(57)【要約】【課題】スピン注入磁化反転における反転電流密度を１０ＭＡ／ｃｍ2以下に低減することにより、ＴＭＲ膜を用いたメモリ素子を絶縁破壊することなく、素子選択用ＦＥＴをブレークダウンすることなく、ランダムアクセス磁気メモリにおけるスピン注入磁化反転を可能にする。【解決手段】磁気抵抗効果素子の記憶層は、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの磁性膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子であり、例えば、記憶層は、コバルト、鉄、ニッケルのうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜からなり、この磁性膜は非磁性元素も含み、非磁性元素は５at％以上５０at％以下の割合で含まれるものであり、上記記憶層を備えたメモリセルは２００ｎｍφのオーダー以下の大きさのものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子の記憶層は、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの磁性膜からなる
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記記憶層は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜からなる
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】
前記磁性元素を含む磁性膜は、前記磁性元素に非磁性元素を含む磁性膜からなる
ことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記非磁性元素は５at％以上５０at％以下の割合で含まれる
ことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記非磁性元素は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）のうち１種以上からなる
ことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記記憶層を備えたメモリセルの面内サイズは、
長軸方向の長さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
短軸方向の長さが３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
長軸方向の長さが短軸方向の長さより長いかもしくは同等である
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７】
前記記憶層への情報記録をスピン注入磁化反転により行う
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】
前記スピン注入磁化反転の電流密度は０．１ＭＡ／ｃｍ2以上１０ＭＡ／ｃｍ2以下である
ことを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
情報を記憶する際の参照層となる磁性層と、非磁性層と、記憶層となる磁性層との積層構造を形成する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記記憶層を飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍからなる磁性膜で形成する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
磁気抵抗効果素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、
前記電極上方を通るビット線と、
スピン注入磁化反転を利用して情報を記憶するもので参照層となる磁性層と非磁性層と記憶層となる磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気抵抗効果素子とを備え、
前記記憶層は、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの磁性膜からなる
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項１１】
磁気抵抗効果素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、
前記電極上方を通るビット線と、
