(57)【要約】【課題】フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な反転電流を低減しつつ、磁化方向を反転させた場合の抵抗の変化率を大きくした磁気記憶素子および磁気記憶装置を提供する。【解決手段】スピン偏極した電子により磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、第１ピン層と、第１トンネル絶縁層と、第１フリー層との積層構造を含む第１単位磁気記憶素子と、第２ピン層と、第２トンネル絶縁層と、第２フリー層との積層構造を含む第２単位磁気記憶素子と、第１ピン層と第２ピン層を電気的に接続して、第１単位磁気記憶素子と第２単位磁気記憶素子とを直列に接続する接続電極とを含み、電子の移動方向に垂直な方向の第２単位磁気記憶素子の断面積が、第１単位磁気記憶素子の断面積より大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン偏極した電子により磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、
第１ピン層と、第１トンネル絶縁層と、第１フリー層との積層構造を含む第１単位磁気記憶素子と、
第２ピン層と、第２トンネル絶縁層と、第２フリー層との積層構造を含む第２単位磁気記憶素子と、
該第１ピン層と該第２ピン層を電気的に接続して、該第１単位磁気記憶素子と該第２単位磁気記憶素子とを直列に接続する接続電極とを含み、
該電子の移動方向に垂直な方向の該第２単位磁気記憶素子の断面積が、該第１単位磁気記憶素子の断面積より大きいことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
上記第１および第２単位磁気記憶素子は、それぞれが、引き出し電極上に、ピン層、トンネル絶縁層、フリー層の順に形成された積層構造を有し、それらの上に上記接続電極が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
上記第１および第２単位磁気記憶素子は、同一成膜過程によって成膜され、同一平面上にあることを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
上記第２フリー層の磁化方向が変化せず、上記第１フリー層の磁化方向のみが変化する電流を、書き換え電流として用いることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
更に、外部配線を含み、該外部配線を流れる電流により発生する磁界中に上記第２フリー層が配置され、該磁界の方向が該フリー層の磁化方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
上記外部配線が、トランジスタを介して上記第２磁気記憶素子に接続されたことを特徴とする請求項４に記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
上記第２単位磁気記憶素子は、複数の上記第１単位磁気記憶素子と、上記接続電極により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの磁気記憶素子が、マトリックス状に配置されたことを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶素子および磁気記憶装置に関し、特に、反転電流を低減しつつ、反転効率を大きくした磁気記憶素子および磁気記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新世代の不揮発性磁気記憶装置として、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）デバイスが注目されている。ＭＲＡＭデバイスは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体からなるメモリセルを用いて不揮発のデータ記憶を行ない、かつ、メモリセルの各々に対してランダムアクセスが可能な不揮発性磁気記憶装置である。
ＭＲＡＭデバイスとして、スピン偏極した電子を記録層の磁性体に流すこと（スピン注入）により、磁性体の磁化方向を反転させるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin-Transfer Torque MRAM）が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。かかるスピン注入による磁化反転方式では、電子の持つスピン角運動量が記憶層の磁性体の角運動量と相互作用することによってスピンの伝達が行われる。スピン注入による磁化反転はメモリセルの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といった特長があり、大容量かつ高集積化に適している。
【０００３】
更に、反転電流を低減するために、ピン層／トンネル層／フリー層／トンネル層／ピン層の積層構造のように、１つのセルの中に２つのトンネル接合を重ねた構造も提案されている。かかる構造では、２つのピン層の磁化方向が反平行（平行かつ逆向き）となり、上下のトンネル接合が互いにスピンフィルタの役目をすることにより、両方向の電流においてスピン偏極した電子が注入され、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な反転電流が低減できる。
【特許文献１】特開２００４−２０７７０７号公報
【特許文献２】特開２００５−５３５１２５号公報
