磁性体記憶装置
【課題】低電流書き込みと外部磁場耐性を両立した磁性体記憶装置を提供することにあり、特にフリー層の磁気特性のシフトを抑制する手段を提供する。
【解決手段】書き込み配線を挟んで２つの磁性体フリー層２，３が配置され、一方の磁性体フリー層にトンネル絶縁体層４と磁性体ピン層５とが積層された磁性体記憶素子において、もう一方の磁性体フリー層近傍に第２の磁性体ピン層６を設ける。これら２つの磁性体ピン層の漏れ磁場やネールカップリング磁界を用いて、２つの磁性体フリー層の磁気特性シフトをそれぞれゼロに調整する。
【解決手段】書き込み配線を挟んで２つの磁性体フリー層２，３が配置され、一方の磁性体フリー層にトンネル絶縁体層４と磁性体ピン層５とが積層された磁性体記憶素子において、もう一方の磁性体フリー層近傍に第２の磁性体ピン層６を設ける。これら２つの磁性体ピン層の漏れ磁場やネールカップリング磁界を用いて、２つの磁性体フリー層の磁気特性シフトをそれぞれゼロに調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁性体記憶装置に関し、特に低電流でデータの書き込みが可能で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の磁性体記憶装置は、例えば、磁気抵抗素子を記憶素子として用いてメモリを構成するものがあった。 まず、磁気抵抗素子の例として、Tunneling Magnetroresistance（以下TMR）と呼ばれるトンネル絶縁膜を2つの磁性体間に挟んだ構造について説明する。図８に2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.128)で報告されたTMRの例を示す。
【０００３】
図８ではＦｅＭｎ（１０ｎｍ）で形成された反強磁性体層５０１、ＣｏＦｅ（２．４ｎｍ）で形成された強磁性体ピン層５０２、Ａｌ２Ｏ３で形成されたトンネル絶縁層５０３、ＮｉＦｅ（５ｎｍ）で形成された強磁性体フリー層５０４が積層されている。反強磁性体層５０１とフリー層５０４には電圧が印加できるよう、導体配線が接続されている。ピン層５０２の磁化方向は反強磁性体層５０１によりある方向に固定される。フリー層５０４はある方向に磁化しやすいように形成されており、その磁化方向は外部から磁場を印加することにより変化させることができる。
【０００４】
膜の水平方向のうち、磁化しやすい方向を容易軸、容易軸に垂直で磁化しにくい方向を困難軸と呼ぶ。フリー層５０４とピン層５０２との間に電圧を印加するとトンネル絶縁膜５０３を通して電流が流れるが、フリー層５０４とピン層５０２の磁化方向の関係により抵抗値が変化する。すなわち磁化方向が同じ場合は抵抗が低く、反対向きの場合は抵抗が高くなる。
【０００５】
次に、図９を用いてＴＭＲを不揮発性メモリの記憶素子として用いた例を示す。本例は2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS （ｐ．１３０）で報告されている。
【０００６】
本例ではアレイ状に配置されたＴＭＲ５０５の上下に、交差する１対の配線が設置される。上部配線５０６はＴＭＲ５０５のフリー層と接続されており、ＴＭＲ５０５の反強磁性体層は第３の配線５０７を介して下層に形成されたトランジスタ５０８のドレインに接続されている。２つの配線Ｂ、Ｄに電流を流すことで交点近傍に合成磁場を発生し、電流の方向によりフリー層の磁化方向を設定する。これによりＴＭＲ５０５の抵抗値を変化させることができる。
【０００７】
データの読み出しは、読み出すＴＭＲ５０５に接続されたトランジスタ５０８を配線Ｗによりオン状態にして、配線ＢよりＴＭＲ５０５に電圧を印加し、流れる電流でＴＭＲの抵抗値を評価することで行う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.128)
【非特許文献２】2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.130)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
書き込み配線の電流磁場を効率的に利用する方法として、図１０のように書き込み配線５１１の上下両面にフリー層磁性体５１２，５１３を配置し、両者を静磁結合させる方法がある（以降中間配線挿入型と呼ぶ）。この場合、フリー層の磁化量が増加したことになるため熱擾乱耐性が向上するという効果があり、フリー層の異方性を小さくしてもデータを保持することが可能となる。つまり、書き込み電流を小さくすることができる。また、２つのフリー層は磁化方向が逆向きになるため、外部磁界に対する耐性も向上するという効果がある。
【００１０】
さて、図８に示した従来のＴＭＲでは、ピン層とフリー層の凹凸に起因すると考えられているネールカップリング磁界がフリー層にかかる。この結果、フリー層の磁化反転特性がシフトする。磁化反転特性がシフトすると、一方のデータの書き込み電流が大きくなる、および外部磁場により容易に磁化反転が起きて記憶データが破壊されるという問題が発生する。
【００１１】
従来の対策としては、ピン層端部からの漏れ磁場をピン層の厚さにより調整してフリー層に印加し、ネールカップリング磁界を相殺することで特性シフトを無くし、対称な書き込み特性を得ていた。ところが、前述の中間配線挿入型では、ピン層と面しネールカップリング磁界が加わっているフリー層にピン層から漏れ磁場を印加すると、もう一方のフリー層にもこの磁場がかかり磁化反転特性がシフトしてしまう。
【００１２】
このように中間配線挿入型では従来の方法では両者のシフトを同時に相殺することができない。中間配線挿入型におけるデータによる書き込み配線電流の素子数分布の測定例を図１１に、外部磁場による反転条件（アステロイドカーブ）の測定例を図１２に示す。
【００１３】
図１１のように書き込み電流のデータ間差が無いように設計した素子でも、図１２に示すように外部磁場に対する反転特性は大きくシフトしている。このように、中間配線挿入型では、書き込み電流のデータ間差を無くして低電流化することと、外部磁場による反転特性のシフトを低減して耐性をあげることの両立が困難という問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、低電流書き込みと外部磁場耐性を両立した磁性体記憶装置を提供することにあり、特にフリー層の磁気特性のシフトを抑制する手段に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、記憶データにより磁化状態が異なる第１の磁性体と、前記第１の磁性体と静磁結合し前記第１の磁性体の磁化状態に従って磁化状態が変化する第２の磁性体と、前記第１の磁性体と積層されたトンネル絶縁体と、前記トンネル絶縁体と積層された第１の磁化固定磁性体と、書き込み配線とを有し、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とが前記書き込み配線を挟んで配置され、書き込み配線に流す電流の方向により前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化方向を制御する磁性体記憶装置において、前記書き込み配線に対して前記第２の磁性体側に第２の磁化固定磁性体を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化量が同程度であり、前記第２の磁性体と前記第２の磁化固定磁性体が静磁結合していることを特徴としている。
【００１７】
また、磁化反転に必要な書き込み配線電流がデータに依らず同程度であり、かつ、外部から磁場を印加した時に磁化反転が起きる磁場の大きさが印加磁場の原点に対してほぼ対称な特性であることを特徴としている。
【００１８】
また、前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２がＨｎ５／（１−αβ）と同程度の値であり、かつＨ６３がαＨ５２と同程度であることを特徴としている。
【００１９】
また、前記第２の磁性体に前記第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界が働いていることを特徴としている。
【００２０】
また、前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、前記第２の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ６、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２が（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ）と同程度であり、さらにＨ６３がＨｎ６−αＨ５２と同程度であることを特徴としている。
