(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁化を示す第１の磁性体と、非磁性導体膜と、垂直磁化を示す第２の磁性体と、非磁性誘電体膜と、垂直磁化を示す第３の磁性体とがこの順で積層した構造を有し、第１の磁性体の磁化と第３の磁性体の磁化とが相互に反平行であり、前記第１の磁性体及び第３の磁性体に比べ前記第２の磁性体は相対的に小さな磁化反転磁界を有する磁気抵抗効果膜の製造方法であって、
一方向に磁界を印加しながら前記第１の磁性体及び前記第３の磁性体の一方の磁性体を形成し、さらに、前記一方の磁性体を形成する際に印加した磁界方向と反対方向に磁界を印加しながら前記第１の磁性体及び前記第３の磁性体の他方の磁性体を形成することを特徴とする、磁気抵抗効果膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜に関し、特に、磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減された磁気抵抗効果膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体メモリである半導体メモリは、情報機器に多く用いられており、ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）、ＦｅＲＡＭ（強誘電体ランダム・アクセス・メモリ）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）など、その種類も様々である。これら半導体メモリの特性は一長一短であり、現在の情報機器において要求される仕様のすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、ＤＲＡＭは、記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、揮発性であり電源を切るとその保持している情報は消えてしまう。一方、フラッシュＥＥＰＲＯＭは、不揮発性ではあるが、情報の消去に要する時間が長く、情報の高速処理には不向きである。
【０００３】
上記のような半導体メモリの現状に対して、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ；磁気ランダム・アクセス・メモリ）は、不揮発性であって、書き込み時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力などの点において、多くの情報機器から求められる仕様をすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto-Resistance）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告においてＭＲＡＭとしての実現性が実証されている。
【０００４】
ＭＲＡＭの素子として用いられる磁気抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介してその両側に磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁性層として良く用いられる材料として、ＣｕやＡｌ2Ｏ3が挙げられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕなどのような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto-Resistance）膜といい、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜という。一般に、ＴＭＲ膜は、ＧＭＲ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示す。
【０００５】
図１２（ａ），（ｂ）は、非磁性層を介して面内磁化膜である２つの磁性層が積層した構成を有する磁気抵抗効果膜を示しており、各磁性層での磁化の方向が矢印で示されている。図１２（ａ）に示すように２つの磁性層の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電気抵抗（一方の磁性層と他方の磁性層の間の電気抵抗）は相対的に小さく、図１２（ｂ）に示すように磁化方向が反平行であると、電気抵抗は相対的に大きくなる。したがって、上記の性質を利用することで、情報の読み出しが可能である。例えば非磁性層１２の図示上部に位置する磁性層１３をメモリ層、下部に位置する磁性層１１を検出層とし、メモリ層（磁性層１３）の磁化方向が右向きの場合を『１』、左向きの場合を『０』とする。
【０００６】
図１３（ａ）に示すように両磁性層１１，１３の磁化方向がともに図示右向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図１３（ｂ）に示すように検出層１１の磁化方向が図示右向きでかつメモリ層１３の磁化方向が図示左向きであると電気抵抗は相対的に大きい。同様に、図１３（ｃ）に示すように検出層１１の磁化方向が左向きでかつメモリ層１３の磁化方向が右向きであると電気抵抗は相対的に大きく、図１３（ｄ）に示すように両磁性層１１，１３の磁化方向が左向きの場合には電気抵抗は相対的に小さい。つまり、検出層１１の磁化方向が右向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『０』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ、『１』が記録されていることになる。あるいは、検出層１１の磁化方向が左向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ、『０』が記録されていることになる。
【０００７】
そこで、検出層１１の保磁力が相対的に大きくメモリ層１３の保磁力が相対的に小さくなるように各磁性層１１，１３の組成を選択し、検出層１１を一方向に磁化した上で、検出層１１の磁化反転が起こらない程度の磁化をメモリ層１３に加えてメモリ層１３の磁化の方向を変化させることにより、磁気抵抗効果膜に情報を記録することが可能になり、また、磁気抵抗効果膜の電気抵抗を検出することによって、記録された情報を読み出しを行なえることになる。
【０００８】