【非特許文献１】F.J.Albert et al., Appl. Phy. Lett. Vol. 77, p.3809 (2000)
【非特許文献２】Y.Huai et al., Appl. Phy. Lett. Vol. 84, p.3118 (2004)
【非特許文献３】L.Berger, Journal of Appl. Phy. Vol. 93, p.7693 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる積層構造では反転電流が低減できる一方で、例えば下部ピン層とフリー層の磁化が平行の場合には、上部ピン層とフリー層の磁化方向は反平行となってしまうため、抵抗の変化率が減少するという問題があった。上下のトンネル層の膜厚を異なるようにして、各接合の抵抗値を変える等の対策も提案されているが、十分な解決策とはいえなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な反転電流を低減しつつ、磁化方向を反転させた場合の抵抗の変化率も大きくした磁気記憶素子および磁気記憶装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の態様では、スピン偏極した電子により磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、第１ピン層と、第１トンネル絶縁層と、第１フリー層との積層構造を含む第１単位磁気記憶素子と、第２ピン層と、第２トンネル絶縁層と、第２フリー層との積層構造を含む第２単位磁気記憶素子と、第１ピン層と第２ピン層を電気的に接続して、第１単位磁気記憶素子と第２単位磁気記憶素子とを直列に接続する接続電極とを含み、電子の移動方向に垂直な方向の第２単位磁気記憶素子の断面積が、第１単位磁気記憶素子の断面積より大きいことを特徴とする磁気記憶素子である。
【０００７】
本発明の他の態様では、上記磁気記憶素子が、マトリックス状に配置されたことを特徴とする磁気記憶装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる磁気記憶装素子および磁気記憶装置では、低電流で効率よくフリー層の磁化方向を反転できるとともに、磁化方向が反転した場合の抵抗変化率も大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【００１０】
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる磁気記憶装置の断面図である。また、図２は、磁気記憶装置１００を上方から見た場合の概略図である。図２の上下方向は、図１の紙面に垂直な方向に相当する。
【００１１】
図１に示すように、磁気記憶装置１００は、シリコン等の半導体基板１を含む。半導体基板１には、酸化シリコン等からなる素子分離絶縁膜２が設けられている。素子分離絶縁膜２によって電気的に分離された素子形成領域には、素子選択用のトランジスタ１０が形成されている。トランジスタ１０は、半導体基板１上に設けられたゲート絶縁膜１１と、その上に設けられたゲート電極１２を含む。ゲート電極１２の両側には、酸化シリコン等からなるサイドウォール１３が設けられている。また、半導体基板１には、ゲート電極１２を挟むようにソース／ドレイン領域１４が設けられている。
【００１２】
半導体基板１の上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層２０が設けられている。層間絶縁層２０には、例えばＴｉＮ／Ｔｉからなるバリアメタル層（図示せず）を介して、例えばタングステンからなるコンタクトプラグ２２が埋め込まれている。コンタクトプラグ２２は、ソース／ドレイン領域１４に電気的に接続されている。
【００１３】
コンタクトプラグ２２の上には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜（図示せず）を介して、例えばＣｕからなるコンタクトプラグ２４が埋め込まれ、更に、コンタクトプラグ２４上には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜（図示せず）を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ２６が埋め込まれている。
【００１４】
コンタクトプラグ２６の上には、例えばＴａからなる引き出し配線（下部電極）３０が設けられ、その上に磁気記憶素子（ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子）５０が設けられている。磁気記憶素子５０の上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６０が設けられている。層間絶縁層６０には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜（図示せず）を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ２８が埋め込まれている。層間絶縁層６０の上には、コンタクトプラグ２８と接続するように、例えば銅からなるビットライン（ＢＬ）４０が設けられている。
【００１５】
図３は、図１中に示した磁気記憶素子（メモリセル）５０を拡大した断面図である。磁気記憶装置１００は、複数の磁気記憶素子５０がマトリックス状に配置された構造となっている。
【００１６】