【００２１】
このように、本発明の磁性体記憶装置は、書き込み電流を流す配線を挟んで形成された複数の磁性体からなるフリー層それぞれの磁気特性シフトを調整することができる。従って、書き込み電流を対称にできるとともに、外部磁場耐性を向上することができる。この作用により、低電流書き込みが可能で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置が実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、書き込み配線を挟んで配置したフリー磁性体の磁気特性のシフトをそれぞれゼロに近づけることができる。このため、書き込み電流が対称で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す要部平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す要部断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例を示す要部平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示す要部平面図である。
【図８】従来例の記憶素子を示す構造図である。
【図９】従来例の記憶装置を示す概要図である。
【図１０】中間配線挿入型を示す図である。
【図１１】素子数分布の測定例を示す図である。
【図１２】反転条件の測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 図１、図２を参照すると、本発明の第一の実施の形態として磁性体記憶装置の要部断面図と平面図が示されている。
【００２５】
＜第一の実施の形態の構成＞
第一の実施の形態の磁性体記憶装置は、配線１と、配線１を挟んで配置した第１の磁性体２と第２の磁性体３と、第１の磁性体２に積層したトンネル絶縁体４と、トンネル絶縁体４に積層した第１の磁化固定磁性体５と、配線１に対して第２の磁性体３側に配置した第２の磁化固定磁性体６とを有する。第１の磁性体２と第２の磁性体３とは静磁結合しており、磁化方向は互いに逆向きとなる。データは第１の磁性体２と第２の磁性体３の磁化方向として記憶され、配線１に電流を流すことでこれらの磁化方向を制御する。
【００２６】
このため、第１の磁性体２と第２の磁性体３とからなるフリー層は、配線１の電流磁場方向成分を持つ異方性を有する。異方性は、磁性体の結晶構造による異方性を用いたり、図２のように磁性体の形状を一方向に長くすることによる形状異方性を用いる。第１の磁性体２の磁化量と第２の磁性体３の磁化量はほぼ等しくすることで、外部磁場の影響を受けにくくすることができる。
【００２７】
第１の磁性体２と第２の磁性体３とはそれぞれ単一の磁性体材料でも複数の磁性体の積層構造でもよい。また、複数の磁性体を非磁性体を挟んで反強磁性結合や強磁性結合させた構造でもよい。図１の上下関係、第１の磁性体から第１の磁化固定磁性体までの構造の上下関係、第２の磁性体と第２の磁化固定磁性体との上下関係はそれぞれ逆になってもよい。
第１の磁性体２には第１の磁化固定磁性体によりネールカップリング磁界Ｈｎ５が加わる。また、第１の磁性体２には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５２が加わる。さらに、第１の磁性体２には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６２が加わる。第２の磁性体３には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５３が加わる。さらに、第２の磁性体３には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６３が加わる。第１の磁性体２に加わる磁場Ｈ２と第２の磁性体３に加わる磁場Ｈ３は、図１の右向きを正とすると、次のように表現できる。
【００２８】
Ｈ２＝−Ｈｎ５＋Ｈ５２−Ｈ６２ （式１）
Ｈ３＝Ｈ５３−Ｈ６３ （式２）
ここで
Ｈ５３＝αＨ５２ （式３）
Ｈ６２＝βＨ６３ （式４）
とすると、下記条件に設計することでＨ２とＨ３をともにゼロにする。
【００２９】
Ｈ５２＝Ｈｎ５／（１−αβ） （式５）
Ｈ６３＝αＨ５２ （式６）
これにより、第１の磁性体２と第２の磁性体３のそれぞれに加わる磁場が相殺されるため、それぞれの磁気特性のシフトをゼロにできる。
【００３０】
次に本磁性体記憶装置のデータ書き込み方法について説明する。データ［１］を書き込む場合、配線１に図の奥方向に第１の磁性体２と第２の磁性体３とを磁化反転させるのに十分な書き込み電流を流す。このとき配線１を中心に時計回りの磁場が形成され、第１の磁性体２の磁化方向は右方向に、第２の磁性体３の磁化方向は左方向に設定される。
【００３１】
データ［０］を書き込む場合は、配線１に手前方向に書き込み電流を流す。このとき配線１を中心に反時計回りの磁場が形成され、第１の磁性体２の磁化方向は左方向に、第２の磁性体３の磁化方向は右方向に設定される。第１の磁性体２と第２の磁性体３のどちらかの磁気特性がシフトしていれば［０］と［１］の書き込み電流が非対称となり、どちらかが大きな電流を必要とするが、両者ともシフトしていないため、［０］と［１］とも同じ電流値、すなわち最小電流で書き込むことができる。
【００３２】
次にデータの読み出し方法について説明する。第１の磁性体２と第１の磁化固定磁性体５の間の抵抗は両者の磁化方向の相違により変化するため、書き込まれたデータにより抵抗値が変化する。第１の磁化固定磁性体５と第１の磁性体２との間の抵抗を評価することで、記憶したデータを読み出すことができる。
【００３３】
本実施の形態では、第１の磁性体２と第２の磁性体３とをともに磁気特性のシフトをゼロに設定できる。このため本構造により、データに依らず対称的な書き込み特性を持つ。さらに、外部磁場に対しても、シフトがある場合は本来の磁気特性より小さい外部磁場で磁化反転、すなわちデータ破壊が起きてしまうが、シフトがないため高い外部磁場耐性を有する。このように、本構造により書き込み電流が小さく、かつ外部磁場耐性が高い磁気記憶素子が得られる。
【００３４】
図３を参照すると、本発明の第二の実施の形態として磁性体記憶装置の要部断面図が示されている。
【００３５】
＜第二の実施の形態の構成＞
第二の実施の形態の磁性体記憶装置は、配線１と、配線１を挟んで配置した第１の磁性体２と第２の磁性体３と、第１の磁性体２に積層したトンネル絶縁体４と、トンネル絶縁体４に積層した第１の磁化固定磁性体５と、第２の磁性体３と非磁性体７を挟んで積層した第２の磁化固定磁性体６とを有する。第１の磁性体２と第２の磁性体３とは静磁結合しており、磁化方向は互いに逆向きとなる。データは第１の磁性体２と第２の磁性体３の磁化方向として記憶され、配線１に電流を流すことでこれらの磁化方向を制御する。
【００３６】
このため、第１の磁性体２と第２の磁性体３とからなるフリー層は、配線１の電流磁場方向成分を持つ異方性を有する。異方性は、磁性体の結晶構造による異方性を用いたり、磁性体の形状を一方向に長くすることによる形状異方性を用いる。第１の磁性体２の磁化量と第２の磁性体３の磁化量はほぼ等しくすることで、外部磁場の影響を受けにくくすることができる。
【００３７】
第１の磁性体２と第２の磁性体３とはそれぞれ単一の磁性体材料でも複数の磁性体の積層構造でもよい。また、複数の磁性体を非磁性体を挟んで反強磁性結合や強磁性結合させた構造でもよい。 第１の磁性体２には第１の磁化固定磁性体によりネールカップリング磁界Ｈｎ５が加わる。また、第１の磁性体２には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５２が加わる。
【００３８】
さらに、第１の磁性体２には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６２が加わる。第２の磁性体３には第２の磁化固定磁性体６によりネールカップリング磁界Ｈｎ６が加わる。第２の磁性体３には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５３が加わる。さらに、第２の磁性体３には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６３が加わる。第１の磁性体２に加わる磁場Ｈ２と第２の磁性体３に加わる磁場Ｈ３は、図３の右向きを正とすると、次のように表現できる。
