KR100989792B1

KR100989792B1 - 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치

Info

Publication number: KR100989792B1
Application number: KR1020037016112A
Authority: KR
Inventors: 호소미마사노리; 미즈구치데츠야; 오바가즈히로; 베스호가즈히로; 야마모토데츠야; 가노히로시
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2010-10-29
Also published as: US7700982B2; JP4100025B2; EP1494295A4; US20040245553A1; WO2003085750A1; EP1494295A1; KR20040100846A; US7315053B2; US20080006860A1; EP1494295B1; JP2003304010A

Abstract

지금까지 없는 신규한 재료를 강자성층에 적용함으로써, 기록 특성 및 판독 특성을 동시에 향상시킨다. 한 쌍의 강자성층이 중간층을 개재하여 대향되어 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 강자성층 중 적어도 한 쪽은 Fe, Co 및 B를 함유하는 강자성 재료를 포함한다. 상기 강자성 재료는 Fe_aCo_bNi_cB_d(식 중, a, b, c 및 d는 원자%를 나타내고, 5≤a≤45, 35≤b≤85, 0<c≤35,10≤d≤30이며, 또한, a+b+c+d=100임)를 함유한다

자기 저항 효과 소자, 강자성 재료, 강자성층, 기록 특성, 판독 특성

Description

자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치{Magnetoresistance effect element and magnetic memory device}

본 발명은 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치에 관한 것이다.

정보 통신 기기, 특히 휴대 단말 등의 개인용 소형 기기의 비약적인 보급에 따라, 이것을 구성하는 메모리나 논리 등의 소자에는 고집적화, 고속화, 저전력화 등, 한층 더 고성능화가 요구되고 있다. 특히 비휘발성 메모리의 고밀도·대용량화는 가동 부분의 존재에 의해 본질적으로 소형화가 불가능한 하드디스크나 광디스크를 바꿔놓는 기술로서, 점점 더 중요도가 늘어나고 있다.

비휘발성 메모리로서는 반도체를 사용한 플래시 메모리나, 강유전체를 사용한 FRAM(Ferro electric Random Access Memory) 등을 들 수 있다. 그러나, 플래시 메모리는 기록 속도가 μ초 정도로 느리다는 결점이 있다. 한편, FRAM에서는 재기록 가능 회수가 적다는 문제가 지적되고 있다.

이러한 결점이 없는 비휘발성 메모리로서 주목되어 있는 것이, 예를 들면 「Wang et al., IEEE Trans Magn. 33(1997), 4498」에 기재되어 있는 바와 같이 MRAM(Magnetic Random Access Memory)라고 불려지는 자기 메모리 장치이다. 이 MRAM은 구조가 단순하기 때문에 고집적화가 용이하고, 또한 자기모멘트의 회전에 의해 기억하기 때문에 재기록 가능 회수가 크다. 또한 액세스 시간에 대해서도 대단히 고속인 것이 예상되고, 이미 나노초대로 동작 가능한 것이 확인되어 있다.

이 MRAM에 사용되는 자기 저항 효과 소자, 특히 터널 자기 저항 효과(Tunnel Magnetoresistance:TMR) 소자는 기본적으로 강자성층/터널 배리어층/강자성층의 강자성 터널 접합으로 구성된다. 이 소자에서는 강자성층간에 일정한 전류를 흘린 상태에서 강자성층간에 외부 자장을 인가한 경우, 양 자성층의 자화의 상대 각도에 따라서 자기 저항 효과가 나타난다. 쌍방의 강자성층의 자화의 방향이 반평행인 경우는 저항치가 최대가 되고, 평행인 경우는 저항치가 최소가 된다. 메모리 소자로서의 기능은 외부 자장에 의해 반평행과 평행의 상태를 만들어냄으로써 초래된다.

특히 스핀 밸브형의 TMR 소자에 있어서는 한 쪽의 강자성층이 인접하는 반강자성층과 반강자성적으로 결합함으로써 자화의 방향이 항상 일정하게 되고, 자화 고정층으로 된다. 다른 쪽의 강자성층은 외부 자장 등에 의해서 용이하게 자화 반전하는 정보 기록층이 된다.

이 저항의 변화율은 각각의 자성층의 스핀 분극율을 P1, P2로 하면, 하기의 식 1로 나타난다.

2P1P2/(1-P1P2). . . (1)

이와 같이, 각각의 스핀 분극율이 클수록 저항 변화율이 커진다. 강자성층에 사용하는 재료와, 이 저항 변화율의 관계에 대해서는 지금까지, Fe, Co, Ni 등 의 Fe족의 강자성체 원소나 그 3종류 중의 합금에 대한 보고가 이루어지고 있다.

그런데, MRAM의 기본적인 구성은 예를 들면 일본 특개평10-116490호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 복수의 비트 기록선과, 이들 복수의 비트 기록선과 직교하는 복수의 워드 기록선을 설치하고, 이들 비트 기록선과 워드 기록선의 교점에 자기 메모리 소자로서 TMR 소자가 배치되어 이루어진다. 그리고, 이러한 MRAM으로 기록을 할 때는 아스테로이드(asteroid) 특성을 이용하여 TMR 소자에 대하여 선택 기록을 한다.

MRAM에 사용되는 비트 기록선 및 워드 기록선에는 통상의 반도체 장치의 배선 재료인 Cu, Al 등의 도체 박막이 사용된다. 이러한 통상의 배선 재료를 사용하고, 또한 0.25㎛ 선폭으로 된 비트 기록선 및 워드 기록선에 의해서 예를 들면 반전자계가 20 Oe인 자기 메모리 소자에 대하여 기록하기 위해서는 약 2mA의 전류가 필요해진다. 비트 기록선 및 워드 기록선의 두께가 선폭과 같은 0.25㎛인 경우, 이 때의 전류 밀도는 일렉트로 마이그레이션(migration)에 의한 단선 한계치에 가까운 3.2×10⁶A/cm³이다. 따라서, 배선의 신뢰성을 유지하기 위해서는 기록 전류의 저감이 불가결하다. 또한, 기록 전류에 의한 발열의 문제나, 소비 전력 저감의 관점에서도, 이 기록 전류를 저감시킬 필요가 있다.

