201001766 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種磁性記憶元件及磁性記憶裝置，特別係 關於一種經由使自旋偏極之電子在磁性元件流動而可重寫 資訊之磁性記憶元件及磁性記憶裝置。 【先前技術】 作為新世代之非揮發性磁性記憶裝置，MRAM (Magnetic Random Access Memory，磁性隨機存取記憶體）裝置廣受重 視。MRAM裝置為利用由形成在半導體積體電路之多個薄膜 磁性體構成之a己憶體單元來進行非揮發之資料記憶，同時可 對各記憶體單元進行隨機存取之非揮發性磁性記憶裝置。 此種記憶體單元包含有磁阻元件，該磁阻元件為經由非磁 性層配置有由磁化方向固定之強磁性層構成的固定層、和由 依照外部磁場變化磁化方向之強磁性層構成的記錄層而成 之夾層構造。磁阻元件與依照記錄層之磁化方向變化所產生 電阻值之變化具對應性地記憶資料。電阻值之變化依照其原 理可分類為隧道磁阻（Tunnei Magneto Resistive)效應和巨 大磁阻（Giant Magneto Resistive )效應等，但習知使用利 用隧道磁阻效應之磁阻元件可大幅地提高MRAM裝置之性 能。 作為使記憶層之磁化反轉之方法，有報告指出採用藉由使 自旋偏極之電子在磁性體流動（自旋注入）而使磁性體之磁 098112755 4 201001766 化方向反轉之方法的STT—MRAM(Spin T〇rque忏仙以打― MRAM，自旋力矩轉移磁性隨機存取記憶體）（例如，參照非專 利文獻1、2)。採用此種自旋注入之磁化反轉方式，係根據 藉由使電子所具有之自旋角運動量和記憶層之磁性體之角 運動畺互相作用而進行自旋之傳達的原理。記憶體單元之大 小越小，記憶層之磁化反轉所必要之電流越小為其特點，可 謂適於大容量之非揮發性磁性記憶裝置的記憶方法。 Π (非專利文獻 G F.J· Albert, etal.，Appl. Phy. Lett· Vol. 77, P.3809(2000) (非專利文獻 2)Y. Huai, etal.，Appl. Phy. Lett. Vol. 84, P.3118(2004) 【發明内容】 (發明所欲解決之問題） 但是，在採用自旋注入之磁化反轉方式中，磁化反轉所必 〇 要之反轉電流翁度為lxl〇mA/cm2程度，在使用單磁區構造 之磁阻元件中’需要數之寫入電流。因此，因應佈線等 限制或大容量化’必需減小寫入電流。 另外，因為記憶層中心部之自旋反轉能量比周邊部高，所 以即使在周邊部自旋反轉，亦會有中心部之自旋不反轉之情 況。 更進一步，由於磁阻元件加工時之破壞等，亦會有記憶 層周邊部之磁性特性劣化之情況，即使在記憶層之周邊部 098112755 5 201001766 之磁化反轉的問 仍有實f上不會有助於記憶層 本發明目的在於提供—齡_自旋注人之磁化反 轉^的磁性記憶元件和磁性記憶裝置中具有低重寫電流 且义好磁性特性之磁性記憶元件和磁性記憶裳置。 (解決問題之手段） 本發明係-種磁性記憶元件，為由疊層構造所構成且藉由 流通_構造之電流使記憶層⑽之石兹化方向反轉的磁 心件^叠層構造包含有：固定層⑽，其磁化方向被固 定在一定方向；非磁性介電體層（TN1)，與固定層（pL)相接； 及記憶層（F1) ’具财與非磁性介㈣層（TN1)相接之第ι 面、和與第1面對向之第2面，其磁化方向為可反轉；其特 徵在於，5己憶層（FL)之第1面整面由非磁性介電體層（TN1) 所覆蓋，在非磁性介電體層（TN1)和固定層（pL)之接合面 中’以包圍接合面之方式露出非磁性介電體層（TN1)之第1 面。 另外，本發明亦為一種磁性記憶裝置，其特徵在於，其為 矩陣狀配置磁性記憶元件而成者。 (發明效果） 本發明可提供一種可以低電流進行資訊之重寫且具有良 好磁性特性的磁性記憶元件及磁性記憶裝置。 