KR20050039842A - 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 - Google Patents

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유타카 히고
데쓰야 야마모토
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히로시 가노
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

본 발명은, 양호한 자기 특성을 가지는 자기 저항 효과 소자, 및 이 자기 저항 효과 소자를 구비하여 우수한 판독 특성 및 기록 특성을 가지는 자기 메모리 장치를 제공한다.
대향하는 강자성층(자화 고정층(5)과 자화 자유층(7))이 중간층(6)을 통해 대향되고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성이며, 대향하는 강자성층(5, 7) 중, 중간층(6) 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층(5), 중간층(6) 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층(7)이 형성되어 있는 자기 저항 효과 소자(1) 및 이 자기 저항 효과 소자(1)와 자기 저항 효과 소자(1)를 두께 방향으로 협지한 비트선 및 워드선을 구비한 자기 메모리 장치를 구성한다.

Description

자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 {MAGNETORESISTANT DEVICE AND MAGNETIC MEMORY DEVICE FURTHER COMME NTS}
본 발명은 막면(膜面)에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자 및 자기 저항 효과 소자를 구비하여 이루어지는 자기 메모리 장치에 관한 것이다.
정보 통신 기기, 특히 휴대 단말기 등의 개인용 소형 기기의 비약적인 보급에 따라, 이것을 구성하는 메모리나 로직 등의 소자에는 고집적화, 고속화, 저전력화 등 한층 고성능화가 요청되고 있다. 특히 불휘발성 메모리의 고밀도·대용량화는 가동 부분의 존재에 의해 본질적으로 소형화가 불가능한 하드 디스크나 광 디스크를 치환하는 기술로서, 더욱 더 중요하게 되어가고 있다.
불휘발성 메모리로서는, 반도체를 사용한 플래시 메모리나, 강유전체를 사용한 FRAM(Ferro electric Random Access Memory) 등을 들 수 있다.
그러나, 플래시 메모리는 기록 속도가 μ초의 크기 정도로 늦다고 하는 결점이 있다. 한편, FRAM에서는, 재기록 가능 회수가 적다고 하는 문제가 지적되고 있다.
이들 결점이 없는 불휘발성 메모리로서 주목되고 있는 것이, 예를 들면 「Wanget al., IEEE Trans. Magn.33(1997), 4498」에 기재되어 있는 바와 같은 MRAM(Magnetic Random Access Memory)이라고 하는 자기 메모리이다. 이 MRAM은 구조가 단순하기 때문에 고집적화가 용이하며, 또 자기 모멘트의 회전에 의해 기록을 하기 위해 재기록 가능 회수가 많다. 또 액세스 시간에 대해서도 매우 고속인 것이 예상되어, 이미 나노 초대로 동작 가능한 것이 확인되고 있다.
이 MRAM에 이용되는 자기 저항 효과 소자, 특히 터널 자기 저항 효과(Tunnel Magnetoresistance: TMR) 소자는 기본적으로 강자성층/터널 배리어층/강자성층의 적층 구조로 구성된다. 이 소자에서는, 강자성층간에 일정한 전류를 흐르게 한 상태에서 강자성층간에 외부 자장을 인가한 경우, 양 자성층의 자화의 상대 각도에 따라 자기 저항 효과가 나타난다. 쌍방의 강자성층의 자화 방향이 반(反)평행인 경우에는 저항값이 최대로 되고, 평행인 경우에는 저항값이 최소로 된다. 메모리 소자로서의 기능은 외부 자장에 의해 반평행과 평행 상태를 만들어냄으로써 초래된다.
특히 스핀 밸브형 TMR 소자에서는, 한쪽의 강자성층이 인접하는 반강자성층과 반강자성적으로 결합함으로써 자화의 방향이 항상 일정하게 된 자화 고정층이 된다. 다른 쪽의 강자성층은 외부 자장 등에 따라 용이하게 자화 반전하는 자화 자유층이 된다. 그리고, 이 자화 자유층이 자기 메모리에서의 정보 기록층이 된다.
스핀 밸브형 TMR 소자에 있어서, 그 저항값의 변화율은 각각의 강자성층의 스핀 분극률을 P1, P2로 하면, 아래와 같은 식 (A)로 표현된다.
2P1P2/(1-P1P2) (A)
이와 같이, 각각의 스핀 분극률이 클수록 저항 변화율이 커진다.
그런데, MRAM의 기본적인 구성은, 예를 들면 일본국 특개평 10(1998)-116490호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 복수 개의 비트 기록선(이른바 비트선)과, 이들 복수 개의 비트 기록선과 직교하는 복수 개의 워드 기록선(이른바 워드선)을 설치하고, 이들 비트 기록선과 워드 기록선의 교점(交點)에 자기 메모리 소자로서 TMR 소자가 배치되어 이루어진다. 그리고, 이와 같은 MRAM으로 기록을 행할 때는, 아스테로이드 특성을 이용하여 TMR 소자에 대하여 선택 기록을 행한다.
MRAM에 사용되는 비트 기록선 및 워드 기록선에는, Cu나 Al이라고 하는 반도체로 통상 사용되는 도체 박막이 사용되며, 예를 들면 반전 자계 20Oe의 소자에 0.25㎛ 선폭의 기록선으로 기록하기 위해서는, 약 2mA의 전류가 필요했다. 기록선의 두께가 선폭과 동일한 경우, 그 때의 전류 밀도는 3.2×106A/㎠가 되어, 일렉트로 마이그레이션에 의한 단선(斷線) 한계값에 가깝다. 또, 기록 전류에 의한 발열의 문제나, 소비 전력 저감의 관점으로부터도 이 기록 전류를 저감시킬 필요가 있다.
MRAM에 있어서의 기록 전류의 저감을 실현하는 방법으로서, TMR 소자의 보자력(保磁力)을 저감시키는 것을 들 수 있다. TMR 소자의 보자력은 소자의 크기, 형상, 막 구성, 재료의 선택 등에 따라 적당히 결정되는 것이다.
그러나, 예를 들면 MRAM의 기록 밀도 향상을 목적으로 하여 TMR 소자를 미세화한 경우에는, TMR 소자의 보자력이 상승한다고 하는 문제가 생긴다.
따라서, MRAM의 미세화(고집적화)와 기록 전류의 저감을 동시에 달성하기 위해서는, 재료면으로부터 TMR 소자의 보자력 저감을 달성할 필요가 있다.
