JP5754531B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、および磁気ランダムアクセスメモリに関する。

近年、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が提案され、実用化を目指した研究が盛んに行われている。磁気ランダムアクセスメモリは、磁性体を記憶素子として用いることから、不揮発性のランダムアクセスメモリとして動作し、また１０の１５乗回以上の書き換え耐性が保障され、さらに数ナノ秒以下のタイムスケールでのスイッチングが可能である。このようなことから、磁気ランダムアクセスメモリは、特に数１００ＭＨｚ以上の高速不揮発性ランダムアクセスメモリとしての応用が期待されている。

磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗効果素子から形成される。磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と絶縁層と磁化固定層から形成され、また磁化固定層には一般的には反強磁性層が隣接する。磁化自由層と絶縁層と磁化固定層はこの順に積層し、ここで磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。磁化固定層は比較的ハードな強磁性体から構成され、また、隣接して設けられる反強磁性層によりその磁化方向は実質的に一方向に固定される。磁化固定層は読み出しの際のリファレンスとして作用する。一方、磁化自由層は比較的ソフトな強磁性体から構成され、その磁化方向は磁化固定層の磁化と平行か反平行かのいずれかの状態をとるような磁気異方性が付与される。磁化自由層は情報の記憶部位としての役割を果たす。絶縁層は絶縁性の材料から構成される。そして、磁気ランダムアクセスメモリにおいては、磁化自由層の磁化が磁化固定層の磁化に対して平行か反平行かに応じて“０”、“１”の情報が記憶される。

磁気ランダムアクセスメモリにおける情報の読み出しには、磁気抵抗効果が利用される。すなわち、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化の相対角の違いによって生ずるＭＴＪの抵抗値の違いを、ＭＴＪを貫通する電流を流して検出することにより、情報が読み出される。

一方で磁気ランダムアクセスメモリにおける情報の書き込み方法としては、様々な方法が提案されている。その方法は、磁界書き込み方式とスピン注入書き込み方式に大別される。

スピン注入書き込み方式とは、ＭＴＪを貫通する電流の方向を変えることにより、磁化自由層の磁化を磁化固定層の磁化とのスピントルクのやり取りで反転させる方法である。スピン注入書き込み方式においては、書き込みに要する電流はＭＴＪの面積に比例する。従って、ＭＴＪの面積が小さいほど、書き込みに要する電流値も小さい。つまり、スピン注入書き込み方式はスケーリング特性に優れ、大容量の磁気ランダムアクセスメモリを実現する手段として有望視されている。

しかし、スピン注入書き込み方式においては、書き込みの際に比較的大きな電流がＭＴＪを貫通することから書き換え耐性に劣ることが懸念される。また絶縁層の耐圧の問題も応用上の課題として挙げられる。また、スピン注入磁化反転は磁界による磁化反転に比べて比較的長い時間を要してしまい、高速動作には不利である。つまり、スピン注入書き込み方式を用いた高速、高信頼性のランダムアクセスメモリの実用化には、疑問視される問題が多い。

一方、磁界による磁化反転はナノ秒以下で起こり、また絶縁層を大きな電流が流れることはないため、信頼性も保障される。このようなことから、高速での動作が可能な磁気ランダムアクセスメモリには磁界書き込み方式を用いることが望ましい。

磁気ランダムアクセスメモリにおける磁界書き込み方式は、ＭＴＪの近傍に配置される書き込み配線に電流が流れたときに誘起される磁界を利用して行われることが一般的である。また現在研究・開発が行われている磁界書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリのほとんどは、直交する２つの書き込み配線の交点に磁気抵抗効果素子が配置され、二つの書き込み配線に電流が流れたときの磁化自由層にかかる合成磁界により書き込みが行われる（以下、これを２軸書き込み方式と呼ぶ）。

