(57)【要約】酸化マグネシウムパシベーション層を備えた磁気抵抗効果素子とそれを用いた高速超低消費電力不揮発性メモリを提供する。強磁性自由層、絶縁層、強磁性固定層からなるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜と保護層、配向制御層の側壁にＭｇＯパシベーション層を備えることにより、３５０度以上の熱処理によるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の各層からの元素拡散を抑制し、安定した高出力読出し・低電流書込み特性をもつ磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリを実現する。さらに、強磁性層にＣｏＦｅＢ，絶縁層にＭｇＯを使用したときは、ＭｇＯパシベーション層は（００１）配向であることが望ましい。
2010067520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質の非磁性金属層と、
前記非磁性金属層の上に形成された配向制御層と、
前記配向制御層上に形成された、強磁性自由層と強磁性固定層と前記強磁性自由層と前記強磁性固定層の間に形成された絶縁層からなるトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子の側壁と、前記配向制御層の側壁と、前記非磁性金属層の側壁と表面を被覆する酸化マグネシウムパシベーション層と、
前記酸化マグネシウムパシベーション層を被覆する層間絶縁層と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記酸化マグネシウムパシベーション層は、膜面垂直方向に（００１）結晶面であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記絶縁層は、（００１）配向の酸化マグネシウムからなり、
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する膜から形成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する体心立方格子の強磁性層により形成されることを特徴する磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層を更に有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性固定層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第１の強磁性層と第２の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性自由層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第１の強磁性層と第２の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は２層以上の強磁性層により形成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項８記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性層自由層と前記強磁性固定層の少なくとも一方の磁化方向が膜面垂直方向であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
非晶質の非磁性金属層と
前記非磁性金属層の上に形成された配向制御層と、
前記配向制御層上に形成された、強磁性自由層と強磁性固定層と前記強磁性自由層と前記強磁性固定層の間に形成された絶縁層からなるトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子の側壁と、前記配向制御層の側壁と、前記非磁性金属層の側壁と表面を被覆する酸化マグネシウムパシベーション層と、
前記酸化マグネシウムパシベーション層を被覆する層間絶縁層と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を流すための一対の電極層と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１２】
請求項１１記載の磁気メモリセルであって、
スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１３】
請求項１１記載の磁気メモリセルであって、
前記酸化マグネシウムパシベーション層は、膜面垂直方向に（００１）結晶面であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１４】
請求項１１記載の磁気メモリセルであって、
前記絶縁層は、（００１）配向の酸化マグネシウムからなり、前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する膜から形成されることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１５】
請求項１１記載の磁気メモリセルであって、
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する体心立方格子の強磁性層により形成されることを特徴する磁気メモリセル。
【請求項１６】
磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