또, MRAM에서 TMR 소자의 자기 특성이 소자마다 고르지 않거나, 동일 소자를 반복해서 사용한 경우의 불균일이 존재하면, 아스테로이드 특성을 사용한 선택 기록이 곤란하게 된다고 하는 문제점이 있다.
따라서, TMR 소자에는 이상적인 아스테로이드 곡선을 그리게 하기 위한 자기 특성도 요구된다.
이상적인 아스테로이드 곡선을 그리게 하기 위해서는, TMR 측정을 행한 때의 R－H(저항-자장) 루프에서 벌크하우젠 노이즈 등의 노이즈가 없는 것, 파형(波形)의 각형성(角型性)이 양호한 것, 자화 상태가 안정되어 있고 보자력 Hc의 불균일이 적은 것이 필요하다.
그런데, MRAM의 TMR 소자에서의 정보 판독은 터널 배리어층을 사이에 둔 한쪽의 강자성층과 다른 쪽 강자성층의 자기 모멘트의 방향이 반(反)평행이며 저항값이 높은 경우를 예를 들면 "1", 그 역으로 각각의 자기 모멘트가 평행인 경우를 "0"으로 하여 그들의 상태에서의 일정 바이어스 전압에서의 차(差) 전류나 일정 바이어스 전류에서의 차 전압에 의해 판독을 행한다.
따라서, 소자간의 저항 불균일이 동일한 경우에는, TMR비(자기 저항 변화율)가 높을수록 유리하고, 고속으로 집적도가 높아, 에러 레이트가 낮은 메모리가 실현된다.
또, 강자성층/터널 배리어층/강자성층의 기본 구조를 가지는 TMR 소자에는 TMR비의 바이어스 전압 의존성이 존재하며, 바이어스 전압이 상승하는 데 따라 TMR비가 감소되어 가는 것이 알려져 있다. 차 전류 또는 차 전압으로 판독을 행하는 경우에, 많은 경우에 TMR비가 바이어스 전압 의존성에 의해 반감되는 전압(Vh)으로 판독 신호의 최대값을 취하는 것이 알려져 있으므로, 바이어스 전압 의존성도 적은 쪽이 판독 에러의 저감에 있어서 유효하다.
따라서, MRAM에 이용되는 TMR 소자로서는, 전술한 기록 특성 요건과 판독 특성 요건을 동시에 만족시킬 필요가 있다.
그러나, TMR 소자의 강자성층 재료를 선택하는 경우에, 식 (A)의 P1 및 P2로 나타나는 스핀 분극률이 커지는 합금 조성을 Co, Fe, Ni의 강자성 천이 금속 원소 만을 성분으로 하는 재료로부터 선택하면, 일반적으로 TMR 소자의 보자력 Hc가 증대되는 경향에 있다.
예를 들면, Co75Fe25(원자%) 합금 등을 자화 자유층(프리층) 즉 정보 기록층에 사용한 경우에는, 스핀 분극률이 커 40% 이상의 높은 TMR비를 확보할 수 있지만, 보자력 Hc도 커진다.
한편, 연자성 재료로서 알려진 파마로이라고 하는 Ni80Fe20(원자%) 합금을 사용한 경우에는, 보자력 Hc는 저감시킬 수 있지만, 전술한 Co75Fe25(원자%) 합금과 비교하여 스핀 분극률이 낮기 때문에 TMR비가 33% 정도까지 저하되어 버린다.
또한, 전술한 2개의 조성 합금의 중간 특성을 가지는 Co90Fe10(원자%) 합금을 사용하면, 약 37%의 TMR비가 얻어지는 동시에, 보자력 Hc를 전술한 Co75Fe25(원자%) 합금과 Ni80Fe20(원자%) 합금의 중간 정도로 억제되지만, R－H 루프의 각형성이 뒤떨어져, 기록을 가능하게 하는 아스테로이드 특성이 얻어지지 않는다.
전술한 문제의 해결을 위해, 본 발명에서는, 양호한 자기 특성을 가지는 자기 저항 효과 소자, 및 이 자기 저항 효과 소자를 구비하여 우수한 판독 특성 및 기록 특성을 가지는 자기 메모리 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 TMR 소자의 개략 구성도이다.
도 2는 TMR 소자의 저항-외부 자장 곡선을 비교한 도면이이며, 도 2 (A)는 자화 자유층에 비정질 강자성 재료를 사용하고, 자화 고정층에 결정질 강자성 재료를 사용한 경우이며, 도 2 (B)는 자화 자유층 및 자화 고정층에 결정질 강자성 재료를 사용한 경우이며, 도 2 (C)는 자화 자유층 및 자화 고정층에 비정질 강자성 재료를 사용한 경우이다.
도 3은 적층 페리 구조를 가지는 TMR 소자의 개략 구성도이다.
도 4는 본 발명의 TMR 소자를 메모리 셀로서 가지는 크로스 포인트형 MRAM 어레이의 주요부를 나타낸 개략 구성도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 메모리 셀의 확대 단면도이다.
도 6은 TMR 소자의 평가용 TEG의 평면도이다.
도 7은 도 6의 A－A에서의 단면도이다.
본 발명의 자기 저항 효과 소자는 대향하는 강자성층 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성으로서, 대향하는 강자성층 중, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 것이다.
본 발명의 자기 메모리 장치는 대향하는 강자성층 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자와, 이 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 협지한 워드선 및 비트선을 구비하고, 대향하는 강자성층 중, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 것이다.
전술한 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 구성에 의하면, 대향하는 강자성층 중, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 것에 의해, 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층에 의해, 보자력을 저감할 수 있고, 또 자기 저항 효과 소자의 저항-자장 곡선의 각형성을 향상하고, 자기 저항 변화율의 바이어스 전압 의존성의 개선을 도모하여 보자력의 불균일을 저감할 수 있다.
또한, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층이 형성되어 있는 것에 의해, 높은 자기 저항 변화율을 실현하는 것이 가능하게 된다.
전술한 본 발명의 자기 메모리 장치의 구성에 의하면, 자기 저항 효과 소자와, 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 협지한 워드선 및 비트선을 구비하고, 자기 저항 효과 소자가 상기 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 구성인 것에 의해, 자기 저항 효과 소자의 저항-자장 곡선의 각형성을 향상하고, 자기 저항 변화율의 바이어스 전압 의존성을 개선하고, 보자력의 불균일을 저감하는 것이 가능하게 되므로, 자기 저항 효과 소자의 아스테로이드 특성이 개선되어 자기 메모리 장치에 있어서의 정보의 선택 기록이 용이하게 안정적으로 행해질 수 있게 된다. 즉 기록 특성을 향상시켜, 기록 에러를 저감할 수 있다.