MRAM에서의 기록 전류의 저감을 실현하는 수법으로서, TMR 소자의 보자력을 저감시키는 것을 들 수 있다. TMR 소자의 보자력은 TMR 소자의 크기, 형상, 층 구성, 재료의 선택 등에 따라서 적절하게 결정되는 것이다. 그러나, 예를 들면 MRAM 의 기록 밀도의 향상을 목적으로 하여 TMR 소자를 미세화한 경우에는 TMR 소자의 보자력이 상승된다는 좋지 못한 상황이 생긴다. 따라서, MRAM이 미세화(고집적화)와 기록 전류의 저감을 동시에 달성하기 위해서는 재료면에서 TMR 소자의 보자력 저감을 달성할 필요가 있다.

또한, MRAM에서 TMR 소자의 자기 특성이 소자마다 격차가 있는 것이나, 동일 소자를 반복하여 측정한 경우의 격차가 존재하면 아스테로이드 특성을 사용한 선택기록이 곤란하다는 문제점이 있다. 따라서, TMR 소자에는 이상적인 아스테로이드 곡선을 그리게 하기 위한 자기 특성도 요구된다. 이상적인 아스테로이드 곡선을 그리게 하기 위해서는 TMR 측정을 하였을 때의 R-H(저항-자장) 곡선에 있어서 벌크하우젠 노이즈(Bulk-hausen noise) 등의 노이즈가 없는 것, 파형의 각(角)형성이 좋은 것, 자화 상태가 안정되어 있고 보자력(Hc)의 격차가 적은 것이 필요하다.

그런데, TMR 소자의 정보 판독은 터널 배리어층을 끼운 한 쪽의 강자성층과 다른 쪽의 강자성층의 자기 모멘트가 반평행하고 저항치가 높은 경우를 예를 들면 "1", 그 반대로 각각의 자기 모멘트가 평행한 경우를 "0"으로 하여 그 상태에서의 일정 바이어스 전압에서의 전류 차나 일정 바이어스 전류에서의 전압 차에 의해 판독한다. 따라서, 소자간의 저항 격차가 같은 경우에는 TMR비가 높을수록 유리하고, 고속으로 집적도가 높고, 에러 레이트가 낮은 메모리가 실현된다.

또한, TMR 소자에는 저항 변화율의 바이어스 전압 의존성이 존재하고, 바이어스 전압이 상승함에 따라서 TMR비가 감소되어 가는 것이 알려져 있다. 전류 차 또는 전압 차로 판독하는 경우에, 대부분의 경우에 저항 변화율이 바이어스 전압 의존성에 의해 반감하는 전압(Vh)으로 판독하여 신호의 최대치를 잡는 것이 알려져 있기 때문에, 바이어스 전압 의존성도 적은 쪽이 판독 에러의 저감에 있어서 유효하다.

이상과 같이, MRAM에 사용되는 TMR 소자에는 상술한 기록 특성 요건과 판독 특성 요건을 동시에 만족하는 것이 필요하다.

그러나, TMR 소자의 강자성층의 재료를 선택하는 경우에, 식 1의 P1 및 P2로 나타나는 스핀 분극율이 커지는 합금 조성을 Co, Fe, Ni의 강자성 천이 금속 원소만을 성분으로 하는 재료로부터 선택하면, 일반적으로 TMR 소자의 보자력(Hc)이 증대하는 경향이 있다.

예를 들면, Co₇₅Fe₂₅(원자%) 합금 등을 정보 기록층에 사용한 경우는 스핀 분극율이 크고 40% 이상이 높은 TMR비를 확보할 수 있지만, 보자력(Hc)도 커진다.

대신에, 연자성 재료로서 알려진 퍼멀로이(Permalloy)라고 불리는 Ni₈₀Fe₂₀(원자%) 합금 등을 사용한 경우, 보자력(Hc)의 저감은 가능하지만, 상술한 Co₇₅Fe₂₅(원자%) 합금과 비교하여 스핀 분극율이 작기 때문에 TMR비가 33% 정도까지 저하되어 버린다.

또한, Co₉₀Fe₁₀(원자%)은 약 37%의 TMR비를 얻을 수 있는 동시에, 보자력(Hc)을 상술한 Co₇₅Fe₂₅(원자%) 합금과 Ni₈₀Fe₂₀(원자%) 합금의 중간 정도로 억제하지만, R-H 곡선의 각형성이 뒤떨어져, 기록을 가능하게 하는 아스테로이드 특성이 얻어지지 않는다.

그래서 본 발명은 이러한 종래의 실정을 감안하여 제안된 것으로, 지금까지 없는 신규한 재료를 강자성층에 적용함으로써, 기록 특성 및 판독 특성을 동시에 향상시키는 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자는 한 쌍의 강자성층이 중간층을 개재하여 대향되어 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 강자성층 중 적어도 한 쪽은 Fe, Co 및 B를 함유하는 강자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 한 쌍의 강자성층이 중간층을 개재하여 대향되어 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자와, 상기 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 끼우는 워드선 및 비트선을 구비하고, 상기 강자성층 중 적어도 한 쪽은 Fe, Co 및 B를 함유하는 강자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.

적어도 한 쪽의 강자성층이 강자성 재료로서 강자성 천이 금속 원소인 Fe 및 Co에 더하여 B를 함유함으로써, 자기 저항 효과 소자의 자기 저항(MR)비의 향상, R-H 곡선의 각형성의 개선, MR비의 바이어스 전압 의존성의 개선, 보자력의 격차의 개선을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명을 적용한 TMR 소자의 일 예를 도시하는 주요부 개략 단면도.