前記メモリセル群の中の所望の前記磁気メモリセルを選択する選択部を有し、
前記磁気抵抗効果素子は、
非晶質の非磁性金属層と前記非磁性金属層の上に形成された配向制御層と、前記配向制御層上に形成された、強磁性自由層と強磁性固定層と前記強磁性自由層と前記強磁性固定層の間に形成された絶縁層からなるトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の側壁と、前記配向制御層の側壁と、前記非磁性金属層の側壁と表面を被覆する酸化マグネシウムパシベーション層と、前記酸化マグネシウムパシベーション層を被覆する層間絶縁層と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記選択部によって選択された前記磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記酸化マグネシウムパシベーション層は、膜面垂直方向に（００１）結晶面であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１９】
請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記絶縁層は、（００１）配向の酸化マグネシウムからなり、
前記強磁性自由層と強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する膜から形成されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２０】
請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂの少なくとも一つを含有する体心立方格子の強磁性層により形成されることを特徴する磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子、及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto-Resistance effect：以下、ＴＭＲ）素子として、Ａｌの酸化物を絶縁層に用いたＴＭＲ素子（非特許文献１）、及び絶縁層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたそれよりも数倍大きい磁気抵抗比が得られるＴＭＲ素子（非特許文献２）が知られている。さらに、磁性層にＣｏＦｅを用いたＴＭＲ素子及びそれを用いた低消費電力磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリが特許文献１に開示されている。さらに、ＣｏＦｅＢを代表例とした体心立方格子の磁気固定層と（１００）配向のＭｇＯ障壁層を用いたＴＭＲ素子とそれを用いた磁気メモリセルと磁気ランダムアクセスメモリが特許文献２に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にＴＭＲ素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってＴＭＲ素子の磁化方向を回転させて報を書込み、ＴＭＲ素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。【０００３】
また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させる、いわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば特許文献６あるいは特許文献３に開示されている。特許文献４には、外部からの侵入磁界に対して安定にスピントランスファートルク磁化反転動作させる目的で、非磁性層を介して複数の強磁性層を積層した自由層を適用したＴＭＲ素子が開示されている。また、磁気メモリの信頼性を向上させる目的で、ＴＭＲ素子の側壁に絶縁膜を適用した例が特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６９５３０号公報
【特許文献２】特開２００７−５９８７９号公報
【特許文献３】特開２００２−３０５３３７号公報
【特許文献４】特開２００５−２９４３７６号公報
【特許文献５】特開２００４−３４９６７１号公報
【特許文献６】米国特許第５，６９５，８６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高い信頼性をもつ低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高出力ＴＭＲ素子の自由層（記録層）において高い熱安定性と、スピントランスファートルク磁化反転による低電流書込み方式とを同時に満足するとともに３５０度以上の熱処理に耐えうる磁気抵抗効果素子技術を開発する必要がある。しかしながら、ＴＭＲ素子では、それを構成する各層に含まれる元素が熱処理により拡散し、特にＴＭＲ素子の膜面垂直方向に均一に電流を流すためにＴＭＲ素子の側壁に形成される層間絶縁層にまで元素拡散が起こり、層間絶縁層の電圧耐性が劣化する。そのために、磁気抵抗効果素子と層間絶縁層の間に、熱処理による元素拡散を抑制できる層を形成する必要がある。【０００７】
さらに、ＴＭＲ素子の磁性層にＣｏＦｅＢ、絶縁層にＭｇＯを使用した場合、３２０度以上の熱処理で製膜時は非晶質であるＣｏＦｅＢが結晶化する。したがって、熱処理による元素拡散を抑制し、かつＣｏＦｅＢの結晶化の均一性を促進できる層を提供する必要がある。【０００８】
