TWI430485B - Tunneling magnetoresistive element using the same, and a RAM (Random Access Memory) - Google Patents

Tunneling magnetoresistive element using the same, and a RAM (Random Access Memory) Download PDF

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Description

穿隧磁阻效應元件及使用其之RAM(隨機存取記憶體)
本發明關於使用垂直磁化材料之穿隧磁阻效應元件及使用其之RAM(隨機存取記憶體)。
近年來，MRAM(Magnetic Random Access Memory)被開發作為使用磁性體之記憶體。MRAM係以利用穿隧磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistive)效應之MTJ(Magnetic Tunneling Junction)作為要素元件，藉由控制包含於MTJ元件之磁性體之磁化方向來記錄資訊。即使切斷電源磁性體之磁化方向亦不會變化，可以實現記錄資訊被保持之非揮發性動作。變化MTJ元件之磁化方向(資訊之改寫)時除由外部施加磁場之方式以外，近年來被提出者有對MTJ元件直接流入直流電流反轉其磁化之自旋傳輸力矩(Spin Transfer Torque)磁化反轉(自旋注入磁化反轉)方式。例如專利文獻1揭示：使用面內磁化材料作為記錄層，利用自旋注入磁化反轉之MTJ元件以及將其集積而成的記憶體：SPRAM(Spin-transfer torque Magnetic Random Access Memory)。
SPRAM之集積度提升需要MTJ元件之微細化，但此時MTJ元件中之磁化資訊之熱穩定性成為問題。相對於反轉MTJ元件之記錄層之磁化方向時必要之磁能，當環境溫度引起之熱能變高時，即使未施加外部磁場或電流之情況下議會引起磁化之反轉。伴隨尺寸之縮小MTJ元件之磁能亦隨之減少，因此伴隨元件尺寸之微細化，該熱穩定性亦降低。欲在微細區域維持熱穩定性，實現高信賴性之動作時，提高MTJ元件之記錄層材料之結晶磁氣異方性乃有效者。目前為止，使用結晶磁氣異方性較面內磁化材料為高的垂直磁化材料之MTJ元件已經被揭示(專利文獻2)。另外，在適用垂直磁化材料之MTJ元件中，施加於記錄層內之反磁場之影響係和面內磁化MTJ元件不同，對於減低磁化反轉所要之電流密度(寫入電流密度)有所幫助。因此，和面內磁化MTJ元件比較，具有可以減低寫入電流密度，可以抑制消費電力之優點。
欲達成適用垂直磁化MTJ元件的SPRAM之更低消費電力化時需要更加減低寫入電流密度。垂直磁化薄膜形成為多磁區構造時，基於電流之注入首先一部分磁區之磁化會反轉，其周圍之磁壁之傳播會導致磁性薄膜全體之磁化反轉現象乃習知者。和強磁性薄膜之磁化在全部區域同時反轉之磁化反轉機構比較，該磁化反轉機構之磁化反轉所要電流密度較少。但是，隨著MTJ元件之微細化進展，記錄層使用之垂直磁化薄膜係採用不包含磁壁之單一磁區構造，磁化反轉成為同時磁化反轉機構，因此寫入電流密度增大。
另外，關於非電流注入方式，而是藉由外部磁場使MTJ元件之記錄層之磁化反轉的方式，被揭示者有降低寫入磁場之構成。例如專利文獻3揭示，在記錄層外周部設置保持力小於中央部的區域，外部磁場施加時首先反轉外周部之磁化，藉由洩漏磁場來促進中央部之磁化反轉的方式。
專利文獻1：特開2002-305337號公報
專利文獻2：特開2003-142364號公報
專利文獻3：特開2002-299727號公報
本發明有鑑於上述問題，目的在於提供和習知技術比較更能減低寫入電流密度的垂直磁化MTJ元件。另外，提供即使記錄層成為單一磁區構造之極微細區域之情況下，亦可以減低寫入電流的垂直磁化MTJ元件。
利用自旋注入磁化反轉方式時，相較於記錄層之外周部使中央部之磁化先行反轉時更容易進行上述磁壁之傳輸，因此磁化反轉之效率較佳。另外，如此則，專利文獻3所示，欲使外周部之磁化最先反轉時，需要使外周部之電阻相較於中央部更降低，但是通常MTJ元件之形狀加工時，外周部曝曬於離子射束而成為高電阻。因此，欲藉由電流注入使外周部之磁化較中央部先行反轉乃困難者。
本發明係適用於，作為MTJ元件之記錄層使用的磁性體薄膜之一部分，相較於其周圍構成為更薄之構造。或者，適用於作為記錄層使用的磁性體薄膜之一部分區域之單位面積之磁矩(Magnetic Moment)，相較於其周圍被減低之構造。
