(57)【要約】【課題】  低電流密度で効率的に反転動作させることが可能な不揮発性磁気メモリを提供する。【解決手段】  本発明は、固定層と接して弱く反強磁性結合しているフェリ磁性構造の磁化反転層を磁化反転制御層からの磁場で反転させる構造とし、磁化反転制御層の磁化方向を磁化反転層の両サイドに互いに向き合った状態に固定させたことを特徴とする不揮発性磁気メモリに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一の固定層／該第一の固定層によって磁化方向が固定される固定磁化層／バリア層／磁化反転層が順次積層されてなる不揮発性磁気メモリ素子であって、
前記磁化反転層を挟む両サイドの一方の側に、前記固定磁化層と非磁性金属材料層を介して反強磁性結合させた第一の磁化反転制御層と、
前記磁化反転層の他方の側に、前記固定磁化層と直接強磁性結合させた第二の磁化反転制御層と、
を形成させたことを特徴とする不揮発性磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記磁化反転層の上に反強磁性体からなる第二の固定層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の不揮発性磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記磁化反転層の両サイドに形成された前記第一の磁化反転制御層及び前記第二の反転制御層の磁化方向を互いに向き合うように固定させたことを特徴とする請求項１または２に記載の不揮発性磁気メモリ素子。
【請求項４】
記録時において、前記第一の固定層と前記磁化反転層との間の電圧印加と同時に、前記磁気反転層の両サイドに形成した前記磁化反転制御層のいずれかを選択して前記第一の固定層との間に電圧が印加されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の不揮発性磁気メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性磁気メモリ素子の磁化反転機構およびデバイス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性磁気メモリ素子の一つに磁気ランダムアクセスメモリ素子（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory ）がある。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive ）の上下に記録読み出し用の電流配線（ビット線とワード線）を施した構成となっている。ＴＭＲ素子は、極めて薄い絶縁性のバリア層を強磁性層でサンドイッチした構造とし、強磁性層の磁化の向きに応じて膜厚方向の抵抗値が大きく変化するトンネル効果を利用したものである。
【０００３】
ＴＭＲ素子の主要構成は、基板上に、固定層（反強磁性層）／固定磁化層（ピン層）／絶縁層（バリア層）／磁化反転層（フリー層）が順次積層されたものとなっている。ＭＲＡＭでは、フリー層の磁化反転の制御は、上下の配線に流した電流が作る合成磁場によって行われる。
【０００４】
しかし、高密度化するためにＴＭＲ素子が微小化してくると、磁化反転層（フリー層）の反磁界が増加し、磁化反転に必要な電流が増大して消費電力が増加する問題や、合成磁場が隣接素子に影響を与える等の問題が生じてくる。
【０００５】
これらの問題を解決する一つの手法として、スピン偏極した電流を注入するスピン注入磁化反転方式の技術が提案されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】”スピン注入磁化反転の研究動向”、屋上公二郎等、日本応用磁気学会、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．９（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記スピン注入磁化反転方式の技術によって素子の微細化は対応可能であるが、現状では、磁化反転に必要な電流密度は、まだ、１０7 Ａ／ｃｍ2 程度と大きい。ＧＢｉｔ級の不揮発性磁気メモリ素子を実現するためには、素子面積０．１μｍ2 以下のサイズで、かつ、約２桁電流密度を改善する必要があると試算されている。
【０００７】
そこで、本発明では、不揮発性磁気メモリ素子において、磁化反転層（フリー層）の磁化を制御する磁化反転制御層を設けることによって、磁化反転層を低電流密度で効率的に反転させるための手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第一の発明は、基板上に第一の固定層／該第一の固定層によって磁化方向が固定される固定磁化層／バリア層／磁化反転層が順次積層されてなる不揮発性磁気メモリ素子であって、前記磁化反転層を挟む両サイドの一方の側に、前記固定磁化層と金属材料層を介して反強磁性結合させた第一の磁化反転制御層と、前記磁化反転層の他方の側に、前記固定磁化層と直接強磁性結合させた第二の磁化反転制御層と、を形成させたことを特徴とする不揮発性磁気メモリ素子に関する。
