JP3836779B2

JP3836779B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

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Publication number: JP3836779B2
Application number: JP2002329713A
Authority: JP
Inventors: 正甲斐; 好昭斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004165441A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。この磁気抵抗効果素子の抵抗値は、一方の強磁性層の磁化に対する他方の強磁性層の磁化の相対的な向きに応じて変化する。このような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子は様々な用途への応用が可能であり、磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）は磁気抵抗効果素子の主要な用途の１つである。
【０００３】
ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子などでメモリセルを構成するとともに、例えば、一方の強磁性層を磁場印加の際にその磁化の向きが変化しないピン層とし、他方の強磁性層を上記磁場印加の際にその磁化の向きが変化し得るフリー層として情報の記憶を行う。すなわち、情報を書き込む際には、ワード線に電流パルスを流すことにより発生する磁場とビット線に電流パルスを流すことにより発生する磁場との合成磁場を作用させる。これにより、フリー層の磁化を例えばピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させる。このようにして、それら２つの状態に対応して二進情報（“０”、“１”）がメモリセルに記憶される。
【０００４】
また、書き込んだ情報を読み出す際には、磁気抵抗効果素子に電流を流す。磁気抵抗効果素子の抵抗値は上記の２つの状態間で互いに異なるため、流れた電流（或いは抵抗値）を検出することによりメモリセルに記憶された情報を読み出すことができる。
【０００５】
ところで、ＭＲＡＭを高集積化するうえでは磁気抵抗効果素子の小面積化が極めて有効であるが、一般に、フリー層を小面積化すると、その保磁力が大きくなる。そのため、磁気抵抗効果素子の小面積化に応じ、フリー層の磁化をピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させるのに必要な磁場（スイッチング磁場）の強さを高めなければならない。
【０００６】
スイッチング磁場は、例えば、書き込みの際により大きな電流を書き込み配線に流すことにより強めることができる。しかしながら、この場合、消費電力が増大するのに加え、配線寿命が短くなる。
【０００７】
上記の問題に対しては、ワード線及び／またはビット線の周囲にＵ字型の断面形状を有する高透磁率層を設けることが有効である。すなわち、このような構造を採用すると、ワード線やビット線に電流を流すことにより発生する磁場をフリー層に効果的に印加することができる。そのため、書き込み時にそれら配線に大きな電流を流す必要がなく、低消費電力と長い配線寿命とを実現できる。（特許文献１を参照のこと。）
しかしながら、上記の構造を採用すると、製造工程が著しく複雑になる場合がある。したがって、簡略化されたプロセスで製造可能であり且つ弱い磁場でフリー層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子が望まれる。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，９４０，３１９号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡略化されたプロセスで製造可能であり且つ弱い磁場でフリー層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、強磁性を示すとともに磁場印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、強磁性を示すとともに前記磁場印加において磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、前記フリー層はパラジウム及び白金の少なくとも一方の元素を含有した強磁性層を備え、前記強磁性層はその膜厚方向に前記元素の濃度分布を有し、前記強磁性層が含有する前記元素の濃度は前記第１非磁性層により遠い領域に比べ前記第１非磁性層により近い領域でより低いことを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１２】