具體言之為，本發明之穿隧磁阻效應元件係具備：記錄層，由垂直磁化膜形成；固定層，由垂直磁化膜形成；非磁性層，被配置於上述記錄層與上述固定層之間；及一對電極層，分別相接於上述記錄層以及上述固定層被形成，用於使反轉上述記錄層之磁化方向用的電流朝元件膜厚方向流入。記錄層係包含第1區域與第2區域之其中至少之一，第1區域中之單位面積之磁矩，係低於第2區域中之單位面積之磁矩；於記錄層之外周部分，第2區域之佔比係大於第1區域之佔比。
依據圖面詳細說明本發明之實施形態。又，本發明之實施形態所述之MTJ元件，係利用自旋注入磁化反轉之機構來使記錄層之磁化反轉者。亦即，於元件中流入電流，自旋極化之電流之自旋對於磁性體記錄層之磁矩(magnetic moment)提供力矩(torque)，據此而使記錄層之磁化反轉。
(第1實施形態)
圖1表示第1實施形態之MTJ元件之模式圖，圖1(A)為斷面模式圖，圖1(B)為上面模式圖。元件，係於基板20上積層下部電極層21、強磁性體之固定層11、非磁性層23、強磁性體之記錄層10、上部電極層22而構成。元件由上面看時係呈直徑W之圓形。記錄層10及固定層11之磁化，係對於膜面呈垂直方向。流入自旋極化之電流時，記錄層10與固定層11之材料及膜厚係設定成為，使記錄層10之磁化較固定層11之磁化先行被磁化反轉。本實施形態中，記錄層10與固定層11之材料係使用同一強磁性體，記錄層10之膜厚較固定層11為薄。另外，於記錄層10之中央部，被形成膜厚較周邊為薄的凹型區域(區域1)。亦即，凹型形狀之區域1，和其以外之區域2比較，其之單位面積之磁矩m0 係較少(m0 =Ms ‧t，Ms ：飽和磁化，t：膜厚)。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接配線用於對元件流入電流。
於第1實施形態中，固定層11及記錄層10之材料係使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金。另外，下部電極層21係使用Ta、Ru、Pt構成之積層膜，上部電極層22係使用Ta、Ru構成之積層膜。另外，非磁性層23係使用氧化鎂(MgO)。記錄層10之膜厚t0 為3nm，固定層11之膜厚t1 為10nm，非磁性層23之膜厚為1nm。元件之直徑W設為30nm，設於記錄層10中央之凹型部之直徑D設為10nm。
說明第1實施形態之MTJ元件之製作方法。圖2表示元件之製作工程。以下依據圖2(A)～圖2(H)之工程順序說明。首先，於基板20之上形成依下部電極層21、固定層11、非磁性層23、記錄層10、上部電極層22之順序積層而成的積層膜25(圖2(A))。薄膜之形成係使用濺鍍法，全部之層於in-situ(現場)形成。之後，使用電子射束(EB)微影成像或離子射束蝕刻將積層膜25加工成為柱部形狀(圖2(B))。之後，於柱部表面在阻劑圖案51殘留狀態下形成Al2 O3 作為層間絕緣膜52(圖2(C))。之後，藉由剝離除去柱部表面之阻劑，使柱部之表面露出(圖2(D))。
之後，由露出之柱部之上塗布阻劑，藉由EB微影成像形成柱部中央上部被開口之阻劑圖案(圖2(E))。於此狀態下，藉由離子射束直至上部電極層21、記錄層10之中途為止實施蝕刻予以除去(圖2(F))。蝕刻記錄層10之中央部之深度h被設為1nm。蝕刻後，於現場藉由濺鍍法沈積成為追加之上部電極層26的Ru及Ta，覆蓋柱部之上部(圖2(G))。之後，使用EB微影成像及離子射束蝕刻使上部電極層21僅殘留柱部之上部而實施圖案化，完成MTJ元件(圖2(H))。最後，於300℃溫度對實施元件之退火。另外，阻劑圖案51之形成亦可使用EB微影成像以外之技術，例如奈米印刷技術。
以下說明第1實施形態之MTJ元件之記錄層之改寫動作。以固定層11之磁化被固定於元件之上部方向為前提。記錄層10之磁化成為和固定層11之磁化逆向之反平行配列時，由MTJ元件之上部朝下部流通電流時，自旋極化電子由固定層11流入記錄層10，藉由自旋注入磁化反轉使記錄層10之磁化被反轉。亦即，固定層11之磁化與記錄層10之磁化成為平行配列，MTJ元件之電阻由高電阻狀態切換為低電阻狀態。另外，記錄層10之磁化與固定層11之磁化成為朝向同一方向之平行配列時，由MTJ元件之下部朝上部流通電流時，自旋極化電子會通過記錄層10而流入固定層11。此時，僅持有和固定層11之自旋為同一方向自旋之電子會流入固定層11，持有逆向自旋之電子會於絕緣體23之表面被反射。反射之電子會對記錄層10之磁化發揮作用，藉由自旋注入磁化反轉而使記錄層10之磁化被反轉。亦即，固定層11之磁化與記錄層10之磁化成為反平行配列，MTJ元件之電阻由低電阻狀態切換為高電阻狀態。