このうち最も一般的な２軸書き込み方式はアステロイド方式である。これは２つの直交する書き込み配線に同時に電流が流れ、その合成磁界により磁化自由層の磁化反転を行う。この際、選択されるセルと同じ列、または同じ行にあるセルは、１つの書き込み配線によって誘起される磁界が印加された、いわゆる半選択状態となる。この半選択状態における磁化反転を回避するためには、限られたマージン内で記録を行わなければならない。つまり、アステロイド方式はセルの選択性に問題がある。

このセル選択性の問題を解決する２軸書き込み方式として特許文献１（米国特許第６５４５９０６号公報）ではトグル方式が提案されている。トグル方式では、直交する２つの書き込み配線にシーケンシャルに電流が流れ、磁化反転が起こる。トグル方式ではセルの選択性の問題がほぼ完全に解決されるが、一方で書き込み前に読み出しを行う必要があり、高速動作には不向きである。

一方、特許文献２（特開２００４−３４８９３４号公報：対応米国特許ＵＳ７１８４３０１（Ｂ２））では１軸磁界書き込み方式が提案されている。これによれば、上記の選択性、および高速性は同時に解決される。この１軸磁界方式は、一つのセルは一つの書き込み配線を有し、上記書き込み配線はＭＯＳトランジスタのソース／ドレインに接続される。このＭＯＳトランジスタのゲートは第１の方向に沿って設けられるワード線に接続され、またこのＭＯＳトランジスタの他方のソース／ドレインは第２の方向に沿って設けられるビット線に接続される。このような構造により、セルの選択性と高速性が同時に解決される。このことから、１軸磁界方式は高速動作が可能な磁気ランダムアクセスメモリを実現する上で有望な方式であると言える。非特許文献１（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０５，０７Ｃ９２１（２００９））および非特許文献２（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ａ７１１（２００８））では、この１軸書き込み方式を用いたセルで１ｍＡ以下の書き込み電流での動作が確認されている。

メモリの高速動作のためには、高速で書き込むと同時に高速での読み出しが必要である。高速で読み出すためには、”０”状態と”１”状態の素子抵抗値の信号量の差が十分に大きい必要がある。すなわち、ＭＲ比が十分に高い必要がある。非特許文献３（ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ＡＰＲＩＬ ２００７）に示されるように５００ＭＨｚ以上の高速の読み出し動作のためにはＭＲ比が７０％以上必要であるとのシミュレーション結果が示されている。

近年、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢからなるＭＴＪを用いたＴＭＲ膜が開発され、２００％を超えるＭＲ比が報告されている。しかしながら、ＣｏＦｅＢ膜は結晶磁気異方性などの材料の異方性が大きいために磁化自由層に用いた場合には、反転磁界の値が大きくなるという問題があり、磁界書込み方式のＭＲＡＭへの適用は、書込み電流が大きくなるために困難である。一方、磁化自由層として従来、一般的な磁場書込みセルに用いられているＮｉＦｅ磁化自由層は、書込み電流は小さいがＭＲ比も小さいという問題があった。

関連する技術として、特許文献３（特開２００３−１９８００３号公報：対応米国特許ＵＳ７１７３３００（Ｂ２））に磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、磁化方向の反転が可能な自由層を備え、当該自由層における磁化方向の変化を利用して情報記録を行う。この磁気抵抗効果素子において、その自由層は、少なくとも二層からなる積層構造を有している。その積層構造は、少なくとも一層が強磁性体からなる強磁性体層であり、他の少なくとも一層が当該強磁性体層よりも小さい飽和磁化の低飽和磁化強磁性体層である。

特許文献４（特開２００４−２００２４５号公報：対応米国特許ＵＳ７３７９２８０（Ｂ２））に磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子の製造方法が開示されている。この磁気抵抗素子は、反強磁性層と、反強磁性層に接合され固定される固定自発磁化を有する固定強磁性層と、固定強磁性層に接合され非磁性のトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に接合され反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層とを具備する。固定強磁性層は、反強磁性層を構成する材料の少なくとも一種がトンネル絶縁層へ拡散することを防止する機能を有する第１複合磁性層を備える。

