JP3729159B2 - 磁気メモリ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子を備えて成る磁気メモリ装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要になってきている。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory ）等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wang et al.,IEEE Trans. Magn. 33(1997),4498 」に記載されているような、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）と呼ばれる磁気メモリである。このＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている。
【０００５】
このＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistance：ＴＭＲ）素子は、基本的に強磁性層・トンネルバリア層・強磁性層の積層構造で構成される。この素子では、強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層間に外部磁場を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。双方の強磁性層の磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。メモリ素子としての機能は外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことによってもたらされる。
【０００６】
特にスピンバルブ型のＴＭＲ素子においては、一方の強磁性層が隣接する反強磁性層と反強磁性的に結合することによって磁化の向きが常に一定とされた磁化固定層とされる。他方の強磁性層は、外部磁場等によって容易に磁化反転する磁化自由層とされる。そして、この磁化自由層が磁気メモリにおける情報記録層となる。
【０００７】
スピンバルブ型のＴＭＲ素子において、その抵抗値の変化率は、それぞれの強磁性層のスピン分極率をＰ１，Ｐ２とすると、下記の式（Ａ）で表される。
２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２） （Ａ）
【０００８】
このように、それぞれのスピン分極率が大きい程、抵抗変化率が大きくなる。強磁性層に用いる材料と、この抵抗変化率の関係については、これまでにＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等のＦｅ族の強磁性体元素やそれら３種類のうちの合金についての報告がなされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭの基本的な構成は、例えば特開平１０−１１６４９０号公報に開示されているように、複数のビット書き込み線（いわゆるビット線）と、これら複数のビット書き込み線に直交する複数のワード書き込み線（いわゆるワード線）とを設け、これらビット書き込み線とワード書き込み線との交点に磁気メモリ素子としてＴＭＲ素子が配されて成る。そして、このようなＭＲＡＭで記録を行う際には、アステロイド特性を利用してＴＭＲ素子に対して選択書き込みを行う。
【００１０】
ＭＲＡＭに使用されるビット書き込み線やワード書き込み線には、ＣｕやＡｌといった半導体で通常使用される導体薄膜が使用され、例えば反転磁界２０Ｏｅの素子に０．２５μｍ線幅の書き込み線で書き込むためには、約２ｍＡの電流が必要であった。書き込み線の厚さが線幅と同じ場合、その際の電流密度は３．２×１０⁶ Ａ／ｃｍ² となり、エレクトロマイグレーションによる断線限界値に近い。また、書き込み電流による発熱の問題や、消費電力低減の観点からもこの書き込み電流を低減させる必要がある。
【００１１】
ＭＲＡＭにおける書き込み電流の低減を実現する手法として、ＴＭＲ素子の保磁力を低減させることが挙げられる。ＴＭＲ素子の保磁力は、素子の大きさ、形状、膜構成、材料の選択等によって適宜決定されるものである。
しかしながら、例えばＭＲＡＭの記録密度の向上を目的としてＴＭＲ素子を微細化した場合には、ＴＭＲ素子の保磁力が上昇するといった不都合が生じる。
従って、ＭＲＡＭの微細化（高集積化）と書き込み電流の低減とを同時に達成するためには、材料面からＴＭＲ素子の保磁力低減を達成する必要がある。
【００１２】
また、ＭＲＡＭにおいてＴＭＲ素子の磁気特性が素子毎にばらつくことや、同一素子を繰り返し使用した場合のばらつきが存在すると、アステロイド特性を使用した選択書き込みが困難になるという問題点がある。
従って、ＴＭＲ素子には、理想的なアステロイド曲線を描かせるための磁気特性も求められる。
理想的なアステロイド曲線を描かせるためには、ＴＭＲ測定を行った際のＲ−Ｈ（抵抗−磁場）ループにおいてバルクハウゼンノイズ等のノイズがないこと、波形の角型性がよいこと、磁化状態が安定しており保磁力Ｈｃのばらつきが少ないことが必要である。
【００１３】
ところで、ＭＲＡＭのＴＭＲ素子における情報の読み出しは、トンネルバリア層を挟んだ一方の強磁性層と他方の強磁性層の磁気モーメントの向きが反平行であり抵抗値が高い場合を例えば“１”、その逆に各々の磁気モーメントが平行である場合を“０”としてそれらの状態での一定バイアス電圧での差電流や一定バイアス電流での差電圧により読出しを行う。