於第1實施形態中，係設定記錄層10之中央部之膜厚為較薄。因此，記錄層10之磁化反轉進展如下。首先，考慮記錄層之磁化朝膜面上側之狀態(圖3(A))。自旋極化電子由元件之上側流入下側時，首先膜厚薄的中央部區域引起磁化反轉(圖3(B))。亦即，磁化反轉之核被形成。此時，於記錄層10內在磁化被反轉之中央部周圍形成磁壁35。形成之磁壁35朝元件外周部傳輸(圖3(C))，最後記錄層全體之磁化被反轉(圖3(D))。於習知MTJ元件，記錄層10之膜厚為同樣，當和第1實施形態同一程度之尺寸時成為單一磁區構造，磁化會於記錄層10之全區域被一起旋轉。相對於此種一起旋轉機構，於第1實施形態之MTJ元件中，係在磁化反轉容易之區域設置中央部，此處產生磁化反轉後藉由磁壁之傳輸使全體之磁化被反轉。亦即，於第1實施形態之MTJ元件中，相較於在記錄層未設置凹型區域之習知構造，可以減少磁化反轉開始之電流密度(Jc0 )，可以減低消費電流。針對試作之第1實施形態之MTJ元件評估結果發現，相較於在記錄層未設置凹型區域之習知構造之垂直磁化MTJ元件，寫入電流可以減少至約50%。
磁壁之寬度δ係和磁性體之結晶異方性能量Ku有關，和1/成比例。具有約107 erg/cm2 之高結晶異方性能量Ku之CoPt規則合金等之情況下，磁壁之寬度δ成為約5～10nm。藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，凹型區域之直徑D(10nm)較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第1實施形態雖設定記錄層之凹型區域之直徑D為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。另外，利用磁化反轉之核形成以及磁壁之傳輸來進行改寫時，記錄層之直徑W，基於凹型區域之直徑D與強磁性材料之磁壁之寬度δ，較好是為W＞D+2δ。本實施形態中設定記錄層之直徑W為30nm，凹型區域之直徑D為10nm，磁壁之寬度δ為約5～10nm，因此滿足此一關係。
垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第1實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之凹型區域之膜厚雖設為2nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，記錄層10之凹型區域之膜厚較好是設為至少周圍之8成以下程度。
於第1實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第1實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，與Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬被交互積層而成的積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
又，於第1實施形態中，係於圓形記錄層形成圓形之凹型區域，但是凹型區域之形狀可為圓形以外之例如四角形狀等。
又，於第1實施形態中雖說明記錄層10為單一磁區構造之區域之極微細尺寸之元件，但本發明亦適用於更大尺寸之元件。例如由上部看時直徑為100nm之MTJ元件中，即使於記錄層未設置凹型區域之習知構造在藉由電流注入產生磁化反轉時，於記錄層中被形成磁區藉由磁壁之傳輸使記錄層全體之磁化反轉。即使此種元件尺寸之情況下，適用本發明之記錄層中央部之膜厚為較薄之MTJ元件中，亦可以引起磁化反轉核之生成，相較於在記錄層未凹型區域之習知元件更能減低寫入電流密度。
(第2實施形態)
第2實施形態係說明四角形狀之垂直磁化MTJ元件。圖4表示第2實施形態之MTJ元件之斷面模式圖及上面圖。元件之基本構造、積層膜之構成及材料，各層之膜厚係和第1實施形態同樣。第2實施形態之元件由上面看為正方形，如圖4所示，於記錄層10(膜厚t0 =3nm)之中央部設置膜厚較周圍薄的區域。元件之一邊A設為30nm，設於記錄層10之中央部的凹型部之一邊B設為10nm，凹型部之溝之深度h設為1nm。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接對元件流入電流用的配線。
第2實施形態之MTJ元件之改寫動作及磁化反轉機構係和第1實施形態同樣。於記錄層10係由膜厚薄的中央部先產生磁化反轉，藉由磁壁之移動使記錄層10全體之磁化反轉。如此則，和在記錄層未凹型區域之習知構造之垂直磁化MTJ元件比較，可減低寫入電流密度。
藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，凹型區域之一邊B較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第2實施形態雖設定記錄層之凹型區域之一邊B為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。另外，利用磁化反轉之核形成以及磁壁之傳輸來進行改寫時，記錄層之一邊A，基於使用凹型區域之一邊B與強磁性材料之磁壁之寬度δ，較好是為A＞B+2δ。本實施形態中設定記錄層之一邊A為30nm，凹型區域之一邊B為10nm，磁壁之寬度δ為約5～10nm，因此滿足此一關係。
