(57)【要約】      （修正有）【課題】準安定状態への遷移確率を減らし、注入電流の広い範囲にわたって安定な磁化反転を実現する、スピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型メモリデバイスを提供する。【解決手段】抵抗変化型のメモリセルＭＣ内に、記憶層磁化５３の向きが反転可能な記憶層１６を含み接続プラグ３１上に形成された磁性層１２,１４,１６を含むトンネル磁気抵抗効果素子１の積層体を有し、積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された接続プラグ３１の上面と垂直な方向から斜めに傾いている。【選択図】図６
2010135512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、磁化の向きが反転可能な磁性層を含み導電層上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項２】
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から５度以上、８５度以内の範囲で斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
請求項１に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項３】
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から前記磁化の反転方向と直交する方向側に斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
請求項１に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項４】
前記積層体が、第１の導電層と第２の導電層の間に形成されており、
前記積層体と前記第１導電層の接触面と、前記積層体と前記第２導電層の接触面が、前記磁化の反転方向と直交する方向内でずれた位置に形成されている
請求項１に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項５】
前記積層体は、絶縁層と、当該絶縁層を挟む２層の強磁性体層とから形成された強磁性トンネル構造を含み、
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造の積層方向の一方側と他方側で、強磁性トンネル構造以外の積層体部分の断面積が異なる
請求項１に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項６】
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造に電流を注入する側の積層体部分の断面積が、前記強磁性トンネル構造から電流が出てゆく側の積層体部分の断面積より小さい
請求項５に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項７】
電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、第１導電層と第２導電層の層間に形成された磁化の反転が可能な磁性層を含むトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、
前記積層体と前記第１導電層の接触面と、前記積層体と前記第２導電層の接触面とが、前記磁化の反転方向と直交する方向内でずれた位置に形成されている
抵抗変化型メモリデバイス。
【請求項８】
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造に電流を注入する側の積層体部分の断面積が、前記強磁性トンネル構造から電流が出てゆく側の積層体部分の断面積より小さい
請求項７に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型メモリデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ通信機器、特に携帯端末などのパーソナルな小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電力化など、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ(強誘電体不揮発メモリ)などが実用化されている。そして、現在は、更なる高性能化に向けての活発な研究開発が行われている。
最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとしてトンネル磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)の開発進捗が著しく、注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
ここで本発明と関連が深いＭＲＡＭの動作原理について簡単に説明する。
ＭＲＡＭは、磁性体からなる微小な記憶担体を規則的に配置し、その各々にアクセスできるような配線を施した構造を有する磁気データ記録素子である。