【００３９】
Ｈ２＝−Ｈｎ５＋Ｈ５２＋Ｈ６２ （式７）
Ｈ３＝−Ｈｎ６＋Ｈ５３＋Ｈ６３ （式８）
ここで
Ｈ５３＝αＨ５２ （式９）
Ｈ６２＝βＨ６３ （式１０）
とすると、下記条件に設計することでＨ２とＨ３をともにゼロにする。
【００４０】
Ｈ５２＝（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ） （式１１）
Ｈ６３＝Ｈｎ６−αＨ５２ （式１２）
これにより、第１の磁性体２と第２の磁性体３のそれぞれに加わる磁場が相殺されるため、それぞれの磁気特性のシフトをゼロにできる。 データの書き込み方法と読み出し方法は第一の実施の形態と同様である。本実施の形態では、第一の実施の形態に加え第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界も用いており、設計の自由度が広がる。
【実施例】
【００４１】
＜第一の実施例＞
次に、具体的な実施例を用いて本発明の動作を説明する。図４、図５を参照すると、本発明の第一の実施例として磁性体記憶素子の要部断面図、要部平面図がそれぞれ示されている。図４は図５のＡ−Ａ’部分を示している。
【００４２】
まず、図４を参考にして製造方法について説明する。トランジスタ、配線、Ｃｕビア６９を層間膜ＳｉＯ２７０とともに形成した基板に、ＳｉＮ（２０ｎｍ）７１、Ｔａ（５ｎｍ）７２、ＮｉＦｅシード層（１ｎｍ）とＰｔＭｎ（２０ｎｍ）７３、ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）７４、Ｔａ（２ｎｍ）７５、ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）７６、Ｔａ（５ｎｍ）７７をスパッタ法により成膜する。Ｔａ７５は、ＣｏＦｅ７４とＮｉＦｅ７６との間でネールカップリング磁界がほとんど働かない厚さ、例えば０．６ｎｍ以上とする。
【００４３】
フォトリソグラフィ技術によりＴＭＲの形状にレジストを形成し、Ｔａ７７からＴａ７２までをミリング法により加工し、レジストをアッシングにより除去する。ＴＭＲは図５に示すように書き込み配線の幅方向に長い楕円形で、長軸が０．４μｍ、短軸が０．２μｍである。全面にＳｉＯ２（２００ｎｍ）７８をＣＶＤ法により形成後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）技術により平坦化する。書き込み配線以外の形状にレジストを形成し、ＳｉＯ２７８をＲＩＥによりエッチングする。
【００４４】
レジスト除去後、全面をエッチングすることで開口部のＳｉＮ７１を除去し、ビア６９を露出させる。Ｃｕ８０（２００ｎｍ）を全面に成膜し、ＣＭＰでＳｉＯ２７８が露出するまで平坦化することで、書き込み配線部分にＣｕ８０を埋め込む。次に、Ｔａ（２ｎｍ）８１、ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）８２、ＭｇＯ（１ｎｍ）８９、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）９０、Ｒｕ（０．８ｎｍ）９１、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）９２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）９３、Ｔａ（５０ｎｍ）９４をスパッタ法により成膜する。ＮｉＦｅ８２はＮｉＦｅ７６とほぼ同じ磁化量となるようにする。フォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｔａ９４からＴａ８１までをＴＭＲ形状に加工する。
【００４５】
この後、全面に層間膜ＳｉＯ２９６をプラズマＣＶＤ法により形成したのち、ＣＭＰ技術により全面を平坦化する。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりＴａ９４上にビアホールを形成し、Ｃｕ９７を埋め込む。その後、上部配線Ｃｕ９８を形成する。次に、２５０℃〜３００℃の高温下でＮｉＦｅ８２パターンの長辺方向、図４では右方向に１０００〜２００００Ｏｅ程度の磁場を印加する。
【００４６】
これによりＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ７４は磁場に沿った方向に向き、降温時に反強磁性体ＰｔＭｎ９３とＰｔＭｎ７３がこれを支持する磁化状態に固定される。Ｒｕ９１はＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ９０が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ９０の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ８２に働くネールカップリング磁界は左向きになる。
【００４７】
ＣｏＦｅ９０とＣｏＦｅ９２からなるピン層とＣｏＦｅ７４の厚さは、式５，式６を満たすように設計する。磁性膜と特性と形状からシミュレーションで適正値を計算し、これをもとに膜厚を変えて試作を行い、データによる書き込み電流のバランスと、外部磁場耐性から最終的な膜厚を決定する。
【００４８】
次に、データの書き込み方法を説明する。書き込み配線Ｃｕ８０の両端に配置した２つのＣｕビア６９間に電圧を印加し書き込み配線に磁化反転を起こす書き込み電流、例えば１ｍＡを流す。データ［０］を書く場合は、図５の下向き、図４の手前向きに電流を流す。このとき図４の書き込み配線を中心に反時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ８２は左向きに、ＮｉＦｅ７６は右向きに磁化方向が設定される。このときＮｉＦｅ８２とＣｏＦｅ９０の磁化方向が同じ向きになるため、ＴＭＲ抵抗は低抵抗、すなわちデータ［０］となる。
【００４９】
データ［１］を書く場合は、図５の上向き、図４の奥向きに電流を流す。このとき図４の書き込み配線を中心に時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ８２は右向きに、ＮｉＦｅ７６は左向きに磁化方向が設定される。このときＮｉＦｅ８２とＣｏＦｅ９０の磁化方向が逆向きになるため、ＴＭＲ抵抗は高抵抗、すなわちデータ［１］となる。
【００５０】
次に読み出し方法について説明する。ＴＭＲ抵抗はデータにより異なる値となっているため、配線Ｃｕ９８と配線Ｃｕ８０との間に電流を流してＴＭＲ抵抗を評価することでデータが判別できる。Ｔａ７５部分には電流が流れないため、絶縁体を用いてもよい。ピン層部、ＮｉＦｅ８２、ＮｉＦｅ７６、ＣｏＦｅ７４はたがいに異なる形状でもよい。ＮｉＦｅ８２、ＮｉＦｅ７６はデータを保持するため異方性が必要であるが、どちらかに異方性があればもう一方は異方性がなくてもよい。
【００５１】
形状は楕円形に限らず，長方形や菱形、平行四辺形なども可能である。各磁性体は単層膜でも、複数の磁性体の積層膜でも、磁性体同士を反強磁性結合や強磁性結合させる非磁性体を挟んだ磁性体積層膜でもよい。
【００５２】
本実施例に依れば、ＮｉＦｅ７６に加わる静磁界と、ＮｉＦｅ８２に加わる静磁界とネールカップリング磁界とをそれぞれ制御できるため、両方ともゼロに近づけることが可能である。このため、データによる書き込み電流特性のシフトと、外部磁場耐性のシフトの両方をゼロに調整できる。これにより、書き込み電流が小さく、外部磁場耐性のよい磁性体記憶装置が実現可能となる。
【００５３】
＜第二の実施例＞
図６、図７を参照すると、本発明の第二の実施例として磁性体記憶素子の要部断面図、要部平面図がそれぞれ示されている。図６は図７のＡ−Ａ’部分を示している。
【００５４】
まず、図６を参考にして製造方法について説明する。トランジスタ、配線、Ｃｕビア６９を層間膜ＳｉＯ２７０とともに形成した基板に、ＳｉＮ（２０ｎｍ）７１、Ｔａ（５ｎｍ）７２、ＮｉＦｅシード層（１ｎｍ）とＰｔＭｎ（２０ｎｍ）７３、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）７４、Ｒｕ（０．８ｎｍ）１００、ＣｏＦｅ（２．７ｎｍ）１０１、ＭｇＯ（１．１ｎｍ）１０２、ＮｉＦｅ（３ｎｍ）７６、Ｔａ（５ｎｍ）７７をスパッタ法により成膜する。Ｒｕ１００はＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１が反強磁性結合する厚さとする。
【００５５】
