(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１のトンネル絶縁層／第２の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／第２のトンネル絶縁層／第５の強磁性層／第２の反強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有し、第２および第３の強磁性層が第１の非磁性層を介して反強磁性結合しており、第３および第４の強磁性層が第２の非磁性層を介して反強磁性結合している磁気抵抗効果素子と、トランジスタまたはダイオードと、を含むメモリセルを備え、当該メモリセルをアレイ状に配置したことを特徴とする磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果は、磁性体に磁界を加えることによって電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。たとえば、強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、かつ使用範囲が広いという特徴を有している。従来、このような磁気抵抗効果素子には、ＦｅＮｉ合金などのパーマロイ薄膜が使用されてきた。これをハードディスクなどの再生ヘッドに使用することで、高密度磁気記録が達成されている。しかし、パーマロイ薄膜の磁気抵抗変化率は２〜３％程度と小さいため、更なる高密度記録を達成しようとすると、十分な感度が得られないという問題があった。
【０００３】
近年、新しいメカニズムに基づく非常に大きな磁気抵抗効果を示す、いわゆる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）材料として、磁性層と非磁性層とを数ｎｍの周期で交互に積層し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメントを反平行状態で磁気的に結合させた積層膜、いわゆる人工格子膜が注目されている。たとえば、Ｆｅ／Ｃｒの人工格子膜（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６１、２４７２（１９８８）参照）や、Ｃｏ／Ｃｕの人工格子膜（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔｅｒ．，９４，Ｌ１（１９９１）；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６６，２１５２（１９９１）参照）などが見出されている。
【０００４】
また、非磁性金属層を介して強磁性層を積層した強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる金属サンドイッチ膜において、強磁性層間の交換結合がなくなる程度に非磁性金属層の膜厚を厚くし、かつ一方の強磁性層に接してＦｅＭｎなどの反強磁性層を配置して交換結合させることにより、その強磁性層の磁気モーメントを固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易にスイッチできるようにした、いわゆるスピンバルブ膜が知られている。この場合、２つの強磁性層間に交換結合がないため、小さな磁場でスピンをスイッチできるので、上記交換結合膜に比べて感度の高い磁気抵抗効果素子を提供でき、高密度磁気記録用再生ヘッドとして、現在実用化されている。
【０００５】
以上は膜面内に電流を流した場合の磁気抵抗効果であるが、膜面に垂直方向に電流を流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵抗効果が得られることも知られている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６６，３０６０（１９９１）参照）。さらには、強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁場によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行または反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なることを利用した、強磁性トンネル接合による巨大磁気抵抗効果（ＴＭＲ）も知られている。また、絶縁層を２つ備えた強磁性層／絶縁層／強磁性層／絶縁層／強磁性層の５層からなる強磁性二重トンネル接合素子も知られている。さらに、本発明者らは、中央の強磁性体を微粒子状にした強磁性二重トンネル接合素子を提案している。これらの強磁性二重トンネル接合素子は、バイアスに依存したＭＲ比の低下が小さいという特長がある。
【０００６】
最近では、巨大磁気抵抗効果素子を磁気メモリ素子に利用することも研究されている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３４，Ｌ４１５（１９９５））。この場合、交換結合のない、スピンバルブ構造や強磁性トンネル効果素子が利用されている。これらの素子を磁気メモリ装置に利用する場合には、これらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を互いに平行または反平行に制御することにより、“１”、“０”を記録させる。読み出しはＧＭＲ効果またはＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００７】