スピン注入磁化反転を利用して情報を記憶するもので参照層となる磁性層と非磁性層と記憶層となる磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気抵抗効果素子とを備えた磁気メモリ装置の製造方法において、
前記記憶層を、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍからなる磁性膜で形成する
ことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入磁化反転における反転電流密度を低減し、トンネル磁気抵抗（以下、ＴＭＲという、ＴＭＲはTunnel Magneto Resistanceの略。）膜を用いたメモリ素子が絶縁破壊を起こすことなく、選択用素子（例えば、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという、ＦＥＴはField Effect Transistorの略。））がブレークダウンすることなくスピン注入磁化反転が可能となる磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気メモリ装置では、磁気抵抗効果素子の磁化反転は、磁気抵抗効果素子を挟んで立体的に交差（例えば直交）するように配置した電流線のうち、磁気抵抗効果素子から電気的絶縁を保って配置した電流線から生じる電流磁界により行われていた（例えば、特許文献１参照。）。しかし、容量を高めるためにメモリセルを小さくすると反転磁界が急激に増加し、それに伴い必要電流も急激に増加する問題があった。また、メモリセルのサイズが、容量をギガビット（Ｇｂｉｔ）超にするために必要な２００ｎｍφ以下になると、書き込みに必要な電流値が配線の許容電流密度の上限を超え、もはや、書き込みが困難になるという問題がある。
【０００３】
これに対し、スピン注入磁化反転を用いた磁気メモリ装置では、メモリセルサイズが小さくなるほど磁化反転に必要な電流が小さくなる特徴があり、大容量磁気メモリの作製に好適である（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２-２４６５６６号公報
【特許文献２】特願２００３−４８６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、現状では、スピン注入磁化反転は１×１０ＭＡ／ｃｍ2以上の電流密度が必要であり、ＴＭＲ膜を用いた素子の絶縁破壊、素子選択用ＦＥＴのブレークダウン等が生じる点である。また、メモリセルのサイズ（≡面積）を小さくすることにより反転電流を下げることが報告されているが、メモリセルの面積減少に伴い素子抵抗が増加するため、電流と抵抗の積である必要電圧は低減できない点である。反転のための電流密度を低減することが必要であることから、セルサイズを数μｍのオーダーにして多磁区化し、膜面垂直に流す電流が生成する電流磁界を利用して磁化反転することにより１ＭＡ／ｃｍ2台の電流密度で磁化反転することも報告されているが、反転電流が数十ｍＡと大きく、また、セルサイズが大きいためメモリの大容量化ができないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の磁気抵抗効果素子は、記憶層が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍなる飽和磁化の値を有する磁性膜からなることを最も主要な特徴とする。
【０００７】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、情報を記憶する際の参照層となる磁性層と、非磁性層と、記憶層となる磁性層との積層構造を形成する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記記憶層を飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍからなる磁性膜で形成することを最も主要な特徴とする。
【０００８】
本発明の磁気メモリ装置は、磁気抵抗効果素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、前記電極上方を通るビット線と、スピン注入磁化反転（膜面垂直に偏極スピン電流を注入することにより磁化反転させること）を利用して情報を記憶するもので参照層となる磁性層と非磁性層と記憶層となる磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気抵抗効果素子とを備え、前記記憶層は、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの磁性膜からなることを最も主要な特徴とする。
【０００９】