フォトリソグラフィ技術により配線下層磁性体形状にレジストを形成し、Ｔａ７７からＴａ７２までをミリング法により加工し、レジストをアッシングにより除去する。形状は図７に示すように直径が０．５μｍの円形である。全面にＳｉＯ２（２００ｎｍ）７８をＣＶＤ法により形成後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）技術により平坦化する。
【００５６】
書き込み配線以外の形状にレジストを形成し、ＳｉＯ２７８をＲＩＥによりエッチングする。レジスト除去後、全面をエッチングすることで開口部のＳｉＮ７１を除去し、ビア６９を露出させる。Ｃｕ８０（２００ｎｍ）を全面に成膜し、ＣＭＰでＳｉＯ２７８が露出するまで平坦化することで、書き込み配線部分にＣｕ８０を埋め込む。次に、Ｔａ（２ｎｍ）８１、ＮｉＦｅ（２ｎｍ）１０３、Ｒｕ（１．５ｎｍ）１０４、ＮｉＦｅ（２ｎｍ）１０５、ＭｇＯ（１ｎｍ）８９、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）９０、Ｒｕ（０．８ｎｍ）９１、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）９２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）９３、Ｔａ（５０ｎｍ）９４をスパッタ法により成膜する。Ｒｕ１０４はＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５が強磁性結合する厚さとする。
【００５７】
フォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｔａ９４からＮｉＦｅ１０５までを図７に示す長軸０．４５μｍ、短軸０．３μｍの楕円形に加工する。楕円は磁化反転電流が小さくなるように、電流が流れる方向から例えば４５度傾けてある。
【００５８】
レジスト除去後、全面にＳｉＮ（１０ｎｍ）１０６をＣＶＤ法により成膜し、さらにフォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｒｕ１０４からＴａ８１までを図７に示す直径０．４８μｍの円形に加工する。強磁性結合しているため同じ磁化方向となるＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５との磁化量の和はＮｉＦｅ７６とほぼ同じ磁化量となるようにする。
【００５９】
この後、全面に層間膜ＳｉＯ２９６をプラズマＣＶＤ法により形成したのち、ＣＭＰ技術により全面を平坦化する。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりＴａ９４上にビアホールを形成し、Ｃｕ９７を埋め込む。その後、上部配線Ｃｕ９８を形成する。
【００６０】
次に、２５０℃〜３００℃の高温下でＮｉＦｅ８２パターンの長辺方向、図７では右上方向に１０００〜２００００Ｏｅ程度の磁場を印加する。これによりＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ７４は磁場に沿った方向に向き、降温時に反強磁性体ＰｔＭｎ９３とＰｔＭｎ７３がこれを支持する磁化状態に固定される。Ｒｕ９１はＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ９０が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ９０の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ１０５に働くネールカップリング磁界は左向きになる。
【００６１】
またＲｕ１００もＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ１０１の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ７６に働くネールカップリング磁界は左向きになる。ＣｏＦｅ９０とＣｏＦｅ９２からなる上部ピン層とＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１とからなる下部ピン層の厚さは、式１１，式１２を満たすように設計する。
【００６２】
磁性膜と特性と形状からシミュレーションで適正値を計算し、これをもとに膜厚を変えて試作を行い、データによる書き込み電流のバランスと、外部磁場耐性から最終的な膜厚を決定する。
【００６３】
次に、データの書き込み方法を説明する。書き込み配線Ｃｕ８０の両端に配置した２つのＣｕビア６９間に電圧を印加し書き込み配線に磁化反転を起こす書き込み電流、例えば０．５ｍＡを流す。データ［０］を書く場合は、図７の下向き、図６の手前向きに電流を流す。このとき図６の書き込み配線を中心に反時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ７６は右向きに磁化方向が変化する。円形のＮｉＦｅ７６は異方性が小さいため磁化反転しやすく、これによりＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５の磁化反転が誘導され左向きに変化する。このときＮｉＦｅ１０５とＣｏＦｅ９０の磁化方向が同じ向きになるため、ＴＭＲ抵抗は低抵抗、すなわちデータ［０］となる。
【００６４】
データ［１］を書く場合は、図７の上向き、図５の奥向きに電流を流す。このとき図５の書き込み配線を中心に時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ７６は左向きに磁化方向が変化し、これに誘導されてＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５の磁化方向が右向きに変化する。このときＮｉＦｅ１０５とＣｏＦｅ９０の磁化方向が逆向きになるため、ＴＭＲ抵抗は高抵抗、すなわちデータ［１］となる。 読み出し方法は第１の実施例と同様である。
【００６５】
本実施例に依れば、第一の実施例に加えＮｉＦｅ７６にネールカップリング磁界を働かせることで、膜厚や材料の設計の自由度を大きくできる。なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 配線
２ 第１の磁性体
３ 第２の磁性体
４ トンネル絶縁体
５ 第１の磁化固定磁性体
６ 第２の磁化固定磁性体
７ 非磁性体
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁性体記憶装置に関し、特に低電流でデータの書き込みが可能で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の磁性体記憶装置は、例えば、磁気抵抗素子を記憶素子として用いてメモリを構成するものがあった。 まず、磁気抵抗素子の例として、Tunneling Magnetroresistance（以下TMR）と呼ばれるトンネル絶縁膜を2つの磁性体間に挟んだ構造について説明する。図８に2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.128)で報告されたTMRの例を示す。
【０００３】
図８ではＦｅＭｎ（１０ｎｍ）で形成された反強磁性体層５０１、ＣｏＦｅ（２．４ｎｍ）で形成された強磁性体ピン層５０２、Ａｌ２Ｏ３で形成されたトンネル絶縁層５０３、ＮｉＦｅ（５ｎｍ）で形成された強磁性体フリー層５０４が積層されている。反強磁性体層５０１とフリー層５０４には電圧が印加できるよう、導体配線が接続されている。ピン層５０２の磁化方向は反強磁性体層５０１によりある方向に固定される。フリー層５０４はある方向に磁化しやすいように形成されており、その磁化方向は外部から磁場を印加することにより変化させることができる。
【０００４】
膜の水平方向のうち、磁化しやすい方向を容易軸、容易軸に垂直で磁化しにくい方向を困難軸と呼ぶ。フリー層５０４とピン層５０２との間に電圧を印加するとトンネル絶縁膜５０３を通して電流が流れるが、フリー層５０４とピン層５０２の磁化方向の関係により抵抗値が変化する。すなわち磁化方向が同じ場合は抵抗が低く、反対向きの場合は抵抗が高くなる。
【０００５】
次に、図９を用いてＴＭＲを不揮発性メモリの記憶素子として用いた例を示す。本例は2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS （ｐ．１３０）で報告されている。
【０００６】
