁界の正確な調整が要求される。
【００１０】
本発明の基礎とする課題は、半導体プロセス技術の分野において良好な効率で製造可能であり、かつスイッチング磁界の調整に関して過敏でない磁気抵抗性素子を提供することである。
【００１１】
この課題は本発明の独立請求項に記載の磁気抵抗性素子により解決される。本発明の別の実施形態は従属請求項から得られる。
【００１２】
磁気抵抗性素子は特に有利にはメモリセル装置のメモリ素子として使用可能である。さらに磁気抵抗性素子はセンサ素子として使用可能である。
【００１３】
磁気抵抗性素子は第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメント、および第２の強磁性層エレメントを有しており、非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されている。ここで非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントに対してそれぞれ界面を有している。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料を有している。第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとは非磁性層エレメントへの界面に対して平行な少なくとも１つの次元で異なるサイズを有する。
【００１４】
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントを異なる形状に構成することにより、強磁性層エレメントの磁化方向をスイッチングするのに必要な磁界も異なる。こうした効果を形状異方性と称する。それぞれの層エレメントでは層厚さに対して垂直なサイズが層厚さよりもはるかに大きいので、本発明の磁気抵抗性素子ではS.Tehrani et al, IEDM 96頁〜196頁で提案されている素子の層厚さよりも大きなサイズの差が得られる。このように大きなサイズの差が得られることにより、それぞれの層の磁化方向をスイッチングするのに必要な磁界強度を相互に著しく相違させることができる。これにより磁気抵抗性素子はスイッチング磁界の正確な調整に関して過敏とならない。
【００１５】
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料から成るので、磁気抵抗性素子は半導体プロセス技術の分野、特に約４５０℃の温度負荷が発生するシリコンプロセス技術の分野で製造することができる。この温度領域では磁気抵抗性の層系に含まれる元素、特にＦｅ、Ｃｏ、Ｃｕなどの拡散運動に基づいて拡散を考慮しなければならず、これにより強磁性層エレメントの特性が変化する。拡散をおそれて材料組成を界面領域で変更すると、元素の磁気抵抗効果の基礎となるスピンに依存する電子輸送が損なわれる。したがって１ｎｍ〜５ｎｍの範囲の到達距離の僅かな拡散による材料移動でも界面を越えると磁気特性および電気特性の著しい変化をもたらすことが予測される。反強磁性層を強磁性層の磁化方向を保持するために使用する手法も、反強磁性層が材料組成の点で強磁性層とは異なっていなければならず、隣接する層間の拡散過程によって材料組成の変化を考慮しなければならない問題点を有する。
【００１６】
この問題点は、本発明の磁気抵抗性素子で２つの強磁性層を同じ材料から形成し、２つの強磁性層の間に濃度グラジエントを発生させないことにより解決される。２つの強磁性層の間に濃度グラジエントが存在しないことにより、非磁性層エレメントを越えた拡散による材料輸送の駆動力は消失する。
【００１７】
非磁性層エレメントへの界面に対して平行に強磁性層エレメントが任意の断面を有していてもよい。
【００１８】
本発明の構成によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは平面形の層エレメントとして構成されており、これらは積層体としてまとめられている。第１の強磁性層エレメントの厚さは２ｎｍ〜２０ｎｍである。層厚さに対しての垂直方向では第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントのサイズは５０ｎｍ×８０ｎｍ〜２５０ｎｍ×４００ｎｍであり、長さまたは幅において少なくとも２０％〜３０％の差が存在する。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの断面はここでは有利には矩形である。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントはそれぞれ環状に構成されている。ここで第１の強磁性層エレメントの環の幅と第２の強磁性層エレメントの環の幅とは異なっている。第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは中空円筒の形状を有しており、これらの層は中空円筒の主軸線の方向で積層されている。スイッチング磁界の形状異方性は、異なる環の幅、すなわち第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの中空円筒の外径と内径の差の１／２を有する幅を構成することにより実現される。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの厚さはそれぞれ２ｎｍ〜２０ｎｍである。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの外径は５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にあり、ここで第１の強磁性層エレメントの外径および／または内径と第２の強磁性層エレメントの外径および／または内径とは２０％〜５０％異なっている。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメント、および第２の強磁性層エレメントはそれぞれ中空円筒として構成されており、相互に同心に配置されている。ここで非磁性層エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されている。第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとはこの場合円筒軸線に平行な高さに関して相互に異なっている。