図３に示すように、磁気記憶素子５０は、接続電極５３０により接続された２つの単位磁気記憶素子５１０、５２０を含む。引き出し電極３０の上には、それぞれ反強磁性層５１１、５２１が形成されている。反強磁性層５１１、５２１の上には、ピン層（固着層：ＰＬ）５１２、５２２、非磁性体（誘電体）であるトンネル絶縁層（ＴＮ）５１３、５２３、強磁性体であるフリー層（記憶層：ＦＬ）５１４、５２４が設けられている。フリー層５１４、５２４の上には、例えばＣｕ等からなる上部電極（ＴＥ）５１５、５２５が設けられている。なお、上部電極５１５、５２５が接続電極５３０を形成しても構わない。
【００１７】
ピン層５１２、５２２には、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などの反強磁性体と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔａなどの元素を１種又は複数からなる強磁性体とを交換結合させた構造や、薄い非磁性層を介して強磁性体と強磁性体とを結合させたＳＡＦ構造（Synthetic AntiFerromagnet構造）を反強磁性層上に積層した構造が用いられる。
【００１８】
また、トンネル絶縁層５１３、５２３には、例えばＭｇ、Ａｌ、Ｓｉなどを含む酸化物や窒化物（例えばＡｌＮ、ＳｉＮ）又はこれらを混合した材料が用いられる。また、記憶層（フリー層）ＦＬはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔａなどの元素を１種又は複数からなる強磁性体であり、固着層ＰＬに使われる強磁性体と同じ材料を用いることが好ましいが、異なった強磁性体材料を用いても構わない。
【００１９】
更に、図３からもわかるように、磁気記憶素子５０は、断面積（図３では紙面に対して横に垂直な方向の断面積）の小さな単位磁気記憶素子５１０と、断面積の大きな単位磁気記憶素子５２０とが、接続金属５３０により直列に接続された構造となっている。接続金属５３０には、スピン拡散長が、磁気記憶素子間よりも充分に長い金属（例えばＣｕ等）を用いることが好ましい。接続金属５３０は磁気記憶素子の全面を覆っている必要は無く、一部でも同等の効果を示す。
【００２０】
かかる構造では、磁気記憶素子５０を構成する単位磁気記憶素子５１０、５２０が、断面積を除いて同じ積層構造を有しているため、１つの磁気記憶素子を作製する従来の製造方法に比較して、新たな製膜工程等を追加することなく、磁気記憶素子５０の作製が可能となる。
【００２１】
次に、図４を参照しながら、磁気記憶素子５０の動作について説明する。磁気記憶素子５０は、薄い非磁性層（トンネル絶縁層５１３、５２３）を介して、強磁性体（ピン層５１２、５２２）と強磁性体（フリー層５１４、５２４）とを積層した構造となっている。図４中、図３と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、初期状態は、単位磁気記憶素子５１０、５２０のフリー層５１４、５２４の磁化方向（スピンの向き）がすべて右方向となった状態（反平行状態）となっている。
【００２３】
次に、図４（ｂ）中に矢印で示す方向（単位磁気記憶素子５２０から単位磁気記憶素子５１０に向かう方向）に書き換え電流ｉを流す。
磁気抵抗素子５０のフリー層５１４、５２４の磁化方向を反転させるのに必要な磁化反転電流Ｉｓｗは、フリー層５１４、５２４を流れる反転電流の電流密度によって決まる。このため、断面積の異なる２つの単位磁気記憶素子５１０、５２０を有する場合、大面積単位磁気記憶素子５２０の磁化反転電流は、小面積の単位磁気記憶素子５２０の反転電流よりも大きくなる。
【００２４】
従って、
Ｉｓｗ（小面積素子）＜書き換え電流ｉ＜Ｉｓｗ（大面積素子）
ただし、Ｉｓｗ（小面積素子）はフリー層５１４の磁化方向反転に必要な電流、
Ｉｓｗ（大面積素子）はフリー層５２４の磁化方向反転に必要な電流、
となるような書き換え電流（動作電流）ｉを用いて書き込みを行うと、小面積素子のフリー層５１４の磁化方向は反転し、大面積素子のフリー層５２４の磁化方向は反転しない。かかる状態（平行状態）を図４（ｂ）に示す。
つまり、書き換え電流ｉを用いる限り、大面積素子のフリー層５２４の磁化方向は常に一定（ここでは、右方向）となる。
【００２５】
一方、各単位磁気記憶素子５１０、５２０の抵抗は、逆に断面積に反比例することから、直列に接続された二つの単位磁気記憶素子５１０、５２０からなる磁気記憶素子５０の素子抵抗は、小面積素子である単位磁気記憶素子５１０の抵抗によってほぼ決まる。このため、小面積素子である単位磁気記憶素子５１０のフリー層５１４の磁化方向が反転すれば、大面積素子である単位磁気記憶素子５２０のフリー層５２４の磁化方向が反転しなくても、磁気記憶素子５０としての抵抗変化率は変わらない。
【００２６】
次に、再度、磁化方向を反転させて、図４（ｃ）に示す反平衡状態にする場合について説明する。図４（ｃ）に示す方向（単位磁気記憶素子５１０から単位磁気記憶素子５２０に向かう方向）に書き換え電流ｉを流すと、フリー層５１４に注入される電子は、固着層５２２から、大面積の単位磁気抵抗素子５２０のフリー層５２４を経て注入されるため、それぞれの層がもつ磁化方向に偏極されたスピン偏極電子となる。この場合、フリー層５２４が常に一定の磁化方向（右向き）であるため、右方向に変局したスピン偏極電子がフリー層５１４に注入される。このため、フリー層５１４の磁気方向の反転に必要な反転電流を低減することができる。
【００２７】
図５は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の概略的な断面図である。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。磁気記憶装置２００では、磁気記憶装置１００ではコンタクトプラグ２４としてのみ使用していた金属層を、ビットライン（図１では符号４０で表示）としても使用している。これにより、磁気記憶装置の構造や製造工程の簡略化が可能となる。