磁気抵抗効果素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、前記電極上方を通るビット線と、スピン注入磁化反転を利用して情報を記憶するもので参照層となる磁性層と非磁性層と記憶層となる磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気抵抗効果素子とを備えた磁気メモリ装置の製造方法において、前記記憶層を、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍからなる磁性膜で形成することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁気抵抗効果素子とその製造方法、および磁気メモリ装置とその製造方法は、スピン注入磁化反転における反転電流密度を１ＭＡ／ｃｍ2台以下に低減することが可能となる。これにより、ＴＭＲ膜を用いたメモリ素子を絶縁破壊することなく、また、素子選択用ＦＥＴをブレークダウンすることなく、ランダムアクセス磁気メモリにおけるスピン注入磁化反転が可能となる。従来技術では、スピン注入磁化反転を行おうとするとＴＭＲ膜が絶縁破壊してしまった（耐電圧上限（２Ｖ程度）を越えてしまう）のに対し、本発明の磁気抵抗効果素子のメモリセルでは、反転電流密度が１００ｋＡ／ｃｍ2〜１０ＭＡ／ｃｍ2と小さいため、ＴＭＲ膜でのスピン注入磁化反転が可能となる。これにより、スピン注入磁化反転を磁気メモリ装置（例えばＭＲＡＭ）に適用することが可能となり、素子面積を理論設計サイズ（６Ｆ2：Ｆは設計ルール）にまで縮小できるため磁気メモリのギガビット（Ｇｂｉｔ）超の大容量化が可能となり、超低消費電力（書き込み電流１００μＡ以下、読み出し電流１０μＡ程度）、電流の方向を変えるだけで磁化反転できるため制御回路がシンプル、電流磁界発生用配線が不要となるため素子構造がシンプルとなり量産に適する、等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
スピン注入磁化反転における反転電流密度を１ＭＡ／ｃｍ2台以下に低減することにより、ＴＭＲ膜を用いたメモリ素子を絶縁破壊することなく、素子選択用ＦＥＴをブレークダウンすることなく、ランダムアクセス磁気メモリにおけるスピン注入磁化反転を可能にするという目的を、磁気抵抗効果素子の記憶層を４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの飽和磁化値を有する磁性膜とすることにより実現した。
【実施例１】
【００１２】
本発明の磁気抵抗効果素子に係る一実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１３】
図１に示すように、磁気抵抗効果素子１は、上下に非磁性電極を持つＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ膜から構成されている。ＧＭＲ膜１０は、強磁性膜からなる参照（磁化固定）層１１、強磁性膜からなる記憶（磁化反転）層１２と、参照層１１と記憶層１２とに挟まれている非磁性体からなるスペーサ１３からなる。このスペーサ１３は、例えば銅（Ｃｕ）膜で形成されている。上記参照層１１は、常に上記記憶層１２より厚く形成されていることが必要である。記憶層１２の厚さは、それを構成する材料にもよるが、１ｎｍ〜１０ｎｍ、望ましくは２ｎｍ〜６ｎｍとする。上記参照層１１の厚さは、材料にもよるが、例えば４ｎｍ以上必要で、上限は特にないが、加工のし易さ等を考慮して１μｍ以下とすることが望ましい。上記スペーサ１３の厚さは、参照層１１と記憶層１２との間の磁気的層間結合（ネール結合およびＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida）的相互作用）の影響を排除できる必要最小の厚さとする。例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、望ましくは６ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。また上記記憶層１２上にはキャップ層１４が形成されている。
【００１４】
通常、磁性膜を加工するにはイオンミリングが用いられる。イオンミリングは、参照層１１／記憶層１２層間の静磁結合（膜端部からの漏洩磁界による反強磁性的結合）を防止するため、下層磁性膜の参照層１１上面で停止する。この構造では、記憶層１２が強い形状磁気異方性を持つため、膜厚の厚い参照層１１よりも保磁力（Ｈc）が高くなる。すなわち、外部磁界に対しては、記憶層１２より参照層１１の方が磁気的に柔らかくなる（磁化反転しやすい）。しかし、電流注入に対しては、膜厚の厚い参照層１１の磁化方向は変化せず、スピンフィルターとなって偏極スピン電流を作り、記憶層１２に対するスピン注入源となることに留意すべきである。この意味で、参照層１１は、磁化固定層と呼ばれる。電流はＧＭＲ膜１０面に垂直に流し、電子を薄い磁性膜からなる記憶層１２から厚い磁性膜からなる参照層１１に流す場合（矢印方向）を電流の正方向と定義する。