磁性記憶担体の上方もしくは下方に配した導線(ワード線)、および読み出し導線(ビット線)の両方に電流を流すと、合成電流磁界が発生する。ＭＲＡＭへのデータの書き込みは、合成電磁界によって各磁性体の磁化を制御することにより行う。
一般的には、磁化の向きに応じて“0”データと“1”データを記憶させる。素子のデータを書き換えるための代表的な方法には、アステロイド特性を利用した方法（例えば特許文献１参照）が存在する。また、スイッチング特性を利用した方法（例えば特許文献２参照）も存在する。
【０００５】
データの読み出しは、トランジスタなどの素子を用いてセル選択を行い、電流磁気効果を通じて磁化の向きを電圧信号として取り出す。
セルの膜構成として提案されているのは、強磁性体／絶縁体／強磁性体の三層接合(強磁性トンネル接合、Magnetic Tunnel Junction - ＭＴＪ)を含む構造である。以下、この構造をＭＴＪ構造という。
ＭＴＪ構造では、片方の強磁性層を磁化の向きが固定の固定参照層、他方を記録層(自由層)として用いる。これにより、ＭＴＪ構造は、トンネル磁気抵抗効果を通じて記録層磁化の向きと電圧信号を対応させている。
【０００６】
ＭＲＡＭは、磁性体の磁化反転による“0”と“1”のデータを、高速、かつ、ほぼ無限(10の15乗回以上)に書き換えることが可能である。これが、他の不揮発メモリと比較した場合のＭＲＡＭの最大の特長である。
しかし、その一方でＭＲＡＭは、配線に数[mA]〜数十[mA]の電流を流すために消費電力が大きい。また、ＭＲＡＭは、記録のためのワード線、読み出しのためのビット線の両方を必要とするため、セルの微細化が困難である。さらにＭＲＡＭは、ＭＴＪを小さくすると反転に必要な磁界が大きくなるため、消費電力の観点でスケーリングに不利である。
【０００７】
解決策の１つとして、電流磁界によらない記録方式が研究されており、なかでもスピントランスファ磁化反転に関する研究が活発である（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じくＭＴＪにより構成されている。ただし、スピントランスファ磁化反転では、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、自由層に進入する際にその磁性層にトルクを与えることを利用する。詳細には、あるしきい値以上の電流を流せば自由層磁化が反転する。
“0”と“1”のデータ書き換えは、電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は、0.1[μm]程度のスケールの素子で数[mA]以下であり、しかも素子体積に比例して減少する。この点で、スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、スケーリング上有利である。
また、スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭで必要であった記録のためのワード線が不要であるため、セルが単純になるという利点がある。
【０００９】
読み出しはＭＲＡＭと同じくトンネル磁気抵抗効果を利用する。
本明細書において、スピントランスファを利用したＭＲＡＭをＳｐＲＡＭ(Spin transfer Random Access Memory)と呼ぶ。また、スピントランスファを引き起こすスピン偏極電子流をスピン注入電流(Spin injection current)と呼ぶ。
高速かつ書き換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とした不揮発メモリとして、ＳｐＲＡＭには大きな期待が寄せられている。
【特許文献１】特開平１０−１１６４９０公報
【特許文献２】米国特許第２００３００７２１７４号
【特許文献３】米国特許第００５６９５８６４号
【非特許文献１】J.Nahas et al., IEEE / ISSCC 2004 Visulas Supplement p.22
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
既に提案されているＳｐＲＡＭにおいて、“0”と“1”のデータ書き換えは、スピン注入電流の極性を変えることにより行う。
しかし、スピントランスファ磁化反転現象に内在する不安定性のため磁化反転の結果を、スピン注入電流の極性のみでは必ずしも決定できない。
ＳｐＲＡＭにおいては“0”と“1”のデータに対応した磁化状態に加えて、スピン注入電流を流したときだけ成立する準安定状態が存在する。上記磁化反転結果の不安定性は、磁化が一旦準安定状態に捕らえられると電流を切った後の磁化状態が不定になってしまう現象に起因する。
【００１１】
本発明では、注入電流の広い範囲にわたって安定な磁化反転を実現することが可能な構成の抵抗変化型メモリデバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の観点に関わる抵抗変化型メモリデバイスは、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、磁化の反転が可能な磁性層を含み導電層上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から斜めに傾いて、前記積層体が形成されている。