本例ではアレイ状に配置されたＴＭＲ５０５の上下に、交差する１対の配線が設置される。上部配線５０６はＴＭＲ５０５のフリー層と接続されており、ＴＭＲ５０５の反強磁性体層は第３の配線５０７を介して下層に形成されたトランジスタ５０８のドレインに接続されている。２つの配線Ｂ、Ｄに電流を流すことで交点近傍に合成磁場を発生し、電流の方向によりフリー層の磁化方向を設定する。これによりＴＭＲ５０５の抵抗値を変化させることができる。
【０００７】
データの読み出しは、読み出すＴＭＲ５０５に接続されたトランジスタ５０８を配線Ｗによりオン状態にして、配線ＢよりＴＭＲ５０５に電圧を印加し、流れる電流でＴＭＲの抵抗値を評価することで行う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.128)
【非特許文献２】2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS (p.130)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
書き込み配線の電流磁場を効率的に利用する方法として、図１０のように書き込み配線５１１の上下両面にフリー層磁性体５１２，５１３を配置し、両者を静磁結合させる方法がある（以降中間配線挿入型と呼ぶ）。この場合、フリー層の磁化量が増加したことになるため熱擾乱耐性が向上するという効果があり、フリー層の異方性を小さくしてもデータを保持することが可能となる。つまり、書き込み電流を小さくすることができる。また、２つのフリー層は磁化方向が逆向きになるため、外部磁界に対する耐性も向上するという効果がある。
【００１０】
さて、図８に示した従来のＴＭＲでは、ピン層とフリー層の凹凸に起因すると考えられているネールカップリング磁界がフリー層にかかる。この結果、フリー層の磁化反転特性がシフトする。磁化反転特性がシフトすると、一方のデータの書き込み電流が大きくなる、および外部磁場により容易に磁化反転が起きて記憶データが破壊されるという問題が発生する。
【００１１】
従来の対策としては、ピン層端部からの漏れ磁場をピン層の厚さにより調整してフリー層に印加し、ネールカップリング磁界を相殺することで特性シフトを無くし、対称な書き込み特性を得ていた。ところが、前述の中間配線挿入型では、ピン層と面しネールカップリング磁界が加わっているフリー層にピン層から漏れ磁場を印加すると、もう一方のフリー層にもこの磁場がかかり磁化反転特性がシフトしてしまう。
【００１２】
このように中間配線挿入型では従来の方法では両者のシフトを同時に相殺することができない。中間配線挿入型におけるデータによる書き込み配線電流の素子数分布の測定例を図１１に、外部磁場による反転条件（アステロイドカーブ）の測定例を図１２に示す。
【００１３】
図１１のように書き込み電流のデータ間差が無いように設計した素子でも、図１２に示すように外部磁場に対する反転特性は大きくシフトしている。このように、中間配線挿入型では、書き込み電流のデータ間差を無くして低電流化することと、外部磁場による反転特性のシフトを低減して耐性をあげることの両立が困難という問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、低電流書き込みと外部磁場耐性を両立した磁性体記憶装置を提供することにあり、特にフリー層の磁気特性のシフトを抑制する手段に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、記憶データにより磁化状態が異なる第１の磁性体と、前記第１の磁性体と静磁結合し前記第１の磁性体の磁化状態に従って磁化状態が変化する第２の磁性体と、前記第１の磁性体と積層されたトンネル絶縁体と、前記トンネル絶縁体と積層された第１の磁化固定磁性体と、書き込み配線とを有し、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とが前記書き込み配線を挟んで配置され、書き込み配線に流す電流の方向により前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化方向を制御する磁性体記憶装置において、前記書き込み配線に対して前記第２の磁性体側に第２の磁化固定磁性体を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化量が同程度であり、前記第２の磁性体と前記第２の磁化固定磁性体が静磁結合していることを特徴としている。
【００１７】
また、磁化反転に必要な書き込み配線電流がデータに依らず同程度であり、かつ、外部から磁場を印加した時に磁化反転が起きる磁場の大きさが印加磁場の原点に対してほぼ対称な特性であることを特徴としている。
【００１８】
また、前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２がＨｎ５／（１−αβ）と同程度の値であり、かつＨ６３がαＨ５２と同程度であることを特徴としている。
【００１９】
また、前記第２の磁性体に前記第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界が働いていることを特徴としている。
【００２０】
また、前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、前記第２の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ６、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２が（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ）と同程度であり、さらにＨ６３がＨｎ６−αＨ５２と同程度であることを特徴としている。
【００２１】
このように、本発明の磁性体記憶装置は、書き込み電流を流す配線を挟んで形成された複数の磁性体からなるフリー層それぞれの磁気特性シフトを調整することができる。従って、書き込み電流を対称にできるとともに、外部磁場耐性を向上することができる。この作用により、低電流書き込みが可能で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置が実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、書き込み配線を挟んで配置したフリー磁性体の磁気特性のシフトをそれぞれゼロに近づけることができる。このため、書き込み電流が対称で、外部磁場耐性が高い磁性体記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す要部平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す要部断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例を示す要部平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示す要部平面図である。
【図８】従来例の記憶素子を示す構造図である。
【図９】従来例の記憶装置を示す概要図である。
【図１０】中間配線挿入型を示す図である。
【図１１】素子数分布の測定例を示す図である。
【図１２】反転条件の測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 図１、図２を参照すると、本発明の第一の実施の形態として磁性体記憶装置の要部断面図と平面図が示されている。
【００２５】
＜第一の実施の形態の構成＞
第一の実施の形態の磁性体記憶装置は、配線１と、配線１を挟んで配置した第１の磁性体２と第２の磁性体３と、第１の磁性体２に積層したトンネル絶縁体４と、トンネル絶縁体４に積層した第１の磁化固定磁性体５と、配線１に対して第２の磁性体３側に配置した第２の磁化固定磁性体６とを有する。第１の磁性体２と第２の磁性体３とは静磁結合しており、磁化方向は互いに逆向きとなる。データは第１の磁性体２と第２の磁性体３の磁化方向として記憶され、配線１に電流を流すことでこれらの磁化方向を制御する。
【００２６】
このため、第１の磁性体２と第２の磁性体３とからなるフリー層は、配線１の電流磁場方向成分を持つ異方性を有する。異方性は、磁性体の結晶構造による異方性を用いたり、図２のように磁性体の形状を一方向に長くすることによる形状異方性を用いる。第１の磁性体２の磁化量と第２の磁性体３の磁化量はほぼ等しくすることで、外部磁場の影響を受けにくくすることができる。
【００２７】