【００２１】
第１の強磁性層エレメントの高さは有利には５０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、第２の強磁性層エレメントの高さは８０ｎｍ〜４００ｎｍである。ここで高さの差は３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、少なくとも２０％〜３０％存在しなければならない。
【００２２】
有利には強磁性層エレメントは元素Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇｄ、Ｄｙのうち少なくとも１つを有する。非磁性層エレメントは導電性であっても非導電性であってもよい。有利には非磁性層エレメントは非導電性に構成され、材料Ａｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＮｂＯおよび／またはＳｉＯ２のうち少なくとも１つを有し、強磁性層エレメントへの界面に対して垂直な方向のサイズは１ｎｍ〜４ｎｍである。この場合の磁気抵抗性素子はＴＭＲ素子であり、ＧＭＲ素子と比べて高い電気抵抗をトンネル層に対して垂直な方向で有する。
【００２３】
これに代えて非磁性層エレメントは導電性材料、例えばＣｕ、ＡｕまたはＡｇから実現することができ、強磁性層エレメントへの界面に対して垂直な方向のサイズは２ｎｍ〜４ｎｍである。
【００２４】
以下に本発明の実施例を図に則して詳細に説明する。
【００２５】
図１のａには、第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して垂直なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図１のｂには図１のａのＩｂ−Ｉｂ線で切断した断面図が示されている。図２のａには、第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して平行なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図２のｂには図２のａのＩＩｂ−ＩＩｂ線で切断した断面図が示されている。図３のａには相互に積層された外径の異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図３のｂには図３のａのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線で切断した断面図が示されている。図４のａには相互に同心に配置された高さの異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図４のｂには図４のａのＩＶｂ−ＩＶｂ線で切断した断面図が示されている。図５にはメモリ素子としての磁気抵抗性素子を備えたメモリセル装置の部分図が示されている。
【００２６】
第１の強磁性層エレメント１１、非磁性層エレメント１３、第２の強磁性層エレメント１２は積層体として上下に並べられて配置されている（図１のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント１１は矩形形状を有しており、サイズは１３０ｎｍ×２５０ｎｍである。層シーケンスの方向でこの第１の強磁性層エレメント１１は１０ｎｍの厚さを有する。非磁性層エレメント１３も同様に矩形の断面を有しており、サイズは１３０ｎｍ×２５０ｎｍである。この層は層シーケンスの方向で２ｎｍの厚さを有している。第２の強磁性層エレメント１２は矩形の断面を有しており、サイズは２００ｎｍ×２５０ｎｍである。この層は層シーケンスの方向で１０ｎｍの厚さを有する。
【００２７】
第１の強磁性層エレメント１１および非磁性層エレメント１３は第２の強磁性層エレメント１２と同じ長さを有しているが、第２の強磁性層エレメント１２よりも幅がせまい。第１の強磁性層エレメント１１および非磁性層エレメント１３は第２の強磁性層エレメント１２の幅の中央に配置されている。第１の強磁性層エレメント１１にも第２の強磁性層エレメント１２にも、それぞれの層エレメント１１、１２の長さに対して平行な優位の磁化方向が存在する。この磁化方向は図１のａに双方向矢印で示されている。
【００２８】
第１の強磁性層エレメント１１および第２の強磁性層エレメント１２は同じ材料組成を有する。これらの材料はＣｏから成る。非磁性層エレメント１３はＡｌ２Ｏ３から成る。
【００２９】
第１の強磁性層エレメント１１は第２の強磁性層エレメントよりも高いスイッチング閾値を有する。
【００３０】
第２の実施例では、第１の強磁性層エレメント２１はＣｏから成り、非磁性層エレメント１３はＡｌ２Ｏ３から成り、第２の強磁性層エレメント２２はＣｏから成り、これらは上下に並べられて配置されている（図２のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント２１は矩形の形状を有しており、長さ２５０ｎｍ、幅１３０ｎｍ、厚さは層シーケンスの方向で１０ｎｍである。第２の強磁性層エレメント２２も同様に矩形の断面を有しており、長さ２００ｎｍ、幅１３０ｎｍ、厚さは層シーケンスの方向で１０ｎｍである。非磁性層エレメント２３は第２の強磁性層エレメント２２と同じ断面を有しており、厚さは層シーケンスに対して平行に２ｎｍである。