従って、素子間の抵抗ばらつきが同じである場合には、ＴＭＲ比（磁気抵抗変化率）が高いほど有利であり、高速で集積度が高く、エラーレートの低いメモリが実現される。
【００１４】
また、強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層の基本構造を有するＴＭＲ素子にはＴＭＲ比のバイアス電圧依存性が存在し、バイアス電圧が上昇するにつれてＴＭＲ比が減少していくことが知られている。多くの場合にＴＭＲ比がバイアス電圧依存性により半減する電圧（Ｖｈ）で読み出し信号の最大値をとることが知られているので、バイアス電圧依存性も少ない方が読み出しエラーの低減において有効である。
【００１５】
従って、ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子としては、上述の書き込み特性要件と読み出し特性要件を同時に満足する必要がある。
【００１６】
しかしながら、ＴＭＲ素子の強磁性層の材料を選択する場合に、式（Ａ）のＰ１及びＰ２で示されるスピン分極率が大きくなるような合金組成をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの強磁性遷移金属元素のみを成分とする材料から選択すると、一般的にＴＭＲ素子の保磁力Ｈｃが増大する傾向にある。
【００１７】
例えば、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金等を、磁化自由層（フリー層）即ち情報記録層に用いた場合には、スピン分極率が大きく４０％以上の高いＴＭＲ比が確保できるが、保磁力Ｈｃも大きくなる。
【００１８】
一方、軟磁性材料として知られるパーマロイと呼ばれるＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金を用いた場合には、保磁力Ｈｃは低減させることができるものの、上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金と比較してスピン分極率が低いためにＴＭＲ比が３３％程度まで低下してしまう。
【００１９】
さらに、上述の２つの組成の合金の中間の特性を有するＣｏ９０Ｆｅ１０（原子％）合金を用いると、約３７％のＴＭＲ比が得られると共に、保磁力Ｈｃを上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金とＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金との中間程度に抑えられるが、Ｒ−Ｈループ（抵抗−磁場曲線）の角型性が劣り、書き込みを可能とするアステロイド特性が得られない。また、素子毎の磁化自由層の反転磁界が安定しないという問題も発生する。
【００２０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、良好な磁気特性を有する磁気抵抗効果素子を備えて優れた書き込み・読み出し特性を有する磁気メモリ装置を提供するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気メモリ装置は、対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んで成る強磁性トンネル結合を有し、膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、磁気抵抗効果素子は、絶縁体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であり、強磁性層の一方が磁化固定層であり、もう一方が磁化自由層であり、磁化自由層はＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、ＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢの組成は、ＦｅｘＣｏｙＢｚ（原子％）において、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０を満たす範囲であるか、或いはＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（原子％）において、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０を満たす範囲であり、かつ磁化自由層の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下であるものである。
【００２４】