【００１３】
このような構造のトンネル磁気抵抗効果素子の積層体では、その積層方向（層厚方向）に印加される電圧に応じて電流が流れる。通常の積層体、つまり、各層の中心を結ぶ線が積層方向と平行な場合は、流れる電流の方向も積層方向とほぼ一致する。
これに対し、上記のように各層の中心を結ぶ線が積層面（下地の導電層の面）と垂直な方向から斜めに傾いていると、電流ベクトルの向きも、その分、斜めになる。
このような構成では、電流ベクトルが斜めになると、そのある向きの電流成分に起因して、準安定状態が存在する方向に記憶のための磁化が向くことを妨げる内部磁界が発生する。つまり、斜めの電流ベクトルのある特定の向きの電流成分が生じると、この電流成分の大きさに応じて、準安定状態への遷移が妨げられるという作用がある。
【００１４】
本発明の第２の観点に関わる抵抗変化型メモリデバイスは、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、第１導電層と第２導電層の層間に形成された磁化の反転が可能な磁性層を含むトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、前記積層体と前記第１導電層の接触面と、前記積層体と前記第２導電層の接触面とが、前記磁化の反転方向内でずれた位置に形成されている。
【００１５】
この第２の観点に関わる抵抗変化型のメモリデバイスは、第１の観点と同様に電流ベクトルを斜めにする。
特に第２の観点では、電流の入り口と出口となる２つの接触面を斜めに配置し、これにより全体として電流パスの分布が斜めになる。そのため生じる特定の電流成分に起因して、準安定状態への遷移が妨げられるという作用がある。
【００１６】
上記第１および第２の観点では、より好ましくは、前記積層体は、前記強磁性トンネル構造の積層方向の一方側と他方側で、強磁性トンネル構造以外の積層体部分の断面積が異なる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、注入電流の広い範囲にわたって安定な磁化反転を実現することが可能な構成の抵抗変化型メモリデバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、ＳｐＲＡＭを例として図面を参照して説明する。
以下、後述する第１〜第３の、より詳細な実施形態に共通な断面素子構造と現象を、最初に説明する。
【００１９】
＜実施形態に共通な断面素子構造＞
図１は、本発明が適用されていない比較例に関わり、スピン注入電流によって“0”と“1”のデータ反転を行うＳｐＲＡＭのメモリセルＭＣの断面模式図である。
図１に図解したメモリセルＭＣは、上層配線からなるビット線３２と、ソース線（不図示）との間に、トンネル磁気抵抗効果素子１と、セレクト素子とが直列接続されている。
セレクト素子は、読み出しまたは書き込みのため電気的にメモリセルを選択する素子であり、ダイオードまたはＭＯＳトランジスタ等を用いることができる。図１は、セレクト素子として、ＭＯＳトランジスタ（セレクトトランジスタ４１）を用いた例を示す。
【００２０】
Ｓｉ基板４０に、セレクトトランジスタ４１の拡散層４２と拡散層４３が、チャネルが形成される領域を挟んで互いに離れて形成されている。拡散層４２と拡散層４３は、チャネルが形成される領域と逆導電型となるように不純物が導入され、低抵抗化されている。このうち拡散層４２は、不図示の箇所でソース線と接続される。
拡散層４３は、接続プラグ３１を介してトンネル磁気抵抗効果素子１の一方端（下端）と接続されている。
トンネル磁気抵抗効果素子１のもう一端（上端）はビット線３２に接続されている。セレクトトランジスタ４１のゲートは、不図示の薄いゲート絶縁膜とゲート導電層の積層構造を有する。当該ゲート導電層が選択信号線３０として機能するか、当該導電層が別の選択信号線３０と接続されている。
【００２１】
トンネル磁気抵抗効果素子１は、磁化が比較的容易に回転する記憶層１６と、磁化固定層１２および１４とを含む。
記憶層１６と、磁化固定層１２および１４は例えばニッケル(Ｎｉ)、鉄(Ｆｅ)あるいはコバルト(Ｃｏ)、またはこれらの合金を主成分とする強磁性体が用いられる。
記憶層１６は複数の磁性層で構成される場合もあり、これらをまとめて自由層３と称することもある。図１に図解した例では、自由層３が、下層から順にトンネルバリア層１５、記憶層１６および非磁性層１７を含んで構成されている。
【００２２】
磁化固定層１２と磁化固定層１４は、非磁性層１３を介して反強磁性結合しており、さらに磁化固定層１２は反強磁性体１１と接して作られている。これらの層間に働く交換相互作用によって強い一方向の磁気異方性を持つが、これらをまとめて固定層２と称することもある。図１に図解した例では、固定層２が、下層から順に下地膜１０、反強磁性体１１、磁化固定層１２、非磁性層１３および磁化固定層１４を含んで構成されている。
【００２３】
非磁性層１３および非磁性層１７の材料としては、タンタル(Ｔａ)、銅（Ｃｒ）、ルテニウム(Ｒｕ)などが使用できる。定常状態において非磁性層１３を介した強い反強磁性結合により磁化固定層１２の磁化５１と磁化固定層１４の磁化（以下、参照層磁化という）５２はほぼ完全な反平行状態にある。