【００３１】
第１の強磁性層エレメント２１および第２の強磁性層エレメント２２ではそれぞれの磁化状態は各層エレメント２１、２２の長さに対して平行な磁化方向で取得される。この磁化方向は図２のａに双方向矢印で示されている。
【００３２】
第２の強磁性層エレメント２２および非磁性層エレメント２３は長さの方向で第１の強磁性層エレメント２１の中央に配置されている。こうした構成により第１の強磁性層エレメントは第２の強磁性層エレメント２２よりも高いスイッチング閾値を有する。
【００３３】
第３の実施例では、磁気抵抗性素子はＮｉＦｅから成る第１の強磁性層エレメント３１、ＮｉＦｅから成る第２の強磁性層エレメント３２、Ａｌ２Ｏ３から成る非磁性層エレメント３３を有しており、これらはそれぞれ円筒形状の断面を有している（図３のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント３１、非磁性層エレメント３３、第２の強磁性層エレメント３２は中空円筒の主軸線の方向で積層体として配置されている。ここで非磁性層エレメント３３は第１の強磁性層エレメント３１と第２の強磁性層エレメント３２との間に配置されており、円筒の軸線はそれぞれ一致している。
【００３４】
第１の強磁性層エレメント３１および第２の強磁性層エレメント３２はそれぞれ主軸線に対して平行に１０ｎｍの厚さを有している。第１の強磁性層エレメント３１および第２の強磁性層エレメント３２では環状の磁化状態が発生し、この磁化状態は時計回りまたは反時計回りの方向で配向される。
【００３５】
非磁性層エレメント３３は主軸線に対して平行に２ｎｍの厚さを有する。第１の強磁性層エレメント３１の外径は２００ｎｍであり、第２の強磁性層エレメント３２の外径は２５０ｎｍであり、全層エレメントの内径は１３０ｎｍである。
【００３６】
こうした構成により第１の強磁性層エレメント３１は第２の強磁性層エレメント３２よりも大きなスイッチング閾値を有する。
【００３７】
同様に上下に並べられた積層体となるように配置された中空形状の層エレメントはそれぞれ内径または内径および外径が異なっていてもよい。
【００３８】
第４の実施例では、磁気抵抗性素子はＮｉＦｅから成る第１の強磁性層エレメント４１、Ａｌ２Ｏ３から成る非磁性層エレメント４３、およびＮｉＦｅから成る第２の強磁性層エレメント４２が設けられており、これらはそれぞれ中空の円筒形状を有し、かつ相互に同心に配置されている。ここで非磁性層エレメント４３は第１の強磁性層エレメント４１と第２の強磁性層エレメント４２との間に配置されている（図４のａ、ｂを参照）。
【００３９】
第１の強磁性層エレメント４１は外径約２７０ｎｍ、内径約２６０ｎｍ、中空円筒の主軸線に対して平行な高さ１８０ｎｍを有する。非磁性層エレメント４３は外径約２６０ｎｍ、厚さ２ｎｍであり、中空円筒の主軸線に対して平行な高さは少なくとも１８０ｎｍである。第２の強磁性層エレメント４２は外径約２５８ｎｍ、内径約２５０ｎｍ、中空円筒の主軸線に対して平行な高さ２５０ｎｍを有する。第１の強磁性層エレメント４１および非磁性層エレメント４３は高さに関して第２の強磁性層エレメント４２の中央に配置されている。
【００４０】
第１の強磁性層エレメント４１でも第２の強磁性層エレメントでも磁化状態は環状であり、時計回りまたは反時計回りに配向されている。この磁化状態は図４のａに双方向矢印で示されている。
【００４１】
こうした構成により第１の強磁性層エレメント４１は第２の強磁性層エレメント４２よりも高いスイッチング閾値を有する。
【００４２】
メモリセル装置、すなわち図１のａから図４のｂに示されているようにメモリセルＳとして磁気抵抗性素子を備えた装置の構造に対して、メモリ素子はラスタ状に配置されている（図５を参照）。各メモリ素子Ｓは第１の線路Ｌ１と第２の線路Ｌ２との間に接続されている。第１の線路Ｌ１は相互に並列に延在し、かつ同様に相互に並列に延在する第２の線路に交差している。メモリ素子Ｓへの書き込みを行うために、対応する線路Ｌ１および対応する第２の線路Ｌ２はそれぞれ第１の線路Ｌ１と第２の線路Ｌ２との交点、すなわちメモリ素子Ｓが配置されている点に充分な磁界を発生させる電流を印加し、これにより第２の強磁性層エレメントの磁化方向がスイッチングされる。各交点で作用する磁界はこの場合、電流によって第１の線路Ｌ１で誘導される磁界と第２の線路Ｌ２で誘導される磁界とが重畳されて得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して垂直なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図２】 第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して平行なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図３】 相互に積層された外径の異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図４】 相互に同心に配置された高さの異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図５】 メモリ素子としての磁気抵抗性素子を備えたメモリセル装置の部分図である。