ＭＲＡＭの記録密度を高くするために磁気抵抗効果膜の素子サイズを小さくしていくと、磁性層として面内磁化膜を使用したＭＲＡＭでは、反磁界あるいは素子端面の磁化のカーリングといった影響から、情報を保持できなくなるという問題が生じる。この問題を回避するためには、例えば磁性層の形状を長方形にすることが挙げられるが、この方法では素子サイズが小さくできないために記録密度の向上があまり期待できない。
【０００９】
そこで、本出願人は、既に、例えば特開平１１−２１３６５０号公報で述べているように、垂直磁化膜を用いることにより上記問題を回避しようとすることを提案した。垂直磁化膜を利用した場合には、素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。
【００１０】
垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜では、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様に、２つの磁性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、磁化方向が反平行であると電気抵抗は相対的に大きくなる。非磁性層２２の上部に位置する磁性層２３をメモリ層、下部に位置する磁性層２１を検出層とし、メモリ層２３の磁化方向が上向きの場合を『１』、下向きの場合を『０』とする。図１４（ａ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化方向が上向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図１４（ｃ）に示すように検出層２１の磁化方向が下向きでかつメモリ層２３の磁化方向が上向きであると電気抵抗は相対的に大きくなる。同様に、図１４（ｂ）に示すように検出層２１の磁化方向が上向きでかつメモリ層２３の磁化方向が下向きであると電気抵抗は相対的に大きくなり、図１４（ｄ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化方向が下向きの場合には電気抵抗は相対的に小さくなる。つまり、検出層２１の磁化方向が上向きに固定されている場合には、電気抵抗が相対的に大きければメモリ層２３には『０』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ『１』が記録されていることになる。あるいは、検出層２１の磁化方向が下向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければメモリ層２３には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ『０』が記録されていることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、磁気抵抗効果膜は少なくとも２つの磁性体が数Åから数ｎｍの薄い非磁性膜を介して積層された構造を有しており、それぞれの磁性体から発生する磁界により両方の磁性体は相互に静磁結合している。例えば垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜では、図１４の（ａ）の磁化状態から（ｃ）の状態にする場合や図１４の（ｄ）の状態から（ｂ）の状態にする場合のように両方の磁性体の磁化方向を平行状態から反平行状態へするときには、メモリ層２３から発生する磁界が検出層２１の磁化反転を妨げるように働くので、検出層２１の単層のときの磁化反転磁界よりも大きな外部印加磁界を要する。逆に、図１４の（ｃ）の磁化状態から（ａ）の状態にする場合や図１４の（ｂ）の状態から（ｄ）の状態にする場合のように両方の磁性体の磁化方向を反平行状態から平行状態へするときには、メモリ層２３から発生する磁界が検出層２１の磁化反転を助けるように働くので、検出層２１の単層のときの磁化反転磁界よりも小さな外部印加磁界で反転可能となる。
【００１２】
ＭＲＡＭに対してデータを記録する（書き込む）手段としては、ＭＲＡＭの近傍に導線を配置しこの導線に電流を流しその電流によって発生する磁界を利用することが、一般的に考えられている。この構成では、ＭＲＡＭに印加される磁界の大きさは導線を流れる電流の大きさに比例するが、導線に流すことができる電流密度には限界があること、また電源容量等の制約から、各磁性体の磁化反転磁界はできるだけ小さいことが好ましい。ところが上述したように、従来の磁気抵抗効果膜の場合、磁性体の磁化方向が平行状態から反平行状態になるときに比較的大きな磁界が必要になってしまうという解決すべき課題がある。
【００１３】
本発明は、この点に鑑みてなされたものであって、垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜であって磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減された磁気抵抗効果膜の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜は、垂直磁化を示す第１の磁性体と、非磁性導体膜と、垂直磁化を示す第２の磁性体と、非磁性誘電体膜と、垂直磁化を示す第３の磁性体とがこの順で積層した構造を有し、第１の磁性体の磁化と第３の磁性体の磁化とが相互に反平行であり、第１の磁性体及び第３の磁性体に比べ第２の磁性体は相対的に小さな磁化反転磁界を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜は、典型的には、膜面垂直方向に電流を流した場合にスピントンネル効果を示すものであって、このように構成することにより、この磁気抵抗効果膜では、第１の磁性体が第２の磁性体に及ぼす静磁結合力と第３の磁性体が第２の磁性体に及ぼす静磁結合力とを調整して、第２の磁性体の磁化方向を第１の方向から第２の方向に向けるのに要する外部印加磁界の大きさと第２の方向から第１の方向に向けるのに要する外部印加磁界の大きさとの差を小さくすることができる。
【００１６】
本発明においては、第１の磁性体から第２の磁性体に及ぼされる静磁結合力の大きさと、第３の磁性体から第２の磁性体に及ぼされる静磁結合力の大きさが実質的に等しくなるようにすることが好ましい。
【００１７】
