(57)【要約】［課題］熱的に安定な耐熱性に優れたスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することを可能にする。［解決手段］膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が可変の第１の磁性層１０と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が不変の第２の磁性層２０と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層３０と、第１の磁性層と第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面磁性層１４と、第１の磁性層と第１の界面磁性層との間か、または第１の界面磁性層中のいずれかに設けられたアモルファス構造を有する第２の非磁性層１２と、を備え、第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を貫く電流によって、第１の磁性層の磁化の方向が可変となる。
2011036795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１の磁性層と、
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第１の界面磁性層との間か、または前記第１の界面磁性層中のいずれかに設けられたアモルファス構造を有する第２の非磁性層と、
を備え、前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層、および前記第２の磁性層を貫く電流によって、前記第１の磁性層の磁化の方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第２の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第２の界面磁性層と、
前記第２の磁性層と前記第２の界面磁性層との間か、または前記第２の界面磁性層の中のいずれかに設けられたアモルファス構造を有する第３の非磁性層と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２の非磁性層は、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第３の非磁性層は、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む規則合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇの群から選択された少なくとも１つの元素を更に含むことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む不規則合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２合金とが交互に積層された多層構造を有していることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の界面磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｂ、Ｔａの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の界面磁性層は、（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極と、
前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗効果素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、
を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
前記第２の電極と前記第２の配線との間に接続される選択トランジスタと、
前記選択トランジスタのオン／オフを制御する第３の配線と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、およびこの磁気抵抗効果素子を記憶セルに用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：以下、ＭＲＡＭと記す）への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：以下、ＭＴＪと記す）を有する磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見いだされて以来、注目されている。【０００３】
強磁性トンネル接合は、磁化方向が可変な記憶層と、絶縁体層と、所定の磁化方向を維持する参照層との三層積層構造が基本構成となる。この強磁性トンネル接合に電流を流すと、絶縁体層をトンネルして電流が流れる。このとき、接合部の抵抗は、記憶層と参照層の磁化方向の相対角により変化し、例えば磁化方向が平行のとき極小値を、反平行のとき極大値をとる。この抵抗変化はトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance effect：以下ＴＭＲ効果と記す）と呼ばれる。一つの記憶セルとして強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子を用いる場合には、記憶層と参照層との磁化の平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）を二進情報の“０”、“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。なお、磁化の平行、反平行状態を二進情報の“１”、“０”にそれぞれ対応づけてもよい。【０００４】
磁気抵抗効果素子への情報書き込みには、記憶セル近傍に書き込み配線を配置し、電流を流した際に発生する電流磁場によって、記憶層の磁化方向のみを反転させる磁場書き込み方式が知られている。しかしながら大容量メモリを実現するために、素子サイズを小さくすると、記憶層を構成する磁性体の保磁力（Ｈｃ）が原理的に大きくなるため、書き込みに必要な電流が素子を微細化するほど大きくなる傾向がある。一方、書き込み配線からの電流磁場はセルサイズの縮小に対し原理的に小さくなるため、磁場書き込み方式では、大容量設計で要求されるセルサイズの縮小と書き込み電流の低減を両立することは困難である。【０００５】
