(57)【要約】  本発明は、第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層から構成される多重積層部と、前記第１強磁性層の上部に形成される上部電極と、前記第２強磁性層の下部に形成される反強磁性層と、前記反強磁性層の下部に形成される下部電極とを含み、前記第２強磁性層の内部にはナノ酸化物層が挿入されていることを特徴とする電流印加磁気抵抗素子を提供する。前記下部電極は前記第２強磁性層の少なくとも一部に接触することが好ましい。本発明による電流印加磁気抵抗素子は、磁化反転のための臨界電流値が低くて向上した磁気抵抗特性を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層から構成される多重積層部と、
前記第１強磁性層の上部に形成される上部電極と、
前記第２強磁性層の下部に形成される反強磁性層と、
前記反強磁性層の下部に形成される下部電極とを含み、
前記第２強磁性層の内部にナノ酸化物層が挿入されていることを特徴とする電流印加磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記下部電極が、前記第２強磁性層の少なくとも一部分に接触することを特徴とする、請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第２強磁性層が、前記第１強磁性層よりも厚く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記ナノ酸化物層の厚さが、１〜５Åであることを特徴とする、請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記積層部に電流が垂直方向に印加されることを特徴とする、請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１強磁性層の磁化方向が、電流の印加に応じて変化し、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記反強磁性層により固定されることを特徴とする、請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子。
【請求項７】
第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層から構成される多重積層部と、
前記第１強磁性層の上部に形成される上部電極と、
前記第２強磁性層の下部に形成される反強磁性層と、
前記反強磁性層の下部に形成される下部電極とを含み、
前記下部電極が前記第２強磁性層の少なくとも一部に接触することを特徴とする電流印加磁気抵抗素子。
【請求項８】
請求項１に記載の電流印加磁気抵抗素子を利用した磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流印加磁気抵抗（Current-Induced Magnetization Switching；ＣＩＭＳ、以下、電流印加磁化スイッチングともいう）素子に関し、特に、交換バイアスにより固定した強磁性体薄膜にナノ酸化物層を含めることにより、より低い電流密度でスイッチング可能であり、磁気抵抗特性を向上させた、新しい構造の素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に薄い磁性体薄膜から巨大磁気抵抗（great magnetoresistance：ＧＭＲ）が発見されることによって、磁気抵抗を利用した応用が多様な分野で提案されている。磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）はその代表的な例であって、情報記録担体であり、強磁性体の磁化方向を利用して記録情報を随時書き換え及び読み出しできる固体メモリである。
【０００３】
通常、ＭＲＡＭを構成する単位セルは複数の強磁性体を積層した構造を有する。メモリセルを構成する複数の強磁性体の磁化の相対配置が平行であるか、反平行であるかを２進の情報「１」、「０」に対応させて情報を記録する。記録維持時の消費電力は原理的にゼロであり、また、電源を切っても記録が維持される不揮発性メモリである。
【０００４】
通常、ＭＲＡＭは、自由強磁性層／スペーサ／固定強磁性層の３層構造の磁気抵抗素子を利用する。前記スペーサは、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction；ＭＴＪ）では絶縁層にしてもよく、スピンバルブでは非磁性金属にしてもよい。このような素子における磁気感度と素子性能は、反強磁性体（antiferromagnet；ＡＦＭ）又は合成反強磁性体（synthetic antiferromagnet；ＳＡＦ）などの固定層を前記固定強磁性層に隣接して配置して磁化方向を一方向に固定することにより向上させることができる。
【０００５】