磁気抵抗性素子とも称されるＭＲ素子は、センサ素子としてもまたメモリセル装置いわゆるＭＲＡＭのメモリ素子としてもますます頻繁に使用されるようになってきている（S.Mengel, Technologieanalyse Magnetismus Band2, XMR-Technologien, Herausgeber VDI Technologiezentrum Physilkalische Technologien, August 1997 を参照）。磁気抵抗性素子とは、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置された非磁性層とを有する構造のことである。層構造を用いた構成形態に応じて、ここではＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、およびＣＭＲ素子の区別がある。
【０００２】
ＧＭＲ素子の概念は、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置される導電性の非磁性層とを有し、いわゆるＧＭＲ効果（giant magnetoresistance effect）を示す層構造に対して使用される。ＧＭＲ効果とは、ＧＭＲ素子の電気抵抗が２つの強磁性層内の磁化状態が平行に配向されているか反平行に配向されているかに依存することを意味する。ＧＭＲ効果はいわゆるＡＭＲ効果（anisotropic magnetoresistance effect）に比べて大きい。ＡＭＲ効果とは磁化された導体の抵抗がそれぞれ異なり磁化方向に対して平行または垂直であることを意味する。ＡＭＲ素子は強磁性の単層で発生する体積効果である。
【０００３】
ＴＭＲ素子の概念は、当技術分野では、少なくとも２つの強磁性層とその間に配置される絶縁性の非磁性層とを有する層構造の磁気抵抗トンネル作用に対して使用される。絶縁性の層はここでは、２つの強磁性層の間でトンネル電流が発生する程度の薄さである。こうした層構造は同様に、これはスピン分極したトンネル電流が２つの強磁性層の間に配置された絶縁性の非磁性層を通って作用する磁気抵抗効果を示す。この場合にもＴＭＲ素子の電気抵抗は２つの強磁性層内の磁化状態が平行に配向されているか反平行に配向されているかに依存する。相対的な抵抗変化量はこの場合約６％〜約３０％である。
【０００４】
他の磁気抵抗効果として、その大きさ（室温での相対的な抵抗変化量１００％〜４００％）のためにＣＭＲ効果（collosal magnetoresistance effect）と称される効果は、高い保磁力により磁化状態をスイッチングするための高い磁界を必要とする。
【０００５】
米国特許出願第５４７７４８２号明細書ではＣＭＲ素子の強磁性層および非磁性層を環状に構成することが提案されており、ここでこの環は相互に積層されるか、または相互に同心に配置されている。
【０００６】
ＧＭＲ素子ないしＴＭＲ素子をメモリ素子としてメモリセル装置で使用することが提案されている（例えば S.Tehrani et al, IEDM 96頁〜193頁、D.D.Tang et al, IEDM 95頁〜997頁を参照）。メモリ素子は読み出し線路を介して直列接続されている。これに対して横断方向にワード線が延在しており、この線路は読み出し線路からもメモリ素子からも分離されている。ワード線に印加される信号はワード線を流れる電流により磁界を発生し、この磁界が充分な強さを有する場合下方に存在するメモリセルが制御される。このメモリセル装置では２つの強磁性層の磁化状態が相互に平行に配向されているか反平行に配向されているかに応じてメモリ素子の抵抗が異なることを利用している。したがって情報を書き込む際には、一方の強磁性層の磁化方向を固定し、他方の強磁性層の磁化方向をスイッチングする。このために交差する線路に信号を印加し、交点で磁化のスイッチングに充分な磁界が発生するようにする。交差線路はｘｙ線路と称され、書き込むべきメモリセルの個所で交差している。
【０００７】
一方の強磁性層での磁化方向の固定は、磁化状態を保持する隣接の反強磁性層によって行われる（D.D.Tang et al, IEDM 95頁〜997頁を参照）か、または異なる層厚さの強磁性層によって行われる（S.Tehrani et al, IEDM 96頁〜193頁を参照）。ここで反強磁性層は、磁化状態を保持すべき隣接の強磁性層とは別の材料組成を有している。
【０００８】
２つの強磁性層の厚さが異なると、一方の強磁性層で磁化方向を制御するために他方の強磁性層の磁界よりも高い磁界が必要となる。情報を書き込む際には、この磁界は２つの強磁性層のうち一方の層の磁化方向のみが制御されるように選定される。他方の強磁性層の磁化方向はきわめて高い磁界でしかスイッチングされず、制御されないまま保持される。
【０００９】
強磁性層の層厚さは、一方では製造技術上の理由から約５ｎｍの最小の層厚さを下回ってはならず、他方ではＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の強磁性層の最大の層厚さも所定の磁化方向が層の平面に対して平行に存在しなければならないことによって制限されている。したがってこの場合スイッチング磁界の正確な調整が要求される。
【００１０】
本発明の基礎とする課題は、半導体プロセス技術の分野において良好な効率で製造可能であり、かつスイッチング磁界の調整に関して過敏でない磁気抵抗性素子を提供することである。
【００１１】
この課題は本発明の独立請求項に記載の磁気抵抗性素子により解決される。本発明の別の実施形態は従属請求項から得られる。
【００１２】
磁気抵抗性素子は特に有利にはメモリセル装置のメモリ素子として使用可能である。さらに磁気抵抗性素子はセンサ素子として使用可能である。
【００１３】
