(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を順に積層した磁気トンネル接合素子であって、少なくとも前記第１又は第２磁性層の前記絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して第３磁性層を設け、第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層により閉磁路を構成しており、前記金属層の膜厚は、前記閉磁路を構成している第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層が反強磁性結合する膜厚に設定されていることを特徴とする磁気トンネル結合素子。
【請求項２】
前記第１又は第２磁性層と第３磁性層との離間部に、少なくとも１つのリード線を設けたことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記第３磁性層が前記第１又は第２磁性層と前記金属層を介して接する領域は、前記中央部の両側であって、
前記第３磁性層における、前記接する領域、前記中央部、前記接する領域がこの順に現れる方向を長手方向とすると共に、前記接する領域に含まれかつ前記長手方向に垂直な方向を幅方向とするとき、前記接する領域の長手方向の長さが、前記接する領域の幅方向の長さよりも長く形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
少なくとも第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を順に積層し、少なくとも前記第１又は第２磁性層の前記絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して第３磁性層を設け、第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層により閉磁路を構成しており、前記金属層の膜厚は、前記閉磁路を構成している第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層が反強磁性結合する膜厚に設定されている磁気トンネル結合素子を用いたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項５】
前記第１又は第２磁性層と第３磁性層との離間部に、少なくとも１つのリード線を設けた磁気トンネル結合素子を用いたことを特徴とする請求項４記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記第３磁性層が前記第１又は第２磁性層と前記金属層を介して接する領域は、前記中央部の両側であって、前記第３磁性層における、前記接する領域、前記中央部、前記接する領域がこの順に現れる方向を長手方向とすると共に、前記接する領域に含まれかつ前記長手方向に垂直な方向を幅方向とするとき、前記接する領域の長手方向の長さが、前記接する領域の幅方向の長さよりも長く形成された磁気トンネル接合素子を用いたことを特徴とする請求項４又は５記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気トンネル接合素子及びそれを用いた磁気メモリに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子に比べて大きな出力が得られることから、ＨＤＤ用再生ヘッドや磁気メモリへの応用が考えられている。
【０００３】
特に、磁気メモリにおいては、半導体メモリと同じく稼動部の無い固体メモリであるが、電源が断たれても情報を失わない、繰り返し回数が無限回である、放射線が入射しても記録内容が消失する危険性が無い等、半導体メモリと比較して有用である。
【０００４】
従来のＭＴＪ素子の構成を図５に示す。なお、このような構造はたとえば特開平９―１０６５１４号公報に示されている。
【０００５】
図５のＭＴＪ素子４は、反強磁性層４１、強磁性層４２、絶縁層４３、強磁性層４４を積層したものである。ここで、反強磁性層４１としてはＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＭｎＰｔ、ＭｎＩｒ等の合金が用いられ、強磁性層４２及び強磁性層４４としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金が用いられる。また、絶縁層４３としては各種の酸化物や窒化物が検討されているが、Ａｌ２Ｏ３膜の場合に最も高い磁気抵抗（ＭＲ）比が得られることが知られている。
【０００６】
また、この他に、反強磁性層４１を除いた構成で、強磁性層４２と強磁性層４４の保磁力差を利用したＭＴＪ素子の提案もなされている。
【０００７】
図５の構造のＭＴＪ素子４を磁気メモリに使用する場合の動作原理を図６に示す。
【０００８】
強磁性層４２及び強磁性層４４の磁化はいずれも膜面内にあり、平行もしくは反平行となるように実効的な一軸磁気異方性を有している。そして、強磁性層４２の磁化は反強磁性層４１との交換結合により実質的に一方向に固定され、強磁性層４４の磁化の方向で記録を保持する。
【０００９】
このメモリ層となる強磁性層４４の磁化が平行もしくは反平行でＭＴＪ素子４の抵抗が異なることを検出して読み出しを行い、ＭＴＪ素子４の近傍に配置した電流線が発生する磁界を利用して強磁性層４４の磁化の向きを変えることで書き込みを行う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構造のＭＴＪ素子４では強磁性層４２及び強磁性層４４の磁化が面内方向であるため、両端部には磁極が発生する。磁気メモリの高密度化を図るにはＭＴＪ素子４を微細化する必要があるが、素子の微細化にともない両端部の磁極による反磁界の影響が大きくなる。
【００１１】
強磁性層４２については反強磁性層４１と交換結合していることから、上記の反磁界の影響は少なく、また、米国特許５８４１６９２号公報に開示されているように、強磁性層４２を反強磁性結合する二つの強磁性層で構成することにより、端部に発生する磁極を実質的にゼロにすることができる。