本発明の第２の側面によると、ワード線と、前記ワード線に交差したビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは第１の側面に係る磁気抵抗効果素子を含んだことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１３】
第１の側面に係る磁気抵抗効果素子は、フリー層との間にピン層を介在させて設けられた反強磁性層をさらに具備していてもよい。また、第１の側面に係る磁気抵抗効果素子は、ピン層との間にフリー層を介在させて設けられ且つ強磁性を示すとともに上記磁場印加において磁化の向きが維持される第２ピン層と、フリー層と第２ピン層との間に介在した第３非磁性層とをさらに具備していてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性１重トンネル接合素子である。この強磁性トンネル接合素子（或いは「ＭＴＪ素子」；Magnetic Tunnel Junction element）１は、反強磁性層１１、それに対向したフリー層１２、反強磁性層１１とフリー層１２との間に介在したピン層１３、及びフリー層１２とピン層１３との間に介在した非磁性層であるトンネルバリア層１４を備えている。なお、図中、矢印は磁化の向きを示している。
【００１６】
本実施形態において、フリー層１２は１つの強磁性層のみからなる単層構造を有している。また、フリー層１２は、その膜厚方向にパラジウム及び／または白金の濃度分布を有している。
【００１７】
従来のＭＴＪ素子では、フリー層にはその膜面に平行な方向（以下、面内方向という）に一軸磁気異方性が付与されているため、フリー層の全ての領域（ドメイン）で磁化は膜面方向に向く。本実施形態に係るＭＴＪ素子１でも、フリー層１２にはその膜面方向に一軸磁気異方性が付与されている。しかしながら、本実施形態に係るＭＴＪ素子１では、上記の通り、フリー層１２はその膜厚方向にパラジウム及び／または白金の濃度分布を有している。そのため、パラジウム及び／または白金を殆ど含有していない領域では磁化は面内方向に向くものの、パラジウム及び／または白金の濃度がより高い領域の一部では磁化は膜面に交差する方向に向く。
【００１８】
例えば、図１に示すＭＴＪ素子１では、フリー層１２中でパラジウム及び／または白金の濃度が図中下方から上方に向けて単調増加しているとする。この場合、概略的には、磁化は、矢印でその向きを示すように、フリー層１２の下側部分では殆どの領域で膜面に平行な方向に向き、中間部分では一部の領域で膜面に交差する方向に向き、上側部分ではより多くの領域で膜面に交差する方向に向くとともに膜面とより大きな角度を為し得る。すなわち、フリー層１２中に上記の濃度分布を生じさせると、下側から上側に向けて、膜面に垂直な方向（以下、面直方向という）の磁化成分がより多くなる。
【００１９】
このように、フリー層１２の磁化が面内方向の成分だけでなく面直方向の成分をもつ場合、以下に説明するように、磁化が面内方向の成分のみをもつ場合に比べてより弱い磁場でフリー層１２の磁化を反転させることが可能となる。
【００２０】
図２は、磁場印加により磁化が向きを変化させる様子を概略的に示す斜視図である。なお、図中、参照番号５１は磁化を示し、５２は磁化容易軸を示し、５３は磁化容易軸５２に対して垂直な面内方向を示し、５４は面直方向を示し、５５は印加する磁場の向きを示している。
【００２１】
磁場印加前の時点で磁化５１と磁化容易軸５２とが角度αが９０°未満である場合、磁化５１は角度αが９０°を超えると反転する。この磁化反転は、磁場印加前の時点で角度αが広いほど、より弱い磁場で生じさせることができる。
【００２２】
また、図２に示すように、磁化５１の向きと印加磁場の向き５５とが交差する場合、磁場を印加してから磁化５１の向きと磁場の向き５５とが為す角度βがほぼ１８０°になるまでの間、磁化５１は、磁場の向き５５を回転軸として図中右奥側から見て時計回り（矢印５６で示す向きに）に回転しながら角度βを広げる。磁場印加開始直後の短い時間内では、仮に角度βが一定であったとしても、角度αは先の回転運動に伴って広くなる。そのため、磁場印加前の時点で角度αが９０°未満の範囲内で広ければ、磁化５１は僅かに回転することにより反転し得る。すなわち、磁場印加前の時点における角度αが広いほど、より速やかに磁化反転を生じさせることができる。
【００２３】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図１に示すＭＴＪ素子１が情報“０”を保持している状態と情報“１”を保持している状態とを概略的に示す断面図である。
【００２４】
図３（ａ）に示す状態は、例えば、情報“０”に対応している。この状態では、フリー層１２のほぼ全体で磁化は図中右向きの成分を有しているが、フリー層１２の上面に近い領域では、図中右向きの成分が減少するとともに上向きの成分が増加している。
【００２５】
図３（ｂ）に示す状態は、例えば、情報“１”に対応している。この状態では、フリー層１２のほぼ全体で磁化は図中左向きの成分を有しているが、フリー層１２の上面に近い領域では、図中左向きの成分が減少するとともに上向きの成分が増加している。