磁気抵抗性素子は第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメント、および第２の強磁性層エレメントを有しており、非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されている。ここで非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントに対してそれぞれ界面を有している。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料を有している。第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとは非磁性層エレメントへの界面に対して平行な少なくとも１つの次元で異なるサイズを有する。
【００１４】
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントを異なる形状に構成することにより、強磁性層エレメントの磁化方向をスイッチングするのに必要な磁界も異なる。こうした効果を形状異方性と称する。それぞれの層エレメントでは層厚さに対して垂直なサイズが層厚さよりもはるかに大きいので、本発明の磁気抵抗性素子ではS.Tehrani et al, IEDM 96頁〜196頁で提案されている素子の層厚さよりも大きなサイズの差が得られる。このように大きなサイズの差が得られることにより、それぞれの層の磁化方向をスイッチングするのに必要な磁界強度を相互に著しく相違させることができる。これにより磁気抵抗性素子はスイッチング磁界の正確な調整に関して過敏とならない。
【００１５】
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料から成るので、磁気抵抗性素子は半導体プロセス技術の分野、特に約４５０℃の温度負荷が発生するシリコンプロセス技術の分野で製造することができる。この温度領域では磁気抵抗性の層系に含まれる元素、特にＦｅ、Ｃｏ、Ｃｕなどの拡散運動に基づいて拡散を考慮しなければならず、これにより強磁性層エレメントの特性が変化する。拡散をおそれて材料組成を界面領域で変更すると、元素の磁気抵抗効果の基礎となるスピンに依存する電子輸送が損なわれる。したがって１ｎｍ〜５ｎｍの範囲の到達距離の僅かな拡散による材料移動でも界面を越えると磁気特性および電気特性の著しい変化をもたらすことが予測される。反強磁性層を強磁性層の磁化方向を保持するために使用する手法も、反強磁性層が材料組成の点で強磁性層とは異なっていなければならず、隣接する層間の拡散過程によって材料組成の変化を考慮しなければならない問題点を有する。
【００１６】
この問題点は、本発明の磁気抵抗性素子で２つの強磁性層を同じ材料から形成し、２つの強磁性層の間に濃度グラジエントを発生させないことにより解決される。２つの強磁性層の間に濃度グラジエントが存在しないことにより、非磁性層エレメントを越えた拡散による材料輸送の駆動力は消失する。
【００１７】
非磁性層エレメントへの界面に対して平行に強磁性層エレメントが任意の断面を有していてもよい。
【００１８】
本発明の構成によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは平面形の層エレメントとして構成されており、これらは積層体としてまとめられている。第１の強磁性層エレメントの厚さは２ｎｍ〜２０ｎｍである。層厚さに対しての垂直方向では第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントのサイズは５０ｎｍ×８０ｎｍ〜２５０ｎｍ×４００ｎｍであり、長さまたは幅において少なくとも２０％〜３０％の差が存在する。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの断面はここでは有利には矩形である。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントはそれぞれ環状に構成されている。ここで第１の強磁性層エレメントの環の幅と第２の強磁性層エレメントの環の幅とは異なっている。第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは中空円筒の形状を有しており、これらの層は中空円筒の主軸線の方向で積層されている。スイッチング磁界の形状異方性は、異なる環の幅、すなわち第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの中空円筒の外径と内径の差の１／２を有する幅を構成することにより実現される。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの厚さはそれぞれ２ｎｍ〜２０ｎｍである。第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの外径は５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にあり、ここで第１の強磁性層エレメントの外径および／または内径と第２の強磁性層エレメントの外径および／または内径とは２０％〜５０％異なっている。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、第１の強磁性層エレメント、非磁性層エレメント、および第２の強磁性層エレメントはそれぞれ中空円筒として構成されており、相互に同心に配置されている。ここで非磁性層エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されている。第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとはこの場合円筒軸線に平行な高さに関して相互に異なっている。
【００２１】