上述の本発明の磁気メモリ装置の構成によれば、対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んで成る強磁性トンネル結合を有し、膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、磁気抵抗効果素子が絶縁体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であり、磁化自由層はＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、ＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢの組成は、ＦｅｘＣｏｙＢｚ（原子％）において、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０を満たす範囲であるか、或いはＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（原子％）において、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０を満たす範囲であり、かつ上記磁化自由層の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下であることにより、磁気抵抗変化率（磁気抵抗比）を向上し、抵抗−磁場曲線の角形性や保磁力のばらつき等の磁気抵抗効果素子の磁気特性が改善されることから、情報の書き込みや読み出しにおけるエラーを低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明は、対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んで成る強磁性トンネル結合を有し、膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備えた磁気メモリ装置であって、磁気抵抗効果素子は、絶縁体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であり、強磁性層の一方が磁化固定層であり、もう一方が磁化自由層であり、磁化自由層はＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、ＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢの組成は、ＦｅｘＣｏｙＢｚ（原子％）において、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０を満たす範囲であるか、或いはＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（原子％）において、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０を満たす範囲であり、かつ磁化自由層の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下である磁気メモリ装置である。
【００３０】
また本発明は、上記磁気メモリ装置において、磁気抵抗効果素子が積層フェリ構造を有する構成とする。
【００３１】
まず、本発明の磁気抵抗効果素子の一実施の形態の概略構成図を図１に示す。この図１に示す実施の形態は、本発明をトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と称する。）に適用した場合を示している。
【００３２】
このＴＭＲ素子１は、シリコン等からなる基板２上に、下地層３と、反強磁性層４と、強磁性層である磁化固定層５と、トンネルバリア層６と、強磁性層である磁化自由層７と、トップコート層８とがこの順に積層されて構成されている。
即ち、強磁性層の一方が磁化固定層５とされ、他方が磁化自由層７とされた、いわゆるスピンバルブ型のＴＭＲ素子を構成しており、対の強磁性層である磁化固定層５と磁化自由層７とでトンネルバリア層６を挟み込むことにより、強磁性トンネル接合９を形成している。
そして、磁気メモリ装置等にこのＴＭＲ素子１を適用した場合には、磁化自由層７が情報記録層となり、そこに情報が記録される。
【００３３】
反強磁性層４は、強磁性層の一方である磁化固定層５と反強磁性的に結合することにより、書き込みのための電流磁界によっても磁化固定層５の磁化を反転させず、磁化固定層５の磁化の向きを常に一定とするための層である。即ち、図１に示すＴＭＲ素子１においては、他方の強磁性層である磁化自由層７だけを外部磁場等によって磁化反転させる。磁化自由層７は、ＴＭＲ素子１を例えば磁気メモリ装置等に適用した場合に情報が記録される層となるため、情報記録層とも称される。
反強磁性層４を構成する材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ等を含むＭｎ合金、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物等を使用することができる。
【００３４】
磁化固定層５を構成する強磁性体材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上から成る合金材料を使用することができる。
【００３５】
図１に示すスピンバルブ型のＴＭＲ素子１においては、磁化固定層５は、反強磁性層４と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを一定とされる。このため、書き込みの際の電流磁界によっても磁化固定層５の磁化は反転しない。
【００３６】
トンネルバリア層６は、磁化固定層５と磁化自由層７とを磁気的に分離するとともに、トンネル電流を流すための層である。
トンネルバリア層６を構成する材料としては、例えばＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｃａ等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の絶縁材料を使用することができる。
【００３７】