【００２６】
さて、ここで、フリー層１２の磁化を図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態へと変化させるに際し、一例として、図３（ａ）に示すＭＴＪ素子１に紙面右奥から左手前に向いた磁場を印加する場合を考える。このような磁場を印加すると、先に図２を参照して説明したように、磁場印加前の時点で角度αが広い磁化（面直方向の成分が多い磁化）は、磁場印加前の時点で角度αが狭い磁化（面直方向の成分が少ない磁化）に比べ、より弱い磁場で及びより速やかに角度αが９０°よりも広くなる。
【００２７】
フリー層１２中の一部の領域で磁化と磁化容易軸とが為す角度αが９０°よりも広くなると、残りの領域でも比較的弱い磁場で角度αを９０°よりも広くすることができる。そのため、本実施形態によると、磁化が面内方向の成分のみをもつ場合に比べ、より弱い磁場でフリー層１２の磁化を反転させることが可能となる。
【００２８】
なお、本実施形態では、フリー層１２の膜厚方向（面直方向）にパラジウム及び／または白金の濃度分布を生じさせ、それにより、フリー層１２中に面直方向の成分がより多い磁化と面直方向の成分がより少ない磁化とを混在させている。このような磁化の分布は、例えば、フリー層１２の面内方向にパラジウム及び／または白金の濃度分布を形成することでも生じさせることができる。しかしながら、後者の方法は、ＭＴＪ素子１間でスイッチング磁場の大きさやＭＲ比にばらつきを生じ易く、しかも、大きなＭＲ比を得るうえで不利である。
【００２９】
本実施形態において、フリー層１２の材料としては、例えば、強磁性を示し且つ導電性を有する磁性材料とパラジウム及び／または白金との混合物を使用することができる。フリー層１２に使用可能な磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金、及び、ＮｉＭｎＳｂ系、ＰｔＭｎＳｂ系、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ系などのホイスラー合金等を挙げることができる。
【００３０】
フリー層１２中のパラジウム及び／または白金濃度は、トンネルバリア層１４からの距離の増加に応じて単調増加していなくてもよい。例えば、それら元素の濃度は、フリー層１２の膜厚方向中央部で最も高くてもよい。しかしながら、フリー層１２中のパラジウム及び／または白金濃度がトンネルバリア層１４からの距離の増加に応じて単調増加している場合、大きなＭＲ比を実現するうえで最も有利である。
【００３１】
フリー層１２におけるパラジウム及び／または白金濃度の最大値と最小値との差は２０％以上であることが好ましい。この差が小さすぎると、フリー層１２にパラジウム及び／または白金を添加することにより生じる効果が顕著には現われない。なお、フリー層１２におけるパラジウム及び／または白金濃度の最小値は、理想的にはゼロである。また、フリー層１２におけるパラジウム及び／または白金濃度の最大値に特に制限はない。
【００３２】
本実施形態において、フリー層１２の膜厚は、通常、１ｎｍ以上とする。一般に、この膜厚が薄すぎると、その膜厚方向にパラジウム及び／または白金の濃度分布を生じさせること自体が難しくなる。また、フリー層１２の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。フリー層１２が過剰に厚いと、大きなスイッチング磁場が必要となる。
【００３３】
本実施形態において、フリー層１２は、例えば、強磁性体のターゲットとパラジウム及び／または白金ターゲットとを用いたスパッタリング法により形成することができる。すなわち、例えば、強磁性体のターゲットへの投入電力を一定とし、パラジウム及び／または白金ターゲットへの投入電力を経時的に変化させることにより、膜厚方向にパラジウム及び／または白金の濃度分布を有するフリー層１２を得ることができる。
【００３４】
次に、第１の参考例について説明する。
図４は、第１の参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図４に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性１重トンネル接合素子である。このＭＴＪ素子１は、フリー層１２が一対の強磁性層１２ａとそれらの間に介在し且つパラジウム及び／または白金を含有した非磁性層１２ｂとで構成されていること以外は図１に示すＭＴＪ素子１と同様の構造を有している。
【００３５】
強磁性層１２ａと上記の非磁性層１２ｂとを積層すると、強磁性層１２ａの磁化は、非磁性層１２ｂから遠い部分では殆どの領域で膜面に平行な方向に向き、非磁性層１２ｂに近い部分では一部の領域で膜面に交差する方向に向く。すなわち、強磁性層１２ａと上記の非磁性層１２ｂとを積層すると、非磁性層１２ｂからの距離が短くなるのに応じ、面直方向の磁化成分がより多くなる。したがって、本参考例によると、上記実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本参考例では、フリー層１２に上記の三層構造を採用している。そのため、個々の強磁性層１２ａの厚さを薄くすることができ、したがって、より弱い磁場で磁化反転を生じさせることが可能となる。パラジウム及び／または白金を含有した非磁性層１２ｂを介した強磁性層１２ａ間の結合が強いためにゼロ磁場での残留磁化が大きくなり、より大きなＭＲ比をゼロ磁場で実現させることが可能となる