도 2는 정보 기록층에 Fe, Co, B를 함유하는 강자성 재료를 사용한 TMR 소자, 및 정보 기록층에 Fe, Co를 함유하는 강자성 재료를 사용한 TMR 소자의 저항-외부 자장 곡선을 도시하는 특성도.

도 3은 본 발명을 적용한 TMR 소자의 다른 예이고, 적층 페리(ferri) 구조를 갖는 TMR 소자를 도시하는 주요부 개략 단면도.

도 4는 본 발명의 TMR 소자를 메모리 셀로서 갖는 크로스 포인트(cross point)형 MRAM 어레이의 주요부 개략 사시도.

도 5는 도 4에 도시하는 메모리 셀의 확대 단면도.

도 6은 TMR 소자 평가용의 TEG의 평면도.

도 7은 도 6중 A-A 선의 단면도.

도 8은 본 발명의 최적인 합금 조성을 설명하기 위한 3원계 상태도.

이하, 본 발명을 적용한 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명을 적용한 터널 자기 저항 효과 소자(이하, TMR 소자라고 부른다; 1)는 예를 들면 도 1에 도시하는 바와 같이, Si 등으로 이루어지는 기판(2)상에, 하지층(3)과, 반강자성층(4)과, 강자성층인 자화 고정층(5)과, 터널 배리어층(6)과, 강자성층인 정보 기록층(7)과, 탑 코트층(8)이 이러한 순서로 적층되어 구성된다. 이 TMR 소자(1)는 한 쌍의 강자성층인 자화 고정층(5)과 정보 기록층(7)으로 터널 배리어층(6)을 끼움으로써, 강자성 터널 접합(9)을 형성하고 있다. TMR 소자(1)는 강자성층의 한 쪽이 자화 고정층(5)으로 되고, 다른 쪽이 정보 기록층(7)이라고 된 소위 스핀 밸브형의 TMR 소자이다.

반강자성층(4)은 강자성층의 한 쪽인 자화 고정층(5)과 반강자성적으로 결합함으로써, 기록을 위한 전류 자계에 의해서도 자화 고정층(5)의 자화를 반전시키지 않고, 자화 고정층(5)의 자화의 방향을 항상 일정하게 하기 위한 층이다. 즉, 도 1에 도시하는 TMR 소자(1)에서는 다른 쪽의 강자성층인 정보 기록층(7)만을 외부 자장 등에 의해서 자화 반전시킨다. 반강자성층(4)을 구성하는 재료로서는 Fe, Ni, Pt, Ir, Rh 등을 포함하는 Mn 합금, Co 산화물, Ni 산화물 등을 사용할 수 있다.

도 1에 도시하는 스핀 밸브형의 TMR 소자(1)에 있어서는 자화 고정층(5)은 반강자성층(4)과 반강자성적으로 결합함으로써 자화의 방향이 일정해진다. 이 때문에, 기록 시의 전류 자계에 의해서도 자화 고정층(5)의 자화는 반전하지 않는다.

터널 배리어층(6)은 스퍼터링법이나 증착법 등에 의해서 성막된 금속막을 산화 또는 질화함으로써 얻을 수 있다. 또한, 터널 배리어층(6)은 유기 금속과, 산소, 오존, 질소, 할로겐, 할로겐화 가스 등을 사용하는 CVD 법에 의해서 얻을 수 있다.

그리고 본 발명에서는 강자성 터널 접합(9) 중 강자성층인 자화 고정층(5), 정보 기록층(7)의 적어도 한 쪽이 강자성 재료로서 강자성 천이 금속 원소인 Fe 및 Co와 동시에 B를 함유한다. 강자성 천이 금속 원소만으로 강자성층을 구성한 종래의 TMR 소자에서는 스핀 분극율을 높이면 보자력도 증대한다는 좋지 못한 상황을 동반하지만, 본 발명에서는 이러한 강자성 재료를 함유함으로써 스핀 분극율의 향상과 보자력의 저감을 양립하여, TMR비의 향상 및 기록 전류의 저감을 실현할 수 있다. 더구나, 본 발명에서는 높은 TMR비와 낮은 보자력을 양립하면서, R-H 곡선의 각형성을 손상시키는 일이 없다. 또한, B를 함유함으로써, 바이어스 전압 의존성의 개선도 가능해진다.

여기서, 정보 기록층이 강자성 재료로서 본 발명의 범위내인 (Co₉₀Fe₁₀)₈₀ B₁₀을 함유하는 TMR 소자와, 정보 기록층이 강자성 재료로서 Co₉₀Fe₁₀을 함유하는 TMR 소자를 각각 실제로 제작하여, 이들에 대하여 저항-외부 자장 곡선을 측정한 결과를 도 2에 도시한다. 도 2로부터 분명한 것처럼, 정보 기록층이 강자성 재료로서 Fe, Co, B를 함유하는 TMR 소자에서는 Fe 및 Co만을 함유하는 TMR 소자와 비교하여, TMR비를 높게 유지하면서 보자력(Hc)을 저감시키는 것이 가능하였다. 또한, R-H 루프의 각형성이 향상됨과 동시에 바아크 하우젠 노이즈도 저감되었다. 따라서, 본 발명에 따르면, 기록 전류의 저감이 가능해질 뿐만 아니라, 아스테로이드 곡선의 형상도 개선되어 기록 특성이 향상되고, 기록 에러의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

이러한 효과가 나타나는 원인은 명확하지 않지만, B를 함유하는 강자성층에서는 미시적인 구조가 통상의 금속 조직으로부터 미결정 또는 비결정질 조직으로 조직 형태가 변화하기 때문이라고 생각된다. 단, 단지 미시적인 구조가 비결정질이면 TMR 특성이 개선되는 것은 아니고, 강자성층이 상술한 원소를 함유하고, 또한, 후술하는 조성 범위를 만족하는 것이 중요하다.