通常、情報の記録（書き込み過程）は、前記強磁性層の面に両方とも平行であり、かつ十字型に交差するように配置されたビット線（bit line）とワード線（word line）に電流を流して発生する電磁場により、前記自由強磁性層の磁化方向を反転させることにより行われる。このようなフィールド印加磁化スイッチング方法は、スイッチングフィールド及びこれによる電流要求量がセルの大きさの減少に応じて急激に増加するという慢性的な問題があった。また、セル間隔が狭くなったとき、隣接線（line）とセルとの間のクロストークの問題が深刻化する。これは磁気メモリ素子の密度増加を制限する。このような問題を解決するために、電流印加磁化スイッチング（ＣＩＭＳ）方法が代案として新しく提示された。ＣＩＭＳにおいて、強磁性体の面に垂直に流れる電流は、スピン分極した伝導電子から磁性体に伝達されるスピントルクに起因して磁化を反転させることができる。電流が自由強磁性層から固定強磁性層に流れるか、又はその反対に流れると、前記自由強磁性層は前記固定強磁性層と平行又は反平行な方向にスイッチングされる。このようなメカニズムにおいては、電流密度が臨界値に達するときスイッチングが発生し、前記臨界値は前記素子において電流のスピン伝導効率に依存する。従って、同一の素子構造において、その大きさが小さいほど要求されるスイッチング電流は低くなる。しかし、ＣＩＭＳを実際の素子に適用するためには次の２つの問題が解決されなければならない。１つは、スイッチング電流密度をさらに低くしなければならないことであり、他の１つは素子の出力信号を増大させなければならないことである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の問題を解決するために、本発明は、第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層から構成される多重積層部と、前記第１強磁性層の上部に形成される上部電極と、前記第２強磁性層の下部に形成される反強磁性層と、前記反強磁性層の下部に形成される下部電極とを含み、前記第２強磁性層の内部にはナノ酸化物層が挿入されていることを特徴とする電流印加磁気抵抗素子を提供する。
【０００７】
また、本発明は、第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層から構成される多重積層部と、前記第１強磁性層の上部に形成される上部電極と、前記第２強磁性層の下部に形成される反強磁性層と、前記反強磁性層の下部に形成される下部電極とを含み、前記下部電極は前記第２強磁性層の少なくとも一部に接触することを特徴とする電流印加磁気抵抗素子を提供する。
【０００８】
本発明による電流印加磁気抵抗素子は、磁化反転のための臨界電流値が低くて磁気抵抗が大きいため、向上した信号値が得られるので、多様な磁気抵抗素子に利用することができ、特に、メモリ素子用磁気抵抗素子に適している。
【０００９】
本発明による電流印加磁気抵抗素子は、電流印加磁化方向が素子を構成する各層の面に対して垂直方向であることが好ましく、前記第２強磁性層の少なくとも一部分に電極が接触することが好ましい。
【００１０】
本発明による電流印加磁気抵抗素子は、強磁性層の磁化方向を反転させることにより、電流印加磁化スイッチング特性を発現させることができ、特に、磁化の反転が素子を構成する各層の面に垂直な電流により行われるので集積化に有利な利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による電流印加磁気抵抗素子の断面図である。第１強磁性層１００と第２強磁性層１１０とが、スペーサの役割を果たす非磁性物質からなる非磁性層１０５を介して、１つの積層体を形成している。このような積層体は一種の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成し、２つの強磁性層の磁化方向に依存して非磁性層をトンネリングする電流が変化する。
【００１２】
第２強磁性層１１０の下部に形成された反強磁性層１３０は、交換バイアスによる交換結合（exchange coupling）により第２強磁性層１１０の磁化方向を一方向に固定する。反強磁性層１３０は、このように第２強磁性層１１０の磁化方向を固定することにより、第２強磁性層１１０内部の複数の磁区を実質的に単一磁区に維持する役割を果たす。
【００１３】
第１強磁性層１００は、第２強磁性層１１０とは異なり、磁化方向が自由に変化し、特に、印加電流に応じて磁化方向が逆転する。従って、全体的には、前記積層構造による磁気素子の磁気抵抗が印加電流の有無に応じて変化する。すなわち、電流により前記素子の磁気抵抗を制御することができる。
【００１４】
第２強磁性層１１０の内部には、薄い、好ましくは、ナノメータレベルの厚さを有する酸化物層１２０が挿入される。ここで、酸化物層１２０は、反強磁性層１３０の存在により発生する消極（depolarization）を抑制する。また、酸化物層１２０は、電子に対して一種のミラーの役割を果たすので、伝導電子の鏡面反射によるスピン依存の散乱を向上させる。これにより、素子の巨大磁気抵抗効果が向上する。
【００１５】