本参考例において、フリー層１２に含まれる強磁性層１２ａの材料としては、例えば、第１の実施形態においてフリー層１２に関して例示した磁性材料を使用することができる。これら強磁性層１２ａの膜厚に特に制限はないが、通常、１ｎｍ乃至５ｎｍ程度である。なお、これら強磁性層１２ａ間で、組成や膜厚は同一であってもよく或いは互いに異なっていてもよい。
【００３７】
非磁性層１２ｂは、典型的には、パラジウム及び／または白金と不可避的な不純物とからなる。しかしながら、非磁性層１２ｂは、パラジウムや白金に加え、金、イリジウム、ルテニウムなどをさらに含有することができる。
【００３８】
非磁性層１２ｂは、パラジウム及び／または白金を５０％以上の濃度で含有していることが好ましい。非磁性層１２ｂ中のパラジウム及び／または白金濃度が低すぎると、上記の効果が顕著には現われない。また、非磁性層１２ｂの厚さは、通常、０．１ｎｍ乃至５ｎｍ程度である。
【００３９】
次に、第２の参考例について説明する。
図５は、第２の参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図５に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性１重トンネル接合素子である。このＭＴＪ素子１は、フリー層１２が一対の三層構造１２-1，１２-2とそれらの間に介在した非磁性層１２ｃとで構成されていること以外は図４に示すＭＴＪ素子１と同様の構造を有している。
【００４０】
三層構造１２-1，１２-2のそれぞれは、第１の参考例で説明した一対の強磁性層１２ａとそれらの間に介在した非磁性層１２ｂとで構成されている。また、非磁性層１２ｃは、例えば銅からなる薄膜である。三層構造１２-1，１２-2同士は、この非磁性層１２ｃを介して弱い強磁性結合を形成している。
【００４１】
このような構造を採用した場合も、上記実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、本参考例では、フリー層１２に上記の多層構造を採用している。そのため、個々の強磁性層１２ａの厚さを薄くすることができ、したがって、より弱い磁場で磁化反転を生じさせることが可能となる。さらに、本参考例では、角型比が大きくなり、ゼロ磁場でのＭＲ比がより大きくなる。
【００４２】
本参考例において、フリー層１２に含まれる強磁性層１２ａの材料としては、例えば、上記実施形態においてフリー層１２に関して例示した磁性材料を使用することができる。これら強磁性層１２ａの膜厚に特に制限はないが、通常、１ｎｍ乃至５ｎｍ程度である。なお、三層構造１２-1，１２-2間及び／または三層構造１２-1，１２-2内で、強磁性層１２ａの組成や膜厚は同一であってもよく或いは互いに異なっていてもよい。
【００４３】
非磁性層１２ｂの材料や膜厚は、第１の参考例で説明したのと同様とすることができる。三層構造１２-1，１２-2間で、非磁性層１２ｂの組成や膜厚は同一であってもよく或いは互いに異なっていてもよい。
【００４４】
フリー層１２に含まれる非磁性層１２ｃの材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＡｇなどを使用することができる。非磁性層１２ｃの厚さは、通常、０．１ｎｍ乃至５ｎｍ程度である。
【００４５】
上述した実施形態並びに第１及び第２の参考例において、反強磁性層１１は必ずしも設けなくてもよいが、反強磁性層１１を設けた場合、ピン層１２と反強磁性層１１との間の交換結合により、ピン層１２の磁化をより強固に固着させることができる。反強磁性層１１の材料としては、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、及びＩｒ−Ｍｎなどの合金やＮｉＯなどを使用することができる。また、反強磁性層１１を設ける代わりに、硬質磁性層を設けてもよい。この場合、硬質磁性層からの漏れ磁界により、ピン層１２の磁化をより強固に固着させることができる。
【００４６】
ピン層１３には、一方向磁気異方性が付与されている。ピン層１３は、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、ピン層１３は、強磁性層のみで構成されていてもよく、或いは、複数の強磁性層とそれらの間に介在した非磁性層との積層体で構成されていてもよい。ピン層１３の強磁性層の材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金、及び、ＮｉＭｎＳｂ系、ＰｔＭｎＳｂ系、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ系などのホイスラー合金等を挙げることができる。また、ピン層１３の非磁性層の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＡｇなどを使用することができる。なお、ピン層１３に多層構造を採用する場合、それに含まれる強磁性層間で膜厚や組成は同一であってもよく或いは互いに異なっていてもよい。