特許文献５（特開２００６−３１８９８３号公報）に磁気メモリ素子、メモリが開示されている。この磁気メモリ素子は、強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する。記憶層又は磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成される。化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内である。

特許文献６（特開２００８−１０３７２８号公報：対応米国出願ＵＳ２００８０８８９８６（Ａ１））に磁気トンネル接合素子およびその製造方法が開示されている。この磁気トンネル接合素子の製造方法は、磁気モーメントを有するフリー層を含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の製造方法である。基板上に磁気ピンニング層を形成するステップと、磁気ピンニング層の上に磁気ピンド層を形成するステップと、磁気ピンド層の上にトンネルバリア層を形成するステップと、トンネルバリア層の上に、ＮｉＦｅ（ニッケル鉄）からなるフリー層と、ＮｉＦｅＨｆ（ニッケル鉄ハフニウム）からなる第１のキャップ層とを形成するステップと、第１のキャップ層の上に、Ｔａ（タンタル）とＲｕ（ルテニウム）とを順次積層してなる第２のキャップ層を形成するステップと、フリー層中に捕捉されている酸素を第１のキャップ層中に拡散させるのに十分な時間と温度下で加熱処理を行うことにより、トンネルバリア層とフリー層との界面を鮮鋭化させるステップとを含む。

特許文献７（特開２００９−１１７８４６号公報：対応米国出願ＵＳ２００９１２２４５０（Ａ１））にＴＭＲ素子およびその形成方法が開示されている。このＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子は、基板の上に順に積層形成され、シード層、反強磁性層およびピンド層を含む積層体と、ピンド層の上に形成され、ＭｇＯｘ（酸化マグネシウム）からなるトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上に形成され、ＣｏＢ_Ｘ（コバルトボロン；１原子％≦Ｘ≦３０原子％）またはＦｅＢ_Ｖ（鉄ボロン；１原子％≦Ｖ≦３０原子％）を含むフリー層と、フリー層の上に形成されたキャップ層とを備える。

特許文献８（特許第３８８８４６３号公報：対応米国特許ＵＳ７１８４３０１（Ｂ２））にメモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリが開示されている。このメモリセルは、第１ゲートと、第１ゲート以外の一方の端子としての第１端子と、他方の端子としての第２端子とを含む第１トランジスタと、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転される自発磁化を有し、一方の端子としての第３端子と、他方の端子としての第４端子とを含む磁気抵抗素子とを具備する。第１端子は、第１ビット線に接続される。第２端子は、第２ビット線に接続される。第１ゲートは、第１ワード線に接続される。第３端子は、第２ワード線に接続される。第４端子は、前記第２端子に接続される。

米国特許第６５４５９０６号公報 特開２００４−３４８９３４号公報 特開２００３−１９８００３号公報 特開２００４−２００２４５号公報 特開２００６−３１８９８３号公報 特開２００８−１０３７２８号公報 特開２００９−１１７８４６号公報 特許３８８８４６３号公報

Ｈ．Ｈｏｎｊｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｐｅ−ｖａｒｙｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｍａｎｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ ｃｅｌｌｓ"，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０５，０７Ｃ９２１（２００９）． Ｈ．Ｈｏｎｊｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｗｒｉｔｅ−ｌｉｎｅ ｉｎｓｅｒｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｗｉｒｔｅ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ ｃｅｌｌ"，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ａ７１１（２００８）． Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，"ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ"，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ＡＰＲＩＬ ２００７．

ＭｇＯトンネルバリア膜を用いたＭＴＪ素子では、ＭＲ比の大きさはＭｇＯに隣接する磁性膜のスピン分極率とともに、ＭｇＯの結晶配向性等によって決定される。ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏなどは、スピン分極率が比較的高く、また、ＭｇＯの結晶配向性を向上するため高いＭＲ比を得ることができる。しかしながら、ＣｏＦｅＢ、ＦｅおよびＣｏは結晶磁気異方性が大きいために、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ，Ｃｏを磁化自由層に用いると反転磁界が高くなるという問題がある。