【００１５】
さらに、上記ＧＭＲ膜１０は下部電極２１上に形成されていて、ＧＭＲ膜１０の参照層１１が下部電極２１上で接続されている形成されている。また、上記スペーサ１３、記憶層１２およびキャップ層１４は、上記参照層１２上に形成されている絶縁膜３１により埋め込まれている、その絶縁膜３１には上記キャップ層１４上を開口する開口部３２が形成されている。そしてその開口部３２を通じて上記ＧＭＲ膜１０のキャップ層１４に接続する上部電極２２が上記絶縁膜３１上に形成されている。
【００１６】
上記記憶層１２は、飽和磁化Ｍsが４００ｋＡ／ｍ以上８００ｋＡ／ｍ以下となる磁性膜で形成されている。そのような磁性膜としては、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜があり、その磁性膜は、例えば非磁性元素を含むものからなる。この非磁性元素は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）のうち１種以上からなり、例えば５at％以上５０at％以下の割合で含まれる。なお、記憶層１２（磁性層１２０）の詳しい一例は後述する。
【００１７】
また、上記記憶層１２を備えたメモリセルは、長軸方向の長さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、短軸方向の長さが３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、長軸方向の長さが短軸方向の長さより長いかもしくは同等なものである。
【００１８】
上記磁気抵抗効果素子１では、上記記憶層１２への情報記録をスピン注入磁化反転（膜面垂直に偏極スピン電流を注入することにより磁化反転させる）により行う。その際のスピン注入磁化反転の電流密度は０．１ＭＡ／ｃｍ2以上１０ＭＡ／ｃｍ2以下としている。
【００１９】
上記磁気抵抗効果素子１は、１００ｎｍφのオーダーの超微細メモリセルを持ち、これにより、上記「発明の効果」の項目に記載したような発明効果が現れる。微細化の主な理由の一つは、セルの単磁区化の促進である。これにより良好なスピン注入磁化反転特性が得られる。一般に、セルサイズを磁壁幅より小さくすることが必要であり、たとえば鉄（Ｆｅ）の場合、磁壁幅は１３０ｎｍ程度である。マイクロマグネティクスのシミュレーションによれば、アスペクト比（長軸／短軸）１．５、膜厚３ｎｍの長方形セルの場合、短軸長５０ｎｍ以下でほぼ完全な単磁区状態となる。上記理由に加え、膜面垂直に流れる電流による誘導磁界の影響を抑制する目的がある。磁性膜セルの大きさが１００ｎｍφ程度以下であれば、磁気モーメントに作用するトルクは、注入電流が作る磁界よりもスピントルクの方が支配的になることが報告されている。この他、セル面内における注入電流分布およびジュール熱の温度分布の均一化が目的がある。また、磁化反転電流は磁性膜セルの体積に比例するため、セルサイズの微細化は反転電流の低減につながり、素子としての省電力化とともに、電流磁界の発生及び発熱を抑制することとなる。なお、磁性膜セルをメモリとして用いるため、面内形状を概ね楕円形状として一軸異方性を付与した。
【実施例２】
【００２０】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法に係る一実施例を、図２によって説明する。図２では、一例として、レジストマスクを用いるミリング法により磁気抵抗効果素子を作製する一例を示す。
【００２１】
図示はしないが、基板上に下部電極を形成し、さらに図２（１）に示すように、下部電極（図示せず）上に参照層１１を磁性膜で形成する。さらにスペーサとなる銅（Ｃｕ）膜１３０、記憶層となる磁性層１２０を積層して形成する。この磁性層１２０は、飽和磁化Ｍsが４００ｋＡ／ｍ以上８００ｋＡ／ｍ以下となる磁性膜で形成されている。そのような磁性膜としては、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜があり、その磁性膜は、例えば非磁性元素を含むものからなる。この非磁性元素は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）のうち１種以上からなり、例えば５at％以上５０at％以下の割合で含まれる。なお、図示はしていないが、磁性層１２０上にキャップ層となる導電膜を形成してもよい。なお、記憶層１２（磁性層１２０）の詳しい一例は後述する。
【００２２】
その後、磁性層１２０上にレジスト膜４１を形成する。このレジスト膜４１には、一例としてネガ型のレジストを用いた。そしてリソグラフィー技術により上記レジスト膜４１をパターニングする。ここでは電子線リソグラフィー技術（電子線露光、現像等）によりパターニングを行った。