또, 자기 저항 효과 소자의 자기 저항 변화율을 크게 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 자기 메모리 장치에서의 판독에 있어서, 저저항 상태와 고저항 상태의 판별이 용이해진다. 이에 따라, 판독 특성을 향상하고, 판독 에러를 저감할 수 있다.
본 발명은 대향하는 강자성층 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서, 대향하는 강자성층 중, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 자기 저항 효과 소자이다.
또 본 발명은 상기 자기 저항 효과 소자에 있어서, 적층 페리 구조를 가지는 구성으로 한다.
또 본 발명은 상기 자기 저항 효과 소자에 있어서, 중간층으로서 절연체 또는 반도체로 이루어지는 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저항 효과 소자인 구성으로 한다.
본 발명은 대향하는 강자성층 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자와, 이 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 협지한 워드선 및 비트선을 구비하고, 대향하는 강자성층 중, 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 자기 메모리 장치이다.
또 본 발명은 상기 자기 메모리 장치에 있어서, 자기 저항 효과 소자가 적층 페리 구조를 가지는 구성으로 한다.
또 본 발명은 상기 자기 메모리 장치에 있어서, 자기 저항 효과 소자가 중간층으로서 절연체 또는 반도체로 이루어지는 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저항 효과 소자인 구성으로 한다.
먼저, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 일 실시예의 개략 구성도를 도 1에 나타낸다. 이 도 1에 나타낸 실시예는 본 발명을 터널 자기 저항 효과 소자(이하, TMR 소자라고 칭함)에 적용한 경우를 나타내고 있다.
이 TMR 소자(1)는 실리콘 등으로 이루어지는 기판(2) 위에, 바탕층(3)과, 반강자성층(4)과, 강자성층인 자화 고정층(5)과, 터널 배리어층(6)과, 강자성층인 자화 자유층(7)과, 톱코트층(8)이 이 순으로 적층되어 구성되어 있다.
즉, 강자성층의 한쪽이 자화 고정층(5)으로 되고, 다른 쪽이 자화 자유층(7)으로 된, 이른바 스핀 밸브형 TMR 소자를 구성하고 있으며, 대향하는 강자성층인 자화 고정층(5)과 자화 자유층(7)으로 터널 배리어층(6)을 끼워 넣음으로써, 강자성 터널 접합(9)을 형성하고 있다.
그리고, 자기 메모리 장치 등에 이 TMR 소자(1)를 적용한 경우에는, 자화 자유층(7)이 정보 기록층이 되고, 거기에 정보가 기록 된다.
반(反)강자성층(4)은 강자성층의 한쪽인 자화 고정층(5)과 반강자성적으로 결합함으로써, 기록을 위한 전류 자계에 의해서도 자화 고정층(5)의 자화를 반전시키지 않고, 자화 고정층(5)의 자화 방향을 항상 일정하게 하기 위한 층이다. 즉, 도 1에 나타낸 TMR 소자(1)에서는, 다른 쪽의 강자성층인 자화 자유층(7)만을 외부 자장 등에 따라 자화 반전시킨다. 자화 자유층(7)은 TMR 소자(1)를 예를 들면 자기 메모리 장치 등에 적용한 경우에 정보가 기록되는 층이 되기 때문에, 정보 기록층이라고도 칭해진다.
반강자성층(4)을 구성하는 재료로서는, Fe, Ni, Pt, Ir, Rh 등을 함유하는 Mn 합금, Co 산화물, Ni 산화물 등을 사용할 수 있다.
자화 고정층(5)을 구성하는 강자성체 재료로서는, 특히 한정은 없지만, 철, 니켈, 코발트의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 합금 재료를 사용할 수 있다.
도 1에 나타낸 스핀 밸브형 TMR 소자(1)에서는, 자화 고정층(5)은 반강자성층(4)과 반강자성적으로 결합함으로써 자화 방향이 일정하게 된다. 이 때문에, 기록시의 전류 자계에 의해서도 자화 고정층(5)의 자화는 반전하지 않는다.
터널 배리어층(6)은 자화 고정층(5)과 자화 자유층(7)을 자기적으로 분리하는 동시에 터널 전류를 흐르게 하기 위한 층이다.
터널 배리어층(6)을 구성하는 재료로서는, 예를 들면 Al, Mg, Si, Li, Ca 등의 산화물, 질화물, 할로겐화물 등의 절연 재료를 사용할 수 있다.
이와 같은 터널 배리어층(6)은 스퍼터링법이나 증착법 등에 따라 성막된 금속막을 산화 또는 질화함으로써 얻을수 있다.
또, 유기 금속과, 산소, 오존, 질소, 할로겐, 할로겐화 가스 등을 사용하는 CVD법에 따라서도 얻을수 있다.
본 실시예에서는, 특히 터널 배리어층(6) 위의 (상면에 접하는) 자화 자유층(7)이 비정질 강자성 재료로 이루어지고, 터널 배리어층(6) 아래의 (하면에 접하는) 자화 고정층(5)이 결정질 강자성 재료로 이루어지는 구성으로 한다.
강자성 천이 금속 원소(Fe, Co, Ni 등)만으로 강자성층을 구성한 종래의 TMR 소자에서는, 전술한 바와 같이, 스핀 분극률을 높이면 보자력이 증대되어 버린다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 비정질 강자성 재료를 자화 자유층(7)에 사용함으로써, 자화 자유층 자성체의 자화 반전을 안정화시킬 수 있기 때문에, R－H 곡선의 각형성을 향상시키고, MRAM 등의 자기 메모리 장치에 적용한 경우의 정보 판독에 관계되는, TMR 소자의 아스테로이드 곡선의 형상 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 비정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 자유층(7)을 터널 배리어층(6) 위에 배치하고, 터널 배리어층(6) 아래에 결정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 고정층(5)을 배치함으로써, TMR비(자기 저항 변화율)를 높게 할 수 있다.
여기에서, 터널 배리어층(6) 아래의 자화 고정층(5)에 Co75Fe25(원자%) 조성의 결정질 강자성 재료를 사용하고, 터널 배리어층(6) 위의 자화 자유층(7)에 (Co90Fe10)80B20(원자%) 조성의 비정질 강자성 재료를 사용한 구성의 스핀 밸브형 TMR 소자에 대하여, 저항-외부 자장 곡선을 측정한 결과를 도 2 (A)에 나타낸다.