通常、磁化固定層１２と磁化固定層１４の飽和磁化膜厚積は等しく、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。
反強磁性体の材料としては、例えば鉄(Ｆｅ)，ニッケル(Ｎｉ)，白金(Ｐｔ)，イリジウム(Ｉｒ)，ロジウム(Ｒｈ)などのマンガン合金、コバルト(Ｃｏ)やニッケル酸化物などが使用できる。
【００２４】
また、記憶層１６と磁化固定層１４との間には、アルミニウム(Ａｌ)、マグネシウム(Ｍｇ)、シリコン(Ｓｉ)等の酸化層、もしくは窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層１５が置かれている。トンネルバリア層１５は、記憶層１６と磁化固定層１４との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。
【００２５】
これらの磁性膜および導体膜は主にスパッタリング法により形成され、トンネルバリア層は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、もしくは窒化させることにより得ることができる。
【００２６】
非磁性層１７は、トップコート膜であり、トンネル磁気抵抗効果素子とトンネル磁気抵抗効果素子を接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び記憶層１６の酸化防止という役割がある。トップコート膜は、通常、銅(Ｃｕ)，タンタル(Ｔａ)，窒化チタン等の材料が使用できる。
下地膜１０は、下地膜で上方に積層される膜の結晶性を高める作用がある。下地膜１０の材料は、クロム(Ｃｒ)、タンタル(Ｔａ)等を使用できる。
【００２７】
記憶層１６の磁化（以下、記憶層磁化という）５３と磁化固定層１４の磁化（参照層磁化）５２が平行状態にあるか反平行状態にあるかによってメモリセルの状態を決定することができる。
メモリセルの状態を読み出したり書き換えたりするためにスピン注入電流７０を流す必要がある。
スピン注入電流７０は、拡散層４３、トンネル磁気抵抗効果素子１およびビット線３２を通過する。
【００２８】
図２は、ＳｐＲＡＭの特性を測定する装置の例を示す。
トンネル磁気抵抗効果素子１の自由層の磁化５３を“0”と“1”のデータ反転することは、スピン注入電流７０の他にバイアス電流磁界７２によっても可能である。
スピン注入電流７０のパルス波高値を縦軸に、バイアス電流磁界７２のパルス波高値を横軸に描かれたメモリセルの状態図を、フェイズダイアグラム(phase diagram)と呼ぶ。
図２に図解する装置は、バイアス電流磁界７２を発生させるのにヘルムホルツコイル７４を用いる。ヘルムホルツコイル７４を流れるバイアス電流７１は外部電源７３から独立に供給される。スピン注入電流７０はメモリセルと接続されたビット線３２を介して別の駆動回路から流入または流出する。
図２の装置を用いればスピン注入電流７０とバイアス電流磁界７２の大きさと位相を任意に設定してフェイズダイアグラムを作成のための測定を行うことができる。
【００２９】
図３は、スピン注入電流７０のパルスとバイアス電流７１のパルスを印加するタイミングを表す図である。
初期状態を符号ｔ０により示す。また、簡単のためスピン注入電流７０とバイアス電流７１はともに矩形パルスとする。
スピン注入電流７０とバイアス電流７１の立ち上がり時間をそれぞれ符号ｔ１とｔ２により示す。スピン注入電流７０とバイアス電流７１の立ち下がり時間をそれぞれ符号ｔ３およびｔ４により示す。
時間ｔ５において、記憶層磁化５３と参照層磁化５２のなす角度によって決まる抵抗状態を読み取って、終了状態を決定する。
【００３０】
図４は、本発明が適用されていないＳｐＲＡＭのパルス持続時間10[ns]におけるメモリセル状態図である。メモリセル状態図は、スピン注入電流７０のパルス波高値を縦軸に、メモリセルのアドレスを横軸にして、スピン注入電流値とセル状態との相関関係を示すものである。
スピン注入電流を流す以前の初期状態はバイアス電流磁界７２の極性によって、例えば、記憶層磁化５３と参照層磁化５２が反平行状態をなすように揃えられている。
【００３１】
メモリセル状態図が示すセル状態とは、磁化反転の結果、最終的に到達した状態である。
ＳｐＲＡＭを含むＭＲＡＭにおいて“0”と“1”のデータ記憶が明らかな２つの安定な磁化状態に対応し、“0”と“1”のデータ記憶が明確でない不安定領域が存在することは好ましくない。
スピントランスファトルクが存在しない場合、例えば、本発明が適用されていないＭＲＡＭにおいては安定な磁化状態は記憶層磁化５３の持つポテンシャルエネルギーの谷に対応している。
【００３２】
＜実施形態に共通な現象説明＞
下記文献１（＊１）によれば、記憶層磁化に作用する有効磁界からのトルクは以下の式(1)で表わされる。
（＊１)文献１：「M. R. Gibbons, “Micromagnetic Simulation using the dynamic alternating direction implicit method”, J. Magn. Magn. Mater., 186, pp.389 (1998)」
【００３３】
【数１】
2010135512.tif 000003
【００３４】