一方、近年この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ：spin-momentum-transfer）を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式は、磁気抵抗効果素子にスピン偏極電流を流して記憶層の磁化方向を反転させるもので、さらに記憶層を形成する磁性層の体積が小さいほど注入するスピン偏極電子も少なくてよいため、素子の微細化と低電流化を両立できる書き込み方式と期待されている。【０００６】
しかしながら、大容量化を達成するために素子を微細化すると、記憶層の磁化方向を一方向に維持するためのエネルギー障壁すなわち磁気異方性エネルギーが熱エネルギーより小さくなり、結果として磁性体の磁化方向が揺らぎ（熱擾乱）、記憶情報をもはや維持できなくなるという問題が顕在化する。【０００７】
一般的に、磁化方向が反転するために必要なエネルギー障壁は、磁気異方性定数（単位体積当りの磁気異方性エネルギー）と磁化反転単位体積の積で表わされるため、微細な素子サイズ領域で熱擾乱に対する耐性を確保するためには、磁気異方性定数が大きな材料を選択する必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型（磁化容易軸が膜面に平行な磁化）の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、磁気異方性エネルギーを増加させるには、磁気抵抗効果素子のアスペクト比を大きくする、記憶層の膜厚を厚くする、記憶層の飽和磁化を大きくするなどの対策が必要となる。しかし、これらの方策は、スピン注入方式の特徴を考えたとき、いずれも反転電流の増大を招くため、微細化に適さない。【０００８】
一方、形状磁気異方性ではなく、大きな結晶磁気異方性を有する材料を利用することも考えられるが、その場合、面内方向の磁化容易軸は、膜面内で大きく分散してしまうため、ＭＲ比（Magnetoresistance ratio）が低下し、結果として反転電流が増加してしまうこととなる。そのためこの方策もまた好ましくない。また、面内磁化型の構成では形状により発現する磁気異方性を利用しているため、反転電流は形状に敏感となる。その結果、微細化に伴い反転電流のばらつきが増加することも懸念される。【０００９】
これに対し、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性材料に、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する、いわゆる垂直磁化磁性膜を用いることが考えられる。垂直磁化型の構成で結晶磁気異方性を利用する場合は、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比し小さくできる。また、磁化容易方向の分散も小さくできるため、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が実現できると期待される。【００１０】
垂直磁化膜に用いる材料系としては、Ｌ１０もしくはＬ１１規則合金系（ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔなど）や、人工格子（Ｃｏ／Ｐｔ，Ｐｄ）系、ｈｃｐ系（ＣｏＰｔなど）、ＲＥ−ＴＭ系（Ｔｂ−ＣｏＦｅなど）が挙げられる。【００１１】
一方、一般的に非特許文献１に記載されているように、スピン注入方式によって磁化を反転させるための反転電流は、記憶層の飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αに依存する。このため、低電流のスピン注入によって記憶層の磁化を反転させるには、飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αを小さくすることが重要である。また、デバイスとしては加工プロセス温度に耐える必要もある。しかしながら、一般にＭＴＪは、複数の金属膜の積層構造によって形成されるため、熱処理を伴う素子製作プロセスを経る際に異種金属界面の構造変化が起こり、磁気特性の劣化が起こりやすく、上記垂直磁化膜に記憶層として具備すべき上記特性をすべて満たすものは存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】C. Slonczewski,“Current-driven ecitation of magnetic multilayers”,「JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS」,1996, VOLUME 159, p.L1-L7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、熱的に安定であるスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が可変の第１の磁性層と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が不変の第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面磁性層と、前記第１の磁性層と前記第１の界面磁性層との間か、または前記第１の界面磁性層中のいずれかに設けられたアモルファス構造を有する第２の非磁性層と、を備え、前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層、および前記第２の磁性層を貫く電流によって、前記第１の磁性層の磁化の方向が可変となることを特徴とする。【００１６】
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、第１の態様による磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極と、前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗効果素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱的に安定な耐熱性に優れたスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた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】
【００１８】