또, 터널 배리어층 아래의 자화 고정층과 터널 배리어층 위의 자화 자유층에 함께 Co75Fe25(원자%) 조성의 결정질 강자성 재료를 사용한 구성의 스핀 밸브형 TMR 소자에 대하여, 저항-외부 자장 곡선을 측정한 결과를 도 2 (B)에 나타낸다.
또한, 터널 배리어층 아래의 자화 고정층과 터널 배리어층 위의 자화 자유층에 함께 (Co90Fe10)80B20(원자%) 조성의 비정질 강자성 재료를 사용한 구성의 스핀 밸브형 TMR 소자에 대하여, 저항-외부 자장 곡선을 측정한 결과를 도 2 (C)에 나타낸다.
그리고, 도 2 (A), 도 2 (B), 도 2 (C)의 각 도면에서, 세로축은 구체적인 저항의 측정값 대신에, TMR(터널 자기 저항 효에 의해 저항이 변화된 비율)을 %로 나타내고 있다.
도 2 (A) 와 도 2 (B)를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 자화 고정층(5)에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 자화 자유층(7)에 비정질 강자성 재료를 사용한 구성(본 실시예의 구성)의 TMR 소자(1)는 자화 고정층 및 자화 자유층에 결정질 강자성 재료를 사용한 구성의 TMR 소자와 비교하여, 각 도면 중 TMR의 최대값에 상당하는 TMR비(터널 자기 저항 변화율)가 크게 되어 있는 동시에, 보자력 Hc는 작게 되어 있다. 도 2 (A)에서는, TMR비가 약 50%이며 보자력 Hc가 35Oe 부근, 도 2 (B)에서는, TMR비가 약 32%이며 보자력 Hc가 40Oe 부근으로 되어 있다. 또, 도 2 (A) 쪽이, R－H 곡선의 각형성이 향상되어 있는 동시에, 벌크하우젠 노이즈도 저감되어 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 자화 고정층(5)에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 자화 자유층(7)에 비정질 강자성 재료를 사용한 TMR 소자(1)를 구성함으로써, 터널 전류를 저감하는 것이 가능해져, 아스테로이드 곡선의 형상이 개선되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 MRAM 등의 자기 메모리 장치에 적용한 경우에, 기록 특성을 향상시켜 기록 에러의 저감을 도모하는 것이 가능하게 된다.
한편, 도 2 (C)로부터, 터널 배리어층 아래의 자화 고정층 및 터널 배리어층 위의 자화 자유층에 함께 비정질 강자성 재료를 사용하면, TMR비가 약 38%로 저하되는 것을 알 수 있다.
따라서, 자화 자유층의 자화 반전 거동을 안정화하고, 또한 높은 TMR비를 얻기 위해서는, 본 실시예와 같이, 터널 배리어층(6) 아래의 자화 고정층(5)에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 터널 배리어층(6) 위의 자화 자유층(7)에 비정질 강자성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
이 원인에 대해서는, 현재로서는 반드시 명백하지 않지만, 터널 배리어층 아래의 강자성층(상면이 터널 배리어층에 접하는)에 비정질 강자성 재료를 사용했을 때는, TMR 소자의 제작 프로세스에서 채용되는 열처리 공정을 거침으로써 비정질 강자성층이 결정화되어, 비정질 강자성층/터널 배리어층 계면의 평활성을 저해하거나, 비정질화 원소가 반강자성층이나 적층 페리 구조의 비자성층으로 확산되는 것 등에 의해, 자기 저항 효과에 악영향을 미치거나 하는 것으로 생각된다.
예를 들면 Al－Ox로 이루어지는 터널 배리어층은 비정질 구조를 가지고 있으므로, 그 상면에 비정질 강자성 재료를 형성하는 것은 비교적 용이하다.
이에 대하여, 결정질 반강자성층 위에 자화 고정층으로서 비정질 강자성층을 형성하려고 하면, 반강자성층의 결정 배향(配向)의 영향 등을 받아 실제로 비정질 구조를 형성하는 것이 곤란하고, 열처리 등으로 결정화되어 버리는 일이 있다.
이 때문에, 이와 같은 경우에는, 자화 고정층에 결정질 강자성층을 사용한 경우보다 자기 저항 변화율 등 TMR 소자의 특성이 저하되어 버린다고 생각된다.
따라서, 터널 배리어층 아래에 형성하는 강자성층에는, 열처리 등으로 결정화되는 등 결정 구조의 변화가 없고, 또한 비정질화 원소의 (바람직하지 않은) 다른 층에의 확산 염려도 없는, 결정질 강자성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 자화 자유층(7)에 사용되는 비정질 강자성 재료로서는, Fe, Co, Ni의 Fe족 강자성 원소에 대하여, 이른바 메탈로이드 원소라고 하는 B, Si, C, P 등의 반(半)금속 원소나, Ti, Zr, Ta, Nb 등의 밸브 메탈이나 Al, 또한 희토류 원소 Y, La, Ce, Nd, Dy, Gd 등을 첨가한 비정질 합금을 사용할 수 있다.
전술한 본 실시예의 TMR 소자(1)에 의하면, 터널 배리어층(6) 위의 (상면에 접하는) 자화 자유층(7)이 비정질 강자성 재료로 이루어지고, 터널 배리어층(6) 아래의 (하면에 접하는) 자화 고정층(5)이 결정질 강자성 재료로 이루어지는 TMR 소자(1)를 구성함으로써, 먼저 비정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 자유층(7)에 의해, 자화 자유층(7)의 강자성체의 자화 반전이 안정화된다.
이에 따라, 저항-자장 곡선(R－H 곡선)의 각형성을 개선하여, 벌크하우젠 노이즈를 저감하고, 보자력 Hc를 저감할 수 있다. 벌크하우젠 노이즈를 저감할 수 있기 때문에, 보자력 Hc의 불균일을 저감하는 것도 가능하게 된다.
그리고, TMR비(터널 자기 저항 변화율)의 바이어스 전압 의존성이 개선되어, 자화 자유층에 결정질 강자성 재료를 사용한 경우보다 TMR비를 높게 할 수 있다.
이와 같이 보자력 Hc의 불균일을 억제하여, TMR 소자(1)의 아스테로이드 곡선의 형상을 개선할 수 있기 때문에, 예를 들면 다수의 TMR 소자를 가지고 이루어지는 자기 메모리 장치에 TMR 소자(1)를 적용한 경우에, 선택 기록을 용이하게 행할 수 있다.