しかし、このような磁気メモリ装置においては、高密度記録化のために素子サイズを小さくすると反磁界が大きくなる。このため、反磁界に打ち勝って記録状態を安定化するためには、記録層の磁気異方性を大きくする必要がある。この場合、記録に要する電流磁界が大きくなり、配線に大きな電流を流す必要性が生じる。その結果、パワーの大きい電源を要するうえに、電流密度が大きくなりエレクトロマイグレーションが生じて配線が破断するなどの問題があった。また、素子サイズを小さくすると、絶縁層を介した磁性層間の静磁気結合が大きくなることに起因して、磁気ヒステリシスが非対称になり、記録に要する電流磁界が大きくなるという問題もあった。これらの問題を緩和するために、メモリ素子のアスペクト比（平面的な長さと幅の比）を大きくすることが考えられる。しかし、このような対策では素子サイズが大きくなるため高密度メモリを得ることが困難になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、素子サイズを小さくしても、記録に要するパワーを軽減でき、かつ材料選択の幅が広い磁気メモリ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気メモリ装置は、第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１のトンネル絶縁層／第２の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／第２のトンネル絶縁層／第５の強磁性層／第２の反強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有し、第２および第３の強磁性層が第１の非磁性層を介して反強磁性結合しており、第３および第４の強磁性層が第２の非磁性層を介して反強磁性結合している磁気抵抗効果素子と、トランジスタまたはダイオードと、を含むメモリセルを備え、当該メモリセルをアレイ状に配置したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子は、第１の反強磁性層１、第１の強磁性層２、第１のトンネル絶縁層３、第２の強磁性層４、第１の非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、第４の強磁性層８、第２のトンネル絶縁層９、第５の強磁性層１０、第２の反強磁性層１１が積層された強磁性二重トンネル接合素子である。
【００１２】
第１のトンネル絶縁層３と第２のトンネル絶縁層９との間に挟まれた、第２の強磁性層４、第１の非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、および第４の強磁性層８は磁気記録層１２を構成している。第２および第３の強磁性層４、６は第１の非磁性層５を介して反強磁性結合しており、互いの磁化が反平行状態に保たれている。同様に、第３および第４の強磁性層６、８は第２の非磁性層７を介して反強磁性結合しており、互いの磁化が反平行状態に保たれている。
【００１３】
第１の強磁性層２は、第１の反強磁性層１と交換結合して図中の矢印に示す方向に磁化が固着されている。同様に、第５の強磁性層１０は、第２の反強磁性層１１と交換結合して図中の矢印に示すように第１の強磁性層２の磁化の方向と同一方向に磁化が固着されている。
【００１４】
この磁気抵抗効果素子では所定方向に外部磁場が印加されると、第２ないし第４の強磁性層４、６、８は反強磁性結合を保ったまま、外部磁場の方向に磁化回転する。一方、第１の強磁性層２および第５の強磁性層１０はそれぞれ第１および第２の反強磁性層１、１１との交換結合によって、第２ないし第４の強磁性層４、６、８の磁化が回転する程度の外部磁場では、磁化回転が生じないように固着されている。こうして、第２ないし第４の強磁性層４、６、８に“１”または“０”の情報を記録することができる。
【００１５】
このとき、第１の非磁性層５を介して反強磁性結合した第２および第３の強磁性層４、６間で磁束が閉じ、かつ第２の非磁性層７を介して反強磁性結合した第３および第４の強磁性層６、８間で磁束が閉じているため、素子を微細化しても反磁界が増大することはない。このため、磁化反転に要する反転磁場Ｈswはメモリセルの大きさにはほとんど依存せず、第２ないし第４の強磁性層４、６、８の保磁力Ｈｃで決まる。したがって、Ｈｃを小さくすれば、Ｈswを小さくすることができるので、省エネルギー効果が大きい。保磁力は一軸異方性をＫｕ、磁化の大きさをＭとすれば、理想的にはＨｃ＝２Ｋｕ／Ｍで与えられる。すなわち、一軸異方性Ｋｕの小さい材料を用いることにより目的を達成できる。また、反強磁性結合した第２ないし第４の強磁性層４、６、８で磁束が閉じているため、記録ビットが擾乱磁場に対して安定であるというメリットも得られる。
【００１６】
また、図１の磁気抵抗効果素子では、磁気記録層１２に３層の強磁性層が含まれるので、磁気記録層１２の両端の第２および第４の強磁性層４、８の磁化の方向が同一になっている。この場合、第１のトンネル絶縁層３を挟んで第２の強磁性層４と対向する第１の強磁性層（磁化固着層）２と、第２のトンネル絶縁層９を挟んで第４の強磁性層８と対向する第５の強磁性層（磁化固着層）１０についても、磁化の方向が同一になる。このように第１の強磁性層２と第５の強磁性層１０の磁化の方向を同一にするには、第１および第２の反強磁性層１、１１として同一の材料を用いるだけでよいので、反強磁性材料の選択の幅が広がる。
【００１７】
ここで、第２ないし第４の強磁性層４、６、８において磁束を有効に閉じるには、第３の強磁性層６の磁化の値Ｍ３が、第２および第４の強磁性層４、８の磁化を加えた値Ｍ（２＋４）と等しいことが好ましい。しかし、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が同一である場合には記録層の磁化回転が困難になるため、これらの磁化の値が若干異なるようにすることが好ましい。
【００１８】
例えば、第２ないし第４の強磁性層を同じ材料で形成する場合には、第３の強磁性層６の厚さＴ３と、第２および第４の強磁性層４，８の合計の厚さＴ（２＋４）とが異なるようにする。この場合、Ｔ３とＴ（２＋４）との差の絶対値は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００１９】
また、第２ないし第４の強磁性層４、６、８に異なる材料を用いることにより、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が異なるようにしてもよい。
【００２０】