第１の強磁性層エレメントの高さは有利には５０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、第２の強磁性層エレメントの高さは８０ｎｍ〜４００ｎｍである。ここで高さの差は３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、少なくとも２０％〜３０％存在しなければならない。
【００２２】
有利には強磁性層エレメントは元素Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇｄ、Ｄｙのうち少なくとも１つを有する。非磁性層エレメントは導電性であっても非導電性であってもよい。有利には非磁性層エレメントは非導電性に構成され、材料Ａｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＮｂＯおよび／またはＳｉＯ２のうち少なくとも１つを有し、強磁性層エレメントへの界面に対して垂直な方向のサイズは１ｎｍ〜４ｎｍである。この場合の磁気抵抗性素子はＴＭＲ素子であり、ＧＭＲ素子と比べて高い電気抵抗をトンネル層に対して垂直な方向で有する。
【００２３】
これに代えて非磁性層エレメントは導電性材料、例えばＣｕ、ＡｕまたはＡｇから実現することができ、強磁性層エレメントへの界面に対して垂直な方向のサイズは２ｎｍ〜４ｎｍである。
【００２４】
以下に本発明の実施例を図に則して詳細に説明する。
【００２５】
図１のａには、第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して垂直なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図１のｂには図１のａのＩｂ−Ｉｂ線で切断した断面図が示されている。図２のａには、第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して平行なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図２のｂには図２のａのＩＩｂ−ＩＩｂ線で切断した断面図が示されている。図３のａには相互に積層された外径の異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図３のｂには図３のａのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線で切断した断面図が示されている。図４のａには相互に同心に配置された高さの異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図が示されている。図４のｂには図４のａのＩＶｂ−ＩＶｂ線で切断した断面図が示されている。図５にはメモリ素子としての磁気抵抗性素子を備えたメモリセル装置の部分図が示されている。
【００２６】
第１の強磁性層エレメント１１、非磁性層エレメント１３、第２の強磁性層エレメント１２は積層体として上下に並べられて配置されている（図１のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント１１は矩形形状を有しており、サイズは１３０ｎｍ×２５０ｎｍである。層シーケンスの方向でこの第１の強磁性層エレメント１１は１０ｎｍの厚さを有する。非磁性層エレメント１３も同様に矩形の断面を有しており、サイズは１３０ｎｍ×２５０ｎｍである。この層は層シーケンスの方向で２ｎｍの厚さを有している。第２の強磁性層エレメント１２は矩形の断面を有しており、サイズは２００ｎｍ×２５０ｎｍである。この層は層シーケンスの方向で１０ｎｍの厚さを有する。
【００２７】
第１の強磁性層エレメント１１および非磁性層エレメント１３は第２の強磁性層エレメント１２と同じ長さを有しているが、第２の強磁性層エレメント１２よりも幅がせまい。第１の強磁性層エレメント１１および非磁性層エレメント１３は第２の強磁性層エレメント１２の幅の中央に配置されている。第１の強磁性層エレメント１１にも第２の強磁性層エレメント１２にも、それぞれの層エレメント１１、１２の長さに対して平行な優位の磁化方向が存在する。この磁化方向は図１のａに双方向矢印で示されている。
【００２８】
第１の強磁性層エレメント１１および第２の強磁性層エレメント１２は同じ材料組成を有する。これらの材料はＣｏから成る。非磁性層エレメント１３はＡｌ２Ｏ３から成る。
【００２９】
第１の強磁性層エレメント１１は第２の強磁性層エレメントよりも高いスイッチング閾値を有する。
【００３０】
第２の実施例では、第１の強磁性層エレメント２１はＣｏから成り、非磁性層エレメント１３はＡｌ２Ｏ３から成り、第２の強磁性層エレメント２２はＣｏから成り、これらは上下に並べられて配置されている（図２のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント２１は矩形の形状を有しており、長さ２５０ｎｍ、幅１３０ｎｍ、厚さは層シーケンスの方向で１０ｎｍである。第２の強磁性層エレメント２２も同様に矩形の断面を有しており、長さ２００ｎｍ、幅１３０ｎｍ、厚さは層シーケンスの方向で１０ｎｍである。非磁性層エレメント２３は第２の強磁性層エレメント２２と同じ断面を有しており、厚さは層シーケンスに対して平行に２ｎｍである。
【００３１】
第１の強磁性層エレメント２１および第２の強磁性層エレメント２２ではそれぞれの磁化状態は各層エレメント２１、２２の長さに対して平行な磁化方向で取得される。この磁化方向は図２のａに双方向矢印で示されている。
【００３２】
第２の強磁性層エレメント２２および非磁性層エレメント２３は長さの方向で第１の強磁性層エレメント２１の中央に配置されている。こうした構成により第１の強磁性層エレメントは第２の強磁性層エレメント２２よりも高いスイッチング閾値を有する。
【００３３】