一方、ＮｉＦｅは、スピン分極率が比較的小さく、ＭｇＯの結晶配向性を悪化するためＮｉＦｅを磁化自由層に用いた場合には高いＭＲが得られない。しかし、ＮｉＦｅは結晶磁気異方性が小さいため、反転磁化は小さいという利点がある。

本発明の目的は、磁界書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、低電流（例示：１ｍＡ以下）の書込み電流で、かつ、高速動作（例示：５００ＭＨｚ以上）を実現することが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、反転可能な磁化を有する磁化自由層と、磁化自由層に隣接する絶縁層と、絶縁層の磁化自由層と反対側に隣接し、磁化がほぼ一方向に固定された磁化固定層とを具備する。磁化自由層は、絶縁層に隣接し、Ｆｅ又はＣｏから成り第１磁化自由層と、第１磁化自由層に隣接し、ＮｉＦｅＢから成り第２磁化自由層とを備える。

また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に設けられた複数の磁気メモリセルと、複数の磁気メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作を制御する制御回路とを具備する。複数の磁気メモリセルの各々は、上記の複磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられ、書き込み電流が流れる配線層とを備える。

本発明によれば、磁界書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、低電流の書込み電流で、かつ、高速動作を実現することが可能となる。

図１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの主要な部分の構造を表す模式図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの主要な部分の構造を表す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態における磁気メモリセルのＭＲ比の第２磁化自由層膜厚依存性を示すグラフである。 図３は、本発明の実施の形態における磁気メモリセルのＭＲ比の第１磁化自由層膜厚依存性を示すグラフである。 図４は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの書込み電流の第１磁化自由層のＦｅ膜厚依存性を示すグラフである。 図５は、図４の場合における書込み電流ばらつきの第１磁化自由層のＦｅ膜厚依存性を示すグラフである。 図６は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概念図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態の変形例に係る磁気メモリセルの主要な部分の構造を表す模式図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態の変形例に係る磁気メモリセルの主要な部分の構造を表す模式図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリをついて説明する。本発明の実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有している。各磁気メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。

１．磁気メモリセルの構造
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの主要な部分（磁気抵抗効果素子の部分）の構造を表す模式図である。ただし、図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＡ−Ａ’断面図である。本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの主要部１はｙ軸方向に延伸して設けられる配線層７０と磁気抵抗効果素子８０とを備えている。

磁気抵抗効果素子８０は、下地層１０と、磁化自由層２０と、絶縁層３０と、磁化固定層４０と、反強磁性層５０と、キャップ層６０とを備えている。絶縁層３０は、磁化自由層２０と磁化固定層４０とに挟まれている。これら磁化自由層２０、絶縁層３０、磁化固定層４０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。すなわち、絶縁層３０は、ＭＴＪのトンネルバリア層として機能する。磁化固定層４０は、ＭＴＪのピン層として機能する。磁化自由層２０は、ＭＴＪのフリー層として機能する。

磁化固定層４０は強磁性体から構成される。磁化固定層４０は、２つの強磁性体層が磁化結合層を介して反強磁性結合（ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏ ｍａｇｎｅｔｉｃ）した多層膜でもよい。磁化固定層４０には反強磁性層５０が隣接して設けられ、一つの層内においてその磁化は実質的に一方向に固定されている。磁化固定層４０／反強磁性層５０の材料としては、ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎあるいはＣｏＦｅＢ／ＰｔＭｎが例示される。磁化固定層４０が上記多層膜の場合、第１の強磁性体層／磁化結合層／第２の強磁性体層（以上、磁化固定層４０）／反強磁性層５０の材料としては、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎあるいはＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎが例示される。

絶縁層３０はＭｇＯから構成されることが好ましい。高いＭＲ比を得るためである。また、配線層７０は導電性であり、書き込み電流が流れる層である。配線層７０の両端は例えばコンタクト配線を介してＭＯＳトランジスタのソース／ドレインに接続される。配線層７０の材料としては例えばＣｕである。