또, TMR 소자를 가지고 이루어지는 자기 헤드나 자기 센서에 적용한 경우에는, 반전 자계의 설계값으로부터의 어긋남을 억제하여, 제조 수율을 향상하는 것이나 동작 불량을 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 터널 배리어층(6) 아래에 결정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 고정층(5)을 형성함으로써, 자화 고정층에 비정질 강자성 재료를 사용한 경우보다 높은 TMR비(터널 자기 저항 변화율)가 얻어진다.
즉, 터널 배리어층(6) 아래의 결정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 고정층(5)과, 터널 배리어층(6) 위의 비정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 자유층(7)의 조합에 의해, 특히 높은 TMR비(터널 자기 저항 변화율)를 실현할 수 있다.
이와 같이 TMR 소자(1)의 TMR비를 높게 할 수 있기 때문에, 예를 들면 다수의 TMR 소자를 가지고 이루어는 자기 메모리 장치에 TMR 소자(1)를 적용한 경우에, 저저항 상태와 고저항 상태를 용이하게 판별하여 판독을 행할 수 있다.
또, TMR 소자를 가지고 이루어는 자기 헤드나 자기 센서에 적용한 경우에는, TMR비가 높아짐으로써 자기 기록 매체로부터의 자계나 외부 자계에 대한 TMR 소자(1)로부터의 출력을 크게 할 수 있기 때문에, 자기 기록 매체의 재생 감도의 향상을 도모하는 것이나, 센서 감도의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같은 자화 고정층(5) 및 자화 자유층(7)의 각각이 단층으로 구성된 TMR 소자(1)에 한정되지 않는다.
예를 들면 도 3에 나타낸 바와 같이, 자화 고정층(5)이 제1 자화 고정층(5a)과 제2 자화 고정층(5b)으로 비자성 도전체층(5c)을 끼워 넣어 이루어지는 적층 페리 구조가 되는 경우라도, 본 발명의 효과를 얻을수 있다.
도 3에 나타낸 TMR 소자(10)에서는, 제1 자화 고정층(5a)이 반강자성층(4)과 접하고 있으며, 이들 층 사이에 기능하는 교환 상호 작용에 의해, 제1 자화 고정층(5a)은 강한 한 방향의 자기 이방성을 가진다. 또, 제2 자화 고정층(5b)은 터널 배리어층(6)을 통해 자화 자유층(7)과 대향하고, 스핀의 방향이 자화 자유층(7)과 비교되어 직접 MR비에 관련되는 강자성층이 되기 때문에, 참조층이라고도 칭해진다.
적층 페리 구조의 비자성 도전체층(5c)에 사용되는 재료로서는, 예를 들면 Ru, Rh, Ir, Cu, Cr, Au, Ag 등을 들 수 있다. 도 3의 TMR 소자(10)에서, 그 밖의 층은 도 1에 나타낸 TMR 소자(1)와 거의 동일한 구성이기 때문에, 도 1과 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
이 적층 페리 구조를 가지는 TMR 소자(10)에서도, 자화 고정층, 특히 터널 배리어층(6) 아래의 자화 고정층인 제2 자화 고정층(5b)에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 터널 배리어층(6) 위의 자화 자유층(7)에 비정질 강자성 재료를 사용함으로써, 도 1에 나타낸 TMR 소자(1)와 동일하게, 저항-자장 곡선(R－H 곡선)의 각형성을 개선하여, 벌크하우젠 노이즈를 저감하고, 보자력 Hc를 저감할 수 있다. 또, 보자력 Hc의 불균일을 저감하는 경우도 가능하게 된다. 또한, 높은 TMR비(터널 자기 저항 변화율)를 실현할 수 있다.
그리고, 전술한 실시예에서는, 자기 저항 효과 소자로서 TMR 소자(터널 자기 저항 효과 소자)(1, 10)를 사용했지만, 본 발명은 대향하는 강자성층이 중간층을 통해 대향되고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 하여 자기 저항 변화를 얻는 구성을 가지는 그 밖의 자기 저항 효과 소자에도 적용할 수 있다.
예를 들면 중간층으로서 Cu 등의 비자성 도전층을 사용한 거대 자기 저항 효과 소자(GMR 소자)로, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 하여 자기 저항 효과를 얻는 구성, 즉 이른바 CPP형 GMR 소자에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 자화 고정층이나 반강자성체의 재료, 반강자성체층의 유무, 자화 고정층측에 있어서의 적층 페리 구조의 유무 등은 본 발명의 본질을 해치지 않는 한 여러 가지의 변형이 가능하다.
전술한 바와 같은 TMR 소자(1, 10) 등의 자기 저항 효과 소자는, 예를 들면 MRAM 등의 자기 메모리 장치에 사용되어 매우 적합하다. 이하, 본 발명의 TMR 소자를 사용한 MRAM에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명의 TMR 소자를 가지는 크로스 포인트형 MRAM 어레이를 도 4에 나타낸다. 이 MRAM 어레이는 복수 개의 워드선 WL과, 이들 워드선 WL과 직교하는 복수 개의 비트선 BL을 가지고, 워드선 WL과 비트선 BL의 교점에 본 발명의 TMR 소자가 배치되어 이루어지는 메모리 셀(11)을 가진다. 즉, 이 MRAM 어레이에서는, 3×3의 메모리 셀(11)이 매트릭스형으로 배치된다.
그리고, MRAM 어레이에 사용되는 TMR 소자로서는, 도 1에 나타낸 TMR 소자(1)에 한정되지 않고, 적층 페리 구조를 가지는 도 3에 나타낸 TMR 소자(10) 등, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서 결정질 자화 고정층/중간층/비정질 자화 자유층이라고 하는 적층 구조를 가지는 구성이면 어떠한 구성이라도 상관없다.
또, 메모리 소자에 다수 있는 메모리 셀로부터 1개의 메모리 셀을 인출하여, 단면 구조를 도 5에 나타낸다.