このような構造の磁気抵抗素子は、磁化反転を起こす臨界電流Ｉｃ値を下げると共に磁気抵抗を大きくして、メモリ素子などへの活用性を向上させる。図中の符号１４０ａ及び１４０ｂはそれぞれ上部電極と下部電極を示す。
【００１６】
図２及び図３は、本発明の他の実施形態の断面図である。図２に示す実施形態は、図１に示す実施形態と比較すると、積層構造自体は類似するが、下部電極１４０ｂが第２強磁性層１１０の一部分に接触している点で異なる。このような構造は、電子の流れをより円滑にし、伝導電子が反強磁性層１３０により抵抗を受けることを避けることができる。下部電極１４０ｂが第２強磁性層１１０に接しているため、大部分の電流は下部電極１４０ｂではなく、第２強磁性層１１０を通じて流れる。従って、磁化反転のための臨界電流Ｉｃ値をさらに下げることができる。
【００１７】
図３に示す実施形態は、第２強磁性層１１０が下部電極１４０ｂの表面まで延びている構造で形成されている。このような構造においても、大部分の電流は下部電極１４０ｂではなく、第２強磁性層１１０を通じて流れる。
【００１８】
本発明による電流印加磁気抵抗素子は、通常の半導体プロセスを用いて製造することができ、特に、積層構造における各部分の構造の設計には反応性イオンビームによるエッチングを活用することができる。しかしながら、製造プロセス上の特別な限定は必要とせず、既存の多様な薄膜プロセスを全て用いることができる。
【００１９】
以下では本発明の理解を助けるために好ましい実施例を提示するが、本発明はこれに限定されるものではなく、特に、それぞれの層を構成する物質としては本発明の技術思想の範囲内で多様な物質を選択することができる。
【実施例】
【００２０】
第１強磁性層及び第２強磁性層としてはＣｏ薄膜をそれぞれ２ｎｍ及び１１ｎｍの厚さで形成し、２つの強磁性層の間に挿入される非磁性層としてはＣｕ薄膜を６ｎｍの厚さで形成した。このように、第１強磁性層を第２強磁性層よりも薄く形成し、第２強磁性層の下部には、交換結合による固定層の役割を果たす反強磁性層としてＩｒＭｎ薄膜を８ｎｍの厚さで形成した。また、第２強磁性層の形成時に５Å未満の薄い酸化物層を挿入して形成した。その形成した積層体の上部及び下部にそれぞれＣｕ電極層を５ｎｍの厚さで形成し、下部電極は第２強磁性層の一部に接するように形成した。
【００２１】
その形成した磁気抵抗素子の特性を比較するために、ナノ酸化物層が形成されない素子、及び単純スピンバルブ構造の磁気抵抗素子も同一の構成物質を使用して製造した。図４は、本発明による磁気抵抗素子におけるナノ酸化物層の有無による磁気抵抗の変化を示す図である。図４から分かるように、ナノ酸化物層が存在する場合、磁気抵抗特性が約２０％向上した。
【００２２】
つまり、ナノ酸化物層の存在により磁気抵抗特性が向上することが分かる。
【００２３】
また、本発明による磁気抵抗素子の磁気抵抗及び臨界電流を確認するために、４点プローブ測定方式で電流電圧特性を調べた。図５は単純スピンバルブ構造の電流電圧特性、図６はナノ酸化物層を含まない磁気抵抗素子の電流電圧特性、図７はナノ酸化物層を含む磁気抵抗素子の電流電圧特性をそれぞれ示す。このような結果からそれぞれの素子の臨界電流Ｉｃ及び磁気抵抗比ΔＲ／Ｒを比較して下記表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１から分かるように、単純スピンバルブ構造は、ナノ酸化物層及び交換バイアスのための反強磁性層を含まず、磁気抵抗比は大きいが、臨界電流が高すぎるという欠点がある。反強磁性層を含んでいても、電極が第２強磁性層に接触せず、ナノ酸化物層を含まない場合は、臨界電流も高くて磁気抵抗特性もよくない。それに対して、電極と第２強磁性層を接触させることにより臨界電流を大幅に下げることができ、さらに、ナノ酸化物層を含めることにより磁気抵抗特性も改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による電流印加磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による電流印加磁気抵抗素子の断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態による電流印加磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】本発明による電流印加磁気抵抗素子におけるナノ酸化物層の有無による磁気抵抗の変化を示すグラフである。
【図５】本発明による単純スピンバルブ構造を有する電流印加磁気抵抗素子の電流電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明によるナノ酸化物層を含まない電流印加磁気抵抗素子の電流電圧特性を示すグラフである。
【図７】本発明によるナノ酸化物層を含む電流印加磁気抵抗素子の電流電圧特性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【国際調査報告】
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