磁化自由層２０は、第１磁化自由層２０ａと第２磁化自由層２０ｂとの積層膜から構成されている。第１磁化自由層２０ａは、Ｆｅ又はＣｏから構成されている。ただし、製造誤差による少量の不純物を含むことは許される。一方、第２磁化自由層２０ｂは、ＮｉＦｅＢから構成されている。特に、下記の図２〜図５で示される特性を有するためには、第２磁化自由層２０ｂの組成は、Ｎｉを７０ａｔ％以上９０ａｔ％以下とし、Ｆｅを５ａｔ％以上１５ａｔ％以下とし、Ｂを５ａｔ％以上２０ａｔ％以下とすることが好ましい。ただし、製造誤差による少量の不純物を含むことは許される。第１磁化自由層２０ａ及び第２磁化自由層２０ｂは、その磁化が磁化固定層４０の磁化と平行、または反平行を取り得るように磁気異方性が付与されている。この磁気異方性は形状によって制御されてもよく、材料、組織、結晶構造によって制御されてもよい。

既述のように、メモリの高速動作のためにはＭＲ比が十分に高い必要があり、５００ＭＨｚ以上の高速の読み出し動作のためにはＭＲ比が７０％以上必要であると考えられる。以下、上記構成を有する磁気メモリセルについて、そのＭＲ比を評価した結果について説明する。

図２は、本発明の実施の形態における磁気メモリセルのＭＲ比の第２磁化自由層膜厚依存性を示すグラフである。縦軸はＭＴＪにおけるＭＲ比（％）を示し、横軸は第２磁化自由層２０ｂの膜厚（ｎｍ）を示す。また、測定点（曲線）Ｅ１は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合を示す。測定点（曲線）Ｆ１は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合を示す。ただし、第１磁化自由層２０ａは、Ｆｅ（膜厚０．２ｎｍ）で固定している。

第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合（Ｆ１）では、ＭＲ比は膜厚２〜３ｎｍ付近で極大値をとり、その値は５０％である。それに対して、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合（Ｅ１）では、ＭＲ比は膜厚に比例して単調に増加し、その値は膜厚３ｎｍ以上で７０％以上となる。

図３は、本発明の実施の形態における磁気メモリセルのＭＲ比の第１磁化自由層膜厚依存性を示すグラフである。縦軸はＭＴＪにおけるＭＲ比（％）を示し、横軸は第１磁化自由層２０ａの膜厚（ｎｍ）を示す。また、測定点（曲線）Ｅ２は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合を示す。測定点（曲線）Ｆ２は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合を示す。ただし、第２磁化自由層２０ｂの膜厚は、３ｎｍで固定している。

第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合（Ｆ２）では、ＭＲ比はＦｅ（第１磁化自由層２０ａ）の膜厚０．３ｎｍ付近で極大値をとり、その値は６０％程度である。それに対して、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合（Ｅ２）では、ＭＲ比はＦｅの膜厚に比例して単調に増加し、その値はＦｅ挿入膜厚０．２ｎｍ以上で７０％以上となる。

以上のように、第１磁化自由層２０ａがＦｅ、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合に、目標とするＭＲ比７０％以上を得ることが可能となる。例えば、上記図２及び図３の条件からは、第１磁化自由層２０ａ：膜厚０．２ｎｍ以上のＦｅ、第２磁化自由層２０ｂ：膜厚３ｎｍ以上のＮｉＦｅＢ、とすることでＭＲ比７０％以上を達成することができる。そして、第１磁化自由層２０ａの膜厚は、第２磁化自由層２０ｂの膜厚に比較して薄くなる。第２磁化自由層２０ｂがフリー層としてのデータ記憶機能を有する必要がある一方、第１磁化自由層２０ａが絶縁層３０との界面特性を改善するために形成されるので、相対的に薄くて良いからである。なお、第１磁化自由層２０ａがＣｏの場合にも、Ｆｅの場合とほぼ同様の効果を得ることができる。以下同様である。