각 메모리 셀(11)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 실리콘 기판(12) 위에 게이트 전극(13), 소스 영역(14) 및 드레인 영역(15)으로 이루어지는 트랜지스터(16)를 가진다. 게이트 전극(13)은 판독용 워드선 WL1을 구성하고 있다. 게이트 전극(13) 위에는 절연층을 통해 기록용 워드선 (전술한 워드 기록선에 상당하는) L2가 형성되어 있다. 트랜지스터(16)의 드레인 영역(15)에는 콘택트 메탈(17)이 접속되고, 또한 콘택트 메탈(17)에는 바탕층(18)이 접속되어 있다. 이 바탕층(18) 위의 기록용 워드선 WL2의 상방에 대응하는 위치에, 본 발명의 TMR 소자(1)가 형성되어 있다. 이 TMR 소자(1) 위에, 워드선 WL1 및 WL2와 직교하는 비트선 (전술한 비트 기록선에 상당하는) BL이 형성되어 있다. 그리고, 바탕막(18)은 평면 위치의 상이한 TMR 소자(1)와 드레인 영역(15)의 전기적 접속을 하는 역할때문에, 바이패스라고도 칭해진다.
또, 각 워드선 WL1, WL2와 TMR 소자(1)를 절연하기 위한 층간 절연막(19) 및 절연막(20)과, 전체를 보호하는 패시베이션막(도시하지 않음) 등을 가지고 이루어진다.
이 MRAM은 터널 배리어층(6) 위의 (상면에 접하는) 자화 자유층(7)이 비정질 강자성 재료로 이루어지고, 터널 배리어층(6) 아래의 (하면에 접하는) 자화 고정층(5)이 결정질 강자성 재료로 이루어지는 구성으로 된 TMR 소자(1)를 사용하고 있으므로, TMR 소자(1)의 TMR비의 바이어스 전압 의존성이 개선되어 높은 TMR비를 실현할 수 있기 때문에, 저저항 상태와 고저항 상태의 판별이 용이해지고, 판독 특성을 향상시켜 판독 에러의 저감을 도모할 수 있다.
또, 저항-자장 곡선(R－H 곡선)에서 노이즈가 저감되고, 보자력이 균일하게 되어 아스테로이드 특성을 향상시킬 수 있으므로, 용이하게 선택 기록을 행할 수 있고, 기록 특성을 향상시켜 기록 에러의 저감을 도모할 수 있었다.
따라서, 판독 특성 및 기록 특성을 동시에 만족시키는 MRAM을 실현할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시예에 대하여, 실험 결과에 따라 설명한다.
그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, MRAM에는 TMR 소자(1) 이외에 스위칭용 트랜지스터(16)가 존재하지만, 본 실시예에서는 TMR 특성을 조사하기 위해, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같은 강자성 터널 접합만을 형성한 웨이퍼에 의해 특성의 측정·평가를 행했다.
＜샘플 1＞
도 6에 평면도, 도 7에 도 6의 A－A에서의 단면도를 각각 나타낸 바와 같이, 특성 평가용 소자 TEG(Test Element Group)로서, 기판(21) 위에 워드선 WL과 비트선 BL이 직교하여 배치되고, 이들 워드선 WL과 비트선 BL이 교차하는 부분에 TMR 소자(22)가 형성된 구조를 제작했다. 이 TEG는 TMR 소자(22)가 짧은 축 0.5㎛×긴 축 1.0㎛의 타원 형상이며, 워드선 WL 및 비트선 BL의 양단에 각각 단자 패드(23, 24)가 형성되고, 워드선 WL과 비트선 BL을 Al2O3로 이루어지는 절연막(25, 26)에 의해 서로 전기적으로 절연된 구성으로 되어 있다.
구체적으로는, 다음과 같이 하여 도 6 및 도 7에 나타낸 TEG를 제작했다.
먼저, 표면에 열 산화막(두께 2㎛)이 형성된 두께 0.6mm의 실리콘으로 이루어지는 기판(21)을 준비했다.
다음에, 이 기판(21) 위에 워드선의 재료를 성막하고, 포토리소그래피에 의해 마스크한 후에 워드선 이외의 부분을 Ar 플라즈마에 의해 선택적으로 에칭하여, 워드선 WL을 형성했다. 이 때, 워드선 WL 이외의 영역은 기판(21)의 깊이 5nm까지 에칭했다.
그 후, 워드선 WL을 피복하여 절연막(26)을 형성하고, 표면을 평탄화했다.
이어서, 아래와 같은 층 구성으로 이루어지는 TMR 소자(22)를 공지의 리소그래피법 및 에칭에 의해 제작했다. 이 층 구성은 /의 좌측이 기판측으로 되어 있고,( ) 내는 막두께를 나타낸다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(3nm)/Al(1nm)-Ox /Co90Fe10(3nm)/Ta(5nm)
그리고, Co90Fe10은 TEM(투과형 전자 현미경)의 관찰에 의해, 결정질 구조를 가지는 것이 확인되었다.
터널 배리어층(6)의 Al－Ox막은 먼저 금속 Al막을 DC 스퍼터 법에 의해 1nm퇴적시키고, 그 후 산소/아르곤의 유량비를 1:1로 하고, 챔버 가스압을 0.1mTorr로 하고, ICP(유도 결합 플라즈마)로부터의 플라즈마에 의해 금속 Al막을 플라즈마 산화시킴으로써 형성했다. 산화 시간은 ICP 플라즈마 출력에 의존하지만, 본 실시예에서는 30초로 했다.
또, 터널 배리어층(6)의 Al－Ox막 이외의 막은 DC 마그네트론 스퍼터법으로 성막했다.
다음에, 자장 중 열처리노에서, 10kOe의 자계 중, 270℃·4시간의 열처리를 행하고, 반강자성층인 PtMn층의 규칙화 열처리를 행하여, 강자성 터널 접합(9)을 형성했다.
계속해서, TMR 소자(22) 및 그 아래의 절연막(26)을 패터닝하여, 도 6에 나타낸 평면 패턴을 가지는 TMR 소자(22)를 형성했다.
또한, Al2O3를 스퍼터함으로써, 두께 100nm 정도의 절연층(25)을 성막하고, 또한 포토리소그래피에 의해 비트선 BL 및 단자 패드(24)를 형성하고, 도 6 및 도 7에 나타낸 TEG를 얻었다.
＜샘플 2＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80B20(3nm)/Ta(5nm)
그리고, (Co90Fe10) 80B20은 TEM(투과형 전자 현미경)의 관찰에 의해, 비정질 구조를 가지는 것이 확인되었다.