このようなトンネルバリア層６は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより得ることができる。
また、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等とを用いるＣＶＤ法によっても得ることができる。
【００３８】
本実施の形態においては、特に磁化自由層７がＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅＮｉＢを含有する強磁性材料から成る構成とする。
このような構成とすることにより、ＴＭＲ比（磁気抵抗比）を高くして、保磁力Ｈｃを低減することが可能になる。また、抵抗−磁場曲線（Ｒ−Ｈ曲線）の角形性を向上することが可能になる。
【００３９】
ここで、磁化自由層が、本発明の範囲内であるＣｏ７２Ｆｅ８Ｂ２０（原子％）の組成の強磁性材料を含有して成る場合と、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（原子％）の組成の強磁性材料を含有して成る場合のＴＭＲ素子をそれぞれ実際に作製し、これらについて抵抗−外部磁場曲線を測定した結果を図２に示す。図中実線がＣｏ７２Ｆｅ８Ｂ２０の場合を示し、図中破線がＣｏ９０Ｆｅ１０の場合を示す。
図２から明らかなように、磁化自由層がＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性層から成る構成のＴＭＲ素子では、磁化自由層がＦｅ及びＣｏのみを含有する強磁性層から成るＴＭＲ素子と比較して、ＴＭＲ比を高く維持しつつ保磁力Ｈｃを低減することが可能であることがわかる。また、抵抗−外部磁場曲線（Ｒ−Ｈ曲線）の角形性が向上すると共に、バルクハウゼンノイズも低減されることがわかる。
従って、本発明によれば、書き込み電流の低減が可能となるばかりでなく、アステロイド曲線の形状も改善されて書き込み特性が向上し、書き込みエラーの低減を図ることが可能となる。
【００４０】
尚、ＦｅＣｏＢ及びＦｅＣｏＮｉＢの組成には最適範囲が存在し、特願２００２−１０６９２６号に記載したように、ＦｅｘＣｏｙＢｚ（原子％）において、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０を満たす範囲とすることが好ましく、またＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（原子％）において、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０を満たす範囲とすることが好ましい。
【００４１】
さらに、本実施の形態においては、磁化自由層７の膜厚を２ｎｍ以上８ｎｍ以下とする。
このような膜厚範囲とすることにより、ＴＭＲ比を高くすると共に、磁化自由層７の保磁力のばらつきを低減することができる。磁化自由層７の保磁力のばらつきを低減するので、磁化自由層７の磁化を反転する反転磁界のばらつきを低減することができる。また、磁化自由層７の磁化の反転が急峻になる。
【００４２】
磁化自由層７の膜厚が２ｎｍ未満であると、ＴＭＲ素子１のＴＭＲ比が小さくなってしまうことから、例えば磁気メモリ装置に適用した場合の読み出し特性が悪くなる。
磁化自由層７の膜厚が８ｎｍを超えていると、磁化自由層７の磁化の反転が急峻に起こらなくなる（応答性が悪くなる）ことから、例えば磁気メモリ装置に適用した場合の書き込み動作に不完全性をもたらすことになる。
【００４３】
上述の本実施の形態のＴＭＲ素子１の構成によれば、磁化自由層７がＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、磁化自由層７の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下であることにより、高いＴＭＲ比（磁気抵抗比）が得られ、抵抗−磁場曲線の角形性を改善することができる。また、保磁力Ｈｃを低減すると共にそのばらつきを抑制して、ＴＭＲ素子１のアステロイド曲線の形状を改善することができる。さらに、磁化自由層７の磁化の反転も急峻に起こるようにすることができる。
【００４４】
これにより、例えば多数のＴＭＲ素子を有して成る磁気メモリ装置にＴＭＲ素子１を適用した場合に、ＴＭＲ素子１のアステロイド曲線の形状を改善し、また磁化自由層７の磁化反転を急峻にして、書き込み特性を向上することにより、書き込みエラーを低減することができる。
また、ＴＭＲ素子を有して成る磁気ヘッドや磁気センサに適用した場合には、反転磁界の設計値からのずれを抑制して、製造歩留まりを向上することや動作不良を防止することが可能になる。
【００４５】
尚、本発明においては、図１に示すような磁化固定層５及び磁化自由層７のそれぞれが単層から構成されたＴＭＲ素子１に限定されない。
例えば図３に示すように、磁化固定層５が、第１の磁化固定層５ａと第２の磁化固定層５ｂとで非磁性導電体層５ｃを挟み込んでなる積層フェリ構造とされる場合であっても、本発明の効果を得ることができる。
【００４６】
図３に示すＴＭＲ素子１０では、第１の磁化固定層５ａが反強磁性層４と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第１の磁化固定層５ａは強い一方向の磁気異方性を持つ。また、第２の磁化固定層５ｂは、トンネルバリア層６を介して磁化自由層７と対向し、スピンの向きが磁化自由層７と比較され直接ＭＲ比に関わる強磁性層となるため、参照層とも称される。