【００４７】
トンネルバリア層１４の材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₂、及びＡｌＬａＯ₃などの誘電体或いは絶縁体を使用することができる。これら誘電体或いは絶縁体には、酸素欠損や窒素欠損が存在していても構わない。トンネルバリア層１４の膜厚は、ＭＴＪ素子１の面積などに応じて適宜設定する。トンネルバリア層１４の膜厚は、０．５ｎｍ乃至３ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４８】
上記実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子１は、下地層や保護層をさらに備えていてもよい。また、図１，図４及び図５において、図中、上側及び下側の何れを下地層側としてもよい。
【００４９】
上記実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子１は、例えば、基板の一主面に設けられた下地層上に各種薄膜を順次成膜することにより得られる。これら、薄膜は、各種スパッタリング法、蒸着法、及び分子線エピタキシャル法などの気相堆積法や、気相堆積と酸化や窒化などとを組み合わせた方法を用いて形成することができる。
【００５０】
基板の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、スピネル、及びＡｌＮなどを挙げることができる。また、下地層や保護層としては、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＡｕなどを含有した層や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ、及びＴａ／Ｒｕなどで表される積層膜を使用することができる。
【００５１】
上述したＭＴＪ素子１は、様々な用途への応用が可能である。以下、上記の磁気抵抗効果素子１を用いたＭＲＡＭについて説明する。
【００５２】
図６（ａ）は、実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子１を用いたＭＲＡＭの一例を概略的に示す斜視図である。また、図６（ｂ）は、実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子１を用いたＭＲＡＭの他の例を概略的に示す斜視図である。
【００５３】
図６（ａ）に示すＭＲＡＭでは、書き込み用のワード線４と略平行に読み出し用のワード線６を設けている。読み出し用のワード線６にはトランジスタ７のゲートが接続されており、トランジスタ７のソース及びドレインの一方は下部電極１６を介して反強磁性層１１に電気的に接続されている。また、ビット線５は、フリー層１２と電気的に接続されており、読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭでは、それぞれのメモリセルは、ＭＴＪ素子１とトランジスタ７とを含んでいる。
【００５４】
このＭＲＡＭに情報を書き込む際、或るＭＴＪ素子１に対向した１本のワード線４と１本のビット線５とに書き込み電流を流し、それにより発生する合成磁場を上記のＭＴＪ素子１に作用させる。そのＭＴＪ素子１のフリー層１２は、ビット線５に流した電流の向きに応じて、その磁化の向きを反転させるか或いは維持する。このようにして、情報の書き込みを行う。
【００５５】
また、このＭＲＡＭから情報を読み出す際、或るＭＴＪ素子１に対向したビット線５を選択するとともに、そのＭＴＪ素子１に対応したワード線６に所定の電圧を印加して先のＭＴＪ素子１に接続されたトランジスタ７を導通状態とする。ＭＴＪ素子１の抵抗値はフリー層１２の磁化の向きとピン層１３の磁化の向きとが等しい場合と逆である場合とで異なるので、この状態でビット線５と下部電極１６との間を流れる電流をセンスアンプにより検出することにより、上記のＭＴＪ素子１が記憶している情報を読み出すことができる。
【００５６】
図６（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、ワード線４とビット線５との間で、ダイオード８とＭＴＪ素子１とを直列接続している。このＭＲＡＭでは、ワード線４及びビット線５は読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭでは、それぞれのメモリセルは、ＭＴＪ素子１とダイオード８とを含んでいる。
【００５７】
このＭＲＡＭに情報を書き込む際、或るＭＴＪ素子１に対向した１本のワード線４と１本のビット線５とに書き込み電流を流し、それにより発生する合成磁場を上記のＭＴＪ素子１に作用させる。そのＭＴＪ素子１のフリー層１２は、ビット線５に流した電流の向きに応じて、その磁化の向きを反転させるか或いは維持する。このようにして、情報の書き込みを行う。