【００２３】
その結果、図２（２）に示すように、微細な（径１００ｎｍφオーダー）マスク４２を形成する。実際には、上記マスク４２に、一例として、長径が９５ｎｍ、短径が７０ｎｍの略楕円形状に形成されている。このマスク４２を用いて、例えばイオンミリングにより磁性層１２０を加工して記憶層１２を形成する。上記イオンミリングでは、例えばアルゴンイオンを用いた。
【００２４】
次に図２（３）に示すように、記憶層１２およびマスク４２を合わせた高さより薄く、絶縁膜３１を形成した。この絶縁膜３１には例えば酸化シリコンを用いた。その後、リフトオフを行うことにより上記マスク４２を除去するとともに、マスク４２上の絶縁膜３１も除去する。
【００２５】
その結果、図２（４）に示すように、上記絶縁膜３１のマスク４２〔前記図２（３）参照〕が除去された部分に開口部３２が形成され、その開口部３２に記憶層１２表面、すなわち上部電極との接触面が露出される。
【００２６】
その後図２（５）に示すように、上記開口部３２を通じて上記記憶層１２に接続する上部電極２２を絶縁膜３１上に形成する。このように、上部電極２２とメモリセル部の記憶層１２との接触をセルフアライメントで行えることがこの製造方法の利点である。
【００２７】
次に、磁気抵抗効果素子１の特性について述べる。以下、素子のセルサイズは、すべて、１００ｎｍオーダーとし、セルはほぼ単磁区化しているものである。
【００２８】
上記記憶層１２には例えば飽和磁化が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの厚さが２．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金を用い、参照層１２には例えば厚さが１０ｎｍのコバルト・鉄合金（Ｃｏ−Ｆｅ10）を用い、スペーサ１３には例えば厚さが６ｎｍの銅（Ｃｕ）を用いたＧＭＲ膜１０にて、各種大きさの概楕円形の磁性膜セルを有する磁気抵抗効果素子を作製した。
【００２９】
面内サイズが１３０×１００ｎｍ2の磁気抵抗効果素子では反転電流が０．６ｍＡ程度、面内サイズが１５０×１００ｎｍ2の磁気抵抗効果素子では反転電流が０．８ｍＡ程度であり、いずれも電流密度は、５ＭＡ／ｃｍ2〜６ＭＡ／ｃｍ2であった。従来例に比べ、反転電流、電流密度ともに一桁小さくなっていることが確認できた。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成の一例としては、Ｃｏ：３０at％以上８０at％以下、Ｆｅ：３０at％以下、Ｂ：５at％以上５０at％以下の組成範囲が望ましい。なお、メモリセルがほぼ単磁区化していて一軸異方性がついていれば、セルの形状の詳細は問わない。長軸の長さは５０ｎｍ〜２００ｎｍ、短軸の長さは、３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で選択できるが、形状異方性をつけるため、短軸≦長軸とすることが望ましい。セルサイズが下限以下となると、超常磁性が発現しメモリ機能を維持できなくなる。サイズの下限値は、磁性材料に依存する。
【００３０】
上記磁気抵抗効果素子の一例では、記憶層１２の磁性膜材料としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いたが、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの軟磁性材料であればいずれの材料も用いることができる。先にも述べたように、記憶層１２を構成する磁性膜の組成として、磁性元素のコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち一つ以上を含み、これに、適当な非磁性元素（例えばタンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ））のうち一つ以上を５at％〜５０at％含ませることにより、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの磁性膜を得る。たとえば、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｔａ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｃｒ合金などである。また膜質は結晶質でも非晶質でも構わない。また多結晶膜であっても単結晶膜であっても構わない。
【００３１】
なお、ギガビット（Ｇｂｉｔ）超の大容量磁気メモリに用いられる２００ｎｍφ以下のサイズのメモリセルに対しては、飽和磁化Ｍs＜４００ｋＡ／ｍとなる組成の記憶層１２の磁性膜では、メモリセルの熱揺らぎ耐性が不十分となり、また、飽和磁化Ｍs＞８００ｋＡ／ｍの記憶層１２の磁性膜では、書き込みに必要な電流密度が１０ＭＡ／ｃｍ2台以上となり、消費電力の低減ができない。なお、上記「熱揺らぎ」とは、保存中に、室温によって磁化方向が揺らぎ、書き込み情報が消失してしまうことをいう。