有効磁界は記憶層磁化のポテンシャルエネルギーと、
【００３５】
【数２】
2010135512.tif 000004
となる関係にある。
【００３６】
ポテンシャルエネルギーはさらに次式(3)で表わされる。
【００３７】
【数３】
2010135512.tif 000005
メモリ素子が図２のような装置内置かれた場合、外部磁界は注入電流磁界とバイアス電流磁界の和になる。
【００３８】
図１のような素子構造においては、トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を流れる電流が誘起する磁界は渦状の磁界となるため記憶層磁化の向きを一様な方向に向ける効果は持たない。
【００３９】
特許文献（特開２００５−２７７１４７号公報）にあるとおり、ビット線３２を流れる注入電流が誘起する磁界を記憶層磁化に作用させる発明は既に存在する。
【００４０】
有効磁界からのトルクは、系の最終状態がポテンシャルエネルギーの谷に収束するまで作用する。記憶層磁化が一様な磁化状態にあれば、ポテンシャルエネルギーの谷は、記憶層磁化５３と参照層磁化５２が平行となる状態と、記憶層磁化５３と参照層磁化５２が反平行となる状態のふたつが存在することが知られている。
そこで、外部から電流磁界等を印加することによって、初期状態をエネルギー的に不安定な状態に移行させ終了状態を初期状態とは反対の状態に帰着させることができる。
【００４１】
ところが、ＳｐＲＡＭの場合、“0”と“1”のデータに対応した磁化状態に加えてスピン注入電流を流したときだけ成立する準安定状態が存在し、磁化が一旦準安定状態に捕らえられると電流を切った後の磁化状態が不定になってしまう場合が希に起こりうる。
【００４２】
下記の文献２（＊２）によれば、スピン偏極電子から伝達されるトルク（スピントランスファトルク）は、次式(4)で表わされる。
（＊２）文献２：「Y. B. Bazaliy, et.al., “Modification of the Landau-Lifshitz equation in the presence of a spin-polarized current in Ｃｏlossal- and giant-Magnetoresistive Materials”, PRB 57, pp.R3213 (1998)」
【００４３】
【数４】
2010135512.tif 000006
【００４４】
2010135512.tif 000007
【００４５】
【数５】
2010135512.tif 000008
となる関係にある。
【００４６】
伝導電子の運動エネルギーはさらに、次式(6)で表わされる。
【００４７】
【数６】
2010135512.tif 000009
【００４８】
図１に示すように注入電流密度ベクトルがプレーナ面に対して垂直な方向を向く場合(Jx=Jy=0、Jz≠0)、伝導電子の運動エネルギーの谷もプレーナ面に対して垂直方向を向くことになる。
運動エネルギーの谷は注入電流を流した状態でしか安定しないので準安定状態とみなすことができる。
ＳｐＲＡＭにおいては伝導電子の運動エネルギーの谷が磁化のポテンシャルエネルギーの谷とは異なる方向を向いている。このため、遷移の途上で準安定状態に一旦捕らえられると、終了状態が初期状態とは無関係になってしまうことが希に起こる。
図４において示される不安定領域７６は磁化が遷移の途上で準安定状態に捕らえられたことを反映している。
【００４９】
図５（Ａ)は、磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化５３が＋ｘ方向、参照層磁化５２が−ｘ方向を向いているものとする。しきい値以上のスピン注入電流７０を流すと磁化はｘ軸周りで歳差運動しながらやがて−ｘ方向に反転する。これは安定状態が反平行状態（０状態）と平行状態（１状態）のふたつが存在する場合であり、しきい電流７５以上の電流を流すことによって片方の状態から別の状態へとスイッチングできることを表す。
【００５０】
図５（Ｂ）は、磁化反転が正常に行われない場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化５３が＋ｘ方向、参照層磁化５２が−ｘ方向を向いているものとする。しきい値以上のスピン注入電流７０を流すと磁化はｘ軸周りで歳差運動するが、それがｚ軸周りの歳差運動へ変わる。ｚ軸周りの歳差運動が準安定状態として成立したためである。この現象は伝導電子の運動エネルギーが磁化のポテンシャルエネルギーを越えた場合に希に起こる。
【００５１】
準安定状態は伝導電子が運動エネルギーを得ている状態、すなわち、スピン注入電流７０が流れている時間内でしか存在できない。このため、電流を流すのを止めたその後の状態は“0”あるいは“1”どちらにも到達しうる。
図５（Ｂ）においては、スイッチングの途上で磁化が準安定状態に捕らえられたために、電流を切った後の状態が最初の磁化状態へと戻ったことを表す。
【００５２】
前述したような磁化状態が不定になる現象は、ＳｐＲＡＭにおけるデータ書き込みの信頼性を劣化させる。
誤り訂正回路で幾ばくかの書き込み誤りを救うことはできるが、その場合は余分な回路によるチップ面積増大、消費電力増大を招来する。