【實施方式】 098112755 6 201001766 以下參…、圖式έ兒明本發明之較佳實施形態。另外，在以下 之說明中’適當地使用「上」、「下」、「左」、「右」及包含該 等用語之名稱’但該等方向係為了在參照圖式後使本發明容 易理解而使用者’將實施形態上下反轉或沿任意方向旋轉而 ^之n亦當㈣蓋在本發明之技術範圍内。 實施形態1. 圖1係表示以元件符號100代表整體的本實施形態1磁性 兄憶裝置（STT’AMCSpin Torque Transfer-MRAM，自旋 力矩轉移磁性隨機存取記憶體））之部分剖視圖。 磁性記憶裝置1GQ包含有秒等之半導體基板卜在半導體 基板1設置有由氧化矽等所構成之元件分離絕緣膜2。在經 兀件分離絕緣膜2區分之元件形成區域，形成有元件選擇用 之電晶體10。電晶體10包含有設在半導體基板丨上之閘絕 緣膜11、和設在其上之閘電極12。在閘電極12之兩側a置 有由氧化矽等所構成之側壁13。另外，在半導體 ° 卷板1隔 著閘電極12設置有源極/汲極區域14。 在半導體基板1上’設置有例如由氧化秒所構成 緣層20。在層間絕緣層20，經由例如由TiN/τ. ^ « , U所構成之 障壁金屬層21而埋入有例如由鎢構成之接觸栓 | ^2。接觸 栓塞22電性連接到源極/汲極區域η。 在接觸栓塞22上，經由例如由TaN/Ta所構成 屬膜23而埋入有例如由銅構成之接觸栓塞24 , φ > 史進一步， 098112755 7 201001766 在接觸栓塞24上，經由例如由TaN/Ta所構成之障壁金屬 膜25埋入有例如由銅構成之接觸栓塞26。 在接觸栓塞26上，設置有例如由銅構成之引出佈線30， 在其上设置有磁性記憶元件（TMR(Tunneling Magneto Resistance ’隧道磁阻）元件）5〇。在磁性記憶元件5〇上， 經由例如由TaN/Ta所構成之障壁金屬膜27而埋入有例如 由銅構成之接觸栓塞28。 在層間絕緣層20上，設置有例如由銅所構成之位元線 (BL)40，成為與接觸栓塞28相連接。 圖2為圖1之磁性記憶元件5〇之放大圖，（a)表示俯視 圖’（b)表示剖視圖。磁性記憶裝置100為矩陣狀配置多個 磁性s己憶元件50而成之構造。圖1中雖未記載，在磁性記 憶元件50和障壁金屬膜25之間設置有例如由Ta構成之上 部電極TE。 磁性記憶元件50包含有與引出電極30連接之固定層 (pinned layer，釘紮層）pL。在固定層PL上設置有作為非 磁性體（介電體）之隧道絕緣層TNI、TN2、和夾置於該等隧 道絕緣層TNI、TN2之作為強磁性體的記憶層（free iayer， 自由層）FL。在隧道絕緣層TN2上設置有上述上部電極TE。 作為固定層（釘紮層）PL，例如可使用交換結合PtMn、 IrMn、FeMn、PtCrMn、NiMn、NiO、Fe2〇3 等之反強磁性體、 和由 Co、Fe、Ni、A1、B、Si、Zr、Nb、Cr、Ta 等元素之 1 098112755 8 201001766 種或多種所構成之強磁性體而成構造、或將經由薄的非磁性 層結合強磁性體和強磁性體而得之SAF構造（Synthetic Anti Ferromagnet，合成反鐵磁性構造）疊層在反強磁性層 上而成構造。 另外，作為隧道絕緣層TNI、TN2，例如可使用包含Mg、 A1、S i荨之氧化物和氣化物（例如，a 1N、S i N)或混合該等 之材料。 又’記憶層（自由層）FL為由c〇、Fe、Ni、A卜B、Si、Zr、