また本発明においては、第１の磁性体と非磁性導体膜との界面、第２の磁性体と非磁性導体膜との界面、第２の磁性体と非磁性誘電体膜との界面、および第３の磁性体と非磁性誘電体膜の界面の少なくとも１箇所の界面にスピン分極率の大きい磁性体を形成することが好ましい。この場合、磁気抵抗効果膜の膜厚方向に関して、第２の磁性体に対して対称となるように複数のスピン分極率の大きい磁性体が形成されるようにするとさらに好ましい。このようなスピン分極率の大きい磁性体としては、例えば、ＦｅとＣｏとの合金からなるものが挙げられる。
【００１８】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜においては、第１の磁性体と第３の磁性体とが同一の組成を有するようにしてもよい。また、第１の磁性体と第３の磁性体の形状および大きさが同じであり、かつ非磁性導体膜と非磁性誘電体膜の膜厚が等しいようにしてもよい。
【００１９】
このような本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜において、非磁性誘電体膜は、例えば、Ａｌ2Ｏ3から構成される。また、第１の磁性体、第２の磁性体および第３の磁性体は、例えば、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｔｂの中から選ばれる１種類以上の希土類金属元素とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる１種類以上の遷移金属元素を主成分とするものである。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果膜の製造方法は、上述した磁気抵抗効果膜を製造する際に、一方向に磁界を印加しながら第１の磁性体及び第３の磁性体の一方の磁性体を形成し、さらに、この一方の磁性体を形成する際に印加した磁界方向と反対方向に磁界を印加しながら、第１の磁性体及び第３の磁性体の他方の磁性体を形成することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果膜の構成を示す模式断面図である。図示される磁気抵抗効果膜は、垂直磁化膜である第１の磁性体１１１と、垂直磁化膜である第２の磁性体１１２と、垂直磁化膜である第３の磁性体１１３とがこの順で設けられ、かつ、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２との間に非磁性であって電気伝導性を有する非磁性導体膜１１４を配置し、第２の磁性体１１２と第３の磁性体１１３との間に非磁性の誘電体からなる非磁性誘電体膜１１５を配置したものである。ここで、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向は、相互に反平行となっている。この場合、図１の（ａ）に示すように第１の磁性体１１１の磁化が上向きで第３の磁性体１１３の磁化が下向きになっていてもよいし、あるいは、図１の（ｂ）に示すように第１の磁性体１１１の磁化が下向きで第３の磁性体１１３の磁化が上向きになっていてもよい。図１においては第２の磁性体１１２の磁化の方向が記載されていないが、第２の磁性体１１２の磁化の方向は、この垂直磁気効果膜に書き込まれるデータに応じて図示上向きあるいは下向きとなる。
【００２４】
このように第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３との磁化方向が反平行であるようにすると、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２との間に働く静磁結合力に対して、第３の磁性体１１３と第２の磁性体１１２との間に働く静磁結合力は打ち消しあう方向に働くため、第２の磁性体１１２の磁化方向を上向きから下向きに反転させる場合でも、その逆に反転させる場合でも、同じ大きさの磁界で第２の磁性体１１２の磁化方向を反転させることが可能となる。
【００２５】
第１の磁性体１１１、第２の磁性体１１２及び第３の磁性体１１３として用いられる垂直磁化膜としては、貴金属−遷移金属等の人工格子膜や、ＣｏＣｒあるいは希土類金属−遷移金属の人工格子膜や、それらの合金が挙げられる。これらの垂直磁化膜の中で希土類金属−遷移金属合金は、磁化曲線の角型比を１にすることが容易でありかつ作成も容易であるので、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜のための磁性体として好ましい。希土類金属−遷移金属合金における希土類金属としてはＧｄ、Ｄｙ、Ｔｂから選ばれる１つ以上の元素が、遷移金属としてはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる１つ以上の元素が好適に用いられる。特に、小さな磁化反転磁界が求められる第２の磁性体１１２に用いられる希土類金属としては、Ｇｄが好ましい。
【００２６】
非磁性導体膜１１４にはさまざまな材料が使用可能であり、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｌなどの多くの材料が使用可能である。また、非磁性誘電体膜１１５には、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などが使用可能であるが、大きな磁気抵抗変化を得られることからＡｌ2Ｏ3が好適に用いられる。ここで示した磁気抵抗効果膜は、膜面垂直方向に電流を流し、非磁性誘電体膜１１５中を電子がスピン依存トンネリングすることによって生じる磁気抵抗を利用してこの磁気抵抗効果膜に記録された情報を読み出すものであるが、磁気抵抗変化は、非磁性導体膜１１４と磁性体１１１，１１２との界面や各磁性体１１１〜１１３中で起こるスピン依存散乱によっても生じる。しかしながらスピン依存散乱による磁気抵抗変化は、スピン依存トンネリングによる磁気抵抗変化に比べると著しく小さいので、この磁気抵抗効果膜で観察される磁気抵抗変化はスピン依存トンネリングによるものと考えてよく、スピン依存散乱による磁気抵抗変化は無視できる。
【００２７】
ところで、希土類金属−遷移金属合金を用いた磁気抵抗効果膜は、遷移金属のみを用いた磁気抵抗効果膜に比べると、磁気抵抗変化率が小さい。これは、非磁性誘電体膜との界面にある希土類金属が大きなスピン分極率を持たないことが原因であると考えられる。そこで特開2000-306374号公報で提案されているように、希土類金属と遷移金属からなる磁性体にスピン分極率が大きな磁性体（高スピン分極率磁性体）を交換結合させ、磁気抵抗変化率を大きくすることが考えられる。スピン分極率の大きな磁性体としては、ＦｅやＣｏ、あるいはこれらの合金等の遷移金属が挙げられるが、特にＦｅＣｏ合金は大きなスピン分極率を持つので好ましい。ただし遷移金属薄膜は垂直磁化を示さないので、垂直磁化膜と交換結合させることにより磁化を膜面垂直方向に向けるなどの対策が必要である。このような膜構成は、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜においても使用可能である。以下、本発明に基づく磁気抵抗効果膜であってこのように高スピン分極率磁性体が薄層として介在する磁気抵抗効果膜について説明する。