【００３２】
飽和磁化Ｍsの低減は熱揺らぎ耐性の低下につながるが、飽和磁化の値が４００ｋＡ／ｍ〜８００ｋＡ／ｍの範囲であれば、メモリセルの形状異方性を高めること、もしくは記憶層の磁性膜の結晶磁気異方性を高めることで、必要な熱揺らぎ耐性を維持できる。
【００３３】
上記説明では、ＧＭＲ膜を用いた例を説明したが、より磁気抵抗変化量が大きいＴＭＲ膜を用いることも可能である。そのＴＭＲ膜の構成としては、一例として、下地膜／参照層となる磁性膜／絶縁障壁層（例えば、厚さが１ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）膜）／記憶層となる磁性膜（例えば厚さが２ｎｍ以上５ｎｍ以下のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金膜）／保護膜を積層した構成がある。
【００３４】
また、上記ＧＭＲ膜およびＴＭＲ膜は保磁力差型のものであるが、参照層となる磁性膜の下部に適当な反強磁性膜（例えば、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金膜、マンガンイリジウム（Ｍｎ−Ｉｒ）合金膜など）を設けて参照層となる磁性膜の磁化方向を固定（ピン止め）するスピンバルブ型としてもよい。
【００３５】
上記非磁性膜１３は、ＧＭＲ膜の場合、一般に銅（Ｃｕ）が用いられるが、これは、磁性材料との組み合わせによって適宜選択される。ＴＭＲ膜の場合、一般に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が用いられるが、低抵抗化のためにＡｌ−Ｎ、Ａｌ−Ｎ−Ｚｒ等を用いることも可能である。
【００３６】
参照層１１となる磁性膜としては、一般に使われている軟磁性材料を用いる。軟磁性材料としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）、コバルト鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）、コバルト鉄ホウ素（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）などがある。この磁性膜は、結晶材料でも非晶質材料でもよく、多結晶膜でも、単結晶膜でもよい。さらに、前述の金属膜以外に、各種磁性半導体やハーフメタルの使用も可能である。参照層の磁性膜は、単層膜でも積層フェリ構造（強磁性膜／非磁性層／強磁性層の反強磁性的結合した２層磁性膜構造）でも構わない。
【００３７】
次に、比較例を説明する。比較例のＧＭＲ膜構成は、例えば参照層には厚さが４０ｎｍのコバルト・鉄合金（Ｃｏ−Ｆｅ25）を用い、記憶層には例えば厚さが２．５ｎｍのコバルト・鉄合金（Ｃｏ−Ｆｅ25）を用い、スペーサには例えば厚さが６ｎｍの銅（Ｃｕ）を用いたＧＭＲ膜１０にて、概楕円形の磁性膜セルを有する磁気抵抗効果素子を作製した。磁性膜セルの面内サイズは、長径が１５０ｎｍであり、短径が８５ｎｍの概楕円形である。記憶層の磁性膜の飽和磁化は約１７００ｋＡ／ｍである。上記構造を持つスピン注入磁化反転素子のＧＭＲ曲線および抵抗−電流特性（Ｒ−Ｉ曲線）の測定例を、図３（１）、（２）に示す。Ｒ−Ｉ曲線は、ここでは＋１６ｋＡ／ｍの静磁界下で測定した例を示す。また、縦軸は、微分抵抗のある基準からの変化量として表されている。参照層磁化と平行に磁界を印加する場合を正（＋）磁界とする。
【００３８】
図３（１）にて典型的な保磁力差型ＧＭＲ曲線が得られており、良好なＣＰＰ−ＧＭＲ素子が形成されていることが確認できる。４端子法で測定した素子の直流抵抗値は５Ω程度であり、ＧＭＲ比は２％〜３％、磁性膜セルのＨcは約４０ｋＡ／ｍである。
【００３９】
図３（２）に示すＲ−Ｉ曲線には、スピン注入磁化反転による明瞭なヒステリシスが現れている。曲線は全体的に凹形となっているが、これは、ジュール熱による抵抗増加のためと考えられる。初期（Ｉ＝０ｍＡ）磁化配列状態を平行とし、電流を正方向に増加していくと、５．５ｍＡ〜６ｍＡ付近(ＩcP→AP)で抵抗値の不連続的な増加が起こり、磁化配列が反平行状態になったことが示唆される。以後、電流を増加しても配列は反平行状態を維持する。電流を減少し、負方向に転じると、−０．５ｍＡ付近(Ｉc AP→P)で抵抗値が不連続的に減少し、磁化配列が反平行から平行状態に戻ったことがわかる。以後、負電流の領域では、平行状態を維持する。外部磁界ゼロにおける反転電流は６ｍＡ、電流密度（|ＩcP→AP|／セル面積）は６０ＭＡ／ｃｍ2程度（２つの反転電流のうちの大きい方）である。
【実施例３】