【００４７】
積層フェリ構造の非磁性導電体層５ｃに用いられる材料としては、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等が挙げられる。図３のＴＭＲ素子１０において、その他の層は図１に示したＴＭＲ素子１とほぼ同様の構成であるため、図１と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
この積層フェリ構造を有するＴＭＲ素子１０においても、磁化自由層７がＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、磁化自由層７の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下である構成とすることにより、図１に示したＴＭＲ素子１と同様に、高いＴＭＲ比（磁気抵抗比）が得られ、抵抗−磁場曲線の角形性を改善することができる。また、保磁力Ｈｃを低減すると共にそのばらつきを抑制して、ＴＭＲ素子１０のアステロイド曲線の形状を改善することができる。さらに、磁化自由層７の磁化の反転も急峻に起こるようにすることができる。
【００４９】
尚、上述の実施の形態では、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）１，１０を用いたが、本発明は、対の強磁性層が中間層を介して対向され、膜面に対して垂直に電流を流して磁気抵抗変化を得る構成を有するその他の磁気抵抗効果素子にも適用することができる。
例えば中間層としてＣｕ等の非磁性導電層を用いた巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）で、膜面に対して垂直に電流を流して磁気抵抗効果を得る構成、即ちいわゆるＣＰＰ型のＧＭＲ素子にも本発明を適用することができる。
【００５０】
さらに、磁化固定層や反強磁性体の材料、反強磁性体層の有無、磁化固定層側における積層フェリ構造の有無等は、本発明の本質を損なわない限り種々の変形が可能である。
【００５１】
上述のようなＴＭＲ素子１，１０等の磁気抵抗効果素子は、例えばＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置に用いられて好適である。以下、本発明のＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭについて、図を参照しながら説明する。
【００５２】
本発明のＴＭＲ素子を有するクロスポイント型のＭＲＡＭアレイを、図４に示す。このＭＲＡＭアレイは、複数のワード線ＷＬと、これらワード線ＷＬと直交する複数のビット線ＢＬとを有し、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交点に本発明のＴＭＲ素子が配置されて成るメモリセル１１とを有する。即ち、このＭＲＡＭアレイでは、３×３のメモリセル１１がマトリクス状に配置される。
【００５３】
尚、ＭＲＡＭアレイに用いられるＴＭＲ素子としては、図１に示したＴＭＲ素子１に限定されず、積層フェリ構造を有する図３に示すＴＭＲ素子１０等、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層がＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、かつ膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下である構成であればいかなる構成であっても構わない。
【００５４】
また、メモリ装置に多数あるメモリセルから１つのメモリセルを取り出して、断面構造を図５に示す。
各メモリセル１１は、図５に示すように、例えばシリコン基板１２上に、ゲート電極１３、ソース領域１４及びドレイン領域１５からなるトランジスタ１６を有する。ゲート電極１３は、読み出し用のワード線ＷＬ１を構成している。ゲート電極１３上には、絶縁層を介して書き込み用のワード線（前述したワード書き込み線に相当する）ＷＬ２が形成されている。トランジスタ１６のドレイン領域１５にはコンタクトメタル１７が接続され、さらにコンタクトメタル１７には下地層１８が接続されている。この下地層１８上の書き込み用のワード線ＷＬ２の上方に対応する位置に、本発明のＴＭＲ素子１が形成されている。このＴＭＲ素子１上に、ワード線ＷＬ１及びＷＬ２と直交するビット線（前述したビット書き込み線に相当する）ＢＬが形成されている。尚、下地膜１８は、平面位置の異なるＴＭＲ素子１とドレイン領域１５との電気的接続をする役割から、バイパスとも称される。
また、各ワード線ＷＬ１，ＷＬ２とＴＭＲ素子１とを絶縁するための層間絶縁膜１９及び絶縁膜２０と、全体を保護するパッシベーション膜（図示せず）等を有して成る。
【００５５】
このＭＲＡＭは、磁化自由層７がＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、かつ磁化自由層７の膜厚が上述した特定範囲内である構成とされたＴＭＲ素子１を用いているので、ＴＭＲ出力に極めて優れ、メモリ動作の安定性が飛躍的に向上する。また、抵抗−磁場曲線（Ｒ−Ｈ曲線）においてノイズが低減し、保磁力が均一になりアステロイド特性が向上するので、書き込みエラーの低減を図ることができる。さらに、磁化自由層７の磁化反転が急峻となるので、書き込み動作が完全になされる。
即ち読み出し特性及び書き込み特性を同時に満足することができる。