Nb、Cr、Ta等το素之1種或多種所構成的強磁性體，最好 使用與固定層PL所使用之強磁性體相同的材料，但亦可使 用不同的強磁性體材料。 在本實施形‘们之磁性記&件时，如@2所示，在 記憶層FL之兩面設有隧道絕緣層m ΤΝ2之上面設有上部電極ΤΕ 、'、、巴緣層 上口卩電極ΤΕ之端部（外绪、士 配置在記憶層FL端部（外緣）之内側。 卜緣）被 另外，最好上部電極TE之端部 部（隨道_™之外緣端 上。原因在於，通常記憶層R之加工破壞等至^以 端部如此之距離範圍内。 详在於離 另外，在隨道絕緣層TN1之下面設置有固定 層PL之端部被配置在記憶層Fl端部之内側 。固疋 固定層PL隔著記縣在與上部電極 ㈤中’ 098112755 稱之位 9 201001766 置處（略為一致之位置）。另外，最好固定層PL之端部和記 憶層FL之端部的距離為記憶層FL之厚度以上。 本實施形態1之磁性記憶元件50中，在從固定層PL注入 之電子（電流從上部金屬TE流入到固定層PL)中，自旋方向 與固定層PL成一致之電子係通過隧道絕緣層TN1、記憶層 FL而流入到上部電極TE。此時，因為隧道絕緣層TN1由介 電體所構成，所以在介電體中電子不會往橫方向擴展，電子 主要地流入到記憶層FL之中央部，幾乎不流入至周邊部。 另外，上部電極TE隔著記憶層FL而與固定層PL成對稱 配置，因此從固定層PL流入到記憶層FL之電子不往周邊部 擴展而流入到上部電極TE。 如此，藉由使用此種構造，而可集中地注入電子於記憶層 FL之中央部，當與周邊部比較時，可使不易反轉之中央部 自旋有效率地進行反轉。 圖3為模擬結果，表示當從紙面之右方朝左方施加磁場時 記憶層FL之自旋方向。在圖3中，橢圓部分相當於記憶層 FL。由圖3可知，周邊部之自旋方向相較於中央部之自旋方 向，而更往右傾斜。此表示中央部之自旋比周邊部之自旋更 不容易變化方向。 如此，在磁性記憶元件50中，經由集中流通電流於記憶 層FL之中央部，而使經自旋偏極之電子只通過中央部，藉 此可提高記憶層FL之自旋反轉效率。結果，可以低電流進 098112755 10 201001766 行磁性記憶元件50之重寫。 又，習知，當在記憶層FL之周邊部存在含有加工破壞等 區域之情況時，即使在如此周邊部流通電流，亦有實質上不 產生記憶層之磁化反轉的問題。對此，在磁性記憶元件50 中，主要使記憶層FL之中央部自旋磁化反轉，因此不易受 到周邊部破壞之影響，可提高反轉效率。結果，可以低電流 進行磁性記憶元件50之重寫。 / 圖4為以元件符號55表示整體的本實施形態1另一磁性 \ _ 記憶元件之放大圖，（a)表示俯視圖，（b)表示剖視圖。圖4 中，與圖1、2相同之元件符號表示相同或相當之部分。 如圖4所示，在磁性記憶元件55中，在上部電極TE内設 磁化方向固定（大多具有與固定層PL相反之磁化方向）之固 定層PL2，藉由使用作為自旋過滤器（spin fi Iter)，而可 更進一步提高反轉效率，可使重寫低電流化。 U 實施形態2. 圖5為以元件符號150表示整體的本實施形態2另一磁性 記憶元件之放大圖，（a)表示俯視圖，（b)表示剖視圖。圖 5中，與圖1、2相同之元件符號表示相同或相當之部分。 磁性記憶元件150包含有經與引出電極30連接之固定層 (釘紮層）PL。在固定層PL上，依序疊層有作為非磁性體（介 電體）之隧道絕緣層TN1、作為強磁性體之記憶層（自由 層）FL、及上部電極TE。 098112755 11 201001766 在本實施形態2之磁性記憶元件150中，固定層PL之端 部被配置在記憶層FL及隧道絕緣膜TN1端部之内侧。又， 最好固定層PL之端部和記憶層FL之端部的距離為記憶層 FL之厚度以上。另一方面，在記憶層FL上直接設置上部電 極TE，面積亦設為相同。 本實施形態2之磁性記憶元件150中，在從固定層PL注 入之電子中，自旋方向與固定層PL成一致的電子係通過隧 道絕緣層TN1、記憶層FL而流入到上部電極TE。這時，因 為隧道絕緣層TN1由介電體構成，所以在介電體中電子不會 往橫方向擴展，電子主要流入至記憶層FL之中央部，而不 流入至周邊部。 另外，因為固定層PL之面積比起隧道絕緣層TN1或記憶 層FL之面積較小，所以從上部電極TE通過記憶層FL而流 入到固定層PL的電子亦不會擴展到記憶層FL之周邊部。