【０００９】
すなわち、第一の発明によれば、トンネル磁気抵抗効果を利用した不揮発性磁気メモリ素子において、第一の磁化反転制御層が、磁気抵抗素子の磁化反転層の片側において固定磁化層と金属材料層を介して反強磁性結合し、第二の磁化反転制御層が、磁気抵抗素子の他側において前記固定磁化層と直接強磁性結合させる構成とすることによって、フェリ磁性構造の磁化反転層を磁化反転制御層からの磁場で反転させることができ、記録時に、電流を磁化反転層に印加すると同時に第一の固定層との間で磁化反転層に電圧を加えることによって従来課題とされた電流密度を大幅に減少させることが可能となる。
【００１０】
第二の発明は、前記磁化反転層の上に反強磁性体からなる第二の固定層を設けたことを特徴とする上記第一の発明に記載の不揮発性磁気メモリ素子に関する。
【００１１】
すなわち、第二の発明によれば、磁化反転層は、上に薄く設けた固定層と弱く反強磁性結合させることによって、他の素子からの浮遊磁場や両サイドの磁化反転制御層の磁場バランスのバラツキの影響を抑えることが可能となる。
【００１２】
第三の発明は、前記磁化反転層の両サイドに形成された前記第一の磁化反転制御層及び前記第二の反転制御層の磁化方向を互いに向き合うように固定させたことを特徴とする上記第一または第二の発明に記載の不揮発性磁気メモリ素子に関する。
【００１３】
すなわち、第三の発明によれば、一方の側の磁化反転制御層が、固定磁化層と金属材料層を介して反強磁性結合し、他方の側の磁化反転制御層が、固定磁化層と直接強磁性結合していることによって、磁化反転制御層の磁化方向は、磁化反転層の両サイドに互いに向き合った状態に固定することが可能であり、こうした向き合った磁化方向の構成をとることによって磁化反転層における磁化反転を少ない電流で容易に制御できる。
【００１４】
第四の発明は、記録時、前記第一の固定層と前記磁化反転層との間の電圧印加と同時に、前記磁化反転層の両サイドに形成した前記磁化反転制御層のいずれかを選択して前記第一の固定層との間に電圧が印加されることを特徴とする上記第一乃至第三の発明のいずれかに記載の不揮発性磁気メモリ素子に関する。
【００１５】
すなわち、第四の発明によれば、一方の磁化反転制御層と第一の固定層間に電圧を加え電流を流す。ジュール熱の影響で磁化反転制御層の磁化が小さくなり、もう一方の磁化反転制御層からの漏洩磁場が優勢となり、この磁場によって磁化反転層の磁化が反転し、「０」または「１」の記録状態ができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明の不揮発性磁気メモリ素子により、互いに逆向きに磁化した磁化反転制御層をトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子の磁化反転層の両側に設け、記録時にどちらか一方の磁化反転制御層に電圧を加えることで、磁化反転に必要な電流密度が従来に比べて一桁から二桁大幅低減する効果がでてくる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の基本構造例を示す。本発明の不揮発性磁気メモリ素子（ＭＲＡＭ）は、極めて薄い絶縁膜を強磁性薄膜で挟んだ構造において、強磁性膜の磁化の向きに応じて膜厚方向の抵抗値が大きく変化するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したものでる。
【００１９】
ＴＭＲ素子は、基板上に順次、第一の固定層１（反強磁性層）／固定磁化層２（ピンンド層）／バリア層３（絶縁層）／磁化反転層４（フリー層）／第二の固定層５（反強磁性層）を積層させたものとなっている。
【００２０】
このＴＭＲ素子において、磁化反転層４の磁化を効率的に反転させて書込み時の電流密度を低減するために、ＴＭＲ素子としての一部を構成するバリア層３／磁化反転層４／第二の固定層５からなる積層体の両サイドに第一、第二の磁化反転制御層６、７を配置したことを特徴とする。
【００２１】
磁化反転層４は、磁性体内に逆向きのスピンを有する電子が注入されると、注入電子スピンに応じて磁性材料内の磁化の向きが反転する。また、磁化反転層４の上に薄く設けた第二の固定層５と弱く反強磁性結合させることによって、他の素子からの浮遊磁場や両サイドの磁化反転制御層６、７の磁場のバラツキの影響を抑えることを可能としている。なお、磁化反転層４は、１層でなくとも反強磁性結合させた３層のフェリ磁性構造としてもよい。この場合の磁化反転は、正味の磁化方向は磁化反転制御層からの磁化方向に揃えられる。
【００２２】