【００２８】
図２に示した磁気抵抗効果膜は、図１に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性誘電体膜１１５と第３の磁性体１１３との間に高スピン分極率磁性体１２０を配置したものである。一方、図３に示した磁気抵抗効果膜は、図１に示す磁気抵抗効果膜において、第２の磁性体１１２と非磁性誘電体膜１１５の間に高スピン分極率磁性体１１９を配置したものである。このように高スピン分極率磁性体は、非磁性誘電体膜１１５と磁性体１１２，１１３とのいずれかの界面に配置することができる。さらには、図４に示すように、非磁性誘電体膜１１５の上下両面に高スピン分極率磁性体１１９，１２０を設けることができ、このように両面に高スピン分極率磁性体を配置することにより、より大きな磁気抵抗変化を得ることが可能である。
【００２９】
ところでＦｅ、ＣｏあるいはＦｅＣｏ合金は、比較的大きな磁化を持つ。したがって、上記のように非磁性誘電体膜界面に高スピン分極率磁性体を設ける場合には、これらの磁性体が第２の磁性体１１２に及ぼす静磁結合力を無視することができない。この問題を解決する方法として、非磁性誘電体膜に接して配置された高スピン分極率磁性体に関して第２の磁性体に対して対称な位置にさらに高スピン分極率磁性体を形成し、第２の磁性体に対して相互に対称な位置に配置されたこれら両方の高スピン分極率磁性体から互いに逆方向の静磁結合力が第２の磁性体１１２に作用するようにし、見かけ上、第２の磁性体１１２には静磁結合力が働いていないようにすることが可能である。以下、このように第２の磁性体１１２に対して対称の位置に高スピン分極率磁性体を配置した磁気抵抗効果膜について説明する。
【００３０】
図５に示す磁気抵抗効果膜は、図２に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第１の磁性体１１１との間に高スピン分極率磁性体１１７を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１７，１２０は第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。図６に示す磁気抵抗効果膜は、図３に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第２の磁性体１１２との間に高スピン分極率磁性体１１８を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１８，１１９は第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。さらに、図７に示す磁気抵抗効果素子は、図４に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第１の磁性体１１１との間に高スピン分極率磁性体１１７を配置し、さらに、非磁性導体膜１１４と第２の磁性体１１２との間に高スピン分極率磁性体１１８を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１７，１１８と高スピン分極率磁性体１２０，１１９とは、第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。
【００３１】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜では、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２の静磁結合力と、第３の磁性体１１３と第２の磁性体１１２の静磁結合力とを逆向きでほぼ同じ大きさにすること求められるが、これは、磁気抵抗効果膜の温度が変化してもそのバランスが崩れないことが好ましい。そのような特性は、例えば、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３を全く同じように形成することで容易に実現できる。つまり同じ組成の磁性体であれば磁化の温度変化は同じであるので、それぞれの磁性体１１１，１１３と第２の磁性体１１２との静磁結合力は、温度が変化してもそのバランスは崩れない。
【００３２】
また、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜をメモリ素子とし、この磁気抵抗効果膜（メモリ素子）に対して情報を記録する手段と、磁気抵抗効果膜に記録された情報を読み出す手段を備えることによって、書き込み時に必要な電流が少なくて消費電力が小さなメモリを構成することが可能である。ここで、情報を記録する手段としては、配線に電流を流すことで生じる磁界が好適に用いられ、記録された情報を読み出す手段には、メモリ素子に一定電流を流したときのこのメモリ素子の両端の電圧を検出する回路が好適に用いられる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果素子について、実施例に基づいてさらに詳しく説明する。
【００３４】
（実施例１）