＜샘플 3＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 비정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/(Co90Fe10)80B20(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80B20(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 4＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 비정질 자화 고정층/절연층/결정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/(Co90Fe10)80B20(3nm)/Al(1nm)-Ox /Co90Fe10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 5＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/결정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /Co75Fe25(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 6＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm))/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80B20(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 7＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 비정질 자화 고정층/절연층/결정질 자화 자유층으로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/(Co90Fe10)80B20(3nm)/Al(1nm)-Ox /Co75Fe25(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 8＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 비정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 적층 페리 구조의 2개의 강자성층(제1 자화 고정층 및 제2 자화 고정층)을 함께 비정질 강자성 재료로 한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/(Co90Fe10)80B20(2.5nm)/Ru(0.8nm)/(Co90Fe10)80B20(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80B20(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 9＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)90Si10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)90Si10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 10＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)90C10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)90C10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 11＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)90P10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)90P10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 12＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)80Si10B10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80Si10B10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 13＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)80Zr10B10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80Zr10B10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 14＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)80Ta10B10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)80Ta10B10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 15＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)90B10을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)90B10(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 16＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)70B30을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)70B30(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 17＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)65B35를 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)65B35(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 18＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)60B40을 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)60B40(3nm)/Ta(5nm)
＜샘플 19＞
TMR 소자의 층 구성을 아래와 같이, 즉 결정질 자화 고정층/절연층/비정질 자화 자유층으로 하고, 비정질 강자성 재료로서 (Co90Fe10)95B5를 사용한 이외는 샘플 1과 동일하게 하여 TEG를 얻었다.
Ta(3nm)/PtMn(20nm)/Co75Fe25(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co75Fe25(3nm)/Al(1nm)-Ox /(Co90Fe10)95B5(3nm)/Ta(5nm)
그리고, 얻어진 각 샘플 1∼샘플 19의 TEG에 대하여, 아래와 같이 하여 TMR비, 보자력의 불균일, 각형비(角形比)를 측정했다.
(TMR비의 측정)
통상의 MRAM 등의 자기 메모리 장치에서는, 전류 자계에 의해 자기 저항 효과 소자를 자화 반전시켜 정보를 기록하지만, 본 실시예에서는, 외부 자계에 의해 자기 저항 효과 소자를 자화시킴으로써, 저항값의 측정을 실행했다. 즉, 먼저 TMR 소자(22)의 자화 자유층을 자화 반전시키기 위한 외부 자계를 자화 자유층의 자화 용이축에 대하여 평행이 되도록 인가했다. 측정을 위한 외부 자계의 크기는 500Oe로 했다.
다음에, 자화 자유층의 자화 용이축의 한쪽측으로부터 보아 -500Oe에서 +500Oe까지 소인(掃引)하는 동시에, 워드선 WL의 단자 패드(23)와 비트선 BL의 단자 패드(24)에 걸리는 바이어스 전압이 100mV가 되도록 조절하여, 강자성 터널 접합에 터널 전류를 흐르게 했다. 이 때의 각 외부 자계에 대한 저항값을 측정했다. 그리고, 자화 고정층과 자화 자유층의 자화가 반평행 상태이며 저항이 높은 상태에서의 저항값과, 자화 고정층과 자화 자유층의 자화가 평행 상태이며 저항이 낮은 상태에서의 저항값으로부터 TMR비를 구했다.
그리고, 양호한 판독 특성을 얻는다고 하는 관점으로부터, TMR비가 45% 이상인 것이 바람직하다.
(보자력 Hc의 불균일)
상기 TMR비의 측정 방법에 의해 R－H 곡선을 구한다. 그리고, R－H 곡선으로부터, 자화 고정층과 자화 자유층의 자화가 반평행 상태이며 저항이 높은 상태에서의 저항값과, 자화 고정층과 자화 자유층의 자화가 평행 상태이며 저항이 낮은 상태에서의 저항값의 평균값을 구하고, 이 평균값의 저항값이 얻어질 때의 외부 자계의 값을 보자력 Hc로 했다. 이 보자력 Hc를, 동일한 소자(TEG)에 대하여 50회 반복 측정하여 표준 편차 ΔHc를 구했다. 그리고, ΔHc/(Hc의 평균값)를 보자력 Hc의 불균일값으로 했다.
그리고, 기록 특성의 향상을 도모한다고 하는 관점으로부터, 보자력 Hc의 불균일은 바람직하게는 6% 이하, 보다 바람직하게는 4% 이하로 억제한다.
(각형비의 측정)
R－H 곡선으로부터, 파형의 각형비를 구했다. 즉, 측정시의 -500Oe에서 +500Oe까지의 자장 범위에 있어서의 R－H 곡선의 R1max－R1min와 제로 자장(H=0)에서의 R2max－R2min의 비, (R2max－R2min)/(R1max－R1min)의 값을 구하고, 이것을 각형비로 했다.
그리고, 기록 특성의 향상을 도모한다고 하는 관점으로부터, 각형비는 0.9(90%) 이상인 것이 바람직하다.
각 샘플 1∼샘플 19에 대하여, TMR비, 보자력 Hc의 불균일, 각형비를 표 1에 나타낸다.
샘플 번호 TMR비 (%) Hc 불균일 (1σ-%) 각형비 (%)
1 37% 11% 76%
2 50% 3.4% 98%
3 44% 4.0% 98%
4 35% 13% 74%
5 43% 7.0% 81%
6 54% 3.1% 99%
7 43% 4.2% 98%
8 43% 5.1% 98%
9 48% 3.6% 98%
10 49% 3.5% 98%
11 46% 3.4% 97%
12 55% 2.8% 99%
13 49% 2.6% 99%
14 48% 2.7% 99%
15 50% 3.0% 99%
16 51% 2.8% 99%
17 47% 2.6% 99%
18 43% 2.6% 99%
19 44% 4.3% 96%
이하 표 1의 결과에 대하여 고찰한다. 어느 샘플도 반강자성층/제1 자화 고정층(핀드층)/비자성층/제2 자화 고정층(참조층)/절연층(터널 배리어층)/자화 자유층의 층 구성으로 되어 있다.
먼저, 샘플 1∼샘플 4를 비교한다.
본 발명의 중간층에 상당하는 절연층(터널 배리어층) 아래의 (하면에 접하는) 강자성층에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 절연층 위의 (상면에 접하는) 강자성층에 비정질 강자성 재료를 사용하고 있는 샘플 2는 샘플 1·샘플 3·샘플 4와 비교하여, TMR비가 높고, 보자력 Hc의 불균일이 작고, 각형비가 양호하다.