第一の磁化反転制御層６は、固定磁化層２との間にルテニウム（Ｒｕ）や銅（Ｃｕ）など非磁性の金属の薄層からなる金属層９を介し反強磁性結合させることによって、固定磁化層２とは逆向きに磁化されている。また、他方の第二の反転制御層７は、固定磁化層２と、直接、強磁性結合させることによって固定磁化層２と同一方向に磁化された状態になっている。こうして、ＴＭＲ素子の両サイドに設けた磁化反転制御層６、７の磁化方向は、互いに向き合った構成が実現される。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の磁化状態（再生時）を示す。図２は、不揮発性磁気メモリ素子における磁化反転層４の磁化状態を読み出す際（再生時）の構成を示している。第一の磁化反転制御層６は、ＲｕやＣｕなど非磁性の金属層９を介して固定磁化層２と反強磁性結合させ、一方、反対側の第二の磁化反転制御層７は、直接、固定磁化層２と強磁性結合させることによって、ＴＭＲ素子としての一部を構成するバリア層３／磁化反転層４／第二の固定層５からなる積層体の両サイドの磁化反転制御層６、７の磁化方向が互いに向き合った状態となっている。
【００２４】
ここで、電流ＩR は、固定層１／固定層５間に流す読出し電流（一定電流）を示している。固定磁化層に対する磁化反転層の磁化の向き「平行」、「反平行」にしたがって、磁気抵抗が異なり、対応させたビット「０」、「１」を電圧差として検出する仕組みとなっている。
【００２５】
また、電源１０は、磁化反転層６または７／第一の固定層１間に書込み時（記録時）に供給される電源であり、スイッチＡ／Ｂの切換えによって、磁化反転層６または７への電圧供給が行なわれる。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態になる“0 ”記録時における磁化状態図を示す。磁化反転層４の磁化方向を反転させるために、書込み電流ＩW （下向き）を流すとともに、第一の磁化反転制御層６と固定層１間に電源１０による電圧を加え電流を流す。その際に、発生するジュール熱の影響で第一の磁化反転制御層６の磁化が小さくなり、もう一方の第二の磁化反転制御層７からの漏洩磁場が優勢となり、この磁場によって磁化反転層４の磁化方向は、固定磁化層の磁化方向と同一の方向に揃い、「０」記録の状態ができる。
【００２７】
図４は、本発明の実施の形態になる“１”記録時における磁化状態図を示す。磁化反転層の磁化を逆方向に反転させる場合には、書込み電流ＩW （上向き）を流すとともに、第二の磁化反転制御層７と第一の固定層１間に電圧を加える。図３と同様に、第二の磁化反転制御層７の磁化が小さくなり、第一の磁化反転制御層６からの漏洩磁場が優勢となることによって磁化反転層４の磁化が逆方向に反転し、「１」記録の状態ができる。
【００２８】
図５は、本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その１）を示す。図５の不揮発性磁気メモリ素子の作製手順では、手順１〜４を示す。
【００２９】
なお、以下に作製するＴＭＲ素子の構成は、第一の固定層１（反強磁性層）／固定磁化層２（ピン層）／バリア層３（絶縁層）／磁化反転層４（フリー層）／第二の固定層５（反強磁性層）／保護層１１となっている。なお、本素子構成は、図１の構成に対し、さらに、保護膜１１を積層させたものとしている。
【００３０】
実施例では、各層の材料及び厚さを、上記の構成に対応し、ＩｒＭｎ（７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．８ｎｍ）／ＭｇＯ（１．４ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）とした。但し、本発明は、必ずしもこの材料、組成、構成に限るものではない。
手順１：まず、上記ＴＭＲ素子の各層を通常のスパッタリング法により順次成膜する。
手順２：つぎに、所望の再生コア幅を作成するため、ＴＭＲ素子上にレジストを塗布後、露光、現像してレジストを一部分残す。
手順３：ＣＦ4 ガスを導入し、反応性エッチング（ＲＩＦ：Reactive Ion Etching）法によって保護膜１１としてのＴａをエッチングする。
手順４：続いて、レジストを除去する。
【００３１】
図６は、本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その２）を示す。図６の不揮発性磁気メモリ素子の作製手順では、手順５〜８を示す。
手順５：イオンビームエッチング（ＩＢＥ：Ion Beam Etching）によって、保護層１１からバリア層３に至る層を所定幅となるように一度に削る。このとき、Ｔａがマスクとして働き、Ｔａ保護層１１以下の層構造が形成される。
手順６：つぎに、Ａｌ2 Ｏ3 絶縁層８をＲＦスパッタ法により４ｎｍ成膜する。
手順７：Ａｒガスを導入してＡｌ2 Ｏ3 絶縁層８をミリングする。
手順８：続いて、片側の第一の磁化反転制御層６を固定磁化層２に反強磁性結合させるための金属層９としてＲｕを成膜する。Ｒｕ金属層９は、最終的に０．３ｎｍになるように設ける。