【００５６】
（実施例）
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
尚、図５に示したように、ＭＲＡＭにはＴＭＲ素子１以外にスイッチング用のトランジスタ１６が存在するが、本実施例ではＴＭＲ特性を調べるために、図６及び図７に示すような強磁性トンネル接合のみを形成したウェハにより特性の測定・評価を行った。
そして、磁化自由層にＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢを用いた場合に、その膜厚がＴＭＲ比や磁気特性に及ぼす効果について検討した。
【００５７】
図６に平面図、図７に図６のＡ−Ａにおける断面図をそれぞれ示すように、特性評価用素子ＴＥＧ（Test Element Group）として、基板２１上にワード線ＷＬとビット線ＢＬとが直交して配置され、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交差する部分にＴＭＲ素子２２が形成された構造を作製した。このＴＥＧは、ＴＭＲ素子２２が楕円形状であり、ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの両端にそれぞれ端子パッド２３，２４が形成され、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとをＡｌ₂ Ｏ₃ から成る絶縁膜２５，２６によって互いに電気的に絶縁した構成となっている。
尚、楕円形状のＴＭＲ素子２２は、短軸０．６μｍ×長軸１．２μｍ、短軸０．８μｍ×長軸１．６μｍ、短軸２．０μｍ×長軸４．０μｍ、の３種類の寸法のものを作製した。
【００５８】
具体的には、次のようにして図６び図７に示すＴＥＧを作製した。
まず、表面に熱酸化膜（厚さ２μｍ）が形成された厚さ０．６ｍｍのシリコンから成る基板２１を用意した。
次に、この基板２１上にワード線の材料を成膜し、フォトリソグラフィによってマスクした後にワード線以外の部分をＡｒプラズマにより選択的にエッチングし、ワード線ＷＬを形成した。このとき、ワード線ＷＬ以外の領域は、基板２１の深さ５ｎｍまでエッチングした。
その後、ワード線ＷＬを覆って絶縁膜２６を形成し、表面を平坦化した。
【００５９】
続いて、下記の層構成（１）からなるＴＭＲ素子２２を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。層構成（１）は、／の左側が基板側となっており、（）内は膜厚を示す。
Ｔａ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）−Ｏ_x ／ＦｅＣｏＢ（ｔｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ） −（１）
【００６０】
尚、上記の層構成（１）のうち、磁化自由層を構成するＦｅＣｏＢの組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）もしくはＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）とした。
また、各ＣｏＦｅ膜の組成を、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とした。
【００６１】
トンネルバリア層６のＡｌ−Ｏ_x 膜は、まず金属Ａｌ膜をＤＣスパッタ法により１ｎｍ堆積させ、その後酸素／アルゴンの流量比を１：１とし、チャンバーガス圧を０．１ｍＴｏｒｒとし、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）からのプラズマにより金属Ａｌ膜をプラズマ酸化させることにより形成した。酸化時間はＩＣＰプラズマ出力に依存するが、本実施例では３０秒とした。
【００６２】
また、トンネルバリア層６のＡｌ−Ｏ_x 膜以外の膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ法で成膜した。
【００６３】
次に、磁場中熱処理炉にて、１０ｋＯｅの磁界中、２６５℃で、４時間の熱処理を行い、反強磁性層であるＰｔＭｎ層の規則化熱処理を行い、強磁性トンネル接合９を形成した。
続いて、ＴＭＲ素子２２及びその下の絶縁膜２６をパターニングして、図６に示す平面パターンを有するＴＭＲ素子２２を形成した。
さらに、Ａｌ₂ Ｏ₃ をスパッタすることにより、厚さ１００ｎｍ程度の絶縁層２５を成膜し、さらにフォトリソグラフィによりビット線ＢＬ及び端子パッド２４を形成し、図６及び図７に示したＴＥＧを得た。
【００６４】
作製されたサンプルのＴＥＧについて、下記のようにしてＲ−Ｈ曲線の測定を行って、さらにＲ−Ｈ曲線から、ＴＭＲ比、保磁力及びそのばらつきと角形比を求めた。
【００６５】
（Ｒ−Ｈ曲線の測定）
通常のＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置では、電流磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化させることにより、抵抗値の測定を行った。即ち、まずＴＭＲ素子２２の磁化自由層を磁化反転させるための外部磁界（反転磁界）を磁化自由層の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは、１００Ｏｅとした。
【００６６】