又，垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第2實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之凹型區域之膜厚雖設為2nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，記錄層10之凹型區域之膜厚較好是設為至少周圍之8成以下程度。
於第2實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第2實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，以及Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬交互積層之積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
又，於第2實施形態中，係於四角形狀記錄層形成四角形狀之凹型區域，但是凹型區域之形狀可為四角形狀以外之例如圓形等。
(第3實施形態)
第3實施形態係和第2實施形態同樣，說明四角形狀之垂直磁化MTJ元件。圖5表示第3實施形態之MTJ元件之斷面模式圖及上面圖。元件之基本構造、積層膜之構成及材料，各層之膜厚係和第1實施形態及第2實施形態同樣。第3實施形態之元件由上面看為具有四角形狀。如圖5所示，於記錄層10之中央設置膜厚較周圍薄的區域。凹型部之區域如圖5(B)之上面圖所示，由元件外周之一邊至對向一邊為止予以連接。元件之一邊A設為30nm，設於記錄層10之中央的凹型部之寬度B設為10nm。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接對元件流入電流用的配線。
第3實施形態之MTJ元件之改寫動作及磁化反轉機構係和第1實施形態同樣。於記錄層10係由膜厚薄的中央部先產生磁化反轉，藉由磁壁之移動使記錄層10全體之磁化反轉。如此則，和在記錄層未凹型區域之習知構造之垂直磁化MTJ元件比較，可減低寫入電流密度。
藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，凹型區域之寬度B較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第3實施形態雖設定記錄層之凹型區域之寬度B為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。另外，利用磁化反轉之核形成以及磁壁之傳輸來進行改寫時，記錄層之一邊A，基於使用凹型區域之一邊B與強磁性材料之磁壁之寬度δ，較好是為A＞B+2δ。本實施形態中設定記錄層之一邊A為30nm，凹型區域之一邊B為10nm，磁壁之寬度δ為約5～10nm，因此滿足此一關係。
又，垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第3實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之凹型區域之膜厚雖設為2nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，記錄層10之凹型區域之膜厚較好是設為至少周圍之8成以下程度。
於第3實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第3實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，以及Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬交互積層之積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
(第4實施形態)
第4實施形態係說明具備複數個凹型部之垂直磁化MTJ元件。圖6表示第4實施形態之MTJ元件之斷面模式圖及上面圖。元件之基本構造、積層膜之構成及材料，各層之膜厚係和第3實施形態同樣，但於第4實施形態形成複數個凹型部。元件之一邊A設為100nm，設於記錄層10之凹型區域之寬度B設為10nm。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接對元件流入電流用的配線。