【図１】一般的な磁気抵抗効果素子の構造を示す図。
【図２】第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図３】第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図４】第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図５】第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図６】第１実施形態の第４変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図７】第１実施形態の第５変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図８】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の残留磁化に関する印加磁場角度依存性を示す図。
【図９】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の異方性軸分散角度に関する結晶性分断層の膜厚依存性を示す図。
【図１０】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の異方性磁場分散を示す図。
【図１１】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の異方性磁場に関する結晶性分断層の膜厚依存性を示す図。
【図１２】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果に関する結晶性分断層の膜厚依存性を示す図。
【図１３】第２実施形態の磁気メモリを示す回路図。
【図１４】第２実施形態による磁気メモリのメモリセルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
まず、実施形態を説明する前に一般的な磁気抵抗効果素子の構造および問題点について説明する。
【００２１】
（１）一般的な磁気抵抗効果素子の構造
図１に垂直磁化磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子の一般的な構造を示す。ここで、垂直磁化磁性膜とは、方向が膜面に略垂直な磁化を有する磁性膜を意味し、膜面とは上面を意味する。すなわち垂直磁化磁性膜とは、磁化容易軸が膜面に略垂直となる。この磁気抵抗効果素子は、記憶層１０と、参照層２０と、記憶層と参照層の間に設けられた非磁性層３０とを備えている。
【００２２】
記憶層１０は、磁気抵抗効果素子に膜面に対して垂直方向に電流を流すことによって発生するスピン偏極された電子の角運動量が記憶層１０の電子に伝達されることによって磁化（或いはスピン）の方向が反転する。すなわち、電流の流す向きによって記憶層１０は磁化の方向が可変となる。これに対して、参照層２０は磁化の方向が不変である。ここで、磁化の向きが不変とは、記憶層１０の磁化の方向を反転させるための磁化反転電流を磁気抵抗効果素子に流した場合に、参照層２０の磁化の方向が反転しないことを意味する。実用時には、記憶層１０の磁化の方向を変化させることにより抵抗がＴＭＲ効果により変化することを利用し、情報の書込みが行われる。
【００２３】
また、一般に垂直磁化磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子において、１００％を超えるＴＭＲ効果を発現させるためには、垂直磁化磁性膜と非磁性層との間に、高い偏極率を持つ界面磁性層を設けることが好ましい。すなわち、図１に示すように、記憶層１０と非磁性層３０との間に界面磁性層１４が設けられ、参照層２０と非磁性層３０との間に界面磁性層２４が設けられる。なお、図１においては、記憶層１０と非磁性層３０との間、および参照層２０と非磁性層３０との間に界面磁性層を設けたが、記憶層１０と非磁性層３０との間、および参照層２０と非磁性層３０との間の少なくとも一方に界面磁性層を設けてもよい。界面磁性層を構成する材料としては、非磁性層の結晶構造と界面磁性層の結晶構造が同じで、且つ格子定数が極近くなるように、界面磁性層を構成する物質を選ぶことが必要である。このような特性を示す物質として、例えば、界面磁性層としてＦｅ、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの面内磁化磁性膜が用いられる。界面磁性層として面内磁化磁性膜を用いた場合でも、垂直磁化磁性層と界面磁性層の間には交換結合が働き、垂直磁気異方性が大きいために、界面磁性層の磁化も膜面垂直方向を向く。
【００２４】
（２）磁気抵抗効果素子の問題点
図１に示す構成の磁気抵抗効果素子の問題点は、実際の素子製作プロセス工程や熱処理工程により、界面磁性層および垂直磁化磁性層の結晶性が変化してしまうことである。通常、界面磁性層と垂直磁化磁性層の結晶構造、結晶方位、および格子定数も含めて完全に整合することは困難である。例えば、異なる構造をもつ少なくとも２種類の金属膜を用いた金属接合に熱を加えると、相互に原子配列に影響を及ぼし、本来持っていた結晶性からの変化が顕れる。この変化により、磁気抵抗効果素子に用いられる界面磁性層は非磁性層の結晶構造との不整合が大きくなり、ＴＭＲ効果が抑制される懸念がある。また、垂直磁化層は結晶性が変化することにより垂直磁化の異方軸のばらつきが生じるか、または垂直磁気異方性エネルギーの劣化が起こり、所望の記憶保持特性が得られない懸念がある。
【００２５】
そこで、本願発明者達は、鋭意研究に努めた結果、界面磁性層と垂直磁化磁性層の結晶構造、結晶方位、および格子定数が異なっていても、上述の問題を解決することができる磁気抵抗効果素子を得ることができた。これを以下に実施形態として説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を図２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、垂直磁化磁性層と界面磁性層の間に、アモルファス構造を持つ結晶性分断層１２、２２を設けた構成を有している。すなわち、この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、磁化容易軸が膜面に略垂直でかつ磁化の向きが可変の記憶層１０と、非磁性の結晶性分断層１２と、界面磁性層１４と、非磁性層３０と、界面磁性層２４と、非磁性の結晶性分断層２２と、磁化容易軸が膜面に略垂直でかつ磁化の向きが不変の参照層２０とを備えている。図２においては、上から順に記憶層１０、結晶性分断層１２、界面磁性層１４、非磁性層３０、界面磁性層２４、結晶性分断層２２、参照層２０が積層されているが、逆の順序で積層された積層構造を有していてもよい。すなわち、この場合は、下から、記憶層１０、結晶性分断層１２、界面磁性層１４、非磁性層３０、界面磁性層２４、結晶性分断層２２、参照層２０の順序で積層された構造であってもよい。