因 此，不供給電子至由於破壞等而不易磁化反轉之周邊部，而 是主要供給電子至記憶層FL之中央部，故可優先使記憶層 FL之中央部自旋磁化反轉，可以低電流進行磁性記憶元件 150之重寫。 實施形態3. 圖6為以元件符號250表示整體的本實施形態3磁性記憶 元件之放大圖，（a)表示俯視圖，（b)表示剖視圖。圖6中， 與圖1、2相同之元件符號表示相同或相當之部分。 098112755 12 201001766 本實施形態3之磁性記憶元件25“上下相反地形成實施 形態2之磁性記憶元件15〇的構造。 亦即，在下部電極BE(相當於圖1之 之引出電極30)上形成 有記憶層FL、隧道絕緣層TN1，在复^ 上形成有固定層PL。 固定層PL之端部被配置在記情厚pi总 ⑽道絕賴TN1端部 之内側。又，最好固定層PL之端部和^ 1 4 <憶層FL之端部的距 離為記憶層FL之厚度以上。另外，在阳 Γ I固定層PL上設置有未
圖示之上部電極TE。 在本實施形態3之磁性記憶元件25〇中，與上述磁性記憶 元件150同樣i也’由於可主要地供給電子至記制几之中 央部’所以可優先地使記憶層FL之中央部自旋磁化反轉， 可以低電流進行磁性記憶元件250之重寫。 實施形態4. 圖7為以元件符號350表示整體的本實施形態4磁性記憶 元件之放大圖，（a)表示俯視圖，（b)表示剖視圖。圖7中， 與圖1、2相同之元件符號表示相同或相當之部分。 本實施形態4之磁性記憶元件350為只縮小實施形態1 之磁性記憶元件50中的上部電極者。 在記憶層FL之兩面設置有隧道絕緣層TNI、TN2。在隧道 絕緣層TN2之上面設置有上部電極TE。上部電極TE之端部 (外緣）被配置在記憶層FL端部（外緣）之内侧。又，最好上 部電極TE之端部（外緣）和記憶層FL之端部（隧道絕緣層 098112755 13 201001766 TN2之外緣）的距離為記憶層FL之厚度以上。 本實施形態4之磁性記憶元件350中，與上述磁性記憶元 件250同樣地’由於可主要地供給電子至記憶層FL之中央 部，因此可優先地使記憶層FL之中央部自旋磁化反轉，可 以低電流進行磁性記憶元件350之重寫。 另外，在實施形態卜4中係使磁性記憶元件5〇、55、150、 250、350、450之上面形狀為橢圓形，但即使設為例如矩形、 圓形、多角形等其他形狀亦可獲得同樣之效果。另外，面積 比記憶層FL小之上部電極TE或下部電極BE、固定層PL、 PL2等之形狀亦未必要與磁性記憶元件相似，即使為不同之 形狀亦可獲得同樣之效果。 另外，在實施形態2〜4所示之磁性記憶元件中，如實施形 態1所述’藉由在與固定層PL對應之金屬電極te或下部電 極BE内設置沿與固定層PL相反之方向磁化的第2固定層 PL2，而可注入自旋一致之電子，可提高反轉效率。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明實施形態1磁性記憶裝置之部分剖視圖。 圖2為本發明實施形態1磁性記憶元件之放大圖。 圖3為模擬結果，表示記憶層fl之自旋方向。 圖4為本發明實施形態1另一磁性記憶元件之放大圖。 圖5為本發明之實施形態2磁性記憶元件之放大圖。 圖6為本發明之實施形態3磁性記憶元件之放大圖。 098112755 14 201001766 圖7為本發明之實施形態4磁性記憶元件之放大圖 主要元件符號說明 1 2 10 11 12 13 14 20 21 半導體基板 元件分離絕緣膜 電晶體 閘絕緣膜 閘電極 侧壁 源極/>及極區域 層間絕緣層 障壁金屬層 22、24、26、28 接觸栓塞 23 、 25 、 27 30 障壁金屬膜 引出佈線（下部電極） 40 位元線 50 、 55 、 150 、 250 、 350 磁性記憶元件（記憶體早元） 100 BE FL PL、PL2 TE TNI ' TN2 磁性記憶裝置 下部電極 記憶層 固定層 上部電極 隧道絕緣層 098112755 15