上記のように、ＭＲ比はＮｉＦｅＢ（第２磁化自由層２０ｂ）およびＦｅ（第１磁化自由層２０ａ）の膜厚が厚いほど大きくなる。しかし、これらの膜厚が厚くなると磁化の大きさが増加するため書込み電流値が増加する。従って、書き込み電流値を低く抑えるため、ＮｉＦｅＢ（第２磁化自由層２０ｂ）およびＦｅ（第１磁化自由層２０ａ）の最適な膜厚値が存在する。以下その評価結果を示す。

図４は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの書込み電流値の第１磁化自由層のＦｅ膜厚依存性を示すグラフである。ただし、縦軸は書き込み電流値（ｍＡ）、横軸はＦｅ膜厚（ｎｍ）である。また、測定点Ｅ３は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合を示す。測定点Ｆ３は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合を示す。第２磁化自由層２０ｂの膜厚は、３ｎｍで固定している。

書込み電流値は、Ｆｅ膜厚が厚くなるほど増加する。Ｆｅ膜厚が１ｎｍ以下の領域では、書込み電流値は１ｍＡ以下となる。そして、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合（Ｅ３）もＮｉＦｅ（Ｆ３）の場合もほぼ同じ書込み電流値である。従って、書き込み電流値を１ｍＡ以下とするためには、第１磁化自由層２０ａ：膜厚１ｎｍ以下のＦｅとすることが好ましい。これは、第２磁化自由層２０ｂの上記の他の膜厚でも同様である。

図５は、図４の場合における書込み電流ばらつきの第１磁化自由層のＦｅ膜厚依存性を示すグラフである。ただし、縦軸は書き込み電流値ばらつき（％）、横軸はＦｅ膜厚（ｎｍ）である。また、測定点Ｅ４は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合を示す。測定点Ｆ４は、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合を示す。第２磁化自由層２０ｂの膜厚は、３ｎｍで固定している。

第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅの場合（Ｆ４）では、書込み電流ばらつきはＦｅ膜厚によらずほぼ一定である。それに対して、第２磁化自由層２０ｂがＮｉＦｅＢの場合（Ｅ４）では、書込み電流ばらつきはＦｅ膜厚が厚くなるに従って減少する。そして、ＮｉＦｅＢの場合（Ｅ４）の方がＮｉＦｅの場合（Ｆ４）よりも書込み電流ばらつきが半分程度と小さくなっている。これは、ＮｉＦｅＢ膜は結晶粒が小さい又はアモルファスの膜のためバリア層（絶縁層３０）の下側の平滑性が向上し、その結果としてネールカップリング磁界が減少すること、及び、ＮｉＦｅＢ膜がＦｅ（第１磁化自由層２０ａ）／ＭｇＯ（バリア層）の結晶配向性を向上すること、などの効果によるものである。書き込み電流値のばらつきを１５％程度まで許容するとすれば、第１磁化自由層２０ａ：膜厚０．２ｎｍ以上のＦｅとすることが好ましい。これは、第２磁化自由層２０ｂの上記の他の膜厚でも同様である。

以上のことから、第１磁化自由層２０ａのＦｅ膜厚は０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下付近の膜厚が好適である。また、第２磁化自由層２０ｂのＮｉＦｅＢ膜厚は３ｎｍ以上の膜厚が好適である。ＮｉＦｅＢ膜厚の上限は配線層７０を流れる１ｍＡの電流で反転させる得る膜厚であり約１０ｎｍである。
これにより、ＭｇＯトンネルバリア膜（絶縁層３０）に隣接して、スピン分極率が高くＭｇＯの結晶配向性を向上させるＦｅ磁性膜（第１磁化自由層２０ａ）を設けているので、ＭＴＪ素子のＭＲ比の大きさを高くすることができる。すなわち、高速動作が可能となる。加えて、Ｆｅ磁性膜（第１磁化自由層２０ａ）下にＮｉＦｅＢ磁性膜（第２磁化自由層２０ｂ）を相対的に厚く設けているので、ＭＴＪ素子のフリー層としては、結晶磁気異方性を小さくできるので、すなわち、反転磁化を小さくできるので、書き込み電流値を低く抑えることができる。