【００２７】
この実施形態においては、記憶層１０と界面磁性層１４との間に結晶性分断層１２が設けられ、参照層２０と界面磁性層２４との間に結晶性分断層２２が設けられた構造を有している。この構造においては、熱処理工程を経ても、結晶性分断層１２、２２がアモルファス構造を保つことができれば、記憶層１０と界面磁性層１４との間、および参照層２０と界面磁性層２４との間の結晶性の劣化を抑制することができる。すなわち、結晶性分断層は、界面磁性層と、垂直磁化磁性層との間に設けられ、磁気抵抗効果や磁気異方性エネルギーの劣化を防止するために、界面磁性層と、垂直磁化磁性層とが相互に原子配列に影響を及ぼし、結晶性が変化するのを抑制するものである。したがって、結晶性分断層は、界面磁性層と、垂直磁化磁性層との間の結晶性を分断している。この効果により、界面磁性層においてはＴＭＲ効果を上昇させるために必要な結晶性を保持することが可能となり、記憶層１０および参照層２０においては十分な垂直磁気異方性をもつために必要な結晶性を保持することが可能となる。すなわち、熱的に安定な耐熱性に優れたスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、結晶性分断層の膜厚が厚くなりすぎると、界面磁性層と垂直磁化磁性層の交換結合が弱まり、界面磁性層の磁化の向きを膜面垂直方向に保持することが困難となるため、１０Å以下程度の薄膜であることが望ましい。
【００２８】
さらに結晶性分断層の効果は、図３に示す第１変形例のように記憶層１０と界面磁性層１４との間にのみ結晶性分断層１２を設けた構成、または図４に示す第２変形例のように参照層２０と界面磁性層２４との間にのみ結晶性分断層２２を設けた構成であっても得ることができる。
【００２９】
また、図５乃至図７に示すように、界面磁性層中に結晶性分断層層設けてもよい。図５に示す第３変形例による磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、結晶性分断層１２、２２を界面磁性層１４、２４中にそれぞれ設けた構成となっている。すなわち、界面磁性層１４は結晶性分断層１２によって第１界面磁性層１４ａおよび第２界面磁性層１４ｂに分割され、界面磁性層２４は結晶性分断層２２によって第１界面磁性層２４ａおよび第２界面磁性層２４ｂに分割される。
【００３０】
図６に示す第４変形例の磁気抵抗効果素子１は、図３に示す第１変形例による磁気抵抗効果素子１において、結晶性分断層１２を界面磁性層１４中に設けた構成となっている。すなわち、界面磁性層１４は結晶性分断層１２によって第１界面磁性層１４ａおよび第２界面磁性層１４ｂに分割される。
【００３１】
また、図７に示す第５変形例の磁気抵抗効果素子１は、図４に示す第２変形例による磁気抵抗効果素子１において、結晶性分断層２２を界面磁性層２４中に設けた構成となっている。すなわち、界面磁性層２４は結晶性分断層２２によって第１界面磁性層２４ａおよび第２界面磁性層２４ｂに分割される。
【００３２】
なお、本実施形態およびその変形例においては、記憶層１０と非磁性層３０との間、および参照層２０と非磁性層３０との間に界面磁性層を設けたが、記憶層１０と非磁性層３０との間、および参照層２０と非磁性層３０との間の少なくとも一方に界面磁性層を設けた構成としてもよい。この場合、結晶性分断層は、界面磁性層と、この界面磁性層に対して非磁性層３０と反対側の垂直磁化磁性層との間か、もしくは界面磁性層中に設けられる。
【００３３】
次に、記憶層１０にＣｏ／Ｐｄ人工格子の垂直磁化磁性層を用い、界面磁性層１４にＣｏＦｅＢを用い、結晶性分断層１２として３Å、５Å、７Åの膜厚をもつアモルファスのＴａ層を配置した磁性積層膜を用意する。この磁性積層膜に対して、３５０℃で３０分の熱処理を施した後の異方性軸分散の測定結果を図８（ａ）乃至図８（ｄ）に示す。図８（ａ）は、結晶性分断層１２の膜厚が０Å、すなわち結晶性分断層を挿入しない場合の測定結果を示し、図８（ｂ）乃至図８（ｄ）は、結晶性分断層１２の膜厚が３Å、５Å、７Åである場合の測定結果を示す。異方性軸分散の評価は、二軸のベクトル磁場発生ができる試料振動型磁力計で、印加する磁場角度を変化させて残留磁化を測定することにより行った。図８（ａ）乃至図８（ｄ）において、異方性軸分散角度は、残留磁化の角度依存性が飽和する角度として定義される。
【００３４】
次に、異方性軸分散角度に関する結晶性分断層の膜厚依存性を図９に示す。図９からわかるように、明確に結晶性分断層を挿入することで、記憶層１０の磁気異方性軸分散が抑制され、Ｔａが３Å程度挿入されるだけでも分散角度が１０％以下に抑えられる。さらに、７Å挿入すれば分散角度が２％以下に抑えられる。これらの結果は、結晶性分断層により、熱処理後も垂直磁化磁性層の結晶性劣化が抑制され、異方性軸のばらつきが抑制でき、素子加工した際に特性ばらつきが小さい磁気抵抗効果素子に適した積層構造を提供できることを示している。
【００３５】
さらに、異方性磁場分散の評価を行った結果を図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示す。一般に垂直磁化磁性膜は、膜内部の結晶粒分布等を反映して異方性磁場が膜内でも有限の分散をもつ。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）において、横軸は外部磁場を示し、縦軸は正規化された異方性磁場の分散ΔＭを示す。すなわち、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）はそれぞれの磁性膜において異方性磁場をもつ領域の割合を示している。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）から、結晶性分断層の膜厚を増やすに従い、異方性磁場の分散のピーク幅が小さくなることが明確に確認できる。この結果は磁性層がもつ異方性磁場のばらつきが抑制されていることを示している。
【００３６】