本発明の目的は、高い熱安定性と低電力書込み方式を満足し、所定値以上の熱処理に耐えうる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を解決するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、非晶質の非磁性金属層と非磁性金属層の上に形成された配向制御層と、配向制御層上に形成された、強磁性自由層と強磁性固定層と強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された絶縁層からなるＴＭＲ素子と、ＴＭＲ素子の側壁と、配向制御層の側壁と、非磁性金属層の側壁と表面を被覆するＭｇＯパシベーション層と、ＭｇＯパシベーション層を被覆する層間絶縁層と、ＴＭＲ素子の膜面垂直方向に電流を流すための一対の電極層から構成される。【００１０】
すなわち、本発明の構成においては、ＴＭＲ素子の側壁をＭｇＯパシベーション層により被覆することにより元素拡散を抑止し、層間絶縁層の電気特性の劣化を抑制するものである。さらに、本発明のより好適な構成において、このＭｇＯパシベーション層を（００１）配向することにより、３２０度以上で結晶化するＴＭＲ素子のＣｏＦｅＢの結晶均一性を改善し、ＴＭＲの最良の効果を得ることができる。【００１１】
本発明のＴＭＲ素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、３５０度以上の熱処理を行っても、層間絶縁層の電圧耐性を劣化させることなく、磁気抵抗効果素子の強磁性層を均一に結晶化でき、最良のＴＭＲの効果をえることができる。そのＴＭＲ素子を磁気メモリに装備することにより、無限回の書換え耐性と不揮発性を保障する磁気メモリセルと磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の構成を示した図である。
【図２】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の他の構成を示した図である。
【図３】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の他の構成を示した図である。
【図４】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の他の構成を示した図である。
【図５】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の他の構成を示した図である。
【図６】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子のＴＭＲ比のアニール温度依存性を示した図である。
【図７】第２の実施例に係わる磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図８】第２の実施例に係わる磁気メモリセルの他の構成例を示した図である。
【図９】第２の実施例に係わる磁気メモリセルを用いたい磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
【図１０】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するための図である。
【図１１】第１の実施例に係わるＴＭＲ素子の強磁性固定層、強磁性自由層に用いることが可能な材料を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるＴＭＲ素子では、その強磁性自由層の磁化反転（スイッチング）を空間的な外部磁界ではなく、主としてＴＭＲ素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、ＴＭＲ素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、ＴＭＲ素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。ＴＭＲ素子の強磁性自由層の磁化方向を読み出すために流す読み出し電流は、磁化反転を起こすための書き込み電流より小さく設定される。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をＪcと定義し
た。
【００１５】
［実施例１］
図１は、第一の実施例に係わるＴＭＲ素子５０の構成を示す断面模式図である。ＴＭＲ膜１は、強磁性固定層３００、絶縁層３０１、強磁性自由層３０２により構成されている。また、強磁性固定層３００と強磁性自由層３０２の積層順が逆になってもかまわない。なお、強磁性固定層３００、強磁性自由層３０２にはＣｏＦｅＢを用いることが望ましい。ＣｏＦｅＢ以外に、図１１に示した表中のＣｏＦｅやＣｏＦｅＮｉなどの材料・組成や、Ｃｏ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成、Ｎｉ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成を用いてもかまわない。また、添加元素はＢ以外にＴａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｌ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどを単独で用いてもよいし複数用いてもよい。
【００１６】