２．ＭＲＡＭの構成及び動作
上記の磁気メモリセルの主要部１は、ＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。図６は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概念図である。当該ＭＲＡＭは、複数の磁気メモリセル９１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ９０を有している。各磁気メモリセル９１は、磁気メモリセルの主要部１と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とを有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は配線層７０の一方の端に接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は配線層７０の他方の端に接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子８０のキャップ層６０は、配線を介して接地線に接続されている。

ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ９２に接続されている。Ｘセレクタ９２は、データの書き込み・読み出しにおいて、対象の磁気メモリセル９１（以下、「選択磁気メモリセル」という）に対応するワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路９４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ９３に接続されている。Ｙセレクタ９３は、選択磁気メモリセル９１につながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２として選択する。Ｙ側電流終端回路９４は、選択磁気メモリセル９１につながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１として選択する。

メモリセルアレイ９０は、データの記録に用いられる磁気メモリセル９１に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル９１ｒを含んでいる。リファレンスセル９１ｒの構造は、磁気メモリセル９１と同じである。リファレンスセル９１ｒの列に沿って、第１リファレンスビット線ＢＬ１ｒ及び第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒが設けられている。

データ書き込み時のＭＲＡＭの動作は、下記の通りである。Ｙ側電流源回路９５は、Ｙセレクタ９３により選択された選択第２ビット線ＢＬ２に対して所定の書き込み電流の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路９６は、Ｙ側電流終端回路９４により選択された選択第１ビット線ＢＬ１に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流は、書き込むデータに応じて、選択第１ビット線ＢＬ１と配線層７０と選択第２ビット線ＢＬ２の経路を介してＹセレクタ９３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ９３から流れ出す。そのとき、配線層７０を通る書き込み電流の向きで磁化自由層２０の近傍に書き込むデータに応じた＋ｘ方向又は−ｘ方向の磁界が発生する。それにより、磁化自由層２０の磁化方向としてデータが書込まれる。これらＸセレクタ９２、Ｙセレクタ９３、Ｙ側電流終端回路９４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路９６は、磁気メモリセル９１に書き込み電流を供給しデータを書き込むため書き込み制御回路を構成している。

一方、データ読み出し時のＭＲＡＭの動作は下記の通りである。Ｙ側電流終端回路９４により第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流付加回路９７は、Ｙセレクタ９３により選択された選択第２ビット線ＢＬ２に所定の読み出し電流を流す。読み出し電流は、選択第２ビット線ＢＬ２と配線層７０と磁気抵抗効果素子８０と接地線の経路に流れる。その結果、選択第２ビット線ＢＬ２の電位は、磁気抵抗効果素子８０の抵抗値に基づいた電位となる。また、読み出し電流負荷回路９７は、選択ワード線ＷＬに対応するリファレンスセル９１ｒにつながる第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。その結果、同様にして、第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位は、リファレンスセル９１ｒの磁気抵抗効果素子８０の抵抗値に基づいた電位となる。センスアンプ９８は、選択第２ビット線の電位と第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位との差から選択磁気メモリセル９１に記憶されているデータを判別し、そのデータを出力する。これらＸセレクタ９２、Ｙセレクタ９３、Ｙ側電流終端回路９４、読み出し電流付加回路９７、及びセンスアンプ９８は、磁気抵抗素子に読み出し電流を供給し、データを読み出すための読み出し制御回路を構成している。