次に、図１１に、異方性磁場をピーク値、すなわちそれぞれの磁性膜における異方性磁場の代表値に関する結晶性分断層の膜厚依存性を示す。図１１からわかるように、結晶性分断層の膜厚を増やすに従って、異方性磁場が上昇することがわかる。この結果は結晶性分断層を挿入することにより、垂直磁気異方性の劣化が抑えられることを示しており、本実施形態および変形例による磁気抵抗効果素子の効果を示すものである。
【００３７】
次に、界面磁性層に対する結晶性分断層の効果を調べるために、記憶層と参照層の垂直磁化磁性層にＣｏ／Ｐｄ人工格子を有する垂直磁化膜を用い、界面磁性層としてＣｏＦｅＢを用い、結晶性分断層としてアモルファスＴａを用い、非磁性層としてＭｇＯを用いた図２に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子を作成した。そして、３５０℃で３０分の熱処理後にＴＭＲ効果の測定を行った。図１２に、ＴＭＲ効果に関する結晶性分断層の膜厚依存性を示す。結晶性分断層がない場合の熱処理後のＴＭＲ効果を１として規格化すると、結晶性分断層を配置することにより１０倍程度にＴＭＲ効果が上昇することが明らかになった。この結果は結晶性分断層の効果により、界面磁性層の結晶性が、ＭｇＯとの格子整合するように保たれ、実効的に高い偏極率が得られたことを明確に示している。
【００３８】
次に、結晶性分断層の材料について説明する。第１実施形態による磁気抵抗効果素子の結晶性分断層としては、アモルファス構造が望ましい。結晶性分断層の材料としては、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）が挙げられる。またニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の群から選択された少なくとも１つの元素を含む合金も好ましい材料である。これらのアモルファス層は、形成時には明瞭な結晶構造を示さないが、成膜後の熱工程によって部分的に結晶化が開始して、ある領域が明瞭な結晶構造を示しても構わない。つまり、最終的にデバイスとして機能している際には、部分的に結晶構造を示していても構わない。結晶性分断層の膜厚は厚すぎると界面磁性層と垂直磁化磁性層（記憶層または参照層）との交換結合が弱まってしまうため、３Åから１０Åの範囲にあることが望ましい。
【００３９】
次に、非磁性層の材料について説明する。第１実施形態による磁気抵抗効果素子の非磁性層の材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を主成分として含む合金、例えばアモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金、あるいは体心立方（ＢＣＣ：body-centered cubic）構造で（１００）優先配向面を有するＦｅＣｏＮｉ上で結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長しやすい。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅ―Ｘアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。ここで、Ｘは、Ｂ、Ｃ、Ｎなどの添加元素を示す。また、上記ＮａＣｌ構造酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を主成分として含むＤＯ２２構造を有する合金の（００２）面上、あるいはＦＣＴ構造を有するＬ１０型規則合金の（００１）配向面上で結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長しやすい。
【００４０】
また、記憶層の磁化と参照層の磁化方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗効果素子の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。反対に、記憶層の磁化と参照層の磁化方向とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、磁気抵抗効果素子１の伝導率が上昇し、抵抗値が小さくなる。したがって、Δ１バンドの形成が高ＴＭＲを発現させるためのポイントとなる。Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなる非磁性層の（１００）面と、記憶層および参照層との界面の整合性がよくなければならない。界面磁性層としては非磁性層の（１００）面との格子不整合が５％以下となるような材料を選択することが、より好ましい。
【００４１】
次に、垂直磁化磁性層の材料について説明する。第１実施形態による磁気抵抗効果素子の垂直磁化磁性層、すなわち記憶層および参照層としては、磁化方向を膜面垂直方向に保ち、十分な保持特性をもつ材料を選択することが好ましく、以下の材料が用いられる。
【００４２】
（ａ）磁性合金系
まず、磁性合金系の材料について説明する。磁性合金系の材料としては、規則合金系と不規則合金系の２種類が存在する。構成する元素を選択することにより、いずれも第１実施形態の垂直磁化磁性層として用いることができる。
【００４３】
規則合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のうち１つ以上の元素とを含む合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型もしくはＬ１１型の規則合金が挙げられる。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等があげられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）等の元素、あるいはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギーおよび飽和磁化を調整することができる。
【００４４】
不規則合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、Ｚｒのうち１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。例えば、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＣｏＣｒ合金、ＦｅＣｒ合金、ＣｏＣｒＰａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギーおよび飽和磁化を調整することができる。
【００４５】
（ｂ）人工格子系