그런데, 강자성층이 함유하는 Fe, Co, B의 합금 조성에는 최적 범위가 존재하고, 자성층 중 적어도 한 쪽이 함유하는 강자성 재료는 불가피한 불순물 원소를 제외하고, 조성식 Fe_xCo_yB_z(식 중, x, y 및 z는 원자%를 나타냄)로 구성되고, 5≤x≤45, 35≤y≤85, 10≤z≤30인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 때, x+y+z=100이다. 이들의 규정에 대하여 이하에 언급한다.

우선, 강자성층에 첨가하는 B에 대하여 설명한다. B의 첨가량이 10원자% 미만인 경우에는 베이스로 되는 Fe-Co 합금의 자기 특성이 크게 반영되어, 완만한 개선 효과가 인정될 뿐이다. 따라서, 10원자% 이상의 B를 함유함으로써, Fe, Co 등을 같은 비율로 포함하는 합금과 비교하여, TMR비가 현저하게 증대됨과 동시에, R-H 곡선의 각형성이 개선된다. 또한, TMR비의 바이어스 의존성도 개선되고, 또한 정보 기록층의 자화 상태가 안정되고 있기 때문에, 보자력의 격차가 작고, R-H 곡선 상에 보이는 노이즈도 대폭적으로 저감된다. 또한, B의 첨가량은 30원자% 이하인 것이 바람직하다. B의 첨가량이 30원자%를 상회하면, 정보 기록층의 강자성적인 특성 및 자화 고정층의 고정 자계가 손상되기 시작한다. 이 결과, TMR비의 저하, R-H 곡선의 각형성의 열화 및 보자력의 감소를 초래할 우려가 있다. 따라서, B를 첨가하는 것에 의한 본 발명의 효과를 확실하게 얻기 위해서는 Fe-Co 합금의 조성에 의해 약간 변화하지만, 적어도 한 쪽의 강자성층은 10원자% 이상, 30원자% 이하의 B를 함유하는 것이 바람직하다.

다음에, 베이스가 되는 (Fe, Co) 합금에 관해서 설명한다. 본 발명의 효과를 현저하게 얻는 관점에서 Co는 필수적인 원소이다. 구체적으로는 B를 포함시킨 합금 조성으로 적어도 35원자%의 Co가 필요한 B가 첨가된 경우의 효과를 촉진하고, 더구나 강자성적인 성질을 보유하기 때문이다. 게다가 Fe가 첨가되면, Co-Fe 베이스 합금에서의 변화처럼, TMR비의 향상 및 보자력의 증대 효과가 인정된다. 그러나, Fe의 함유량이 45원자%를 상회하면, 실제의 소자 치수로서는 보자력이 지나치게 증대되어, TMR 소자에서 부적당하다. 또한, Fe의 함유량이 5원자% 미만이고 강자성층의 스핀 분극율이 작고, 자기 저항 효과 소자로서 동작하기에 충분한 TMR비를 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, Fe의 함유량은 5원자% 이상, 45원자% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 강자성 터널 접합의 강자성층의 적어도 한 쪽은 Fe, Co, B의 외에 Ni를 함유하고 있어도 좋다. 강자성층이 또한 Ni를 함유하는 경우라도, 보자력의 증대를 억제하면서 양호한 TMR비를 유지하고, R-H 곡선의 각형성의 개선 효과를 얻을 수 있다. Ni의 함유량에도 최적 범위가 존재하고, Ni는 0원자% 이상, 35원자% 이하인 것이 바람직하다. Ni의 함유량이 35원자%를 상회하면, 보자력이 작아져 TMR 소자의 동작의 제어가 곤란하게 될 우려가 있기 때문이다. 즉, 강자성층 중 적어도 한 쪽이 함유하는 강자성 재료는 불가피한 불순물 원소를 제외하고, 조성식 FeaCobNicBd(식 중, a, b, c 및 d는 원자%를 나타냄)로 구성되고, 5≤a≤45, 35≤b≤85, 0<c≤35, 10≤d≤30인 것이 바람직하다. 이 때, a+b+c+d=100이다.

이상과 같은 Fe, Co, B를 함유하는 강자성 재료는 정보 기록층(7), 자화 고정층(5)의 적어도 한 쪽에 적용하면 좋지만, 적어도 정보 기록층(7), 보다 바람직 하게는 정보 기록층(7) 및 자화 고정층(5)의 쌍방에 적용시킴으로써, 본 발명의 효과를 보다 현저하게 얻을 수 있다. 물론, Fe, Co, B를 함유하는 강자성 재료를 포함하는 강자성층 이외의 강자성층은 이 종류의 자기 저항 효과 소자에 통상적으로 사용되는 재료를 어떠한 것이나 사용할 수 있다.

또한, 예를 들면 상술한 재료를 정보 기록층(7)에 적용하는 경우, 정보 기록층(7)의 막 두께는 1nm 이상, 10nm 이하인 것이 바람직하고, 범위 내임으로써 양호한 자기 특성을 확보할 수 있다. 정보 기록층(7)의 막 두께가 1nm 미만인 경우에는 자기 특성이 대폭 손상되고, 반대로 정보 기록층(7)의 막 두께가 10nm을 상회하는 경우에는 TMR 소자의 보자력이 지나치게 높아지기 때문에 실용상 부적당하게 될 우려가 있기 때문이다. 단, 정보 기록층(7)이 상술한 원소를 포함하는 재료로 이루어지는 층의 단층이 아니라, 예를 들면 상술한 원소를 포함하는 재료로 이루어지는 층과, 예를 들면 자화량의 작은 NiFe 층 등과의 적층 구조인 경우에는 정보 기록층(7)의 막 두께의 합계는 10nm을 상회하여도 좋다.