【００４０】
本発明の磁気メモリ装置に係る一実施例を以下に説明する。
【００４１】
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果を利用した新たな不揮発性固体メモリの一つであり、高速動作、低消費電力、低電圧動作、１０15回以上の書き換え回数、ＴＭＲ素子の微細化や積層化による大容量化など、優れた潜在的可能性を持つ。ＭＲＡＭの大容量化（ギガビット（Ｇｂｉｔ）超）のためにはメモリセルサイズを１００ｎｍ程度にまで縮小する必要がある。しかるに、図４に示すように、軟磁性薄膜で形成されたメモリセルの磁化反転磁界は、メモリセルサイズの縮小にほぼ反比例して増加する。このため、従来の電流磁界による書き込み方法では書き込み電流が著しく増加し、事実上、書き込みが困難となる。これに対し、スピン注入磁化反転によれば、反転に必要な電流はセルサイズとともに減少し、大容量化とともに低消費電力化が期待できる。
【００４２】
また、図５に示すように、スピン注入磁化反転による書き込みでは、電流方向によって磁化方向（“０”、“１”情報）を規定できる。例えば、図５（１）に示すように、参照層磁性膜の磁化方向と記憶層磁性膜の磁化方向とが同一方向（図面右向き矢印）のときを“０”情報とし、図５（２）に示すように、参照層磁性膜の磁化方向（図面右向き矢印）と記憶層磁性膜の磁化方向（図面左向き矢印）とが反対方向のときを“１”情報とすることにより、“０”、“１”の情報を規定することができる。
【００４３】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を用いたスピン注入磁化反転方法による磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）の構造例を、図６の概略構成断面図によって説明する。
【００４４】
図６に示すように、上記ＭＲＡＭ１００は、記憶セルとなる磁気抵抗効果素子１毎に選択用素子のトランジスタ１１０を配置する１トランジスタ１接合（１Ｔ１Ｊ）方式となっている。すなわち、半導体基板１０１上には例えば電界効果トランジスタからなる上記トランジスタ１１０が形成されている。上記トランジスタ１１０のドレイン領域１１３には電極１６０（図１で説明した下部電極２１に相当）が接続されている。さらに電極１６０上にはＭＴＪを有する多層膜からなる磁気抵抗効果素子１が形成されている。この磁気抵抗効果素子１上には情報を書き込むためのビット線１４０（図１で説明した上部電極２２に相当）が配設されている。このビット線１４０には、図示されていない多数の記憶セルとなる磁気抵抗効果素子が接続されている。
【００４５】
上記したように、磁気抵抗効果素子１の記憶層１２には、飽和磁化Ｍsが４００ｋＡ／ｍ以上８００ｋＡ／ｍ以下となる磁性膜を用いる。そのような磁性膜としては、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜があり、その磁性膜は、例えば非磁性元素を含むものからなる。この非磁性元素は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）のうち１種以上からなり、例えば５at％以上５０at％以下の割合で含まれる。このように磁気抵抗効果素子１の構成要件については前記磁気抵抗効果素子の項目で詳細を説明したのと同様である。
【００４６】
上記磁気メモリ装置１００は、ビット線１４０を通じて記憶セルの磁気抵抗効果素子１に流す電流の大きさによって読み出し、書き込みを行うことが可能である。すなわち、磁気抵抗効果素子１の記憶層１２の磁化反転電流値以上の電流を流すことにより書き込みを行い、磁化反転が生じない弱い電流によって読み出しが行われる。必要な電流線はビット線１４０のみであり、構造はいたって簡単となる。
【００４７】
上記磁気記憶装置１００では、ＴＭＲ膜でのスピン注入磁化反転が可能であり、電流注入のみでＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の記憶層の磁化反転が可能であり、電流量によって書き込み（電流：大、例えば１００μＡ程度）、読み出し（電流：小、例えば１０μＡ程度）を制御できる。したがって、書き込み用の磁界発生電流線（ワード線）が不要となり、また、バイパス線も不要となり、ＭＲＡＭの構造が簡素化するとともに、メモリセル面積を１トランジスタ＋１ＴＭＲ素子構造の理論的な最小面積である６Ｆ2（Ｆは設計ルール）に縮小できる。よって、メモリの大容量化における要請を満たすことができる。また磁気抵抗効果素子１が小さくなるほど、反転に必要な電流が減少する。このため、センス電流のみで、読み出し、書き込みが行える。例えば、小電流で読み出し、大電流では書き込みを行うことができる。さらに電流磁界書き込みにおける半選択状態（メモリセルの磁化困難軸方向に反転磁界の半分程度の大きさの磁界を印加した状態）がないので熱的に安定である。言い換えれば、熱揺らぎ耐性が強いという利点を有する。そして、素子構造が非常に簡単になるため、従来のＭＲＡＭでは必要とされていた書き込み用ワード線が不要となり、またバイパス線が不要となり、さらに選択用素子となる例えばトランジスタ１１０の直上に記憶素子となる磁気抵抗効果素子１を配置できるため、大規模集積回路を構成するのに好都合となる。