人工格子系の材料について説明する。人工格子は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの元素あるいは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちいずれか１つの元素あるいは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された構造である。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等があげられる。通常は正方晶構造もしくは六方晶構造を持つ。これらの人工格子においては通常、正方これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比および積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギーおよび飽和磁化を調整することができる。
【００４６】
次に、界面磁性層材料について説明する。
【００４７】
第１実施形態による磁気抵抗効果素子の記憶層および参照層には、ＴＭＲ効果を上昇させる観点から界面磁性層が必要である。界面磁性層としては高分極率材料、具体的には、Ｆｅ、Ｃo、Ｎｉのいずれかの元素とＢ、Ｔａのいずれかの元素とを含む合金、またはＣｏ、Ｆｅ、およびＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。またはＣｏＦｅ合金、もしくはＦｅも界面磁性層として好ましい。これらの磁性材料は立方晶構造もしくは正方晶の構造を持ち、非磁性層の結晶方位と整合していること、例えば、非磁性層の（１００）面に配向しているが望ましい。これらの磁性材料を界面磁性層として用いることにより、界面磁性層と非磁性層との間の格子不整合が緩和され、さらに高分極率材料であるため、高ＴＭＲと、高いスピン注入効率とを実現する効果が期待される。これらの磁性層は、形成時には明瞭な結晶構造を示さないこともありうるが、成膜後の熱処理によって結晶化が開始して、最終的にデバイスとして機能している際に立方晶構造を示していればよい。
【００４８】
以上の述べたように、第１実施形態によれば、３００℃以上の高温熱処理過程を経ても磁気特性及び出力特性が劣化しない、耐熱性に優れた磁気抵抗効果素子を得ることができる。すなわち、熱的に安定な耐熱性に優れたスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について図１３乃至図１４を参照して説明する。
【００５０】
本実施形態のＭＲＡＭの回路図を図１３に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態、第１実施形態の変形例で説明した、磁気抵抗効果素子１を、メモリセルの記憶素子として用いている。このＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ４０を備えている。メモリセルアレイ４０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ、／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ４０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００５１】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子１、およびｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ４１を備えている。磁気抵抗効果素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗効果素子１の他端は、選択トランジスタ４１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ４１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ４１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００５２】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ４２が接続されている。ビット線対ＢＬ、／ＢＬには、書き込み回路４４及び読み出し回路４５が接続されている。書き込み回路４４及び読み出し回路４５には、カラムデコーダ４３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ４２及びカラムデコーダ４３により選択される。
【００５３】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４１がオン状態となる。ここで、磁気抵抗効果素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗効果素子１に、図１３において左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗効果素子１に、図１３において右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００５４】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、データ読み出しを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ４１がオン状態となる。読み出し回路４５は、磁気抵抗効果素子１に、例えば図１３において右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路４５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗効果素子１の抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗効果素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００５５】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１４は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００５６】