또한, 상술한 재료를 자화 고정층(5)에 적용하는 경우, 자화 고정층(5)의 막 두께는 0.5nm 이상, 6nm 이하인 것이 바람직하고, 범위 내임으로써 본 발명의 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다. 자화 고정층(5)의 막 두께가 0.5nm 미만인 경우에는 자기 특성이 손상되고, 반대로 자화 고정층의 막 두께가 6nm을 상회하는 경우에는 반강자성층(4)과의 교환 결합 자계를 충분하게 얻을 수 없게 될 우려가 있다.

또한, 본 발명의 TMR 소자로서는 도 1에 도시하는 바와 같은 자화 고정층(5) 및 정보 기록층(7)의 각각이 단층으로 구성되는 경우에 한정되지 않는다. 예를 들 면 도 3에 도시하는 바와 같이, 자화 고정층(5)이, 제 1 자화 고정층(5a)과 제 2 자화 고정층(5b)으로 도전체층(5c)을 끼워 이루어지는 적층 페리 구조로 되는 경우라도, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 도 3에 도시하는 TMR 소자(10)에서는 제 1 자화 고정층(5a)이 반강자성층(4)과 접촉하고 있고, 이들의 층간에 작용하는 교환 상호 작용에 의해서, 제 1 자화 고정층(5a)은 강한 한 방향의 자기이방성을 가진다. 적층 페리 구조의 도전체층(5c)에 사용되는 재료로서는 예를 들면 Ru, Cu, Cr, Au, Ag 등을 들 수 있다. 도 3의 TMR 소자(10)의 다른 층에 대해서는 도 1에 도시하는 TMR 소자(1)와 거의 같은 구성이므로, 도 1과 같은 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 TMR 소자는 도 1 및 도 3에 도시하는 층 구성에 한정되지 않고, 공지된 여러 층 구성을 취할 수 있는 것은 물론 이다.

더욱이, 본 발명은 한 쌍의 강자성층이 비자성 도체층을 끼워 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자에 적용한 경우라도 상술한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같은 TMR 소자 등의 자기 저항 효과 소자는 예를 들면 MRAM 등의 자기 메모리 장치에 사용되기에 적합하다. 이하, 본 발명의 TMR 소자를 사용한 MRAM에 관해서, 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다.

본 발명의 TMR 소자를 갖는 크로스 포인트형의 MRAM 어레이를 도 4에 도시한다. 도 4에 도시하는 MRAM 어레이는 복수의 워드선(WL)과, 이들 워드선(WL)과 직교하는 복수의 비트선(BL)을 갖고, 워드선(WL)과 비트선(BL)의 교점에 본 발명의 TMR 소자가 배치되어 이루어지는 메모리 셀(11)을 갖는다. 즉, 이 MRAM 어레이로서는 3×3의 메모리 셀(11)이 매트릭스형으로 배열된다. 물론, MRAM 어레이에 사용되는 TMR 소자로서는 도 1에 도시하는 TMR 소자에 한정되지 않고, 적층 페리 구조를 갖는 도 3에 도시하는 TMR 소자(10)등, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서 강자성층 중 적어도 한 쪽이 상술한 강자성 재료를 포함하고 있는 것이라면 어떠한 구성이라도 상관없다.

각 메모리 셀(11)은 도 5에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 실리콘 기판(12)상에, 게이트 전극(13), 소스 영역(14) 및 드레인 영역(15)으로 이루어지는 트랜지스터(16)를 갖는다. 게이트 전극(13)은 판독용의 워드선(WL1)을 구성하고 있다. 게이트 전극(13)상에는 절연층을 개재하여 기록용의 워드선(WL2)이 형성되어 있다. 트랜지스터(16)의 드레인 영역(15)에는 콘택트 메탈(17)이 접속되고, 또한 콘택트 메탈(17)에는 하지층(18)이 접속되어 있다. 이 하지층(18)상의 기록용의 워드선(WL2)의 상방에 대응하는 위치에, 본 발명의 TMR 소자(1)가 형성되어 있다. 이 TMR 소자(1)상에, 워드선(WL1 및 WL2)과 직교하는 비트선(BL)이 형성되어 있다.

본 발명을 적용한 MRAM은 앞서 언급한 것처럼, 강자성 터널 접합을 구성하는 강자성층의 어느 한 쪽이 특정한 원소를 함유하는 TMR 소자(1)를 사용하고 있기 때문에, TMR 출력이 극히 뛰어나고, 메모리 동작의 안정성이 비약적으로 향상된다. 또한, 본 발명의 MRAM은 TMR비의 바이어스 전압 의존 특성이 향상된 TMR 소자(1)를 사용하고 있기 때문에, 판독할 때에 저저항 상태와 고저항 상태의 판별이 용이해지 고, 에러 레이트가 저감된다. 또한, R-H 곡선에 있어서 노이즈가 저감하여, 아스테로이드 특성이 향상되기 때문에 기록 에러의 저감이 도모된다. 이상 정리하면, 본 발명의 MRAM은 판독 특성 및 기록 특성을 동시에 만족할 수 있다.

또, 본 발명의 TMR 소자 등의 자기 저항 효과 소자는 앞서 언급한 자기 메모리 장치뿐만 아니라, 자기 헤드 및 이 자기 헤드를 탑재한 하드디스크 드라이브, 집적 회로칩, 또한 퍼스널컴퓨터, 휴대 단말, 휴대 전화를 비롯한 각종 전자 기기, 전기 기기 등에 적용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상술한 기재에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시예에 관해서, 실험 결과에 기초하여 설명한다. 또한, 도 4 및 도 5를 사용하여 설명한 바와 같이, MRAM에는 TMR 소자이외에 스위칭용의 트랜지스터 등이 존재하지만, 본 실시예에서는 TMR 특성을 조사하기 위해서 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같은 강자성 터널 접합만을 형성한 웨이퍼에 의해 검토하였다.