上記ＭＲＡＭの動作において、磁化自由層２０に軟磁性なパーマロイ系の膜（第２磁化自由層２０ｂ）と非常に薄いＦｅ、Ｃｏ膜（第１磁化自由層２０ａ）などを積層することによって、１ｍＡ以下の書き込み電流と５００ＭＨｚ以上の高速で動作を同時に確認することができた。なお、上記の書き込み動作を制御する書き込み制御回路及び読み出し動作を制御する読み出し制御回路は、併せてデータ制御回路と見ることができる。なお、データ制御回路の構成は、この例に限定されるものではなく、上記磁気メモリセル９１に対する書き込み及び読み出しが可能であれば他の構成を用いることも可能である。

３．効果
以上に説明されたように、本発明の実施の形態によれば新たなＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは配線層７０と磁気抵抗効果素子８０とを備えている。磁気抵抗効果素子８０は磁化固定層４０、絶縁層３０、及び第１磁化自由層２０ａおよび第２磁化自由層２０ｂから構成されている。こうした磁気ランダムアクセスメモリにより、少なくとも以下の効果が得られる。

第１の効果は、ＭＴＪのフリー層としての磁化自由層をＦｅあるいはＣｏとＮｉＦｅＢの積層膜とすることで、ＭｇＯバリア層（絶縁層）の結晶配向性を向上してＭＲ比を向上させることができる。それにより、高速動作を可能とすることができる。また、結晶磁気異方性の大きなＣｏあるいはＦｅの膜厚を薄くし、また、結晶磁気異方性の小さいパーマロイ系磁性膜と積層することによって反転磁界を低減することができる。それにより書き込み電流を小さくすることができる。

第２の効果は、ＮｉＦｅＢ膜を用いることでＭｇＯバリア層下の表面平滑性を向上し、ネールカップリング磁界を低減することができる。それにより、書き込み電流ばらつきを低減させることができる。

第３の効果は、ＭｇＯバリア層下の平滑性を向上することでＭｇＯバリアの絶縁耐圧、ＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）などの信頼性を向上させることができる。かくして、本実施の形態により、１ｍＡ以下の書き込み電流及び５００ＭＨｚ以上の高速動作が実現される。

４．変形例
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の実施の形態の変形例に係る磁気メモリセルの主要な部分（磁気抵抗効果素子の部分）の構造を表す模式図である。ただし、図７Ａは平面図であり、図７Ｂは図７ＡにおけるＢ−Ｂ’断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係る磁気メモリセルの主要部１は、ｙ軸方向に延伸して設けられる配線層７０と磁気抵抗効果素子８０とを備えている。

本変形例では、磁気抵抗効果素子８０に関する変形例である。図１Ａ及び図１Ｂの場合と比較すると、この磁気抵抗効果素子８０は、第１磁化自由層２０ａ及び第２磁化自由層２０ｂと、磁化固定層４０及び反強磁性層５０とが絶縁層３０に対して上下反転した構造になっている。

このような構造でも、図１Ａ及び図１Ｂの場合とほぼ同様の効果を得ることができる。

以上、実施の形態（変形例を含む）を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

この出願は、２００９年１１月２７日に出願された特許出願番号２００９−２７００９３号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (5)

1. 反転可能な磁化を有する磁化自由層を形成する工程と、
   前記磁化自由層の上に絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層の上に、磁化がほぼ一方向に固定された磁化固定層を形成する工程と
   を具備し、
   前記磁化自由層を形成する工程は、
   ＮｉＦｅＢから成る第２磁化自由層を形成する工程と、
   前記第２磁化自由層の上に、Ｆｅ又はＣｏから成る第１磁化自由層を形成する工程と
   を備え、
   前記絶縁層は、前記第１磁化自由層の上に形成され、
   前記第１磁化自由層の膜厚が０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記第２磁化自由層の膜厚が３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記第２磁化自由層の組成は、
   Ｎｉが７０ａｔ％以上、９０ａｔ％以下、
   Ｆｅが５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下、
   Ｂが５ａｔ％以上、２０ａｔ％以下
   である
   磁気抵抗効果素子の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記絶縁層はＭｇＯから成る
   磁気抵抗効果素子の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を用いて磁気メモリセルが形成される
   磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
   

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