【００３２】
図７は、本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その２）を示す。図７の不揮発性磁気メモリ素子の作製手順では、手順９〜１１を示す。
手順９：Ａｒガスを導入してＲｕ金属層９を斜めからミリングし、ＴＭＲ素子の片側のみ残るようにする。斜めミリングは、ウエハー基板を載せた電極をターゲット材料の電極の対向位置からずらすことによって行う。
手順１０：つぎに、磁化反転制御層６、７としてＧｄＦｅ膜を約１５ｎｍ成膜する。なお、磁化反転制御層は、再生磁気ヘッド用ハード膜として一般的なＣｏＣｒＰｔ合金でもよいが、ここでは、比較的低い温度（ジュール熱）で磁化の大きさを変えることができるように、キュリー温度が２００°Ｃ）程度のＧｄＦｅ希土類遷移金属合金を用いた。
【００３３】
この磁性膜の飽和磁化の値は室温で２５０ｅｍｕ／ｃｃ程度になり、その組成はキュリー温度までほぼリニアに減少する希土類優勢の組成、例えば、Ｇｄ３２Ｆｅ６８とした。この磁化反転制御層６、７からの漏洩磁場は、磁化反転層４中で温度によって数十から数百Ｏｅの大きさとなり、磁化反転層４の磁化反転をアシストする。
手順１１：最後に，Ｔａ保護層１１が３ｎｍ程度削れるまで、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）によって平坦化処理を行う。磁気メモリ素子として完成後、１．３テスラの磁場中において、３５０°Ｃの温度で真空中熱処理を行い、固定磁化層の磁化方向を固定した。
【００３４】
磁気メモリ素子作製に先立って、磁化反転制御層６、７のない、例えば０．０６μｍ2 の大きさの素子を成膜し、磁化反転動作の確認を行った。なお、第一の固定層１の厚さを薄くし、かつ反強磁性層（第一の固定層１）と強磁性層（固定磁化層２）との交換結合力がなくなる温度であるブロッキング温度が２００°Ｃ程度になるようにし、さらに磁化反転層上の第二の固定層５はない構成とした。
【００３５】
確認では、５０Ｏｅの磁場を固定磁化層と逆方向に加えながら１００μｓｅｃのパルス電圧を印加し、固定磁化層の磁化反転が生じる電圧を調べたところ、約７００ｍＶであった。すなわち、７００ｍＶのパルス電圧印加でブロッキング温度に到達し、磁化反転したものと考えられる。
【００３６】
したがって、磁気メモリ素子構造とした場合には、磁化反転制御層６、７を２００°Ｃまで上げなくても磁化の大きさが制御できることとなるので、記録時の印加電圧は半分程度に下げることが可能である。
【００３７】
以上、本発明によって上記製造工程で作製した磁気メモリ素子の磁化反転動作を確認した。その結果、記録時、ＴＭＲ素子に電流を０．１ｍＡ流すと同時に、１００μｓｅｃのパルス電圧を磁化反転制御層３００ｍＶ加えたときに磁化反転層の反転が見られた。これは電流密度が約１Ｘ１０6 Ａ／ｃｍ2 程度であり、従来よりも約一桁低い値となる。さらに、ＴＭＲ素子に流す電流を０．０７ｍＡとした場合には、パルス電圧が４００ｍＶで反転が見られ、従来に比べて２桁近い電流密度の低減が可能であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の基本構造例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の磁化状態（再生時）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる“0 ”記録時における磁化状態図である。
【図４】本発明の実施の形態になる“１”記録時における磁化状態図である。
【図５】本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その１）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その２）を表す図である。
【図７】本発明の実施の形態になる不揮発性磁気メモリ素子の作製手順（その３）を表す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  第一の固定層
２  固定磁化層
３  バリア層
４  磁化反転層
５  第二の固定層
６  第一の磁化反転制御層
７  第二の磁化反転制御層
８  絶縁層
９  金属層
１０  電源
１１  保護層
【図１】
2009176806.tif 000003
【図２】
2009176806.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009176806.tif 000006
【図５】
2009176806.tif 000007
【図６】
2009176806.tif 000008
【図７】
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