실험 1

우선, 강자성 터널 접합의 강자성층의 어느 한 쪽이 Fe, Co 및 B를 포함하는 것에 의한 효과 및 강자성층의 조성의 최적 범위에 관해서 검토하였다.

<샘플 1>

도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서 사용하는 특성 평가용 소자(Test Element Group: TEG)는 기판(21)상에, 워드선(WL)과 비트선(BL)이 직교하여 배치되고, 이들 워드선(WL)과 비트선(BL)이 교차하는 부분에 자기 저항 효과 소자(22)가 형성되어 있다. 여기서 형성되는 자기 저항 효과 소자(22)는 단축 0.5㎛ ×장축 1.0㎛의 타원 형상을 나타낸다. 또한, 워드선(WL) 및 비트선(BL)의 양단에는 각각 단자 패드(23, 24)가 형성되어 있다. 또한, 워드선(WL)과 비트선(BL)은 Al₂O₃으로 이루어지는 절연막(25)에 의해서 전기적으로 절연된다.

이러한 TEG는 아래와 같이 제작된다. 우선, 기판(21)상에 워드선 재료를 성막하여, 포토리소그래피에 의해서 마스크한 후에 워드선 이외의 부분을 Ar 플라스마에 의해 선택적으로 에칭하여, 워드선을 형성하였다. 이 때, 워드선 이외의 영역은 기판의 깊이 5nm까지 에칭되었다. 기판으로서는 두께 0.6mm의 열산화막(2㎛)이 부착된 실리콘 기판을 사용하였다.

다음에, 워드선(WL)에 하기의 층 구성(1)으로 이루어지는 강자성 터널 접합, 즉 TMR 소자를 공지의 리소그래피법 및 에칭에 의해 제작하였다. 괄호 속은 막 두께를 나타낸다.

Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)-O_x/FeCoB(4nm)/Ta(5nm)

상기 층 구성 중, 정보 기록층을 구성하는 FeCoB의 조성을 Fe9Co81B10(원자%)으로 하였다. 또한, 정보 기록층 이외의 CoFe로 이루어지는 층의 조성을 Co75Fe25(원자%)로 하였다.

터널 배리어층인 Al-O_x 층은 우선 금속 Al 막을 DC 스퍼터법에 의해 1nm 퇴적시키고, 그 후에, 산소/아르곤의 유량비를 1:1로 하고, 챔버 가스압을 0.1mTorr로 하여, ICP 플라스마에 의해 금속 Al막을 플라스마 산화함으로써 형성되었다. 산화 시간은 ICP 플라스마 출력에 의존하지만, 이번의 실시예에서는 30초로 하였다.

또한, 터널 배리어층인 Al-O_x 층 이외에는 DC 마그네트론 스퍼터법을 사용하여 성막하였다.

상기 막을 적층한 후, 자장 중 열처리 화로에서, 10kOe, 270℃, 4시간의 열처리를 하여, 반강자성층인 PtMn 층의 규칙화 열처리를 하여, 강자성 터널 접합을 얻었다.

상기와 같은 강자성 터널 접합을 제작한 후, Al₂O₃을 스퍼터함으로써 두께 100nm 정도의 절연층(25)을 성막하고, 또한 포토리소그래피에 의해 비트선(BL) 및 단자 패드(24)를 형성함으로써, 도 6 및 도 7에 도시하는 TEG를 얻었다.

<샘플 2>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₈Co₇₂B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 3>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₇Co₆₃B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 4>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe_22.5Co_67.5B₁₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 5>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₀Co₆₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 6>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe_17.5 Co_52.5B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 7>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₆Co₅₄B₁₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 8>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₂Co₄₈B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 9>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₈Co₄₂B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 10>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₅Co₇₅(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 11>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₀Co₈₂B₈(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 12>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₅₀Co₄₃B₇(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 13>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Co₉₅B₅(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 14>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₀Co₅₅B₃₅(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 15>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₀Co₃₅B₃₅(원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 16>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₄₀Co₃₀B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 17>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₅₀Co₃₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

이상과 같이 제작된 샘플 1 내지 샘플 17의 TEG에 대하여, 하기와 동일하게 하여 TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 바이어스 전압 의존성을 측정하였다.

TMR비의 측정

통상의 MRAM 등의 자기 메모리 장치에서는 전류 자계에 의해서 자기 저항 효과 소자를 자화 반전시켜 정보를 기록하지만, 본 실시예에서는 외부 자계에 의해서 자기 저항 효과 소자를 자화 반전시킴으로써, TMR비를 측정하였다. 즉, 우선, TMR 소자의 정보 기록층을 자화 반전시키기 위한 외부 자계를, 정보 기록층의 자화용이축에 대하여 평행해지도록 인가하였다. 측정을 위한 외부 자계의 크기는 500Oe로 하였다. 다음에, 정보 기록층의 자화 용이축의 한 쪽으로부터 보아 -500Oe에서 +500Oe까지 이르는 동시에, 워드선(WL)의 단자 패드(23)와 비트선(BL)의 단자 패드(24)에 걸리는 바이어스 전압이 100mV가 되도록 조절하여, 강자성 터널 접합에 터널 전류를 흘렸다. 이 때의, 각 외부 자계에 대한 저항치를 측정하였다. 그리고, 자화 고정층과 정보 기록층의 자화가 반평행의 상태이고 저항이 높은 상태에서의 저항치와, 자화 고정층과 정보 기록층의 자화가 평형 상태이고 저항이 낮은 상태에서의 저항치의 비를, TMR비로 하였다. 또, 양호한 판독 특성을 얻는다는 관점에서, 이 TMR비는 45% 이상인 것이 바람직하다.