次に、磁化自由層の磁化容易軸の一方側から見て−１００Ｏｅから＋１００Ｏｅまで掃引すると同時に、ワード線ＷＬの端子パッド２３とビット線ＢＬの端子パッド２４とにかかるバイアス電圧が１００ｍＶとなるように調節して、強磁性トンネル接合にトンネル電流を流した。このときの各外部磁界に対する抵抗値を測定してＲ−Ｈ曲線を得た。
【００６７】
（ＴＭＲ比）
磁化固定層と磁化自由層の磁化が反平行の状態にあって抵抗が高い状態の抵抗値と、磁化固定層と磁化自由層の磁化が平行の状態にあって抵抗が低い状態の抵抗値を測定し、これらからＴＭＲ比（磁気抵抗変化率）を求めた。
尚、良好な読み出し特性を得るといった観点から、このＴＭＲ比は４５％以上であることが好ましい。
【００６８】
（保磁力Ｈｃのばらつき）
上記の測定方法によりＲ−Ｈ曲線を測定し、Ｒ−Ｈ曲線から、磁化固定層と磁化自由層の磁化が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層と磁化自由層の磁化が平行の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値との平均値を求め、この平均値の抵抗値が得られるときの外部磁界の値を保磁力Ｈｃとした。この保磁力Ｈｃを、ウェハ内の全素子（ＴＥＧ）に対して行い、これらの平均値と標準偏差σを求めた。そして、σ／（Ｈｃの平均値）を保磁力Ｈｃのばらつきの値とした。
尚、書き込み特性の向上を図るといった観点から、保磁力Ｈｃのばらつきは、１０％以下であることが好ましい。
【００６９】
まず、磁化自由層の組成がＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）、ＴＭＲ素子２２のサイズが０．８×１．６μｍ² であり、磁化自由層の膜厚ｔを１．５ｎｍ、３ｎｍ、１０ｎｍと変えたときにおける、抵抗−磁場曲線（Ｒ−Ｈ曲線）を図８に示す。尚、縦軸は抵抗値の代わりに、トンネル磁気効果（ＴＭＲ）により抵抗が変化した割合（％）を示している。
【００７０】
図８に示すように、磁化自由層の膜厚ｔ＝３ｎｍの場合には、高いＴＭＲ比と急峻な磁化反転が実現されている。尚、図示しないが、磁化自由層の膜厚ｔが２ｎｍ≦ｔ≦８ｎｍの範囲内である場合には、このような理想的なＲ−Ｈ曲線が観測された。
また、磁化自由層が２ｎｍよりも薄い場合、例えばｔ＝１．５ｎｍでは、ＴＭＲ比が２０％に減少してしまっている。これは、磁化自由層が磁化を充分に保持できていないためである。
さらに、磁化自由層が８ｎｍよりも厚い場合、例えばｔ＝１０ｎｍでは、ＴＭＲ比は高い値を維持するものの、磁化の反転が２ステップで起こっていて、２回目の反転は非常に緩やかであることがわかる。
ＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置においては、選択書き込みを行うために磁化が急峻に反転することが必要であり、この点を考慮すると、磁化自由層を８ｎｍよりも厚くすることは不都合であることがわかる。
【００７１】
続いて、磁化自由層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）として、磁化自由層の膜厚ｔを１．５ｎｍ、２ｎｍ、２．５ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍと変えた場合の磁化自由層の膜厚と、ＴＭＲ比、保磁力Ｈｃの平均、保磁力Ｈｃのばらつきとの関係を、それぞれ図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示す。
また、磁化自由層の組成をＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）として、図９Ａ〜図９Ｃと同様に磁化自由層の膜厚ｔを変えた場合の磁化自由層の膜厚と、ＴＭＲ比、保磁力Ｈｃの平均、及び保磁力Ｈｃのばらつきとの関係を、それぞれ図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示す。
【００７２】
図９Ａ及び図１０Ａより、いずれの組成の場合も、ＴＭＲ比は磁化自由層の膜厚が２ｎｍ以上である場合に４５％以上と実用に耐えうる値を示した。磁化自由層の膜厚を３ｎｍ程度としたとき、Ｆｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）で５４％、Ｆｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）で５７％の値にそれぞれ飽和する。
【００７３】
図９Ｂ及び図１０Ｂより、保磁力Ｈｃ（平均値）は、磁化自由層の膜厚が２ｎｍ〜３ｎｍの範囲のときには、膜厚とともに単調に増加する。この範囲においては、必要な保磁力Ｈｃを得るために磁化自由層の膜厚を調整することが可能である。ＴＭＲ比と同様に、磁化自由層の膜厚が３ｎｍ以上となると反転磁界Ｈｃはほとんど増加しない。
ただし、上述したように、磁化自由層の膜厚が８ｎｍよりも厚い場合は、磁化反転は急峻ではないことに注意する必要がある。
【００７４】
さらに、図９Ｃ及び図１０Ｃより、保磁力Ｈｃのばらつきをみると、素子サイズにもよるが、微細な素子（各図の■印）では磁化自由層の膜厚が４ｎｍ程度で極小を持つことがわかる。そして、磁化自由層の膜厚が２ｎｍ未満もしくは８ｎｍを超えると、保磁力ばらつきが急激に増加することがわかる。
【００７５】