また、かかる不安定現象が存在する限り、ＳｐＲＡＭを主記憶メモリとして使用することを困難にする。それではデータ器機の高性能化をするための不揮発メモリとしてのＳｐＲＡＭの価値は著しく低いものとしてしまう結果となる。
【００５３】
《第１実施形態》
ＳｐＲＡＭにおいてスイッチング終了状態が意図する状態とは別の状態に遷移してしまうのは、スピン注入電流７０を流すことによって一時的に生じる準安定状態が意図する遷移の軌道を擾乱するためである。
図１のような構造のままでは、スピントランスファ磁化回転を原理とする限り、一時的に準安定状態が誘導させるのを完全に防ぐことは難しい。
しかし、準安定状態が存在する方向（図５（Ｂ）ではz軸方向）が判明しているならば、その方向に記憶層磁化５３が向かないようにスピン注入電流を流す方向を最適化することは可能である。
【００５４】
図６は第１実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
2010135512.tif 000010
伝導電子の運動エネルギーの谷がプレーナ面（厳密には、トンネル磁気抵抗効果素子１が形成された接続プラグ３１の上面）に対して垂直以外の方向を向くと、記憶層磁化５３が垂直方向を向いて準安定状態をとる確率を大幅に低減できる。ここで、電流密度ベクトルにプレーナ面と平行な電流ベクトル成分（または）のうち、磁化の反転方向であるｘ方向と直交する方向の電流ベクトル成分（ここでは、図６では電流成分Ｉｙにより表記）が大きくなると、より準安定状態をとる確率が減少するため望ましい。準安定状態をとる確率が減少すれば、磁化遷移結果が不定になることもなくなり、不安定領域は解消される。
詳しい検討に依れば、プレーナ面と平行な面（本例では接続プラグ３１の上面）に対して、トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を傾斜させる角度７７は５度〜８５度の範囲にあるのが望ましい。
【００５５】
図７は、第１実施形態において磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化５３が＋ｘ方向、参照層磁化５２が−ｘ方向を向いているものとする。トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を傾斜させることによって記憶層磁化５３は準安定状態の存在する方向を向くことなく遷移を終了する。
【００５６】
図８は、第１実施形態において電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図である。
メモリセル状態図は電流パルス列の波高値を縦軸にメモリセルのアドレスを横軸にして描かれている。
【００５７】
トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を傾斜させる角度７７はおよそ３０度である。このとき、運動エネルギーの谷を移動させることによって図４において見られたような反転結果が不定になる状態を完全に除くことができた。
またトンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を傾斜させることによる副次的な効果として、トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を流れるスピン注入電流７０が誘起する電流磁界を記憶層磁化５３に作用させることができる。この効果を高めるにはトンネル磁気抵抗効果素子１を通過する前の電流密度と通過後の電流に差を設けるよう断面積を調整するのが好ましい。
【００５８】
図６に示す構造を得るには、たとえば、斜めのエッチングで埋め込み絶縁膜に斜めの穴を開け、この穴にプラグ材を埋め込んで接続プラグ３１を形成する。つぎに、埋め込み絶縁膜上の接続プラグ３１の上面に接するように、トンネル磁気抵抗効果素子１を構成する各膜を形成する。
その後、レジスト等のマスク層を形成して、そのマスク層の周辺のトンネル磁気抵抗効果素子１を構成する各膜を順次、斜めのエッチングで除去する。
マスク層を除去すると、図６における斜めの接続プラグ３１とトンネル磁気抵抗効果素子１の積層体の形成が完了する。なお、その他のトランジスタや配線は通常の方法に従って形成する。
【００５９】
ここで図６においては、面内磁化型のＭＴＪを例示する。
本実施形態において、磁化容易軸の方向が「磁化の反転方向」であり、当該方向は、ここではｘ軸９１の方向に該当する。
「磁化の反転方向と直交する方向」がｙ軸９２の方向に該当する。
「トンネル磁気抵抗効果素子１を構成する積層体の各層の中心を結ぶ線が傾いている」というときの基準（傾きゼロの方向）は、接続プラグ３１の上面（積層体の形成面）と垂直なｘ軸９３の方向である。
【００６０】
図６に示す面内磁化型のＭＴＪをトンネル磁気抵抗効果素子１は、ＭＴＪを構成する各層の平面形状が、磁化の容易化方向（磁化容易軸の方向）と、磁性層の平面内で磁化容易軸の方向と直交する方向とで、寸法として異なっていることが望ましい。このため、図６では、例えばＭＴＪを構成する各層の平面形状が楕円形を例示する。
より詳細に、図６では磁化の容易性を規定する一つが楕円の平面形状であり、楕円の長軸方向（ｘ軸９１の方向）で磁化が容易に安定する。逆に、楕円の短軸方向（ｙ軸９２の方向）では磁化が安定とならない。そのため磁化の反転方向は、ｘ軸９１の方向に設定されている。