【００１２】
しかしながら、メモリ層となる強磁性層４４については同様の手法を取ることができないことから、パターンが微細化するに連れて端部磁極の影響により磁化が不安定となり、記録の保持が困難となってしまう。
【００１３】
そこで、本発明は上記課題を解決するために、パターンが微細化してもメモリ層に記録された磁化状態が安定に存在することのできる磁気トンネル接合素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであって、本発明の磁気トンネル結合素子は、少なくとも第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を順に積層した磁気トンネル接合素子であって、少なくとも前記第１又は第２磁性層の前記絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して第３磁性層を設け、第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層により閉磁路を構成しており、前記金属層の膜厚は、前記閉磁路を構成している第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層が反強磁性結合する膜厚に設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、前記第１又は第２磁性層と第３磁性層との離間部に、少なくとも１つのリード線を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、前記第３磁性層が前記第１又は第２強磁性層と前記金属層を介して接する領域は、前記中央部の両側であって、前記第３磁性層における、前記接する領域、前記中央部、前記接する領域がこの順に現れる方向を長手方向とすると共に、前記接する領域に含まれかつ前記長手方向に垂直な方向を幅方向とするとき、前記接する領域の長手方向の長さが、前記接する領域の幅方向の長さよりも長く形成されたことを特徴とするものである。また、本発明の磁気メモリは、少なくとも第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を順に積層し、少なくとも前記第１又は第２磁性層の前記絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して第３磁性層を設け、第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層により閉磁路を構成しており、前記金属層の膜厚は、前記閉磁路を構成している第１及び第３磁性層又は第２及び第３磁性層が反強磁性結合する膜厚に設定されている磁気トンネル結合素子を用いたことを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、前記第１又は第２磁性層と第３磁性層との離間部に、少なくとも１つのリード線を設けた磁気トンネル結合素子を用いたことを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、前記第３磁性層が前記第１又は第２強磁性層と前記金属層を介して接する領域は、前記中央部の両側であって、前記第３磁性層における、前記接する領域、前記中央部、前記接する領域がこの順に現れる方向を長手方向とすると共に、前記接する領域に含まれかつ前記長手方向に垂直な方向を幅方向とするとき、前記接する領域の長手方向の長さが、前記接する領域の幅方向の長さよりも長く形成された磁気トンネル接合素子を用いたことを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明について詳細に説明する。
【００２０】
本発明のＭＴＪ素子の構成例を図１に示す。図１に示すように、本発明によるＭＴＪ素子１は、反強磁性層１１、強磁性層１２、絶縁層１３、強磁性層１４、金属層１５、１６及び閉磁路層１７からなる。そして、反強磁性層１１と強磁性層１２は交換結合している。また、強磁性層１４と閉磁路層１７は両端部で金属層１５、１６を介して接合し、中央部では離間している。なお、ここで、磁性層１２又は１４は第１又は第２磁性層に相当し、閉磁路層１７は第３磁性層に相当する。
【００２１】
反強磁性層１１の材料としてはＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＭｎＰｔ、ＭｎＩｒ等の合金を用いることができ、強磁性層１２、１４及び閉磁路層１７の材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金を用いることができる。また、絶縁層１３としてはＭＲ比の点からＡｌ２Ｏ３膜が好ましいが、その他の酸化膜、窒化膜等の絶縁膜でもあっても、またＳｉ膜、ダイヤモンド膜、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜等の絶縁膜であっても構わない。
【００２２】
金属層１５の材料としてはＲｕ、Ｃｒ、Ｃｕ等の金属或いはこれらの合金を用いることができる。金属層１５の膜厚は強磁性層１４と閉磁路層１７が反強磁性結合する膜厚に設定する。この時、強磁性層１４と閉磁路層１７の磁化は閉ループ（閉磁路）を構成することから、端部に磁極が発生するのを回避することができる。
【００２３】
強磁性層１２、１４及び閉磁路層１７の膜厚は、１０Å以上１０００Å以下であることが好ましい。膜厚が薄すぎると熱エネルギーの影響で超常磁性化してしまうので、磁性層膜厚は１０Å以上であることが好ましく、一方、膜厚が厚すぎると本発明の閉磁路構造では端部磁極の影響を回避できなくなるため、磁性層膜厚は１０００Å以下であることが好ましい。また、各磁性層を多層膜で構成することも可能であり、この場合は合計の膜厚を１０Å以上１０００Å以下に設定すれば良い。
【００２４】
また、前記絶縁層１３の層厚は３Å以上３０Å以下であることが好ましい。これは、絶縁層１３の膜厚が３Å以下である場合、強磁性層１２と強磁性層１４が電気的にショートする可能性があり、絶縁層１３の膜厚が３０Å以上である場合、電子のトンネルが起きにくく、磁気抵抗比が小さくなってしまうからである。