【実施例４】
【００４８】
次に、本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る一実施例を以下に説明する。
【００４９】
前記図６に示すように、本発明の磁気記憶装置（例えばＭＲＡＭ）の製造方法は、半導体基板１０１上に、通常の電界効果トランジスタを形成する製造方法によりトランジスタ１１０を形成する。すなわち、半導体基板１０１上にゲート絶縁膜１１１を形成した後、その上にゲート電極１１２を形成する。次いで、ゲート電極１１２の両側における半導体基板１０１にドレイン領域１１３とソース領域１１４を形成することによる。次に、上記トランジスタ１１０を覆う絶縁膜１５０を形成し、この絶縁膜１５０にトランジスタ１１０のドレイン領域１１３に達するコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホールを通してドレイン領域１１３に接続する電極１６０を形成する。その後、電極１６０を覆う状態に絶縁膜１５２を形成し、その表面を平坦化し、電極１６０表面を露出させる。
【００５０】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子１の製造方法を用いて、上記電極１６０に接続するものでスピン注入磁化反転を利用して情報を記憶する磁気抵抗効果素子１を形成する。ここで、上述したように、磁気抵抗効果素子１の記憶層１２には、飽和磁化Ｍsが４００ｋＡ／ｍ以上８００ｋＡ／ｍ以下となる磁性膜を用いる。そのような磁性膜としては、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１種以上の磁性元素を含む磁性膜があり、その磁性膜は、例えば非磁性元素を含むものからなる。この非磁性元素は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）のうち１種以上からなり、例えば５at％以上５０at％以下の割合で含まれる。このように磁気抵抗効果素子１の構成要件については前記磁気抵抗効果素子の項目で詳細を説明したのと同様である。
【００５１】
次に、絶縁膜１５４上に磁気抵抗効果素子１の上面に接続するビット線１４０を形成する。その後、ビット線１４０を覆う絶縁膜（図示せず）が形成される。なお、上記ビット線１４０は溝配線を形成する技術によって形成することもできる。
【００５２】
上記製造方法によれば、上記磁気メモリ装置の特性を生かすべく、磁気メモリ装置を製造することができるので、熱揺らぎ耐性が強く、構造が簡単化された、大規模集積回路を構成するのに好都合な磁気メモリ装置を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の磁気抵抗効果素子とその製造方法および磁気メモリ装置とその製造方法は、ユビキタス時代に必要不可欠となる不揮発性メモリ装置の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子に係る一実施例を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法に係る一実施例を示す製造工程断面図である。
【図３】従来構造のスピン注入磁化反転素子のＧＭＲ曲線の測定例〔図３（１）〕および抵抗−電流特性（Ｒ−Ｉ曲線）の測定例〔図３（２）〕を示す図である。
【図４】磁気メモリ装置における書き込み電流と記憶セルの大きさの関係を示す図である。
【図５】スピン注入磁化反転による書き込みを説明する図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子を用いたスピン注入磁化反転方法による磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）の構造例を示す概略構成断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…磁気抵抗効果素子、１１…参照層、１２…記憶層、１３…スペーサ
【図１】
2005093488.tif 000003
【図２】
2005093488.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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