絶縁層３０１は、岩塩構造の（００１）配向ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いることが望ましいが、アルミニウム酸化物（Ａｌ―Ｏ）、アルミニウム窒化物（Ａｌ―Ｎ）、マグネシウム窒化物（Ｍｇ―Ｎ）、シリコン酸化物（Ｓｉ−Ｏ）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、チタン酸化物（Ｔｉ−Ｏ）や、Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｅｕ，Ｂｉ，Ｐｂ，ＺｎをＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ，Ｍｇ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ，Ｔｉ−Ｏに添加したものあるいはそれらの酸化物を用いてもかまわない。
【００１７】
強磁性固定層３００または、強磁性自由層３０２の結晶配向性や結晶構造を制御するために、トンネル磁気抵抗効果膜１の下に配向制御層４０１が、さらに強磁性自由層３０２または、強磁性固定層３００の上に保護層が形成されている。配向制御層４０１には、ＲｕやＴａなどの材料を用いた。このような材料を用いることにより、強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合に、均一性のよい原子レベルで平滑なＣｏＦｅＢ表面を形成可能であり、その上のＭｇＯの（００１）配向性を向上できる。配向制御層として、その他に非晶質の導電性材料を用いることができる。配向制御層の下には金属層４００が形成されている。
【００１８】
金属層４００に最も望ましい材料はＴａであるが、ＴｉＮやＣｕＮ、ＴａＮなどの非晶質構造をもつ金属層であることがよい。金属層４００に非晶質構造を用いることにより、ＭｇＯパシベーション層２００が容易に膜面垂直方向に（００１）配向する。ＭｇＯパシベーション層２００が、ＴＭＲ膜１、配向制御層４００１、保護膜４０２の側壁と金属層４００の側壁と表面を被覆するように形成され、層間絶縁層２０１が、このＭｇＯパシベーション層２００を覆うように形成されている。電極５００，５０１をＴＭＲ膜１の上下に接して備えて、ＴＭＲ素子を構成している。
【００１９】
次に上述したＴＭＲ素子を磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用した場合における情報書込みと情報読出し方法について説明する。まず情報書込みは、電極５００と電極５０１の間に電圧あるいは電流を印加し、ＴＭＲ膜１の膜面垂直方向に電流を流すことによって生成するスピン電流から発生するスピントランスファートルクを強磁性自由層３０２に作用させ、強磁性自由層３０２の磁化方向を反転させ、強磁性自由層３０２の磁化方向が強磁性固定層３００に対して平行を“０”、反平行を“１”に磁気情報を記録する。
【００２０】
次に、ＴＭＲ膜１の強磁性自由層３０２の磁化方向情報の読出しに用いるトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）について説明する。強磁性自由層３０２と強磁性固定層３００の磁化方向の相対角度を、電極５００と電極５０１の間に電圧あるいは電流を印加し、ＴＭＲ膜１から発生する電流あるいは電圧を読取ることによって強磁性自由層３０２の磁化方向が、強磁性固定層３００の磁化方向に対して平行か反平行かを識別し、情報を読み出す。これはトンネル磁気抵抗効果とよばれる。トンネル磁気抵抗効果は強磁性固定層３００と絶縁層３０１と強磁性自由層３０２の間の磁化方向に依存した抵抗の変化に起因する。例えば、強磁性固定層３００の磁化方向に対して強磁性自由層３０２の磁化方向が平行なときＴＭＲ膜１の電圧は低く（電気抵抗が低く、電流は流れやすい）、反平行のときは電圧が高い（電気抵抗が高く、電流は流れにくい）。
【００２１】
ここで、図１０にしたがって図１のＴＭＲ素子５０の部分の作製プロセスについて、材料の特徴とともに詳細に述べる。ここでは、特に最良のＴＭＲ比、低電流スピントルク磁化反転の得られる場合のＴＭＲ膜構成例である、強磁性固定層３００、強磁性自由層３０２にＣｏＦｅＢ、絶縁層３０１にＭｇＯを組み合わせた場合について説明する。
【００２２】
工程（１）；電極５００を製膜する。電極５００には、ＴｉＮやＴｉ、ＡｌやＡｌＣｕ、またＴａやＴａ／Ｒｕなどを使用することが可能である。
【００２３】
工程（２）；金属層４００を製膜する。金属層４００には、非晶質構造であることが望ましい。例えば、ＴａやＴａ／金属膜／Ｔａなどの多層膜を用いることができる。
【００２４】
工程（３）；配向制御層４０１を製膜する。配向制御層には、非結晶構造のＴａ膜などを用いることが望ましい。
【００２５】
工程（４）；強磁性固定層３００、絶縁層３０１、強磁性自由層３０２で構成されるトンネル磁気抵抗効果膜１を製膜する。ここで、強磁性固定層３００、強磁性自由層３０２には、ＣｏＦｅＢを、絶縁膜３０１に（００１）配向のＭｇＯを適用する。ここで、強磁性固定層３００にＣｏＦｅＢ膜を製膜時に非結晶構造に形成することにより、絶縁層３０１のＭｇＯ膜が良好な（００１）配向を可能にすることが本プロセスの特徴である。
【００２６】
工程（５）；保護膜４０２を製膜する。保護膜としては、Ｒｕ、ＴａやＴａ／Ｒｕ、Ｔａ／Ｒｕ、ＭｇＯ／Ｔａ、ＭｇＯ／Ｔａ／Ｒｕ、ＭｇＯ／Ｒｕ／Ｔａなどの膜を使用する。
【００２７】
上記工程（１）〜（５）については、真空雰囲気から暴露せずに真空内でスパッタリング法を用いて連続積層製膜することが望ましい。また、全層あるいは一部の層は分子線エピタキシー法を用いて製膜してもよい。これにより、各層の界面への不純物吸着が抑制することができるため高品質なＴＭＲ素子５０の作製が可能となる。この後に、後述する工程（１０）のＴＭＲ比を向上させる目的である熱処理を施してもよい。熱処理中に磁界をＴＭＲ膜の積層方向に水平あるいは垂直方向に磁界を印加することでＴＭＲ比の向上が可能となる。