【００６１】
《第２実施形態》
ＳｐＲＡＭにおいてスイッチング終了状態が意図する状態とは別の状態に遷移してしまうのは、スピン注入電流７０を流すことによって一時的に生じる準安定状態が意図する遷移の軌道を擾乱するためである。
図１のような構造のままではスピントランスファ磁化回転を原理とする限り一時的に準安定状態が誘導されるのを完全に防ぐことは難しい。しかし、準安定状態が存在する方向（図５（Ｂ）ではz軸方向）が判明しているならばその方向に記憶層磁化５３が向かないようにトンネル磁気抵抗効果素子１の積層方向を最適化することは可能である。
【００６２】
図９は、第２実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
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伝導電子の運動エネルギーの谷がプレーナ面（厳密には、トンネル磁気抵抗効果素子１が形成された接続プラグ３１の上面）に対して垂直以外の方向を向くと、記憶層磁化５３が垂直方向を向いて準安定状態をとる確率を大幅に低減できる。準安定状態をとる確率が減少すれば、磁化遷移結果が不定になることもなくなり、不安定領域は解消される。
詳しい検討に依れば、プレーナ面と平行な面（本例では接続プラグ３１の上面）に対して、トンネル磁気抵抗効果素子１および接続プラグ３１を傾斜させる角度７７は５度〜８５度の範囲にあるのが望ましい。
【００６３】
磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程は、図７に示す第１実施形態に関わる模式図とほぼ同様なものが得られた。
図７において、初期状態において記憶層磁化５３が＋ｘ方向、参照層磁化５２が−ｘ方向を向いているものとする。
トンネル磁気抵抗効果素子１がなす平面を傾斜させることによって記憶層磁化５３は準安定状態の存在する方向を向くことなく遷移を終了する。
【００６４】
また、電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図も、図８の第１実施形態の状態図と同じものが得られた。
図８において、メモリセル状態図は電流パルス列の波高値を縦軸にメモリセルのアドレスを横軸にして描かれている。トンネル磁気抵抗効果素子１を傾斜させる角度７７はおよそ３０度である。
【００６５】
運動エネルギーの谷を移動させることによって図４において見られたような反転結果が不定になる状態を完全に除くことができた。
また、トンネル磁気抵抗効果素子１を傾斜させることによる副次的な効果として、トンネル磁気抵抗効果素子１を流れるスピン注入電流７０が誘起する電流磁界を記憶層磁化５３に作用させることができる。この効果を高めるにはトンネル磁気抵抗効果素子１を通過する前の電流密度と通過後の電流に差を設けるよう断面積を調整するのが好ましい。
【００６６】
なお、図９に示すように、プレーナ面とほぼ平行な接続プラグ３１の上面に対して、各層が斜めとなるように、トンネル磁気抵抗効果素子１を形成する必要がある。このためには、第１実施形態にて説明した斜めのエッチングを用いると、図６に示す斜めのトンネル磁気抵抗効果素子１が、真っ直ぐな接続プラグ３１の上面に形成されることになる。このような形態でもよいが、図９のようにするには、たとえば以下の方法を採用できる。
【００６７】
下地膜１０を、接続プラグ３１の上面に接する下面が水平な場合でも、その上面を水平面より斜めに形成する。
このような下地膜１０の加工方法としては、例えば、フォトマスク上の工夫で、光の透過光量が、あるパターンの転写平面に対して一方から他方に徐々に減少していくようにする。
【００６８】
そのように工夫されたフォトマスクを用いると、露光後のレジストの断面形状が、図９の下地膜１０のように上面のみ斜めとなる形状となる。このレジストを、下地膜材料に対してある程度、選択比が低い条件でエッチバックしていくと、そのレジストが除去される過程で、下地膜が、一方から他方に徐々に深くエッチングされる。そして、最終的には、レジスト形状を反映して下地膜１０のようにパターンニングされる。
その後、下地膜１０上に、固定層２の他の構成膜と自由層３の構成膜を、順次形成し、パターンニングすると、図９のようなトンネル磁気抵抗効果素子１を実現できる。
【００６９】
《第３実施形態》
図１０に示すように、トンネル磁気抵抗効果素子１を形成する前に、接続プラグ３１の上面に、電流経路を限定するような導電コンタクト層３３と、その周囲の絶縁層３４を形成する。そして、前述した製法で、導電コンタクト層３３が埋め込まれた絶縁層３４上に、トンネル磁気抵抗効果素子１を斜めに形成する。
ここで、トンネル磁気抵抗効果素子１が傾いた向きを、図１０に符号“Ａ”により示し、その向きＡと反対の向きを符号“Ｂ”により示す。
【００７０】
図１０に示すように、向きＢ寄りの位置で導電コンタクト層３３がトンネル磁気抵抗効果素子１の下面と接触するように、導電コンタクト層３３に対してトンネル磁気抵抗効果素子１を形成する。
つぎに、ビット線３２を形成するが、そのときも、トンネル磁気抵抗効果素子１を埋め込む平坦化膜の最上層の膜に、電流経路を限定するようにトンネル磁気抵抗効果素子１の上面より狭い開口部３５を形成する。そして、開口部３５を介してビット線３２をトンネル磁気抵抗効果素子１と電気的に接続する。