【００５８】
また、このＭＲＡＭから情報を読み出す際、或るＭＴＪ素子１に対向したビット線５を選択するとともに、そのＭＴＪ素子１に対応したワード線４に所定の電圧を印加する。ＭＴＪ素子１の抵抗値はフリー層１２の磁化の向きとピン層１３の磁化の向きとが等しい場合と逆である場合とで異なるので、この状態で選択したビット線５を流れる電流をセンスアンプにより検出することにより、上記のＭＴＪ素子１が記憶している情報を読み出すことができる。
【００５９】
図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子１を使用しているため、比較的弱い磁場でフリー層１２の磁化を反転させることができる。それゆえ、書き込みの際にワード線４及びビット線５に大きな電流を流す必要がない。したがって、低消費電力と長い配線寿命とを実現することができる。
【００６０】
また、図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、それぞれのメモリセルは磁気抵抗効果素子１に加えてトランジスタ７やダイオード８などのスイッチング素子を含んでいるため、非破壊読み出しが可能である。なお、破壊読み出しを行う場合、メモリセルはスイッチング素子を含んでいなくてもよい。
【００６１】
上述した実施形態並びに第１及び第２の参考例では、ＭＴＪ素子１を強磁性１重トンネル接合素子としたが、これらＭＴＪ素子１は強磁性２重トンネル接合素子であってもよい。すなわち、上記のＭＴＪ素子１は、ピン層１３及びトンネルバリア層１４のそれぞれをフリー層１２の両側に配置した構造を有していてもよい。
【００６２】
また、実施形態並びに第１及び第２の参考例で説明した磁気抵抗効果素子１は、非磁性層１４をトンネルバリア層としたＭＴＪ素子であるが、これら磁気抵抗効果素子１は、非磁性層１４を導電層とした巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子とすることができる。この場合、非磁性層１４の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕなどの導電材料を使用することができる。
【００６３】
なお、上記の磁気抵抗効果素子１がＭＴＪ素子である場合、フリー層１１とピン層１２との間に流れるトンネル電流の値は、フリー層１１の磁化とピン層１２の磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態でトンネル抵抗値は最小となり、それらの磁化が同じ向きである状態でトンネル抵抗値は最大となる。
【００６４】
他方、上記の磁気抵抗効果素子１がＧＭＲ素子である場合、その抵抗値は、フリー層１１の磁化とピン層１２の磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態で抵抗値は最小値となり、それらの磁化が同じ向きである状態で抵抗値は最大となる。
【００６５】
また、実施形態並びに第１及び第２の参考例に係る磁気抵抗効果素子１は上記の通りＭＲＡＭで利用することが可能であるが、他の用途にも利用可能である。例えば、上記磁気抵抗効果素子１は、磁気ヘッドやそれを搭載した磁気再生装置或いは磁気記録再生装置並びに磁気センサなどにも利用することができる。
【００６６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
本例では、図１に示す磁気抵抗効果素子１を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子１をＭＴＪ素子とした。
【００６７】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１１、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのピン層１３、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１４、及びＰｄとＣｏ₉Ｆｅとの混合物からなる厚さ５ｎｍのフリー層１２を順次積層した。
【００６８】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。なお、マスクの交換は真空チャンバ内で行った。
下地層、反強磁性層１１、及びピン層１３は、幅１００μｍの帯状（下部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。Ａｌ層は、矩形状（接合部形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。
トンネルバリア層１４は、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。
【００６９】