보자력(Hc)의 격차의 측정

보자력(Hc)은 상기의 TMRt비의 측정법으로부터 구해지는 R-H 곡선으로부터 구하였다. 그리고, 동일 소자에 대하여 R-H 곡선을 50회 반복하여 측정하여, 최대 저항치와 최소 저항치의 반의 값에 대하여, 보자력(Hc)의 격차를 구하였다. 격차치는 △Hc/Hc 평균치로서 산출하였다. 또, 기록 특성의 향상을 도모한다는 관점에서, 보자력(Hc)의 격차는 4% 이하인 것이 바람직하다.

각형비의 측정

R-H 곡선으로부터 파형의 각형비를 구하였다. 즉, 측정 시의 -5000e에서 +5000e까지의 자장 범위에서의 R-H 곡선의 R1max-R1min과 제로 자장(H=0)에서의 R 2max-R2min의 비, (R2max-R2min)/(R1max-R1min)의 값을 나타낸다. 각형비는 기록 특성의 향상을 도모한다는 관점에서, 0.9 이상인 것이 바람직하다.

바이어스 전압 의존성의 측정

바이어스 전압을 100mV에서 1000mV까지 10mV 세분하여 변화시키면서 R-H 곡선을 측정하여, TMR비를 구하고, 바이어스 전압에 대하여 플롯하였다. 그리고, 외부 삽입된 0mV에서의 TMR비에 대하여, 반이 되는 바이어스 전압을 구하여, 이것을 Vhalf로 하였다. Vhalf는 550mV 이상인 것이 바람직하다.

이상의 샘플 1 내지 샘플 17의 정보 기록층의 조성 및 막 두께를, 하기의 표 1에 나타낸다. 또한, 이상과 같이 구해진 TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 바이어스 전압 의존성의 결과를 하기 표 2에 나타낸다.

이상의 표 1 및 표 2로부터 분명한 바와 같이, 자화 고정층 및 정보 기록층의 어떠한 것에 있어서도 B를 함유하지 않은 샘플 10은 예를 들면 정보 기록층에 B 를 약간 포함하는 샘플 11 내지 샘플 13이 바이어스 전압 의존성 Vhalf에 한해서는 양호한 값을 나타낸 것에 대하여, TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 바이어스 전압 의존성 Vhalf의 어떠한 것에 있어서도 뒤떨어지고 있었다. 이 사실로부터, 강자성 터널 접합의 적어도 한 쪽의 강자성층이 Fe, Co와 동시에 B를 함유함으로써, 기록 특성의 개선 효과가 얻어지는 것을 알았다.

또한, 본 발명의 합금 조성의 범위 내인 샘플 1 내지 샘플 9는 45% 이상의 TMR비가 얻어지고, 각형비가 0.9 이상으로 뛰어난 TMR 특성을 나타내었다. 또한, 샘플 1 내지 샘플 9는 보자력(Hc)의 격차가 4% 이하로 억제되어 있고, 자기적으로 대단히 안정된 상태라고 할 수 있다. 더욱이, 샘플 1 내지 샘플 9는 Vhalf가 550 mV 이상의 높은 값을 나타내고 있기 때문에, MRAM으로서의 동작 시에 있어서 0/1의 전압 차가 커진다. 따라서, 샘플 1 내지 샘플 9는 기록 특성 및 판독 특성의 쌍방이 뛰어나고, 기록 및 판독의 어떠한 것에 있어서도 에러가 대단히 작은 MRAM을 실현할 수 있다. 이것에 대하여, 본 발명의 조성의 범위 외인 샘플 10 내지 샘플 17은 TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 Vhalf가 뒤떨어져, 기록 특성 및 판독 특성이 불충분한 것을 알 수 있다.

도 8은 Fe, Co, B의 3원계 상태도이고, 상술의 샘플 1 내지 샘플 17을 플롯한 것이다. 상기 도면 중의 수치는 샘플 번호를 나타낸다. 도 8의 사선으로 도시하는 영역은 본 발명의 조성 범위, 즉 Fe가 5 원자% 이상 45원자% 이하, Co가 35원자% 이상 85원자% 이하, B가 10원자% 이상 30원자% 이하의 조성 범위이고, 샘플 1 내지 샘플 9는 이 범위 내에 들어간다.

이상의 사실로부터, 강자성 터널 접합중 어느 한 쪽의 강자성층이 Fe, Co 및 B를 함유하고, Fe가 5원자% 이상 45원자% 이하, Co가 35원자% 이상 85원자% 이하, B가 10원자% 이상 30원자% 이하인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

실험 2

다음에, 강자성 터널 접합의 층 구성을 변화시킨 후에, 정보 기록층의 최적인 막 두께 범위에 관해서 검토하였다.

<샘플 18>

강자성 터널 접합의 층 구성을 하기와 같은 층 구성(2)으로 함과 동시에, 자화 고정층 및 정보 기록층의 조성을 변화시킨 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다. 즉, 이 샘플 18에서는 자화 고정층의 조성을 본 발명의 조성 범위내인 Fe₂₀Co₆₀B₂₀(원자%)으로 하였다. 또한, 이 샘플 18의 정보 기록층의 조성을 Fe₄₅Co₄₅B₂₀(원자%)으로 하였다. 더욱이, 이 샘플 18에 있어서는 샘플 1 내지 샘플 17과는 달리, 정보 기록층의 막 두께를 5nm으로 하였다.

Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2nm)/CoFeB(1nm)/Al(1nm)-O_x/FeCoB(5nm)/Ta(5nm)

<샘플 19>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₄₀Co₄₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 18과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 20>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₅Co₃₅B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 18과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 21>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₈Co₇₂B₂₀(원자%)으로 하고, 또한 정보 기록층의 막 두께를 2.5nm으로 한 것 이외에는 샘플 18과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 22>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₀Co₆₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 21과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 23>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₂Co₄₈B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 21과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 24>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₄₀Co₄₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 21과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 25>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₈Co₇₂B₂₀(원자%)으로 하고, 또한 정보 기록층의 막 두께를 1.8nm으로 한 것 이외에는 샘플 18과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 26>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₀Co₆₀B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 25와 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 27>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₃₂Co₄₈B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 25와 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 28>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₉Co₈₁B₁₀(원자%)으로 하고, 또한 정보 기록층의 막 두께를 10.5nm으로 한 것 이외에는 샘플 18과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 29>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₈Co₇₂B₂₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 28과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 30>

강자성 터널 접합의 층 구성(2) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₇Co₆₃B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 28과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

이상의 샘플 18 내지 샘플 30의 정보 기록층의 조성 및 막 두께를, 하기의 표 3에 나타낸다. 또한, 이상과 같이 구해진 TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 바이어스 전압 의존성의 결과를 하기 표 4에 나타낸다.

이상의 표 3 및 표 4로부터 분명한 바와 같이, 정보 기록층의 막 두께가 1.8nm인 샘플 25 내지 샘플 27 및 정보 기록층의 막 두께가 10.5nm 인 샘플 28 내지 샘플 30은 샘플 18 내지 샘플 24와 비교하여, 각 특성의 어느 것인가가 약간 뒤떨어지는 것이었다. 따라서, 정보 기록층의 막 두께에는 최적 범위가 존재하고, 1nm 이상 10nm 이하, 특히 2.5nm 이상 7nm 이하인 것이 바람직하다는 것을 알았다.

실험 3

다음에, 강자성 터널 접합을 구성하는 강자성층의 어느 한족이 Fe, Co, B의 그 외에 또한 Ni를 함유하는 경우에 관해서 검토한다.

<샘플 31>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₀Co₃₅Ni₃₅B₁₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 32>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₀Co₃₅Ni₃₅B₂₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 33>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₇Co₃₅Ni₂₈B₃₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 34>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₅Co₅₀Ni₂₅B₁₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 35>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₅Co₄₀Ni₂₅B₂₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 36>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₀Co₃₅Ni₂₅B₃₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 37>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₀Co₃₅Ni₃₅B₂₀원자%)로 하고, 정보 기록층의 막 두께를 2.5nm으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 38>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₁₅Co₄₀Ni₂₅B₂₀원자%)로 하고, 정보 기록층의 막 두께를 2.5nm으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 39>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₂₀Co₃₀Ni₃₀B₂₀원자%)로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

<샘플 40>

강자성 터널 접합의 층 구성(1) 중, 정보 기록층의 조성을 Fe₅Co₄₀Ni₄₅B₁₀(원자%)으로 한 것 이외에는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.

이상의 샘플 31 내지 샘플 40의 정보 기록층의 조성 및 막 두께를, 하기의 표 5에 나타낸다. 또한, 이상과 같이 구해진 TMR비, 보자력(Hc)의 격차, 각형비 및 바이어스 전압 의존성의 결과를 하기 표 6에 나타낸다.

이상의 표 5 및 표 6으로부터 분명한 바와 같이, Fe, Co, B의 조성 범위가 적정한 범위 내인 샘플 31 내지 샘플 38은 또한 Ni를 함유한 경우라도 뛰어난 기록 특성 및 판독 특성을 얻을 수 있는 것을 알았다. 그러나, Ni의 함유량이 45원자% 인 샘플 40은 TMR비의 저하, 각형비의 열화 및 Vhalf의 저하를 야기하였다. 이 사실로부터, Ni의 함유량에는 최적의 범위가 존재하고, 35원자% 이하인 것이 바람직하다는 것을 알았다. 또한, Co 함유량이 부족한 샘플 39에서는 TMR비가 저하하고 있기 때문에, 강자성층 베이스가 되는 합금으로서, Fe 및 Co의 함유량이 중요하다는 것을 알았다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, MR비의 향상, R-H 곡선의 각형성의 개선, MR비의 바이어스 전압 의존성의 개선, 보자력의 격차의 개선을 도모함으로써, 자기 메모리 장치 등에 사용하였을 때에 기록 특성 및 판독 특성을 동시에 만족할 수 있는 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 이러한 자기 저항 효과 소자를 사용함으로써, 기록 특성 및 판독 특성을 동시에 만족하는 것이 가능한 자기 메모리 장치를 실현할 수 있다.

Claims

한 쌍의 강자성층이 중간층을 개재하여 대향되어 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서,

상기 강자성층 중 적어도 한 쪽은 Fe, Co 및 B를 함유하는 강자성 재료를 포함하고,

상기 강자성 재료는 Fe_aCo_bNi_cB_d(식 중에서, a, b, c 및 d는 원자%를 나타내고, 5≤a≤45, 35≤b≤85, 0<c≤35, 10≤d≤30이며, 또한, a+b+c+d=100임)를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
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제 1 항에 있어서, 상기 강자성 재료는 비결정질인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 중간층으로서 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저 항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성층 중 한 쪽이 자화 고정층이고, 다른 쪽이 정보 기록층인 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
제 1 항에 있어서, 적층 페리 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
한 쌍의 강자성층이 중간층을 개재하여 대향되어 이루어지고, 막 면에 대하여 수직으로 전류를 흘림으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자와,

상기 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 끼우는 워드선 및 비트선을 구비하고,

상기 강자성층 중 적어도 한 쪽은 Fe, Co 및 B를 함유하는 강자성 재료를 포함하고,

상기 강자성 재료는 Fe_aCo_bNi_cB_d(식 중, a, b, c 및 d는 원자%를 나타내고, 5≤a≤45, 35≤b≤85, 0<c≤35, 10≤d≤30이며, 또한, a+b+c+d=100임)를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
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제 8 항에 있어서, 상기 강자성 재료는 비결정질인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 자기 저항 효과 소자는 상기 중간층으로서 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 자기 저항 효과 소자는 상기 강자성층 중 한 쪽이 자화 고정층이고, 다른 쪽이 정보 기록층인 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
제 8 항에 있어서, 적층 페리 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.