第１の磁性体２と第２の磁性体３とはそれぞれ単一の磁性体材料でも複数の磁性体の積層構造でもよい。また、複数の磁性体を非磁性体を挟んで反強磁性結合や強磁性結合させた構造でもよい。図１の上下関係、第１の磁性体から第１の磁化固定磁性体までの構造の上下関係、第２の磁性体と第２の磁化固定磁性体との上下関係はそれぞれ逆になってもよい。
第１の磁性体２には第１の磁化固定磁性体によりネールカップリング磁界Ｈｎ５が加わる。また、第１の磁性体２には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５２が加わる。さらに、第１の磁性体２には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６２が加わる。第２の磁性体３には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５３が加わる。さらに、第２の磁性体３には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６３が加わる。第１の磁性体２に加わる磁場Ｈ２と第２の磁性体３に加わる磁場Ｈ３は、図１の右向きを正とすると、次のように表現できる。
【００２８】
Ｈ２＝−Ｈｎ５＋Ｈ５２−Ｈ６２ （式１）
Ｈ３＝Ｈ５３−Ｈ６３ （式２）
ここで
Ｈ５３＝αＨ５２ （式３）
Ｈ６２＝βＨ６３ （式４）
とすると、下記条件に設計することでＨ２とＨ３をともにゼロにする。
【００２９】
Ｈ５２＝Ｈｎ５／（１−αβ） （式５）
Ｈ６３＝αＨ５２ （式６）
これにより、第１の磁性体２と第２の磁性体３のそれぞれに加わる磁場が相殺されるため、それぞれの磁気特性のシフトをゼロにできる。
【００３０】
次に本磁性体記憶装置のデータ書き込み方法について説明する。データ［１］を書き込む場合、配線１に図の奥方向に第１の磁性体２と第２の磁性体３とを磁化反転させるのに十分な書き込み電流を流す。このとき配線１を中心に時計回りの磁場が形成され、第１の磁性体２の磁化方向は右方向に、第２の磁性体３の磁化方向は左方向に設定される。
【００３１】
データ［０］を書き込む場合は、配線１に手前方向に書き込み電流を流す。このとき配線１を中心に反時計回りの磁場が形成され、第１の磁性体２の磁化方向は左方向に、第２の磁性体３の磁化方向は右方向に設定される。第１の磁性体２と第２の磁性体３のどちらかの磁気特性がシフトしていれば［０］と［１］の書き込み電流が非対称となり、どちらかが大きな電流を必要とするが、両者ともシフトしていないため、［０］と［１］とも同じ電流値、すなわち最小電流で書き込むことができる。
【００３２】
次にデータの読み出し方法について説明する。第１の磁性体２と第１の磁化固定磁性体５の間の抵抗は両者の磁化方向の相違により変化するため、書き込まれたデータにより抵抗値が変化する。第１の磁化固定磁性体５と第１の磁性体２との間の抵抗を評価することで、記憶したデータを読み出すことができる。
【００３３】
本実施の形態では、第１の磁性体２と第２の磁性体３とをともに磁気特性のシフトをゼロに設定できる。このため本構造により、データに依らず対称的な書き込み特性を持つ。さらに、外部磁場に対しても、シフトがある場合は本来の磁気特性より小さい外部磁場で磁化反転、すなわちデータ破壊が起きてしまうが、シフトがないため高い外部磁場耐性を有する。このように、本構造により書き込み電流が小さく、かつ外部磁場耐性が高い磁気記憶素子が得られる。
【００３４】
図３を参照すると、本発明の第二の実施の形態として磁性体記憶装置の要部断面図が示されている。
【００３５】
＜第二の実施の形態の構成＞
第二の実施の形態の磁性体記憶装置は、配線１と、配線１を挟んで配置した第１の磁性体２と第２の磁性体３と、第１の磁性体２に積層したトンネル絶縁体４と、トンネル絶縁体４に積層した第１の磁化固定磁性体５と、第２の磁性体３と非磁性体７を挟んで積層した第２の磁化固定磁性体６とを有する。第１の磁性体２と第２の磁性体３とは静磁結合しており、磁化方向は互いに逆向きとなる。データは第１の磁性体２と第２の磁性体３の磁化方向として記憶され、配線１に電流を流すことでこれらの磁化方向を制御する。
【００３６】
このため、第１の磁性体２と第２の磁性体３とからなるフリー層は、配線１の電流磁場方向成分を持つ異方性を有する。異方性は、磁性体の結晶構造による異方性を用いたり、磁性体の形状を一方向に長くすることによる形状異方性を用いる。第１の磁性体２の磁化量と第２の磁性体３の磁化量はほぼ等しくすることで、外部磁場の影響を受けにくくすることができる。
【００３７】
第１の磁性体２と第２の磁性体３とはそれぞれ単一の磁性体材料でも複数の磁性体の積層構造でもよい。また、複数の磁性体を非磁性体を挟んで反強磁性結合や強磁性結合させた構造でもよい。 第１の磁性体２には第１の磁化固定磁性体によりネールカップリング磁界Ｈｎ５が加わる。また、第１の磁性体２には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５２が加わる。
【００３８】
さらに、第１の磁性体２には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６２が加わる。第２の磁性体３には第２の磁化固定磁性体６によりネールカップリング磁界Ｈｎ６が加わる。第２の磁性体３には、第１の磁化固定磁性体５端部からの漏れ磁界Ｈ５３が加わる。さらに、第２の磁性体３には、第２の磁化固定磁性体６端部からの漏れ磁界Ｈ６３が加わる。第１の磁性体２に加わる磁場Ｈ２と第２の磁性体３に加わる磁場Ｈ３は、図３の右向きを正とすると、次のように表現できる。
【００３９】
Ｈ２＝−Ｈｎ５＋Ｈ５２＋Ｈ６２ （式７）
Ｈ３＝−Ｈｎ６＋Ｈ５３＋Ｈ６３ （式８）
ここで
Ｈ５３＝αＨ５２ （式９）
Ｈ６２＝βＨ６３ （式１０）
とすると、下記条件に設計することでＨ２とＨ３をともにゼロにする。
【００４０】
Ｈ５２＝（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ） （式１１）
Ｈ６３＝Ｈｎ６−αＨ５２ （式１２）
これにより、第１の磁性体２と第２の磁性体３のそれぞれに加わる磁場が相殺されるため、それぞれの磁気特性のシフトをゼロにできる。 データの書き込み方法と読み出し方法は第一の実施の形態と同様である。本実施の形態では、第一の実施の形態に加え第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界も用いており、設計の自由度が広がる。
【実施例】
【００４１】
＜第一の実施例＞
次に、具体的な実施例を用いて本発明の動作を説明する。図４、図５を参照すると、本発明の第一の実施例として磁性体記憶素子の要部断面図、要部平面図がそれぞれ示されている。図４は図５のＡ−Ａ’部分を示している。
【００４２】
まず、図４を参考にして製造方法について説明する。トランジスタ、配線、Ｃｕビア６９を層間膜ＳｉＯ２７０とともに形成した基板に、ＳｉＮ（２０ｎｍ）７１、Ｔａ（５ｎｍ）７２、ＮｉＦｅシード層（１ｎｍ）とＰｔＭｎ（２０ｎｍ）７３、ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）７４、Ｔａ（２ｎｍ）７５、ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）７６、Ｔａ（５ｎｍ）７７をスパッタ法により成膜する。Ｔａ７５は、ＣｏＦｅ７４とＮｉＦｅ７６との間でネールカップリング磁界がほとんど働かない厚さ、例えば０．６ｎｍ以上とする。
【００４３】
フォトリソグラフィ技術によりＴＭＲの形状にレジストを形成し、Ｔａ７７からＴａ７２までをミリング法により加工し、レジストをアッシングにより除去する。ＴＭＲは図５に示すように書き込み配線の幅方向に長い楕円形で、長軸が０．４μｍ、短軸が０．２μｍである。全面にＳｉＯ２（２００ｎｍ）７８をＣＶＤ法により形成後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）技術により平坦化する。書き込み配線以外の形状にレジストを形成し、ＳｉＯ２７８をＲＩＥによりエッチングする。
【００４４】
レジスト除去後、全面をエッチングすることで開口部のＳｉＮ７１を除去し、ビア６９を露出させる。Ｃｕ８０（２００ｎｍ）を全面に成膜し、ＣＭＰでＳｉＯ２７８が露出するまで平坦化することで、書き込み配線部分にＣｕ８０を埋め込む。次に、Ｔａ（２ｎｍ）８１、ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）８２、ＭｇＯ（１ｎｍ）８９、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）９０、Ｒｕ（０．８ｎｍ）９１、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）９２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）９３、Ｔａ（５０ｎｍ）９４をスパッタ法により成膜する。ＮｉＦｅ８２はＮｉＦｅ７６とほぼ同じ磁化量となるようにする。フォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｔａ９４からＴａ８１までをＴＭＲ形状に加工する。