フリー層１２は、幅１００μｍの帯状（下部配線に直交する上部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。この際、スパッタリングターゲットとしてＣｏ₉ＦｅターゲットとＰｄターゲットとを使用し、Ｐｄターゲットへの投入電力を経時的に変化させることにより、膜厚方向にＰｄの濃度勾配を有するフリー層１２を形成した。なお、ここで形成したフリー層１２は、下面側がほぼＣｏ₉Ｆｅのみからなり且つ上面側がＣｏ₉ＦｅにＰｄが２０％固溶した合金からなる。
以上のようにして、接合面積が１００μｍ×１００μｍのＭＴＪ素子１を作製した。
【００７０】
（比較例１）
本例では、フリー層１２にＰｄを含有させなかったこと以外は実施例で説明したのと同様の方法によりＭＴＪ素子１を作製した。
【００７１】
次に、実施例及び比較例１に係るＭＴＪ素子１の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。その結果を図７に示す。
【００７２】
図７は、本発明の実施例に係るＭＴＪ素子１について得られた磁気抵抗特性を示すグラフである。図中、横軸はフリー層１２に印加した磁場の強さを示し、縦軸はＭＴＪ素子１のＭＲ比を示している。また、実線１０１は実施例に係るＭＴＪ素子１について得られたデータを示し、破線１０２は比較例１に係るＭＴＪ素子１について得られたデータを示している。
【００７３】
図７に示すように、実施例に係るＭＴＪ素子１では、約２０Ｏｅ以上の磁場でフリー層１２の磁化を反転させることができ、ＭＲ比は約４０％であった。これに対し、比較例１に係るＭＴＪ素子１では、フリー層１２の磁化を反転させるのに約２５Ｏｅ以上の磁場を必要とした。すなわち、実施例では、比較例１に比べ、スイッチング磁場の大きさを２０％程度低減することができた。また、図７に示すように、実施例に係るＭＴＪ素子１は、比較例１に係るＭＴＪ素子１に比べ、印加磁場の強さがゼロである場合の磁気抵抗比に優れ、角型比が向上していた。
【００７４】
（参考例１）
本例では、図４に示す磁気抵抗効果素子１を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子１をＭＴＪ素子とした。
【００７５】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１１、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのピン層１３、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１４、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａ、Ｐｄからなる厚さ１ｎｍの非磁性層１２ｂ、及びＣｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａを順次積層した。
【００７６】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。なお、トンネルバリア層１４は、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。また、これら薄膜はフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングした。これにより、接合面積が１μｍ×１μｍのＭＴＪ素子１を作製した。
【００７７】
次に、このＭＴＪ素子１について、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて磁化曲線を測定した。その結果、面内方向及び面直方向の双方で、ヒステリシスを示す磁化曲線が得られ、フリー層１２は面直方向の磁化成分を持っていることが確認された。
【００７８】
（比較例２）
本例では、フリー層１２を１つの強磁性層１２ａのみで構成したこと以外は参考例１で説明したのと同様の方法によりＭＴＪ素子１を作製した。
【００７９】
次に、参考例１及び比較例２に係るＭＴＪ素子１の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。その結果、参考例１に係るＭＴＪ素子１では、約２４Ｏｅ以上の磁場でフリー層１２の磁化を反転させることができ、ＭＲ比は約４３％であった。これに対し、比較例２に係るＭＴＪ素子１では、フリー層１２の磁化を反転させるのに約３１Ｏｅ以上の磁場を必要とした。すなわち、参考例１では、比較例２に比べ、スイッチング磁場の大きさを２２％程度低減することができた。
【００８０】
（参考例２）
本例では、図５に示す磁気抵抗効果素子１を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子１をＭＴＪ素子とした。