図１に示した構成を有する磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハ（シリコン基板）を用い、成膜容器中で、この基板上に、第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜をスパッタ法により成膜し、さらにＡｌ2Ｏ3ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５において欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ2Ｏ3の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、第２の磁性体１１２として膜厚３０ｎｍのＧｄ21（Ｆｅ60Ｃｏ40）79膜、非磁性導体膜１１４として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ膜、さらに第１の磁性体１１１として３０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。ただし、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の成膜中には基板に対して垂直方向に磁界を印加しながら行い、これらの磁性体１１１，１１３が所定方向に磁化するようにした。すなわち、第１の磁性体１１１の成膜中に印加した磁界の方向と第３の磁性体１１３の成膜中に印加した磁界の方向は相互に反平行であって、その印加磁界の大きさは、第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さな値とした。このように成膜中に磁界を印加することによって、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向を相互に反平行とすることが可能であった。
【００３５】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、１００ｎｍの膜厚のＡｌ2Ｏ3膜をスパッタ法によって成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ2Ｏ3膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００３６】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ2Ｏ3膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。ただし、印加する磁界の大きさは、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さく、両磁性体１１１，１１３の磁化方向は固定され、第２の磁性体１１２の磁化方向のみ変化し得る大きさとした。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさと上がるときの外部印加磁界の大きさとの差はほとんど観察されなかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていることが分かった。
【００３７】
（実施例２）
図７に示した構成を有する磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハ（シリコン基板）を用い、成膜容器中で、この基板上に、第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、高スピン分極率磁性体１２０として１ｎｍの膜厚のＦｅ60Ｃｏ40膜をスパッタ法により順次成膜し、さらにＡｌ2Ｏ3ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５において欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ2Ｏ3の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、高スピン分極率磁性体１１９として１ｎｍの膜厚のＦｅ60Ｃｏ40膜、第２の磁性体１１２として膜厚５０ｎｍのＧｄ21（Ｆｅ60Ｃｏ40）79膜、高スピン分極率磁性体１１８として１ｎｍのＦｅ60Ｃｏ40膜、非磁性導電体膜１１４として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ膜、高スピン分極率磁性体１１７として１ｎｍの膜厚のＦｅ60Ｃｏ40膜、さらに第１の磁性体１１１として３０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。
【００３８】
この際、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の成膜中には基板に対して垂直方向に磁界を印加しながら行い、これらの磁性体１１１，１１３が所定方向に磁化するようにした。すなわち、第１の磁性体１１１の成膜中に印加した磁界の方向と第３の磁性体１１３の成膜中に印加した磁界の方向は相互に反平行であって、その印加磁界の大きさは、第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さな値とした。このように成膜中に磁界を印加することによって、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向を相互に反平行とすることが可能であった。また、高スピン分極率磁性体１２０は第３の磁性体１１３と、高スピン分極率磁性体１１７は第１の磁性体１１１と、さらに高スピン分極率磁性体１１８，１１９と第２の磁性体１１２とそれぞれ交換結合しており、各高スピン分極率磁性体１１７〜１２０の磁化は膜面垂直方向に向いている。ここで、高スピン分極率磁性体１１９，１２０は高い磁気抵抗変化率を得るために形成されるものであるが、高スピン分極率磁性体１１７，１１８は、静磁結合力を調整するための磁性体層であり、スピン分極率に影響を与えるものではない。
【００３９】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、１２０ｎｍの膜厚のＡｌ2Ｏ3膜をスパッタ法により成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ2Ｏ3膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００４０】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ2Ｏ3膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。ただし、印加する磁界の大きさは、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さく、両磁性体１１１，１１３の磁化方向は固定され、第２の磁性体１１２の磁化方向のみ変化し得る大きさとした。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさと上がるときの外部印加磁界の大きさとの差はほとんど観察されなかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていることが分かった。