第4實施形態之MTJ元件之改寫動作及磁化反轉機構基本上係和第1實施形態同樣。由設於記錄層10之2處之膜厚薄的部分產生磁化反轉，藉由磁壁之移動使記錄層10全體之磁化反轉。如此則，和在記錄層未凹型區域之習知構造之垂直磁化MTJ元件比較，可減低寫入電流密度。
藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，凹型區域之寬度B較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第4實施形態雖設定記錄層之凹型區域之寬度B為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。
又，垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第4實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之凹型區域之膜厚雖設為2nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，記錄層10之凹型區域之膜厚較好是設為至少周圍之8成以下程度。
於第4實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第4實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，以及Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬交互積層之積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
(第5實施形態)
第5實施形態係說明記錄層中之磁化反轉之核形成、並非藉由記錄層之形狀，而是藉由物性之控制來實現之MTJ元件。圖7表示第5實施形態之MTJ元件之斷面模式圖。元件之基本構造係和第1實施形態同樣。記錄層10及固定層11係使用垂直磁化之強磁性體之Co50 Pt50 合金，非磁性層23係使用MgO。於第5實施形態，係如圖7所示，上部電極層22係由第1帽蓋層41及第2帽蓋層42構成。第1帽蓋層41係配置於記錄層10之大略中央，於其周圍被配置第2帽蓋層42，第1帽蓋層41係使用Ti(鈦)，第2帽蓋層42係使用Pt(鉑)。於記錄層10內，藉由和第1帽蓋層41之反應而形成反應區域43。
記錄層10之膜厚t0 為3nm，固定層11之膜厚t1 為10nm，非磁性層23之膜厚為1nm。元件之直徑W設為30nm，第1帽蓋層41之直徑D設為10nm。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接對元件流入電流用的配線。
說明第5實施形態之MTJ元件之製作方法。圖8表示元件之製作工程。以下依據圖8(A)～圖8(I)之工程順序說明。首先，於基板20之上形成依下部電極層21、固定層11、非磁性層23、記錄層10、第1帽蓋層41之順序積層而成的積層膜25(圖8(A))。薄膜之形成係使用濺鍍法，全部之層於in-situ(現場)形成。之後，使用電子射束(EB)微影成像或離子射束蝕刻將積層膜25加工成為柱部形狀(圖8(B))。之後，於柱部表面在阻劑圖案51殘留狀態下形成Al2 O3 作為層間絕緣層52(圖8(C))。之後，藉由剝離除去柱部表面之阻劑，使柱部之表面露出(圖8(D))。之後，由露出之柱部之上塗布阻劑，藉由EB微影成像於柱部中央之一部分形成阻劑圖案51(圖8(E))。於此狀態下，藉由離子射束53蝕刻第1帽蓋層41(圖8(F))。之後，除去阻劑圖案(圖8(G))，於積層膜25之柱部上設為積層有第2帽蓋層42之Pt的狀態(圖8(H))。接著，使用EB微影成像及離子射束蝕刻將第2帽蓋層42加工成為上部電極層之形狀(圖8(I))。最後，於400℃溫度下實施元件之退火，形成反應區域43完成MTJ元件(圖8(J))。又，本實施形態中，阻劑圖案之形成雖使用EB微影成像，但亦可使用其以外之圖案化技術例如奈米印刷技術。
記錄層10內之反應區域43係不作為強磁性體，因此記錄層10實質上和第1實施形態同樣，和中央部之膜厚變薄者等效。因此，欲對元件流入電流反轉其磁化時，和第1實施形態之元件同樣之機構可以發揮作用。亦即，首先，中央部之磁化被反轉，於其周圍被形成之磁壁會朝外周部傳輸，而使記錄層10全體之磁化被反轉。藉由該磁化反轉機構，和第1實施形態同樣，相較於在記錄層未設置凹型區域之習知MTJ元件，可以減少磁性資訊之改寫必要之電流密度。
藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，第1帽蓋層41之直徑D較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第5實施形態雖設定第1帽蓋層41之直徑D為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。