【００４５】
この後、全面に層間膜ＳｉＯ２９６をプラズマＣＶＤ法により形成したのち、ＣＭＰ技術により全面を平坦化する。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりＴａ９４上にビアホールを形成し、Ｃｕ９７を埋め込む。その後、上部配線Ｃｕ９８を形成する。次に、２５０℃〜３００℃の高温下でＮｉＦｅ８２パターンの長辺方向、図４では右方向に１０００〜２００００Ｏｅ程度の磁場を印加する。
【００４６】
これによりＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ７４は磁場に沿った方向に向き、降温時に反強磁性体ＰｔＭｎ９３とＰｔＭｎ７３がこれを支持する磁化状態に固定される。Ｒｕ９１はＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ９０が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ９０の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ８２に働くネールカップリング磁界は左向きになる。
【００４７】
ＣｏＦｅ９０とＣｏＦｅ９２からなるピン層とＣｏＦｅ７４の厚さは、式５，式６を満たすように設計する。磁性膜と特性と形状からシミュレーションで適正値を計算し、これをもとに膜厚を変えて試作を行い、データによる書き込み電流のバランスと、外部磁場耐性から最終的な膜厚を決定する。
【００４８】
次に、データの書き込み方法を説明する。書き込み配線Ｃｕ８０の両端に配置した２つのＣｕビア６９間に電圧を印加し書き込み配線に磁化反転を起こす書き込み電流、例えば１ｍＡを流す。データ［０］を書く場合は、図５の下向き、図４の手前向きに電流を流す。このとき図４の書き込み配線を中心に反時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ８２は左向きに、ＮｉＦｅ７６は右向きに磁化方向が設定される。このときＮｉＦｅ８２とＣｏＦｅ９０の磁化方向が同じ向きになるため、ＴＭＲ抵抗は低抵抗、すなわちデータ［０］となる。
【００４９】
データ［１］を書く場合は、図５の上向き、図４の奥向きに電流を流す。このとき図４の書き込み配線を中心に時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ８２は右向きに、ＮｉＦｅ７６は左向きに磁化方向が設定される。このときＮｉＦｅ８２とＣｏＦｅ９０の磁化方向が逆向きになるため、ＴＭＲ抵抗は高抵抗、すなわちデータ［１］となる。
【００５０】
次に読み出し方法について説明する。ＴＭＲ抵抗はデータにより異なる値となっているため、配線Ｃｕ９８と配線Ｃｕ８０との間に電流を流してＴＭＲ抵抗を評価することでデータが判別できる。Ｔａ７５部分には電流が流れないため、絶縁体を用いてもよい。ピン層部、ＮｉＦｅ８２、ＮｉＦｅ７６、ＣｏＦｅ７４はたがいに異なる形状でもよい。ＮｉＦｅ８２、ＮｉＦｅ７６はデータを保持するため異方性が必要であるが、どちらかに異方性があればもう一方は異方性がなくてもよい。
【００５１】
形状は楕円形に限らず，長方形や菱形、平行四辺形なども可能である。各磁性体は単層膜でも、複数の磁性体の積層膜でも、磁性体同士を反強磁性結合や強磁性結合させる非磁性体を挟んだ磁性体積層膜でもよい。
【００５２】
本実施例に依れば、ＮｉＦｅ７６に加わる静磁界と、ＮｉＦｅ８２に加わる静磁界とネールカップリング磁界とをそれぞれ制御できるため、両方ともゼロに近づけることが可能である。このため、データによる書き込み電流特性のシフトと、外部磁場耐性のシフトの両方をゼロに調整できる。これにより、書き込み電流が小さく、外部磁場耐性のよい磁性体記憶装置が実現可能となる。
【００５３】
＜第二の実施例＞
図６、図７を参照すると、本発明の第二の実施例として磁性体記憶素子の要部断面図、要部平面図がそれぞれ示されている。図６は図７のＡ−Ａ’部分を示している。
【００５４】
まず、図６を参考にして製造方法について説明する。トランジスタ、配線、Ｃｕビア６９を層間膜ＳｉＯ２７０とともに形成した基板に、ＳｉＮ（２０ｎｍ）７１、Ｔａ（５ｎｍ）７２、ＮｉＦｅシード層（１ｎｍ）とＰｔＭｎ（２０ｎｍ）７３、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）７４、Ｒｕ（０．８ｎｍ）１００、ＣｏＦｅ（２．７ｎｍ）１０１、ＭｇＯ（１．１ｎｍ）１０２、ＮｉＦｅ（３ｎｍ）７６、Ｔａ（５ｎｍ）７７をスパッタ法により成膜する。Ｒｕ１００はＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１が反強磁性結合する厚さとする。
【００５５】
フォトリソグラフィ技術により配線下層磁性体形状にレジストを形成し、Ｔａ７７からＴａ７２までをミリング法により加工し、レジストをアッシングにより除去する。形状は図７に示すように直径が０．５μｍの円形である。全面にＳｉＯ２（２００ｎｍ）７８をＣＶＤ法により形成後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）技術により平坦化する。
【００５６】
書き込み配線以外の形状にレジストを形成し、ＳｉＯ２７８をＲＩＥによりエッチングする。レジスト除去後、全面をエッチングすることで開口部のＳｉＮ７１を除去し、ビア６９を露出させる。Ｃｕ８０（２００ｎｍ）を全面に成膜し、ＣＭＰでＳｉＯ２７８が露出するまで平坦化することで、書き込み配線部分にＣｕ８０を埋め込む。次に、Ｔａ（２ｎｍ）８１、ＮｉＦｅ（２ｎｍ）１０３、Ｒｕ（１．５ｎｍ）１０４、ＮｉＦｅ（２ｎｍ）１０５、ＭｇＯ（１ｎｍ）８９、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）９０、Ｒｕ（０．８ｎｍ）９１、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）９２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）９３、Ｔａ（５０ｎｍ）９４をスパッタ法により成膜する。Ｒｕ１０４はＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５が強磁性結合する厚さとする。
【００５７】
フォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｔａ９４からＮｉＦｅ１０５までを図７に示す長軸０．４５μｍ、短軸０．３μｍの楕円形に加工する。楕円は磁化反転電流が小さくなるように、電流が流れる方向から例えば４５度傾けてある。
【００５８】
レジスト除去後、全面にＳｉＮ（１０ｎｍ）１０６をＣＶＤ法により成膜し、さらにフォトリソグラフィ技術とミリング法により、Ｒｕ１０４からＴａ８１までを図７に示す直径０．４８μｍの円形に加工する。強磁性結合しているため同じ磁化方向となるＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５との磁化量の和はＮｉＦｅ７６とほぼ同じ磁化量となるようにする。
【００５９】
この後、全面に層間膜ＳｉＯ２９６をプラズマＣＶＤ法により形成したのち、ＣＭＰ技術により全面を平坦化する。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりＴａ９４上にビアホールを形成し、Ｃｕ９７を埋め込む。その後、上部配線Ｃｕ９８を形成する。
【００６０】
次に、２５０℃〜３００℃の高温下でＮｉＦｅ８２パターンの長辺方向、図７では右上方向に１０００〜２００００Ｏｅ程度の磁場を印加する。これによりＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ７４は磁場に沿った方向に向き、降温時に反強磁性体ＰｔＭｎ９３とＰｔＭｎ７３がこれを支持する磁化状態に固定される。Ｒｕ９１はＣｏＦｅ９２とＣｏＦｅ９０が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ９０の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ１０５に働くネールカップリング磁界は左向きになる。