第３の実施例では、磁気抵抗性素子はＮｉＦｅから成る第１の強磁性層エレメント３１、ＮｉＦｅから成る第２の強磁性層エレメント３２、Ａｌ２Ｏ３から成る非磁性層エレメント３３を有しており、これらはそれぞれ円筒形状の断面を有している（図３のａ、ｂを参照）。第１の強磁性層エレメント３１、非磁性層エレメント３３、第２の強磁性層エレメント３２は中空円筒の主軸線の方向で積層体として配置されている。ここで非磁性層エレメント３３は第１の強磁性層エレメント３１と第２の強磁性層エレメント３２との間に配置されており、円筒の軸線はそれぞれ一致している。
【００３４】
第１の強磁性層エレメント３１および第２の強磁性層エレメント３２はそれぞれ主軸線に対して平行に１０ｎｍの厚さを有している。第１の強磁性層エレメント３１および第２の強磁性層エレメント３２では環状の磁化状態が発生し、この磁化状態は時計回りまたは反時計回りの方向で配向される。
【００３５】
非磁性層エレメント３３は主軸線に対して平行に２ｎｍの厚さを有する。第１の強磁性層エレメント３１の外径は２００ｎｍであり、第２の強磁性層エレメント３２の外径は２５０ｎｍであり、全層エレメントの内径は１３０ｎｍである。
【００３６】
こうした構成により第１の強磁性層エレメント３１は第２の強磁性層エレメント３２よりも大きなスイッチング閾値を有する。
【００３７】
同様に上下に並べられた積層体となるように配置された中空形状の層エレメントはそれぞれ内径または内径および外径が異なっていてもよい。
【００３８】
第４の実施例では、磁気抵抗性素子はＮｉＦｅから成る第１の強磁性層エレメント４１、Ａｌ２Ｏ３から成る非磁性層エレメント４３、およびＮｉＦｅから成る第２の強磁性層エレメント４２が設けられており、これらはそれぞれ中空の円筒形状を有し、かつ相互に同心に配置されている。ここで非磁性層エレメント４３は第１の強磁性層エレメント４１と第２の強磁性層エレメント４２との間に配置されている（図４のａ、ｂを参照）。
【００３９】
第１の強磁性層エレメント４１は外径約２７０ｎｍ、内径約２６０ｎｍ、中空円筒の主軸線に対して平行な高さ１８０ｎｍを有する。非磁性層エレメント４３は外径約２６０ｎｍ、厚さ２ｎｍであり、中空円筒の主軸線に対して平行な高さは少なくとも１８０ｎｍである。第２の強磁性層エレメント４２は外径約２５８ｎｍ、内径約２５０ｎｍ、中空円筒の主軸線に対して平行な高さ２５０ｎｍを有する。第１の強磁性層エレメント４１および非磁性層エレメント４３は高さに関して第２の強磁性層エレメント４２の中央に配置されている。
【００４０】
第１の強磁性層エレメント４１でも第２の強磁性層エレメントでも磁化状態は環状であり、時計回りまたは反時計回りに配向されている。この磁化状態は図４のａに双方向矢印で示されている。
【００４１】
こうした構成により第１の強磁性層エレメント４１は第２の強磁性層エレメント４２よりも高いスイッチング閾値を有する。
【００４２】
メモリセル装置、すなわち図１のａから図４のｂに示されているようにメモリセルＳとして磁気抵抗性素子を備えた装置の構造に対して、メモリ素子はラスタ状に配置されている（図５を参照）。各メモリ素子Ｓは第１の線路Ｌ１と第２の線路Ｌ２との間に接続されている。第１の線路Ｌ１は相互に並列に延在し、かつ同様に相互に並列に延在する第２の線路に交差している。メモリ素子Ｓへの書き込みを行うために、対応する線路Ｌ１および対応する第２の線路Ｌ２はそれぞれ第１の線路Ｌ１と第２の線路Ｌ２との交点、すなわちメモリ素子Ｓが配置されている点に充分な磁界を発生させる電流を印加し、これにより第２の強磁性層エレメントの磁化方向がスイッチングされる。各交点で作用する磁界はこの場合、電流によって第１の線路Ｌ１で誘導される磁界と第２の線路Ｌ２で誘導される磁界とが重畳されて得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して垂直なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図２】 第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの磁化方向に対して平行なサイズが異なっている平面形の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図３】 相互に積層された外径の異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図４】 相互に同心に配置された高さの異なる中空円筒形状の層エレメントを備えた磁気抵抗性素子の平面図および断面図である。
【図５】 メモリ素子としての磁気抵抗性素子を備えたメモリセル装置の部分図である。
Claims (10)
- 第１の強磁性層エレメント（１１、２１）、非磁性層エレメント（１３、２３）、および第２の強磁性層エレメント（１２、２２）が設けられてそれぞれ平面形の層エレメントとして構成されており、該層エレメントは上下に並べられて積層体として配置されており、非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されており、非磁性エレメントは第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントに対してそれぞれ界面を有しており、
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料を有する、
磁気抵抗性素子において、
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントはほぼ矩形であり、
第１の強磁性層エレメント（１１、２１）のサイズと第２の強磁性層エレメント（１２、２２）のサイズとは層シーケンスに対して垂直な長さまたは幅に関して少なくとも２０％異なっており、