以上の結果から、磁化自由層の膜厚を２ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることにより、ＴＭＲ素子２２の磁気特性が良好になることがわかり、従ってＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置に適用した場合に書き込み特性及び読み出し特性が大きく改善されることが明らかとなった。
【００７６】
尚、本実施例では磁化自由層にＦｅＣｏＢを用いた場合であったが、磁化自由層にＦｅＣｏＮｉＢを用いた場合にも同様に、磁化自由層の膜厚を２ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることにより、ＴＭＲ素子２２の磁気特性が良好になり、ＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置に適用した場合に書き込み特性及び読み出し特性が大きく改善される。
【００７８】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００７９】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（磁気抵抗比）を向上し、抵抗−磁場曲線の角形性を向上すると共に磁化反転の急峻性を改善し、保磁力のばらつきを改善することが可能になる。
従って、良好な磁気特性を安定して有する磁気抵抗効果素子を構成することができる。
【００８０】
これにより、書き込みエラーや読み出しエラーが非常に少なく、優れた書き込み特性及び読み出し特性を有し、安定して動作する磁気メモリ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のＴＭＲ素子の概略構成図である。
【図２】磁化自由層にＣｏＦｅＢを用いた場合とＣｏＦｅを用いた場合でＴＭＲ素子の抵抗−外部磁場曲線を比較した図である。
【図３】積層フェリ構造を有するＴＭＲ素子の概略構成図である。
【図４】本発明のＴＭＲ素子をメモリセルとして有する、クロスポイント型ＭＲＡＭアレイの要部を示す概略構成図である。
【図５】図４に示すメモリセルの拡大断面図である。
【図６】ＴＭＲ素子の評価用のＴＥＧの平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａにおける断面図である。
【図８】磁化自由層の膜厚を変えたときの抵抗−磁場曲線を示す図である。
【図９】磁化自由層にＦｅ９Ｃｏ７２Ｂ２０を用いた場合の膜厚と磁気特性の関係を示した図である。
Ａ 磁化自由層の膜厚とＴＭＲ比との関係を示す図である。
Ｂ 磁化自由層の膜厚と保磁力との関係を示す図である。
Ｃ 磁化自由層の膜厚と保磁力ばらつきとの関係を示す図である。
【図１０】磁化自由層にＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０を用いた場合の膜厚と磁気特性の関係を示した図である。
Ａ 磁化自由層の膜厚とＴＭＲ比との関係を示す図である。
Ｂ 磁化自由層の膜厚と保磁力との関係を示す図である。
Ｃ 磁化自由層の膜厚と保磁力ばらつきとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１０，２２ トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、２，２１ 基板、３ 下地層、４ 反強磁性層、５ 磁化固定層、５ａ 第１の磁化固定層、５ｂ第２の磁化固定層（参照層）、５ｃ 非磁性導電体層、６ トンネルバリア層、７ 磁化自由層、９ 強磁性トンネル接合、１１ メモリセル、２３，２４ パッド、ＷＬ，ＷＬ１，ＷＬ２ ワード線、ＢＬ ビット線

Claims (2)

1. 対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んで成る強磁性トンネル結合を有し、膜面に垂直方向に電流が流れるように設計された磁気抵抗効果素子と、
   上記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備えた磁気メモリ装置であって、
   上記磁気抵抗効果素子は、絶縁体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であり、
   上記強磁性層の一方が磁化固定層であり、もう一方が磁化自由層であり、
   上記磁化自由層は、ＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢを含有する強磁性材料から成り、
   前記ＦｅＣｏＢ或いはＦｅＣｏＮｉＢの組成は、ＦｅｘＣｏｙＢｚ（原子％）において、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０を満たす範囲であるか、或いはＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（原子％）において、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０を満たす範囲であり、
   かつ上記磁化自由層の膜厚が２ｎｍ以上８ｎｍ以下である
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
2. 上記磁気抵抗効果素子が、積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。

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