【００２８】
工程（６）；所望の寸法のレジストやメタルマスクなどを用いて、それらをマスクにイオンミリングや反応性イオンエッチングを行いピラー状に形成する。この際、金属層４００の表面や金属層４００の表面から膜厚方向（膜面垂直方向）に少し深い位置でエッチングをストップすることにより、表面を金属層４００で暴露させる。暴露された金属層４００の表面や側面は、非晶質（アモルファス構造）であることが望ましい。さらに、ＴＭＲ素子は、１００×２００ｎｍ2の平面寸法を有するが、この手法により４５ｎｍ以下のさらに微細な幅をもつＴＭＲ素子を形成可能である。
【００２９】
工程（７）；ＭｇＯパシベーション層２００をピラーの側面と暴露した金属層４００の表面を被覆する。金属層４００の表面がアモルファス構造である場合、ＭｇＯパシベーション層２００は、膜面垂直方向に（００１）面が容易に配向する。
【００３０】
工程（８）；ＭｇＯパシベーション層２００を覆うように層間絶縁層２０１を形成する。この層間絶縁層２０１は、ＳｉＯや、ＳｉＮ、ＡｌＯ、ＡｌＮなどの絶縁膜からなり、ＣＶＤなどで製膜される。また、スパッタにより形成する場合もある。特にＣＶＤで製膜される際は、２００度以上の熱がかかる。
【００３１】
工程（９）；最後に、電極５０１を形成する。電極５０１にはＷや、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｔｉなどの材料が使用される。
【００３２】
工程（１０）；３５０度以上の熱処理を行う。これは、トンネル磁気抵抗効果素子５０のＴＭＲ比向上とスピントルク磁化反転電流の低減効果を最大限に達成させる目的と、電極５０１形成後の電極中不純物処理や電気的特性の歩留まり向上や分布向上ために実施が必要とされる。熱処理中に磁界をＴＭＲ膜の積層方向に水平あるいは垂直方向に磁界を印加することでＴＭＲ比の向上が可能となる。このようにトンネル磁気抵抗効果素子５０に３５０度以上の熱処理が施されると、配向制御層や強磁性層からの元素の拡散が起きる。特に、図２から図５に示したＴＭＲ素子の実施例に使用するＭｎやＲｕなどは拡散が顕著に起きる。このような元素拡散は、ピラーを覆う層間絶縁層まで広がり、層間絶縁層の耐圧など電気的特性の劣化が起こる。ここで、本実施例のＭｇＯパシベーション層２００は、このような元素拡散を抑制する機能を有する。また、工程（８）の層間絶縁層２０１の製膜の際に実施される加熱に対する元素拡散の影響を低減させることが可能となる。
【００３３】
ここで、熱処理によるＴＭＲ比の向上と結晶配向性の関係について図６に示す。ＴＭＲ膜１が、強磁性固定層３００、強磁性自由層３０２にＣｏＦｅＢ、絶縁層３０１にＭｇＯを使用したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢで形成される場合、熱処理することにより、製膜時非晶質であったＣｏＦｅＢが、それらに挟まれた（００１）配向したＭｇＯをテンプレートに結晶化が進み、ＴＭＲ比が最適化される。通常、ＣｏＦｅＢは３２０度あたりの温度で結晶化が始まる。ＣｏＦｅＢも含めてＴＭＲ膜１が全て（００１）配向のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢであるときにＴＭＲ比は、熱処理温度とともに増加し、その値は４００度以上の温度で最大となる。しかし、これらが（００１）配向以外の結晶が形成される場合、ＴＭＲ比は低い熱処理温度で極大となりＴＭＲ比も減少する。ＣｏＦｅＢの結晶化は（００１）配向したＭｇＯ絶縁層３０１をテンプレートに促進されるため、ピラー端部に（００１）配向ＭｇＯパシベーション層が存在することにより、側壁からの結晶化が進み、ＣｏＦｅＢの結晶性が均一化される。これにより、各層の元素拡散の抑制だけでなく、ＣｏＦｅＢの結晶均一化を可能とし、層間絶縁膜の耐圧低下を防ぎ、ＴＭＲ比の向上を可能とする。
【００３４】
なお、上述した実施例のＴＭＲ膜１の構成の他に図２から図５に示した構成を用いることも可能である。図２は、強磁性固定層３００の磁化方向を安定して一方向に固定させるために、反強磁性層４０１１が強磁性固定層３００に接する構成をもつＴＭＲ膜２である。反強磁性層４０１１には、ＭｎＩｒやＭｎＰｔなどの材料をもちいることにより最良の特性を得られる。強磁性固定層３００の磁化方向を安定して一方向に固定することにより、安定して情報の読出し書込みを行うことが可能となる。
【００３５】
図３は、強磁性固定層３００が、Ｒｕなどの非磁性層３００２を介して磁化が反平行結合した２層の強磁性層３００１と強磁性層３００３により形成される積層フェリ固定層であるＴＭＲ膜３の構成例を示したものである。この構成により、図２よりさらに強磁性固定層３００の磁化方向を一方向に安定して固定できるために、安定した読出し書込みを行うことができる。
【００３６】
図４は、強磁性自由層３０２が、非磁性層３０２２を介して磁化が反平行結合した２層の強磁性層３０２１と強磁性層３０２３により形成される積層フェリ自由層であるＴＭＲ膜４の例である。強磁性自由層に積層フェリ自由層を用いることにより電流密度が１ＭＡ／ｃｍ２以下の低電流情報書込みを実現できるとともに、１０年以上の情報記録保持を可能にする。
【００３７】
図５は、強磁性固定層３００と強磁性自由層３０２のそれぞれが２層以上の強磁性層からなる構成をもつＴＭＲ膜５であり、ここでは、強磁性固定層が、強磁性固定層３００と強磁性層３１００の２層、強磁性自由層が、強磁性自由層３０２と強磁性層３１０２の２層からなる構成例を示す。ここで、強磁性層３１００と強磁性層３１０２には、それらの磁化が膜面垂直方向に向いた垂直磁化膜を用いることができる。絶縁層３０１に接している強磁性固定層３００と強磁性自由層３０２にはＣｏＦｅＢを適用し、強磁性層３１００と強磁性層３１０２に垂直磁化膜を設けることにより、ＣｏＦｅＢの磁化方向は垂直方向へ誘導される。このような構成にすることにより１０年情報記録保持がさらに安定する。