又，垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第5實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之反應區域43之深度h雖設為1nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，於記錄層10之中央部，不包含反應區域43之膜厚(t0 -h)較好是設為至少周圍之膜厚t0 之8成以下程度。
於第5實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第5實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，以及Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬交互積層之積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
又，於第5實施形態，第1帽蓋層41與第2帽蓋層42之材料組合雖使用Ti與Pt，但亦可使用其他材料。例如第2帽蓋層42亦可使用Ta與Ru等。
又，於第5實施形態，係於四角形狀之記錄層形成四角形狀之反應區域43，但反應區域43之形狀可為四角形狀以外之例如圓形等。
(第6實施形態)
第6實施形態係說明記錄層中之磁化反轉之核形成、並非藉由記錄層之形狀，而是藉由結晶性之控制來實現之MTJ元件。圖9表示第6實施形態之MTJ元件之斷面模式圖。元件之基本構造係和第1實施形態同樣。記錄層10及固定層11係使用垂直磁化之強磁性體之Co50 Pt50 合金，非磁性層23係使用MgO。於第6實施形態，係如圖9所示，於記錄層10內包含改質區域44。改質區域44為非晶質化之區域。記錄層10之膜厚t0 為3nm，固定層11之膜厚t1 為10nm，非磁性層23之膜厚為1nm。元件之直徑W設為30nm，改質區域44之直徑D設為10nm。又，雖未圖示，於上部電極層22及下部電極層21分別連接對元件流入電流用的配線。
說明第6實施形態之元件之製作方法。製作方法基本上和圖2所示第1實施形態之元件同樣。但是，形成積層膜25之柱部，藉由剝離除去柱部表面之阻劑圖案51之後為不同。於第6實施形態，係在露出柱部表面之製程狀態(圖2(D))下，由記錄層10之中央上部照射收束離子射束，使記錄層10中央部之結晶構造改質。之後，藉由EB微影成像及離子射束蝕刻、加工上部電極層22而完成MTJ元件。最後於300℃進行熱處理。
記錄層10內之改質區域44係和其以外之區域之結晶構造不同，結晶構造成為非晶質。非晶質之區域不會產生垂直磁化，因此，實質上和第1實施形態同樣，和記錄層10之中央部之膜厚變薄為等效。因此，對元件流入電流使磁化反轉時，係由和第1實施形態之元件同樣之機構發揮作用。亦即，首先，中央部之磁化被反轉，於其周圍被形成之磁壁會朝外周部傳輸，而使記錄層10全體之磁化被反轉。藉由該磁化反轉機構，和第1實施形態同樣，相較於在記錄層未設置凹型區域之習知MTJ元件，可以減少磁性資訊之改寫必要之電流密度。
藉由電流注入而欲於記錄層10中形成磁壁時，改質區域44之直徑D較好是和磁壁之寬度δ為同等以上之大小。於第6實施形態雖設定改質區域44之直徑D為10nm，但為獲得和本實施形態同樣效果時最小為5nm以上為較好。
又，垂直磁化MTJ元件之寫入電流密度係以Jc0 (Ms Hk -4πMs 2 )‧t表示(Ms ：記錄層材料之飽和磁化，Hk ：記錄層材料之異方性磁場，t：記錄層之膜厚)。亦即，磁化反轉所要之電流密度係和記錄層之膜厚成比例。於第6實施形態，相對於記錄層10之膜厚t0 =3nm，中央之改質區域44之厚度h雖設為1nm，但其以外之尺寸亦可獲得同樣效果。但是考慮寫入電流密度之基於各元件之不均勻分布，相對於在記錄層未設置凹型區域之習知構成之MTJ元件，欲獲得良好之Jc0 減低效果時，於記錄層10之中央部，不包含改質區域44之膜厚(t0 -h)較好是設為至少周圍之膜厚(t0 )之8成以下程度。
於第6實施形態中，作為記錄層10與固定層11之垂直磁化材料雖使用L10 型之Co50 Pt50 規則合金，但使用其以外之垂直磁化材料亦可獲得和第6實施形態同樣之效果。具體之材料例如可使用：L11 型之CoPt規則合金、m-D019 型之Co75 Pt35 規則合金、Fe50 Pt50 等之L10 型規則合金、或者CoCrPt-SiO2 、FePt-SiO2 等粒狀磁性體分散於非磁性體母相中的顆粒狀構造之材料，或者包含Fe、Co、Ni之其中任一或1個以上的合金，以及Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬交互積層之積層膜，或者在TbFeCo、GdFeCo等、Gd、Dy、Tb等之稀土類金屬中包含有遷移金屬的非晶質合金。