【００４１】
（実施例３）
Ｓｉウエハ上にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例２で用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレイを構成した。メモリ素子への情報の記録は、導線に電流を流しそれにより発生する磁界によって行われる。記録磁界印加用の電気回路を図８に、読み出し回路を図９に示す。図８及び図９は、Ｓｉウエハを上から見た図に対応し、磁気抵抗効果膜での磁化方向は、紙面に垂直な方向となる。実際には、図８及び図９に示す構成は、多層配線技術によってメモリセルアレイ内に重畳するように形成されるものである。
【００４２】
選択したメモリ素子（磁気抵抗効果膜）の磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明する。
【００４３】
図８に示すように、メモリセルアレイには９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むように、行方向に伸びる第１の書き込み線３１１〜３１４が設けられている。これらの書き込み線３１１〜３１４の図示左端は共通に接続し、図示右端には、それぞれ、これら書き込み線３１１〜３１４を電源４１１に接続するためのトランジスタ２１１〜２１４と、配線３００に接続するためのトランジスタ２１５〜２１８とが設けられている。メモリ素子の各列を挟むように、列方向に伸びる第２の書き込み線３２１〜３２４が設けられている。これらの書き込み線３２１〜３２４の図示上端は共通に接続し、図示下端には、書き込み線３２１〜３２４をそれぞれ接地するためのトランジスタ２１９〜２２２と、配線３００にそれぞれ接続するためのトランジスタ２２３〜２２６が設けられている。
【００４４】
ここで例えば、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を選択的に反転させる場合、トランジスタ２１２，２１７，２２５，２２０を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を流れ、それらの周りに磁界を誘起する。この状態では、磁気抵抗効果膜１０５にのみ４本の書き込み線から同方向の磁界が印加され、他の磁気抵抗効果膜には、同方向の磁界は２本の書き込み線からしか印加されないか、さらには逆方向の磁界が印加されて実効的に磁界が相殺されるかして、磁気抵抗効果膜１０５ほどには磁界が印加されないことになる。そこで、４本の書き込み線から同方向に磁界が印加されたときの合成磁界がメモリ素子（磁気抵抗効果膜）の磁性膜の磁化反転磁界よりもわずかに大きくなるように調整しておけば、選択的に磁気抵抗効果膜１０５の磁化のみ反転させることが可能である。また、ここで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１０５に印加する場合は、トランジスタ２１３，２１６，２２４，２２１を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を上述とは逆の方向に流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の磁界が印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることになる。
【００４５】
次に読み出し時の動作を説明する。図９に示すように、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接地するためのトランジスタ２３１〜２３９が形成されている。ビット線３３１〜３３３は行ごとに設けられており、ビット線３３１〜３３３の図示右端には、それぞれ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線を電源４１２に接続するためのトランジスタ２４０〜２４２が設けられている。ビット線３３１は磁気抵抗効果膜１０１〜１０３の他端に接続し、ビット線３３２は磁気抵抗効果膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線３３３は磁気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット線３３１〜３３３の図示左端は共通接続されて、これらビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセンスアンプ５００に接続している。さらに、ワード線３４１〜３４３が列ごとに設けられており、ワード線３４１はトランジスタ２３１，２３４，２３７のゲートに接続し、ワード線３４２はトランジスタ２３２，２３５，２３８のゲートに接続し、ワード線３４３はトランジスタ２３３，２３６，２３９のゲートに接続している。
【００４６】
ここで、例えば、磁気抵抗効果膜１０５に記録された情報を読み出すことを考える。この場合、トランジスタ２３５，２４１を導通状態とする。すると、電源４１２、固定抵抗１５０及び磁気抵抗効果膜１０５が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変化するとそれにしたがって磁気抵抗効果膜にかかる電圧は異なる。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出すことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情報を読み出すことができる。
【００４７】
図１０は、このようなメモリ素子の１つ分の周辺部分の立体構造を模式的に示している。ここでは、図８及び図９における磁気抵抗効果膜１０５の近傍が示されている。例えば、ｐ型Ｓｉ基板１６１に２つのｎ型拡散領域１６２，１６３が形成されており、これらの間に絶縁層３２３を介してワード線（ゲート電極）３４２が形成されている。コンタクトプラグ３５１を介してｎ型拡散領域１６２に接地線３５６を接続し、コンタクトプラグ３５２，３５３，３５４，３５７とローカル配線３５８とを介してｎ型拡散領域１６３に磁気抵抗効果膜１０５を接続する。磁気抵抗効果膜１０５は、さらに、コンタクトプラグ３５５を介してビット線３３２に接続されている。磁気抵抗効果膜１０５の横には、磁界を発生させるための書き込み線３２２，３２３が配されている。
【００４８】