第１の強磁性層エレメント（１１、２１）は層シーケンスに対して垂直に５０ｎｍ×８０ｎｍ〜２５０ｎｍ×４００ｎｍのサイズを有しており、層シーケンスに対して平行に２ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有しており、
第２の強磁性層エレメント（１２、２２）は層シーケンスに対して垂直に６５ｎｍ×８０ｎｍ〜３５０ｎｍ×４００ｎｍのサイズを有しており、層シーケンスに対して平行に２ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有している
ことを特徴とする磁気抵抗性素子。 - 第１の強磁性層エレメント（１１、２１）のサイズと第２の強磁性層エレメント（１２、２２）のサイズとは層シーケンスに対して垂直な長さまたは幅に関して少なくとも３０％異なっている、請求項１記載の磁気抵抗性素子。
- 第１の強磁性層エレメント（３１）、非磁性層エレメント（３３）、第２の強磁性層エレメント（３２）が設けられて上下に並べられた積層体として配置されており、非磁性層エレメントは第１の強磁性層エレメントと第２の強磁性層エレメントとの間に配置されており、非磁性層エレメントは第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントに対してそれぞれ界面を有しており、
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料を有する、
磁気抵抗性素子において、
第１の強磁性層エレメント（３１）、非磁性層エレメント（３３）、第２の強磁性層エレメント（３２）はそれぞれ中空円筒形状に構成されており、
第１の強磁性層エレメント（３１）の外径および／または内径と第２の強磁性層エレメント（３２）の外径および／または内径とは異なっており、
第１の強磁性層エレメント（３１）、非磁性層エレメント（３３）、および第２の強磁性層エレメント（３２）は中空円筒の主軸線の方向で積層されている
ことを特徴とする磁気抵抗性素子。 - 第１の強磁性層エレメント（３１）および第２の強磁性層エレメント（３２）の厚さはそれぞれ２ｎｍ〜２０ｎｍであり、第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントの外径は５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にあり、第１の強磁性層エレメントの外径および／または内径と第２の強磁性層エレメントの外径および／または内径とは２０％〜５０％異なっている、請求項３記載の磁気抵抗性素子。
- 第１の強磁性層エレメント（３１）の外径は７５ｎｍ〜３００ｎｍであり、該第１の強磁性層エレメント（３１）の厚さは円筒の主軸線に対して平行に２ｎｍ〜２０ｎｍであり、第２の強磁性層エレメント（３２）の外径は１００ｎｍ〜４００ｎｍであり、該第２の強磁性層エレメント（３２）の厚さは円筒の主軸線に対して平行に２ｎｍ〜２０ｎｍである、請求項３記載の磁気抵抗性素子。
- 第１の強磁性層エレメント（４１）、非磁性層エレメント（４３）、第２の強磁性層エレメント（４２）が設けられており、非磁性層エレメント（４３）は第１の強磁性層エレメント（４１）と第２の強磁性層エレメント（４２）との間に配置されており、非磁性層エレメントは第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントに対してそれぞれ界面を有しており、
第１の強磁性層エレメントおよび第２の強磁性層エレメントは同じ材料を有する、
磁気抵抗性素子において、
第１の強磁性層エレメント（４１）、非磁性層エレメント（４３）、第２の強磁性層エレメント（４２）はそれぞれ中空円筒として構成されており、
第１の強磁性層エレメント（４１）、非磁性層エレメント（４３）、第２の強磁性層エレメント（４２）は相互に同心に配置されており、非磁性層エレメント（４３）は中空円筒の半径方向で第１の強磁性層エレメント（４１）と第２の強磁性層エレメント（４２）との間に配置されており、
第１の強磁性層エレメント（４１）と第２の強磁性層エレメント（４２）とは円筒の主軸線に対して平行な高さに関して異なっている
ことを特徴とする磁気抵抗性素子。 - 第１の強磁性層エレメント（４１）の高さは５０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、第２の強磁性層エレメント（４２）の高さは８０ｎｍ〜４００ｎｍであり、高さの差は３０ｎｍ〜１５０ｎｍである、請求項６記載の磁気抵抗性素子。
- 第１の強磁性層エレメント（４１）の外径は７０ｎｍ〜４００ｎｍ、内径は６０ｎｍ〜３９０ｎｍ、円筒の主軸線に対して平行な高さは３５ｎｍ〜１８０ｎｍであり、第２の強磁性層エレメント（４２）の外径は６０ｎｍ〜３９０ｎｍ、内径は５０ｎｍ〜３８０ｎｍ、円筒の主軸線に対して平行な高さは５０ｎｍ〜４００ｎｍである、請求項６記載の磁気抵抗性素子。
- 非磁性層エレメント（１３、２３、３３、４３）は材料ＮｉＯ，ＨｆＯ２，ＴｉＯ２，ＮｂＯ，ＳｉＯ２のうち少なくとも１つを含み、かつ１ｎｍ〜４ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の磁気抵抗性素子。
- 第１の強磁性層エレメント（１１、２１、３１、４１）および第２の強磁性層エレメント（１２、２２、３２、４２）はそれぞれ元素Ｃｒ，Ｍｎ，Ｇｄ，Ｄｙのうち少なくとも１つを含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の磁気抵抗性素子。
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