【００６１】
またＲｕ１００もＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１が反強磁性結合する厚さにしてあるため、ＣｏＦｅ１０１の磁化方向は左に向く。これによりＮｉＦｅ７６に働くネールカップリング磁界は左向きになる。ＣｏＦｅ９０とＣｏＦｅ９２からなる上部ピン層とＣｏＦｅ７４とＣｏＦｅ１０１とからなる下部ピン層の厚さは、式１１，式１２を満たすように設計する。
【００６２】
磁性膜と特性と形状からシミュレーションで適正値を計算し、これをもとに膜厚を変えて試作を行い、データによる書き込み電流のバランスと、外部磁場耐性から最終的な膜厚を決定する。
【００６３】
次に、データの書き込み方法を説明する。書き込み配線Ｃｕ８０の両端に配置した２つのＣｕビア６９間に電圧を印加し書き込み配線に磁化反転を起こす書き込み電流、例えば０．５ｍＡを流す。データ［０］を書く場合は、図７の下向き、図６の手前向きに電流を流す。このとき図６の書き込み配線を中心に反時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ７６は右向きに磁化方向が変化する。円形のＮｉＦｅ７６は異方性が小さいため磁化反転しやすく、これによりＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５の磁化反転が誘導され左向きに変化する。このときＮｉＦｅ１０５とＣｏＦｅ９０の磁化方向が同じ向きになるため、ＴＭＲ抵抗は低抵抗、すなわちデータ［０］となる。
【００６４】
データ［１］を書く場合は、図７の上向き、図５の奥向きに電流を流す。このとき図５の書き込み配線を中心に時計回りの電流磁場が発生し、ＮｉＦｅ７６は左向きに磁化方向が変化し、これに誘導されてＮｉＦｅ１０３とＮｉＦｅ１０５の磁化方向が右向きに変化する。このときＮｉＦｅ１０５とＣｏＦｅ９０の磁化方向が逆向きになるため、ＴＭＲ抵抗は高抵抗、すなわちデータ［１］となる。 読み出し方法は第１の実施例と同様である。
【００６５】
本実施例に依れば、第一の実施例に加えＮｉＦｅ７６にネールカップリング磁界を働かせることで、膜厚や材料の設計の自由度を大きくできる。なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 配線
２ 第１の磁性体
３ 第２の磁性体
４ トンネル絶縁体
５ 第１の磁化固定磁性体
６ 第２の磁化固定磁性体
７ 非磁性体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記憶データにより磁化状態が異なる第１の磁性体と、前記第１の磁性体と静磁結合し前記第１の磁性体の磁化状態に従って磁化状態が変化する第２の磁性体と、前記第１の磁性体と積層されたトンネル絶縁体と、前記トンネル絶縁体と積層された第１の磁化固定磁性体と、書き込み配線とを有し、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とが前記書き込み配線を挟んで配置され、書き込み配線に流す電流の方向により前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化方向を制御する磁性体記憶装置において、前記書き込み配線に対して前記第２の磁性体側に第２の磁化固定磁性体を有することを特徴とする磁性体記憶装置。
【請求項２】
前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化量が同程度であることを特徴とする請求項１の磁性体記憶装置。
【請求項３】
前記第２の磁性体と前記第２の磁化固定磁性体が静磁結合していることを特徴とする請求項１から２の磁性体記憶装置。
【請求項４】
磁化反転に必要な書き込み配線電流がデータに依らず同程度であり、かつ、外部から磁場を印加した時に磁化反転が起きる磁場の大きさが印加磁場の原点に対してほぼ対称な特性であることを特徴とする請求項１から３の磁性体記憶装置。
【請求項５】
前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２がＨｎ５／（１−αβ）と同程度の値であり、かつＨ６３がαＨ５２と同程度であることを特徴とする請求項１〜４の磁性体記憶装置。
【請求項６】
前記第２の磁性体に前記第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界が働いていることを特徴とする請求項１〜４の磁性体記憶装置。
【請求項７】
前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、前記第２の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ６、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２が（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ）と同程度であり、さらにＨ６３がＨｎ６−αＨ５２と同程度であることを特徴とする請求項６の磁性体記憶装置。
【請求項１】
記憶データにより磁化状態が異なる第１の磁性体と、前記第１の磁性体と静磁結合し前記第１の磁性体の磁化状態に従って磁化状態が変化する第２の磁性体と、前記第１の磁性体と積層されたトンネル絶縁体と、前記トンネル絶縁体と積層された第１の磁化固定磁性体と、書き込み配線とを有し、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とが前記書き込み配線を挟んで配置され、書き込み配線に流す電流の方向により前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化方向を制御する磁性体記憶装置において、前記書き込み配線に対して前記第２の磁性体側に第２の磁化固定磁性体を有することを特徴とする磁性体記憶装置。
【請求項２】
前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の磁化量が同程度であることを特徴とする請求項１の磁性体記憶装置。
【請求項３】
前記第２の磁性体と前記第２の磁化固定磁性体が静磁結合していることを特徴とする請求項１から２の磁性体記憶装置。
【請求項４】
磁化反転に必要な書き込み配線電流がデータに依らず同程度であり、かつ、外部から磁場を印加した時に磁化反転が起きる磁場の大きさが印加磁場の原点に対してほぼ対称な特性であることを特徴とする請求項１から３の磁性体記憶装置。
【請求項５】
前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２がＨｎ５／（１−αβ）と同程度の値であり、かつＨ６３がαＨ５２と同程度であることを特徴とする請求項１〜４の磁性体記憶装置。
【請求項６】
前記第２の磁性体に前記第２の磁化固定磁性体からのネールカップリング磁界が働いていることを特徴とする請求項１〜４の磁性体記憶装置。
【請求項７】
前記第１の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ５、第１の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５２、第１の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６２、前記第２の磁性体に加わるネールカップリング磁界をＨｎ６、第２の磁性体に加わる第１の磁化固定磁性体からの磁界をＨ５３、第２の磁性体に加わる第２の磁化固定磁性体からの磁界をＨ６３、さらにＨ５３＝αＨ５２、Ｈ６２＝βＨ６３としたとき、Ｈ５２が（Ｈｎ５−βＨｎ６）／（１−αβ）と同程度であり、さらにＨ６３がＨｎ６−αＨ５２と同程度であることを特徴とする請求項６の磁性体記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２４３７５７（Ｐ２０１１−２４３７５７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４８７２（Ｐ２０１０−１１４８７２）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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