さらに、反強磁性的に交換結合した第２ないし第４の強磁性層４、６、８に接して他の強磁性層を設けることにより、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が異なるようにしてもよい。図２の磁気抵抗効果素子は、図１の構造に加えて、第１および第２の非磁性層４、７を介して反強磁性的に交換結合している第２ないし第４の強磁性層４、６、８のうち、第４の強磁性層８に接して強磁性層８ｂを設けた構造を有する。この場合、強磁性層８ｂとしてソフト磁性を示す材料たとえばパーマロイ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用いれば、より低磁場で磁化反転できるので望ましい。
【００２１】
本発明においては、図３に示すように、第１の強磁性層（磁化固着層）２として非磁性層２ｂを介して２つの強磁性層２ａ、２ｃが反強磁性的に交換結合した磁気積層膜を用い、第５の強磁性層（磁化固着層）１０として非磁性層１０ｂを介して２つの強磁性層１０ａ、１０ｃが反強磁性的に交換結合した磁気積層膜を用いてもよい。このように構成では、第１および第５の強磁性層２、１０の磁化がさらに安定かつ強固に固着される。また、第１および第５の強磁性層２、１０からの漏れ磁界が小さくなるので、磁気記録層１２への磁気的影響が抑えられ、記録の安定性が増す。
【００２２】
次に、本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子では、読み出しはトンネル磁気抵抗効果を利用して磁場を印加することなく行うことができる。読み出し感度を大きくするためには、トンネル磁気抵抗効果の大きい材料を用いることが望ましく、第２ないし第４の強磁性層４、６、８の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用いることが望ましい。また、第２ないし第４の強磁性層４、６、８の材料としては、上述したＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金のほかに、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどのハーフメタルなどを用いることもできる。ハーフメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが存在するので、これを用いるとより大きな磁気抵抗効果を得ることができ、結果としてより大きな再生出力が得られる。
【００２３】
また、第２ないし第４の強磁性層４、６、８は膜面内に弱い一軸磁気異方性を有することが望ましい。一軸磁気異方性が強すぎると各強磁性層の保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が大きくなるため好ましくない。一軸磁気異方性の大きさは、１０6ｅｒｇ／ｃｍ3以下、好ましくは１０5ｅｒｇ／ｃｍ3以下である。各強磁性層の好ましい膜厚は１〜１０ｎｍである。
【００２４】
第２ないし第４の強磁性層４、６、８の間に介在して反強磁性結合をもたらす第１および第２の非磁性層５、７の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｌ、またはこれらの合金など、多くの金属を用いることができる。特に、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒは、薄い膜厚で大きな反強磁性結合が得られるので好ましい。非磁性層の膜厚の好ましい範囲は、０．５〜２ｎｍである。
【００２５】
トンネル絶縁層の材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＮｉＯ、酸化シリコン、ＭｇＯなどを用いることができる。トンネル絶縁層の膜厚の好ましい範囲は、０．５〜３ｎｍである。
【００２６】
反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどを用いることができる。
【００２７】
本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子を構成する種々の薄膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成方法により形成することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
実施例１
図２に示すような磁気抵抗効果素子を作製した例について説明する。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上に、１０ｎｍのＴａ／１０ｎｍのＮｉＦｅからなる下地層、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第１の強磁性層２、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる第１のトンネル絶縁層３、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第２の強磁性層４、０．８ｎｍのＲｕからなる第１の非磁性層５、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第３の強磁性層６、０．８ｎｍのＲｕからなる第２の非磁性層７、２．０ｎｍのＮｉＦｅからなる強磁性層８ｂ、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第４の強磁性層８、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなるトンネル絶縁層９、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第５の強磁性層１０、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１１を順次積層した。
【００３０】
この素子では、第２の強磁性層４、第１の非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、強磁性層８ｂ、第４の強磁性層８で磁気記録層１２が構成されている。この磁気記録層１２においては、第１の非磁性層５を介して第２および第３の強磁性層４、６が反強磁性結合しており、第２の非磁性層７を介して第３および第４の強磁性層６、８が反強磁性結合している。ＮｉＦｅ強磁性層８ｂは、第３の強磁性層６の磁化の値Ｍ３と、第２および第４の強磁性層４、８の磁化を加えた値Ｍ（２＋４）を互いに異ならせるために設けている。