【００３８】
この強磁性層３１００や３１０２には、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＢＰｔ、ＣｏＦｅＢＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＢ、ＦｅＰｔＢ、ＣｏＧｄ、ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。
【００３９】
[実施例２]
図７と図８は、第二の実施例としての磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。図中ＴＭＲ素子５０に示した部分に、図１から図５に示したＴＭＲ素子を搭載する。
【００４０】
Ｃ−ＭＯＳ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。上記ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２、電極５００が積層され、金属層４００を介して図１から図５のいずれかで構成されるトンネル磁気抵抗効果膜１〜５が接続されている。ＴＭＲ膜１〜５と金属層４００の間には配向制御層４０１が形成される。ＴＭＲ膜１〜５の上には保護層４０２が積層され、さらに保護層４０２に接して電極５０１が形成される。電極５０１の上には、配線４０が形成されているが、電極５０１と配線４０の積層配線でビット線を構成することができる。また、配線４０のみでビット線の構成することも可能である。図７は、ＴＭＲ素子５０が、電極４２の直上に形成される例を、図８は、ＴＭＲ素子５０が、電極５０と金属層４００を電極４２から引き出して形成される例を示す。これらの場合、ＭｇＯパシベーション２００は、少なくともＴＭＲ膜１〜５、配向制御層４０１、保護層４０２の側壁を被覆するように形成されるが、金属層４００を被覆するように構成されてもよい。層間絶縁膜２０１は、ＭｇＯパシベーション２００を覆うように形成されることが望ましい。
【００４１】
上述した実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果膜１〜５に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果膜１〜５の強磁性自由層３０２の磁化方向を回転し磁気情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく主として、ＴＭＲ素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがＴＭＲ膜１〜５の強磁性自由層３０２の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、ＴＭＲ膜１〜５に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、ＴＭＲ膜１〜５に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、配線４０と電極５０１あるいは配線４０単独で構成されるビット線と電極４７の間に電流が流れることにより、ＴＭＲ膜１〜５中の強磁性自由層３０２にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
【００４２】
図９は、上述した磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。このランダムアクセスメモリの任意の磁気メモリを選択する選択部を構成するゲート電極２３とビットである配線４０が、各磁気メモリセル６０に電気的に接続されている。先に詳述した磁気メモリセルを配置することにより低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子、及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリとして極めて有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１〜５…トンネル磁気抵抗効果膜、１００…トランジスタ、１０１…第一のｎ型半導体、１０２…第二のｎ型半導体、１０３…ｐ型半導体、２１…ソース電極、２２…ドレイン電極、２３…ゲート電極、２００…ＭｇＯパシベーション層、２０１…層間絶縁膜、３００…強磁性固定層、３０１…絶縁層、３０２…強磁性自由層、３００１…強磁性層、３００２…非磁性層、３００３…強磁性層、３０２１…強磁性層、３０２２…非磁性層、３０２３…強磁性層、４０…配線（ビット線）、４００…金属層、４０１…配向制御層、４０１１…反強磁性層、４０２…保護層、４１…電極配線、４２…電極配線、４３…電極配線、４４…電極配線、４５…電極配線、４７…電極配線、５０…トンネル磁気抵抗効果素子、５００…電極、５０１…電極、６０…磁気メモリセル。
【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】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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