又，於第6實施形態，係於四角形狀之記錄層形成四角形狀之改質區域44，但改質區域44之形狀可為四角形狀以外之例如圓形等。
(第7實施形態)
第7實施形態係說明適用本發明之MTJ元件的隨機存取記憶體者。圖10表示本發明之磁性記憶格之構成例之斷面模式圖。該磁性記憶格100係搭載有第1～第6實施形態之MTJ元件110。
C-MOS111係由2個n型半導體112、113及1個p型半導體114構成。於n型半導體112被電連接成為汲極之電極121，介由電極141及電極147被接地。於n型半導體113被電連接成為源極之電極122。123為閘極，藉由該閘極123之ON/OFF來控制源極電極122與汲極電極121間之電流之ON/OFF。於上述電極122被積層電極145、電極144、電極143、電極142、電極146，介由電極146連接MTJ元件110之下部電極11。
位元線222係連接於MTJ元件110之上部電極22。本實施形態之磁性記憶格中，係藉由流入MTJ元件110之電流、亦即自旋傳輸力矩來旋轉MTJ元件110之記錄層之磁化方向而記錄磁性資訊。自旋傳輸力矩並非空間上之外部磁場，主要是由流通於MTJ元件中之自旋極化電流之自旋，對MTJ元件之強磁性自由層之磁矩提供力矩(torque)的原理。因此，於MTJ元件具備由外部供給電流之手段，使用該手段流入電流而可以實現自旋傳輸力矩磁化反轉。本實施形態中，在位元線222與電極146之間流入電流，可以控制110中之記錄層之磁化之方向。
圖11表示配置有上述磁性記憶格100之磁性隨機存取記憶體之構成例。於閘極電極123所連接之字元線223及位元線222，係電連接於記憶格100。藉由配置具有第1～第6實施形態之MTJ元件的磁性記憶格100，如此則，相較於磁性記憶體係使用面內磁化MTJ元件或使用在記錄層未設置凹型區域之垂直磁化MTJ元件的習知記憶體，該磁性記憶體可以更低消費電力動作，可實現GB(109 位元)等級之高密度磁性記憶體。
本構成時之寫入，首先，係對欲流入電流之位元線222所連接之寫入驅動器發送寫入致能信號使其升壓，於位元線222流通特定電流。對應於電流之方向使寫入驅動器230乃至寫入驅動器231之任一降為接地，調節電位差，控制電流方向。之後，經過特定時間後，對字元線223所連接之寫入驅動器232發送寫入致能信號使寫入驅動器232升壓，使欲寫入之MTJ元件所連接之電晶體設為ON。如此則，電流流入MTJ元件，進行自旋力矩磁化反轉。使電晶體設為特定時間之ON之後，切斷對寫入驅動器232之信號，使電晶體設為OFF。讀出時，僅使欲讀出之MTJ元件所連接之位元線222升壓至讀出電壓V，僅設定選擇電晶體成為ON流通電流，進行讀出。該構造為最單純之1電晶體+1記憶格之配置，因此單位格之佔有面積為2F×4F=8F2 ，可設為高度集積者。
(發明效果)
藉由適用本發明之元件構造，相較於習知技術，可以減低垂直磁化MTJ元件中之寫入電流密度。另外，即使是記錄層之磁性體薄膜為單一磁區構造的極微細元件，亦可以抑制寫入電流密度之增大。
10．．．記錄層
11．．．固定層
20．．．基板
21．．．下部電極層
22．．．上部電極層
23．．．非磁性層
25．．．積層膜
26．．．追加之上部電極層
35．．．磁壁
41‧‧‧第1帽蓋層
42‧‧‧第2帽蓋層
43‧‧‧反應區域
44‧‧‧改質區域
51‧‧‧阻劑圖案
52‧‧‧層間絕緣膜
53‧‧‧離子射束
100‧‧‧記憶格
110‧‧‧MTJ元件
111‧‧‧C-MOS
112、113‧‧‧n型半導體
114‧‧‧p型半導體
121‧‧‧源極電極
122‧‧‧源極電極
123‧‧‧閘極電極
141~147‧‧‧電極
150‧‧‧寫入線
222‧‧‧位元線
223‧‧‧字元線
230、231、232‧‧‧寫入驅動器
圖1表示第1實施形態之MTJ元件之模式圖，(A)為斷面模式圖，(B)為上面模式圖。
圖2表示第1實施形態之MTJ元件之製作工程圖。
圖3表示第1實施形態之MTJ元件之磁化反轉機構之模式圖。
圖4表示第2實施形態之MTJ元件之模式圖，(A)為斷面模式圖，(B)為上面模式圖。
圖5表示第3實施形態之MTJ元件之模式圖，(A)為斷面模式圖，(B)為上面模式圖。
圖6表示第4實施形態之MTJ元件之模式圖，(A)為斷面模式圖，(B)為上面模式圖。
圖7表示第5實施形態之MTJ元件之斷面模式圖。
圖8表示第5實施形態之MTJ元件之製作工程圖。
圖9表示第6實施形態之MTJ元件之斷面模式圖。
圖10表示磁性記憶格之構成例之斷面模式圖。