【００３１】
全ての膜は真空を破ることなく形成した。第１および第２のトンネル絶縁層３、９を構成するＡｌ2Ｏ3は、Ａｌ金属をスパッタした後、プラズマ酸化することにより形成した。なお、下地層、第１の反強磁性層１および第１の強磁性層２は１００μｍ幅の下部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。第１のトンネル絶縁層３に変換されるＡｌは接合部形状の開口を有するマスクを通して成膜した。第１のトンネル絶縁層３より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１００μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。これらの工程中において、真空チャンバー内でこれらのマスクを交換した。こうして接合面積を１００×１００μｍ2とした。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入した。
【００３２】
この磁気抵抗効果素子について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ約１０Ｏｅの小さなスイッチング磁界で２２％の磁気抵抗変化が観測された。
【００３３】
実施例２
フォトリソグラフィを用いた微細加工により、実施例１と同様の積層構造を有するが、実施例１よりも接合面積が小さい磁気抵抗効果素子を作製した。トンネル接合の面積は、５×５μｍ2、１×１μｍ2または０．４×０．４μｍ2とした。これらの磁気抵抗効果素子について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ１２Ｏｅ、２５Ｏｅ、３５Ｏｅという小さな磁界で磁気抵抗変化が観測された。このように、接合面積が小さくなっても、スイッチング磁界はそれほど顕著に増加していない。これは、磁気記録層として反強磁性結合した積層磁性膜を用いているため、発生する反磁界が素子サイズにあまり依存しないためであると考えられる。
【００３４】
次に、図４および図５を参照して、ＭＯＳトランジスタ上に本発明の強磁性トンネル接合素子を積層した構造を有するＭＲＡＭを説明する。図４は１セルのＭＲＡＭの断面図、図５は３×３セルのＭＲＡＭの等価回路図を示す。
【００３５】
図４に示すように、シリコン基板２１、ゲート電極２２、ソース、ドレイン領域２３、２４からなるトランジスタ２０が形成されている。ゲート電極２２は読み出し用のワードライン（ＷＬ１）を構成している。ゲート電極２２上には絶縁層を介して書き込み用のワードライン（ＷＬ２）３１が形成されている。トランジスタ２０のドレイン領域２４にはコンタクトメタル３２が接続され、さらにコンタクトメタル３２には下地層３３が接続されている。この下地層３３上の書き込み用のワードライン（ＷＬ２）３１の上方に対応する位置に、本発明に係る強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）１００が形成されている。ＴＭＲ１００は、図１〜図３に示した構造のいずれを有していてもよい。このＴＭＲ１００上にビットライン（ＢＬ）３４が形成されている。
【００３６】
図５の等価回路図に示すように、トランジスタ２０と本発明の強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）１００とからなる複数のメモリセルはアレイ状に配列されている。トランジスタ２０のゲート電極からなる読み出し用のワードライン（ＷＬ１）２２と、書き込み用のワードライン（ＷＬ２）３１とは平行に配置されている。また、ＴＭＲ１０の上部に接続されたビットライン（ＢＬ）３４は、ワードライン（ＷＬ１）２２およびワードライン（ＷＬ２）３１と直交して配置されている。
【００３７】
なお、ＭＲＡＭはダイオードと本発明に係る強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）とを積層して構成してもよい。具体的には、ワードライン上にダイオードと本発明に係るＴＭＲとの積層体からなるメモリセルを形成し、ＴＭＲ上にワードラインと直交して配置されたビットラインを形成して、多数のメモリセルをアレイ状に配置した構造が考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、素子サイズを小さくしても、反磁界の影響なしに小さな磁界で磁気抵抗効果が得られ、記録に要するパワーを軽減できる磁気メモリ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】  本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】  本発明の磁気メモリ装置の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】  本発明に係る磁気抵抗効果素子とトランジスタとからなるＭＲＡＭの断面図。
【図５】  本発明に係る磁気抵抗効果素子とトランジスタとからなるＭＲＡＭの等価回路図。
【符号の説明】
１…第１の反強磁性層
２…第１の強磁性層
３…第１のトンネル絶縁層
４…第２の強磁性層
５…第１の非磁性層
６…第３の強磁性層
７…第２の非磁性層
８…第４の強磁性層
９…第２のトンネル絶縁層
１０…第５の強磁性層
１１…第２の反強磁性層
１２…磁気記録層
２０…トランジスタ
２１…シリコン基板
２２…ゲート電極（読み出し用ワードライン）
２３、２４…ソース、ドレイン領域
３１…書き込み用ワードライン
３２…コンタクトメタル
３３…下地層
３４…ビットライン
１００…強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）
【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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