따라서, 비정질 강자성 재료를 자화 자유층에 사용하는 경우에는, 중간층 위에 사용하고, 중간층 아래의 강자성층에는 결정질 강자성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 샘플 5∼샘플 8을 비교하면, 이들은 샘플 1∼샘플 4에 대하여 결정질 강자성 재료 CoFe의 조성을 Co75Fe25로 바꾼 구성으로 되어 있고, 동일하게 절연층의 하면에 접하는 자성층에 결정질 강자성 재료를 사용하고, 절연층의 상면에 접하는 자성층에 비정질 강자성 재료를 사용하고 있는 샘플 6이 다른 샘플보다 양호한 결과로 되어 있다.
그리고, 적층 페리 구조를 취하는 경우를 포함하는 자화 고정층에 사용하는 결정질 강자성 재료는 특히 한정되지 않지만, 보다 높은 TMR비를 얻는다고 하는 관점에서는, 바람직하게는 Co, Fe(Ni가 있어도 됨)를 주성분으로 하고, 또한 Co75Fe25와 같이 스핀 분극률이 큰 재료를 사용한다.
다음에, 샘플 9∼샘플 14는 샘플 6의 층 구성으로부터, 자화 자유층의 강자성 재료를 CoFeB로부터 다른 비정질 강자성 재료로 바꾼 것이다.
구체적으로는, CoFe 자성 합금에, B, Si, C, P, Zr, Ta라고 하는 원소를 첨가하여 비정질 강자성 재료로 하고 있다.
이들 샘플도, 샘플 6과 동일하게, 중간층 위에 비정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 자유층, 중간층 아래에 결정질 강자성 재료로 이루어지는 자화 고정층이 접하는 구조로 되어 있으므로, TMR비가 45% 이상으로 높고, 보자력 Hc의 불균일이 4% 이하이며, 각형비가 95% 이상으로 되어 있어, TMR 소자가 양호한 자기 특성을 가지고 있다. 이에 따라, MRAM 등의 자기 메모리 장치에 TMR 소자를 사용했을 때 양호한 기록 특성 및 판독 특성을 발휘시킬 수 있다.
따라서, 비정질 강자성 재료로서, CoFe 합금에 B, Si, C, P, Zr, Ta로부터 1종 또는 2종 이상의 원소를 선택하여 첨가한 재료를 사용할 수 있다.
그리고, 비정질 강자성 재료로 되어, 높은 스핀 분극률이 얻어져, 높은 자기 저항 변화율이 얻어지는 것이면, 그 밖의 원소를 첨가해도 된다. 이 첨가 원소로서는, 이 밖에도 예를 들면 Al, Ti, Nb, Hf나 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등의 희토류 원소도 사용하는 것이 가능하다.
다음에, 샘플 15∼샘플 19는 샘플 6의 층 구성에 대하여, 자화 자유층의 CoFeB의 조성을 바꾼 것이다.
샘플 18은 B의 첨가량이 40원자%로 되어 있지만, 다른 샘플보다 TMR비가 작게 되어 있다. MRAM에 TMR 소자를 사용하는 경우에는, TMR비가 45% 이상인 것이 바람직하므로, B의 첨가량은 35원자% 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 샘플 19는 B의 첨가량이 5원자%로 되어 있지만, TMR비가 44%로 약간 낮고, 보자력 Hc의 불균일이 4.3%로 약간 크게 되어 있다. B의 첨가량을 10원자% 함유하는 샘플 15에서는 양호한 결과로 되어 있으므로, B의 첨가량은 10원자% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이것은 첨가하는 원소가 B 이외의 다른 원소인 경우에도 동일하다고 할 수 있다. 첨가 원소가 너무 적으면, 비정질화의 효과가 적어져 결정질 강자성 재료의 특성이 강하게 나타난다. 한편, 첨가 원소가 너무 많아도, 비정질을 형성하는 조성 범위로부터 벗어나는 등에 의해, 안정적인 자기 특성이 얻어지지 않거나, Fe족 자성 원소의 성분이 너무 적어지거나 하는 등의 이유에 의해, TMR비가 작아져 버리는 등의 악영향이 나타난다.
그리고, 첨가 원소의 첨가량을 10∼35원자% 범위의 첨가량으로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 자기 저항 효과 소자(TMR 소자 등)는 전술한 자기 메모리 장치뿐만 아니라, 자기 헤드 및 이 자기 헤드를 탑재한 하드 디스크 드라이브나 자기 센서, 집적회로 칩, 또한 PC, 휴대 단말기, 휴대 전화를 비롯한 각종 전자 기기 등에 적용할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 그 밖에 여러 가지 구성을 취할 수 있다.
전술한 본 발명의 자기 저항 효과 소자에 의하면, R－H 곡선의 각형성을 개선하고, 보자력을 저감하여, 보자력 불균일의 개선을 도모할 수 있다.
또, 자기 저항비(자기 저항 변화율)를 향상시키고, 자기 저항비의 바이어스 전압 의존성을 개선할 수 있기 때문에, 높은 자기 저항비(자기 저항 변화율)를 실현하는 것이 가능해진다.
이에 따라, 자기 저항 효과 소자를 자기 메모리 장치에 적용한 경우에, 우수한 기록 특성이 얻어져 기록 에러를 저감할 수 있는 동시에, 우수한 판독 특성이 얻어져 판독 에러를 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 자기 메모리 장치에 의하면, 우수한 기록 특성 및 판독 특성을 실현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 대향하는 강자성층(强磁性層) 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면(膜面)에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자에 있어서,
    상기 대향하는 강자성층 중, 상기 중간층 아래에 결정질(結晶質) 강자성층으로 이루어지는 자화(磁化) 고정층, 상기 중간층 위에 비정질(非晶質) 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    적층 페리 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간층으로서 절연체 또는 반도체로 이루어지는 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  4. 대향하는 강자성층 사이에 중간층이 개재되어 이루어지고, 막면에 대하여 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 자기 저항 변화를 얻는 구성의 자기 저항 효과 소자와,
    상기 자기 저항 효과 소자를 두께 방향으로 협지한 워드선 및 비트선을 구비하고,
    상기 대향하는 강자성층 중, 상기 중간층 아래에 결정질 강자성층으로 이루어지는 자화 고정층, 상기 중간층 위에 비정질 강자성층으로 이루어지는 자화 자유층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자기 저항 효과 소자는, 적층 페리 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 자기 저항 효과 소자는, 상기 중간층으로서 절연체 또는 반도체로 이루어지는 터널 배리어층을 사용한 터널 자기 저항 효과 소자인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
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