圖11表示隨機存取記憶體之構成例之模式圖。
10．．．記錄層
11．．．固定層
20．．．基板
21．．．下部電極層
22．．．上部電極層
23．．．非磁性層
W．．．元件之直徑
D．．．凹型部之直徑
t0 ．．．記錄層之膜厚
t1 ．．．固定層之膜厚
h．．．深度

Claims (13)

  1. 一種穿隧磁阻效應元件，其特徵為：具備：記錄層，由垂直磁化膜形成；固定層，由垂直磁化膜形成；非磁性層，被配置於上述記錄層與上述固定層之間；及一對電極層，分別相接於上述記錄層以及上述固定層而被形成，用於使上述記錄層之磁化方向反轉用的電流朝元件膜厚方向流入；上述記錄層係包含第1區域與第2區域之其中至少之一，上述第1區域中之單位面積之磁矩，係低於上述第2區域中之單位面積之磁矩；於上述記錄層之外周部分，上述第2區域之佔比係大於上述第1區域之佔比。
  2. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中上述記錄層之上述第2區域係包圍上述第1區域被配置。
  3. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中上述第1區域之膜厚，係較上述記錄層之上述第2區域之膜厚為薄。
  4. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中上述記錄層之上述第1區域之飽和磁化，係較上述記錄層之上述第2區域之飽和磁化為低。
  5. 如申請專利範圍第4項之穿隧磁阻效應元件，其中上述記錄層之第1區域，其之結晶構造係包含和上述第2區域不同之區域。
  6. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中上述記錄層之最小邊長W，當上述記錄層之第1區域之最小邊長設為D、構成上述記錄層之材料之磁壁之寬度設為δ時，係滿足W>D+2 δ。
  7. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係包含Co、Fe、Ni之其中任一、或其中1個以上之元素，與Pt、Pd之中1個以上之元素的規則合金。
  8. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係包含Co，包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Fe、Ni之中1個以上之元素的合金。
  9. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係包含Fe、Co、Ni之其中任一、或其中1個以上的合金，與Ru、Pt、Rh、Pd、Cr等之非磁性金屬被交互積層而成的積層膜。
  10. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係具有在非磁性體之母相中分散粒狀磁性體的顆粒狀構造。
  11. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係包含稀土類金屬與遷移金屬的非晶質合金。
  12. 如申請專利範圍第1項之穿隧磁阻效應元件，其中構成上述記錄層及上述固定層之垂直磁化膜之兩方或一方，係m-D019 型之CoPt規則合金、L11 型之CoPt規則合金、或者以Co-Pt、Co-Pd、Fe-Pt、Fe-Pd為主成份之L10 型之規則合金。
  13. 一種隨機存取記憶體，係具備：複數個磁性記憶格；及選擇手段，用於選擇所要之磁性記憶格；其特徵為：上述磁性記憶格係具備：穿隧磁阻效應元件；及對上述穿隧磁阻效應元件通電用的電晶體；上述選擇手段係具備：第1寫入驅動器電路；第2寫入驅動器電路；及第3寫入驅動器電路；上述穿隧磁阻效應元件係具備：記錄層，由垂直磁化膜形成；固定層，由垂直磁化膜形成；非磁性層，被配置於上述記錄層與上述固定層之間；及一對電極層，分別相接於上述記錄層以及上述固定層被形成，用於使上述記錄層之磁化方向反轉用的電流朝元件膜厚方向流入；上述記錄層係包含第1區域與第2區域之其中至少之一，上述第1區域中之單位面積之磁矩，係低於上述第2區域中之單位面積之磁矩；於上述記錄層之外周部分，上述第2區域之佔比係大於上述第1區域之佔比； 第1及第2寫入驅動器，係被連接於上述穿隧磁阻效應元件之未連接於上述電晶體之側之電極層；具備用於控制上述電晶體之電阻的字元線，該字元線被連接於第3寫入驅動器電路；對上述選擇手段所選擇之磁性記憶格所具備之穿隧磁阻效應元件之膜厚方向流通電流，藉由自旋傳輸力矩使該穿隧磁阻效應元件之記錄層產生磁化反轉，據此來寫入資訊。
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