（実施例４）
Ｓｉウエハ上にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例２で用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレイを構成した。このようなメモリセルアレイを含むこのメモリの回路構成を図１１に示す。このメモリでは、情報の記録は、所望のメモリ素子に面内磁界と垂直磁界を印加して行われる。ここで面内磁界は、ビット線に電流を流して発生させる。実施例３のメモリセルアレイでは、情報の書き込みのための回路と読み出しのための回路が電気的には分離していたのに対し、この実施例４に示すメモリセルアレイでは、書き込みのための回路と読み出しのための回路とがビット線を共有している。
【００４９】
情報の記録を行うための構成として、図１１に示すように、メモリセルアレイには９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むように、列方向に伸びる書き込み線６１１〜６１４が設けられている。これらの書き込み線６１１〜６１４の図示上端は共通に接続し、図示下端には、それぞれ、これら書き込み線６１１〜６１４を電源４１１に接続するためのトランジスタ５１１〜５１４と、配線６００に接続するためのトランジスタ５１５〜５１８とが設けられている。
【００５０】
また、情報の読み出しを行うための構成として、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接地するためのトランジスタ５３１〜５３９が形成されている。ビット線６３１〜６３３は行ごとに設けられており、ビット線６３１〜６３３の図示右端には、それぞれ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線６３１〜６３３を電源４１２に接続するためのトランジスタ５４０〜５４２と、これらビット線６３１〜６３３を配線６００に接続するためのトランジスタ５２１〜５２３が設けられている。ビット線６３１は磁気抵抗効果膜１０１〜１０３の他端に接続し、ビット線６３２は磁気抵抗効果膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線６３３は磁気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット線６３１〜６３３の図示左端は共通接続されるとともに、トランジスタ５５１を介してこれらビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセンスアンプ５００に接続し、またトランジスタ６２４を介して接地電位に接続している。さらに、ワード線６４１〜６４３が列ごとに設けられており、ワード線６４１はトランジスタ５３１，５３４，５３７のゲートに接続し、ワード線６４２はトランジスタ５３２，５３５，５３８のゲートに接続し、ワード線６４３はトランジスタ５３３，５３６，５３９のゲートに接続している。
【００５１】
選択したメモリ素子の磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明する。例えば、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を選択的に反転させる場合、トランジスタ５１２，５１７，５２２，５２４を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き込み線６１２，６１３を流れ、磁気抵抗効果膜１０５の膜面に対して垂直な方向に磁界が印加される。さらに、ビット線６３２にも電流が流れ、これによって発生する磁界は磁気抵抗効果膜１０５の膜面に対して面内方向に印加される。したがって磁気抵抗効果膜１０５には膜面内方向の磁界と比較的大きな膜面垂直方向の磁界とが印加されるので、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を反転することが可能である。その他の磁気抵抗効果膜１０１〜１０４，１０６〜１０９については、磁気抵抗効果膜１０５に印加されるほどの磁界は印加されないので、その磁化方向が反転しないようにすることができる。結局、電流の大きさを適切に定めることによって、磁気抵抗効果膜１０５のみ磁化を反転させることが可能となる。また、ここで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１０５に印加する場合は、トランジスタ５１３，５１６，５２２，５２４を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流がビット線６３２を流れて磁気抵抗効果膜１０５に対して膜面内方向に磁界が印加されるとともに、書き込み線６１３，６１２を上述とは逆の方向に電流が流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の膜面垂直方向の磁界が印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることになる。
【００５２】
次に読み出し時の動作を説明する。例えば、磁気抵抗効果膜１０５に記録された情報を読み出すものとする。この場合、トランジスタ５３５，５４１を導通状態にする。すると電源４１２、固定抵抗１５０および磁気抵抗効果膜１０５が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変化するとそれにしたがって、磁気抵抗効果膜にかかる電圧は変化する。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出すことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情報を読み出すことができる。
【００５３】
（比較例）