【００８１】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１１、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのピン層１３、Ａｌ₂Ｏ₃からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１４、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａ、Ｐｄからなる厚さ１ｎｍの非磁性層１２ｂ、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａ、Ｒｕからなる厚さ０．８ｎｍの非磁性層１２ｃ、Ｃｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａ、Ｐｄからなる厚さ１ｎｍの非磁性層１２ｂ、及びＣｏ₉Ｆｅからなる厚さ２ｎｍの強磁性層１２ａを順次積層した。
【００８２】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。なお、トンネルバリア層１４は、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。また、これら薄膜はフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングした。これにより、接合面積が１μｍ×１μｍのＭＴＪ素子１を作製した。
【００８３】
次に、このＭＴＪ素子１について、ＶＳＭを用いて磁化曲線を測定した。その結果、面内方向及び面直方向の双方で、ヒステリシスを示す磁化曲線が得られ、フリー層１２は面直方向の磁化成分を持っていることが確認された。また、ＶＳＭを用いた測定の結果、非磁性層１２ｃを介した強磁性層間の結合が強磁性的であることも確認された。
【００８４】
次いで、参考例２に係るＭＴＪ素子１の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。その結果、参考例２に係るＭＴＪ素子１では、約２２Ｏｅ以上の磁場でフリー層１２の磁化を反転させることができ、ＭＲ比は約３９％であった。すなわち、参考例２では、比較例２に比べ、スイッチング磁場の大きさを２９％程度低減することができた。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、簡略化されたプロセスで製造可能であり且つ弱い磁場でフリー層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図２】磁場印加により磁化が向きを変化させる様子を概略的に示す斜視図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示すＭＴＪ素子が情報“０”を保持している状態と情報“１”を保持している状態とを概略的に示す断面図。
【図４】第１の参考例に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図５】第２の参考例に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図６】（ａ）は実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭの一例を概略的に示す斜視図、（ｂ）は実施形態並びに第１及び第２の参考例に係るＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭの他の例を概略的に示す斜視図。
【図７】本発明の実施例に係るＭＴＪ素子について得られた磁気抵抗特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１…磁気抵抗効果素子、４…ワード線、５…ビット線、６…ワード線、７…トランジスタ、８…ダイオード、１１…反強磁性層、１２…フリー層、１２-1，１２-2…三層構造、１２ａ…強磁性層、１２ｂ…非磁性層、１３…ピン層、１４…非磁性層、１６…下部電極、５１…磁化、５２…磁化容易軸、５３…磁化容易軸に対して垂直な面内方向、５４…面直方向、５５…磁場の向き、５６…回転方向、１０１…実線、１０２…破線。

Claims

強磁性を示すとともに磁場印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、強磁性を示すとともに前記磁場印加において磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、
前記フリー層はパラジウム及び白金の少なくとも一方の元素を含有した強磁性層を備え、前記強磁性層はその膜厚方向に前記元素の濃度分布を有し、前記強磁性層が含有する前記元素の濃度は前記第１非磁性層により遠い領域に比べ前記第１非磁性層により近い領域でより低いことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記フリー層との間に前記ピン層を介在させて設けられた反強磁性層をさらに具備したことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
ワード線と、前記ワード線に交差したビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子を含んだことを特徴とする磁気メモリ。