【００２５】
また、図１において金属層１５、１６は別個に分離されて設けられているが、連続した単一の金属層で形成しても本発明の目的を達成できることは明らかである。
【００２６】
次に、図１のＭＴＪ素子の斜視図を図２に示す。ここでは強磁性層１４、金属層１５、１６及び閉磁路層１７を示している。
【００２７】
図２（ａ）において、強磁性層１４と閉磁路層１７の磁化は閉ループ（閉磁路）を構成している。この時、両端部で金属層１５、１６を介して接合している部分（図中斜線部）では、強磁性層１４と閉磁路層１７の磁化は反平行となっている。強磁性層１４は矩形状の単純な形状で構成されていることから、強磁性層１４の両端部の磁化は中央部と同じ方向を向く傾向がある。一方、閉磁路層１７は屈曲部を有していることから、両端部の磁化はその形状の影響を受け、必ずしも中央部と同じ方向を向くとは限らなくなる。従って、閉ループ（閉磁路）を確実に構成するためには、閉磁路層１７において両端部の磁化が中央部と同じ方向を向くように、両端部の形状を構成することが望ましい。
【００２８】
そのためには、例えば図２（ａ）において、両端部の紙面内での長さ（図中ａ）が、紙面奥行き方向の長さ（図中ｂ）よりも長くなるように構成すると良い。すなわち、閉磁路を構成している両端領域で金属層１５、１６を介して接合している部分では、磁化の平行方向の長さより磁化の直行方向長さの方が短く構成すると良いことになる。この時、形状異方性によって閉磁路層１７の両端部の磁化は中央部と同じ方向を向くように構成することができる。
【００２９】
また、図２（ａ）では、強磁性層１４と強磁性層１７の形成領域は同じ大きさに示したが、形状異方性は屈曲部を有する強磁性層１７の形状が特に影響するため、強磁性層１７の形成領域が強磁性体１４の形成領域より小さい場合でも良く、図２（ｂ）に示すようにａ＞ｂを満たしていれば良い。
【００３０】
次に、本実施例のＭＴＪ素子１をランダムアクセス可能な磁気メモリ２に用いた場合の概略図を図３に示す。
【００３１】
トランジスタ２１は読み出し時にＭＴＪ素子１を選択する役割を有している。“０”、“１”の情報は図１に示すＭＴＪ素子１の強磁性層１４の磁化方向によって記録されており、強磁性層１２の磁化方向は固定されている。そして、強磁性層１２と強磁性層１４の磁化が平行の時は抵抗値が低く、反平行の時は抵抗値が高くなるという磁気抵抗効果を利用して情報を読み出す。一方、書込みは、ビット線２２とワード線２３が形成する合成磁界によって強磁性層１４及び閉磁路層１７の磁化の向きを反転することで実現される。
【００３２】
図４にビット線２２とワード線２３の配置の例を示す。なお、２４はプレートラインである。図４に示すように、強磁性層１４と閉磁路層１７の中央離間部内にビット線２２とワード線２３を貫通させることにより、強磁性層１４及び閉磁路層１７の磁化の向きを反転するのに要する電流値が小さくなり、磁気メモリの消費電力を低減することができる。
【００３３】
なお、ビット線及びワード線の配置としては、図４に制限されることはなく、ビット線とワード線を同一平面上に設けることも可能である。或いはまた、両方もしくはどちらか一方の配線をＭＴＪ素子の外部近傍に設けることも可能であり、このようにすることにより、プロセスが簡単になる。
【００３４】
また、図４においてはビット線２２とワード線２３はともに強磁性層１４及び閉磁路層１７から電気的に絶縁されているが、どちらか一方を強磁性層１４及び閉磁路層１７と電気的に接続し、抵抗変化を検出するための電極とすることも可能である。
【００３５】
上述では、強磁性層１２の磁化は反強磁性層１１との交換結合により固定されているが、保持力の大きい強磁性材料を使用する等のその他の手段をとることも可能である。
【００３６】
また、金属層を介して反強磁性結合する二つの強磁性層で強磁性層１２を構成することにより、強磁性層１２の端部に生じる磁極の影響を軽減できる。また、強磁性層１２を例えば補償点近傍組成の希土類−遷移金属合金膜のようなフェリ磁性材料で構成しても同様に端部の磁極の影響を低減できる。
【００３７】
また、上記とは逆の順序に各層を積層することも可能である。更にまた、上記では一方の強磁性のみに閉磁路構造を形成したが、両方の強磁性層に閉磁路構造を形成することも可能である。
【００３８】
また、上述では、ＭＴＪ素子部分のみを示したが、実際の素子形成においては電流供給用の電極、基板、保護層及び密着層等が必要となることは明らかである。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のＭＴＪ素子は端部磁極の影響を低減できることから、パターンが微細化されても安定した磁化状態を保持することができる。従って、より高い集積度の磁気メモリを実現することができる。また、メモリ層となる強磁性層が閉磁路構造を取ることから、外部漏洩磁界に対して安定となる。更にまた、本発明のＭＴＪ素子は磁気メモリの消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＭＴＪ素子の構成を示す図である。
【図２】本発明のＭＴＪ素子の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明のＭＴＪ素子を用いた磁気メモリの構成を示す図である。
【図４】本発明のＭＴＪ素子を用いた磁気メモリのワード線とビット線の配置を示す図である。
【図５】従来のＭＴＪ素子の構成を示す図である。
【図６】磁気メモリに用いられる従来のＭＴＪ素子の動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１、３  ＭＴＪ素子
２  磁気メモリ
１１、３１  反強磁性層
１２、１４、３２、３４  強磁性層
１３、３３  絶縁層
１５、１６  金属層
１７  閉磁路層
２１  トランジスタ
２２  ビット線
２３  ワード線
２４  プレートライン
【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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