図４に示す磁気抵抗効果膜において第１の磁性層を設けない構成の磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハを用い、成膜容器中で、この基板上に第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、高スピン分極磁性体１２０として膜厚１ｎｍのＦｅ60Ｃｏ40をスパッタ法により順次成膜し、さらにＡｌ2Ｏ3ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５中で欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ2Ｏ3の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、高スピン分極磁性体１１９として膜厚１ｎｍのＦｅ60Ｃｏ40膜、第２の磁性体１１２として膜厚５０ｎｍのＧｄ21（Ｆｅ60Ｃｏ40）79膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。この際、第３の磁性体１１３の成膜は、基板に対して垂直方向に第３の磁性体の保磁力よりも小さな磁界を印加しながら行った。また、高スピン分極率磁性体１２０は第３の磁性体１１３と、高スピン分極率磁性体１１９は第２の磁性体１１２とそれぞれ交換結合しており、各高スピン分極率磁性体１１９，１２０の磁化は膜面垂直方向に向いている。ここで高スピン分極率磁性体１１９，１２０は、高い磁気抵抗変化率を得るために形成されるものである。
【００５４】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、９０ｎｍの膜厚のＡｌ2Ｏ3膜をスパッタ法により成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ2Ｏ3膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、比較例の磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００５５】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ2Ｏ3膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさは、上がるときの外部印加磁界の大きさよりも約１．５ｋＡ／ｍ小さかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていないことが分かった。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、磁気抵抗効果膜において、メモリ層として機能する第２の磁性体の磁化の方向を反転するのに要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象を軽減できるという効果がある。その結果、このような磁気抵抗効果膜を用いることにより、情報の書き込みに際して必要な電流を小さくでき、消費電力を抑えることができるメモリを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果膜の構成を示す模式断面図である。
【図２】  磁気抵抗効果膜の膜構成の一例を示す模式断面図である。
【図３】  磁気抵抗効果膜の膜構成の別の例を示す模式断面図である。
【図４】  磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図５】  磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図６】  磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図７】  磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図８】実施例３において用いられた情報を記録するために印加する磁界を発生させるための回路を示す回路図である。
【図９】実施例３において用いられた記録された情報を読み出すための回路を示す回路図である。
【図１０】実施例３において形成されるメモリ素子を模式的に示した断面図である。
【図１１】実施例４におけるメモリの構成を示す回路図である。
【図１２】（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
【図１３】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図であって、（ａ）および（ｃ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【図１４】垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図であって、（ａ）および（ｃ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１１，２１    磁性層（検出層）
１２，２２    非磁性層
１３，２３    磁性層（メモリ層）
１０１〜１０９    磁気抵抗効果膜
１１１    第１の磁性体
１１２    第２の磁性体
１１３    第３の磁性体
１１４    非磁性導体膜
１１４    非磁性誘電体膜
１１７〜１２０    高スピン分極率磁性体
１２３    絶縁膜
１５０    固定抵抗
１６１    ｐ型Ｓｉ基板
１６２，１６３    ｎ型拡散領域
２１１〜２２６，２３１〜２４２，５１１〜５１８，５２１〜５２４，５３１〜５４２，５５１    トランジスタ
３００，６００    配線
３１１〜３１４，３２１〜３２４，６１１〜６１４    書き込み線
３３１〜３３３，６３１〜６３３    ビット線
３４１〜３４３，６４１〜６４３    ワード線（ゲート電極）
３５１〜３５５、３５７    コンタクトプラグ
３５６    接地線
３５８    ローカル配線
４１１，４１２    電源
５００    センスアンプ
【図１】
0004065486.tif 000002
【図２】
0004065486.tif 000003
【図３】
0004065486.tif 000004
【図４】
0004065486.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004065486.tif 000007
【図７】
0004065486.tif 000008
【図８】
0004065486.tif 000009
【図９】
0004065486.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004065486.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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