開口部３５の位置は、トンネル磁気抵抗効果素子１が傾いた向きＡと反対の向きＢ寄りの位置である。このため、電流の平均的な向きは、導電コンタクト層３３と開口部３５に規定されて斜めになる。
【００７１】
この導電コンタクト層３３と開口部３５の配置は、トンネル磁気抵抗効果素子１を斜めに形成した効果、即ち、準安定状態への遷移を妨害する効果を増強する。このため、よりエラー率が低いメモリが実現できる。
なお、この導電コンタクト層３３と開口部３５の配置により効果で十分な場合、トンネル磁気抵抗効果素子１は斜めにする必要は必ずしもない。このような形態も、当該第３実施形態に含まれる。また、この導電コンタクト層３３と開口部３５の配置をずらすことは、第２実施形態への適用も可能である。
【００７２】
《第４実施形態》
図１１のように、ＭＴＪ構造をなす磁化固定層１４、トンネルバリア層１５、記憶層１６に対し、その積層方向の一方側と他方側で断面積を変えても、第１実施形態の効果を増強する効果が得られる。
これは、準安定状態への遷移を妨げる向きの内部磁界を発生する電流成分が断面積に比例した大きさで発生するからである。つまり、この電流成分のアンバランスＭＴＪ構造の上下で大きければ、それだけ準安定状態への遷移を妨げる内部磁界の強さも増す。
【００７３】
このような断面積が異なる積層体の形成は、トンネル磁気抵抗効果素子１を、加工パターンのサイズを変えた２回のエッチングに分けて形成することで達成される。
なお、断面積を変えることによる準安定状態への遷移を妨げるアシスト効果は、準安定状態への遷移を妨げる内部磁界を発生する電流成分の存在を前提とする。このため、断面積を変えること単独では効果がなく、第１または第２実施形態と組み合わせた当該第４実施形態のような形態で効果が発揮される。さらに、第３実施形態への適用、さらには、その他の任意の実施形態と組み合わせても適用可能である。
【００７４】
以上の第１〜第４実施形態では、面内磁化型のＭＴＪを有するトンネル磁気抵抗効果素子を例とする。しかし、垂直磁化型、すなわち磁化の方向がＭＴＪを構成する積層体の各層の垂直方向（法線方向）のトンネル磁気抵抗効果素子に変更も可能である。この場合でも「積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から（当該垂直な方向を基準として）斜めに傾いている」ことに変わりがない。ただし、磁化容易化方向（容易化軸の方向）がｘ軸９３であり、その容易化軸の方向と直交する方向、例えばｙ軸９２側に斜めにＭＴＪの積層体を傾かせると、上述した面内磁化型と同様に準安定状態への遷移確率が低下するという効果が同様に得られる。
【００７５】
以上詳述してきた第１〜第４実施形態によれば、スピントランスファ磁化反転に伴う不安定性を除去し、メモリセルを高い信頼性で“0”と“1”のデータ反転できるようになる。これにより、ＳｐＲＡＭの微細化、高信頼化、大容量化、低消費電力化が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】比較例に関わるＳｐＲＡＭのメモリセルの断面模式図である。
【図２】実施形態で用いることができる、ＳｐＲＡＭの特性を測定する装置を示す図である。
【図３】実施形態での測定において、スピン注入電流とバイアス電流の各パルスを印加するタイミング図である。
【図４】比較例のＳｐＲＡＭに関わる、パルス持続時間10[ns]におけるメモリセル状態図である。
【図５】（Ａ）は磁化反転が正常に行われた場合の、（Ｂ）は磁化反転が正常に行われなかった場合の磁化遷移過程を示す図である。
【図６】第１実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
【図７】第１実施形態において磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
【図８】第１実施形態において電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図である。
【図９】第２実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
【図１０】第３実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
【図１１】第４実施形態に関わるＳｐＲＡＭの断面模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…トンネル磁気抵抗効果素子、２…固定層、３…自由層、１０…下地膜、１１…反強磁性体、１２…磁化固定層、１３…非磁性層、１４…磁化固定層、１５…トンネルバリア層、１６…記憶層、１７…非磁性層、３０…選択信号線、３１…接続プラグ、３２…ビット線、３３…導電コンタクト層、３４…絶縁層、３５…開口部、４１…セレクトトランジスタ、５１,５２,５３…磁化、ＭＣ…メモリセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010135512.tif 000021
【図１１】
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