【００２８】
図６は、図５のビットラインを用いることにより、大面積の単位磁気抵抗素子５２０のフリー層（ＦＬ）の磁化の向きを一方向に揃えるための構造を示す。即ち、ビットライン４０（図５では、単位磁気抵抗素子５２０の下方にある、ビットラインを兼ねるコンタクトプラグ２４）に電流を流し、その誘導磁場によって、フリー層５２４の磁化方向を一定に揃える（誘導磁場の磁界方向とフリー層５２４の磁化方向を一致させる）ことを可能としたものである。これにより、磁気記憶装置の動作安定性等を向上させることができる。
【００２９】
図７は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の概略的な断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。磁気記憶装置３００では、複数の磁気抵抗素子５２０が引き出し電極３０で接続されている。即ち、図７の紙面に垂直な方向に引き出し電極３０が延在し、その上に複数の磁気抵抗素子５２０が接続されている。
【００３０】
引き出し電極３０は、コンタクトプラグ２２、２４、２６を介してトランジスタ１０に接続され、更にトランジスタ１０を介してビットライン４０に接続されている。
【００３１】
更に、図８に示す磁気記憶装置３５０では、引き出し電極３０の上に、大面積の磁気抵抗素子５２０が、一体として形成された構造を示す。図８は、図２と同じ方向から見た場合の概略図である。
即ち、図７では、引き出し電極３０の上に並置した複数の磁気抵抗素子５２０を、図８では一体構造として形成している。
【００３２】
図８の磁気記憶装置３５０のように、小面積の磁気記憶素子５１０と、大面積の磁気記憶素子５２０との面積の差を大きくした方が、磁気記憶装置３５０の書き換え電流のマージンを大きくすることができる。
【００３３】
比較例
図９、１０に、比較のために、従来のシングル接合構造およびダブル接合構造の磁気記憶素子を示す。（ａ）〜（ｃ）の状態は、図４の（ａ）〜（ｃ）の状態に相当する。
【００３４】
図９に示すように、シングル接合構造の磁気記憶素子では、ピン層（ＰＮ）、トンネル絶縁層（ＴＮ）、フリー層（ＦＬ）が積層された構造となっている。
初期状態（ａ）の磁気記憶素子に対して、（ｂ）に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層（ＦＬ）の磁化方向が反転して平衡状態となる。
一方、（ｃ）に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層（ＦＬ）の磁化方向が反転して、反平行状態となる。
【００３５】
（ｂ）平衡状態から（ｃ）反平行状態に、フリー層（ＦＬ）の磁化方向を反転させる場合、フリー層（ＦＬ）にスピン偏極したスピンを注入できないため（図９（ｃ）では上から下方向に）、反転電流が大きくなるという問題があった。
【００３６】
図１０に示すように、ダブル接合構造の磁気記憶素子では、ピン層（ＰＮ１、２）、トンネル絶縁層（ＴＮ１、２）が、フリー層（ＦＬ）を挟んで対称となる位置に積層された構造となっている。
初期状態（ａ）の磁気記憶素子に対して、（ｂ）に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層（ＦＬ）の磁化方向が反転して平衡状態となる。
一方、（ｃ）に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層（ＦＬ）の磁化方向が反転して、反平行状態となる。
【００３７】
かかるダブル接合構造の磁気記憶素子では反転電流が低減できる一方で、例えば下部ピン層（ＰＮ１）とフリー層（ＦＬ）の磁化が平行の場合（（ｂ）平行状態）には、上部ピン層（ＰＬ２）とフリー層（ＦＬ）の磁化方向は反平行となるため、抵抗の変化率が減少するという問題があった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気記憶装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる磁気記憶装置の上面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる磁気記憶素子の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる磁気記憶素子の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の動作の説明図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる磁気記憶装置の上面図である。
【図９】従来のシングル接合構造の磁気記憶素子の動作を説明する図である。
【図１０】従来のダブル接合構造の磁気記憶素子の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  半導体基板、２  素子分離絶縁膜、１０  トランジスタ、１１  ゲート絶縁膜、１２  ゲート電極、１３  サイドウォール、１４  ソース／ドレイン領域、２０、６０  層間絶縁層、２２、２４、２６、２８  コンタクトプラグ、３０  引き出し電極、４０  ビットライン、５０  磁気記憶素子（メモリセル）、１００  磁気記憶装置、５１０  単位磁気抵抗素子（小面積）、５２０  単位磁気抵抗素子（大面積）、５３０  接続電極。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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