ｐ型半導体基板５０の表面領域には、素子分離絶縁層５１が設けられ、この素子分離絶縁層５１が設けられていない半導体基板５０の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層５１は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
【００５７】
半導体基板５０の素子領域に選択トランジスタ４１が形成される。この選択トランジスタ４１は、互いに離間したソース領域５２ａおよびドレイン領域５２ｂが設けられている。このソース領域５２ａおよびドレイン領域５２ｂはそれぞれ、半導体基板５０内に高濃度のｎ＋型不純物を導入して形成されたｎ＋型拡散領域から構成される。ソース領域５２ａおよびドレイン領域５２ｂ間のチャネル５３となる半導体基板５０の領域上には、ゲート絶縁膜６１が形成され、このゲート絶縁膜６１上にゲート電極６２が設けられている。ゲート電極６２は、ワード線ＷＬとして機能する。
【００５８】
ソース領域５２ａ上には、コンタクト７２を介して配線層７３が設けられている。配線層７３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域５２ｂ上には、コンタクト７４を介して引き出し線７５が設けられている。引き出し線７５上には、下部電極８１と、上部電極８２に挟まれた磁気抵抗効果素子１が設けられている。上部電極８２上には、配線層８６が設けられている。配線層８６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板５０と配線層８６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層７７で満たされている。
【００５９】
本実施形態によれば、第１実施形態およびその変形例のいずれかによる磁気抵抗効果素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。
【００６０】
本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態またはその変形例の磁気抵抗効果素子を記憶素子として備えているので、熱的に安定な耐熱性に優れたスピン注入書き込み方式のＭＲＡＭとなる。したがって、従来よりも高耐熱の磁気メモリを得ることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  磁気抵抗効果素子
１０  記憶層
１２  結晶性分断層
１４  界面磁性層
１４ａ  第１界面磁性層
１４ｂ  第２界面磁性層
２０  参照層
２２  結晶性分断層
２４  界面磁性層
３０  非磁性層  
【図１】
2011036795.tif 000003
【図２】
2011036795.tif 000004
【図３】
2011036795.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011036795.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011036795.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月30日(2010.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１の磁性層と、
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面磁性層と、
前記第１の界面磁性層中に設けられたアモルファス構造を有する第２の非磁性層と、
を備え、前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層、および前記第２の磁性層を貫く電流によって、前記第１の磁性層の磁化の方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第２の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第２の界面磁性層と、
前記第２の磁性層と前記第２の界面磁性層との間か、または前記第２の界面磁性層の中のいずれかに設けられたアモルファス構造を有する第３の非磁性層と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２の非磁性層は、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第３の非磁性層は、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む規則合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇの群から選択された少なくとも１つの元素を更に含むことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む不規則合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１および第２の磁性層の少なくともいずれかは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２合金とが交互に積層された多層構造を有していることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の界面磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｂ、Ｔａの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の界面磁性層は、（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極と、
前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗効果素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、
を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
前記第２の電極と前記第２の配線との間に接続される選択トランジスタと、
前記選択トランジスタのオン／オフを制御する第３の配線と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
【国際調査報告】
2011036795.tif 000017
2011036795.tif 000018
2011036795.tif 000019
2011036795.tif 000020