磁気抵抗効果素子及びそれを搭載した不揮発性磁気メモリ
【課題】高速かつ消費電力が極めて小さい不揮発性メモリを提供する。
【解決手段】不揮発性磁気メモリに、高出力なトンネル磁気抵抗効果素子を装備し、スピントランスファートルクによる書込み方式を適用する。トンネル磁気抵抗効果素子１は、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の強磁性膜３０４と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜３０５と、強磁性膜３０６とを積層した構造を有する。
【解決手段】不揮発性磁気メモリに、高出力なトンネル磁気抵抗効果素子を装備し、スピントランスファートルクによる書込み方式を適用する。トンネル磁気抵抗効果素子１は、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の強磁性膜３０４と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜３０５と、強磁性膜３０６とを積層した構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力トンネル磁気抵抗素子及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、Ａｌの酸化物を絶縁膜に用いたトンネル積層膜を用いていた（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）が、Ａｌ酸化物は非晶質であるため工業的に使用するための十分な電気的出力信号を得ることができなかった。最近、絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子において、上記のＡｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られることが報告された（S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させ、情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、トンネル磁気抵抗効果素子の高出力化とトンネル磁気抵抗効果素子へのスピントランスファートルク磁化反転による書込み方式を同時に満足する技術を開発することが重要な課題である。
【０００６】
本発明は、このような要請に応えることのできるトンネル磁気抵抗効果素子及び不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性膜にＢを含むＣｏあるいはＦｅの体心立方格子をもつ化合物強磁性膜を用い、また絶縁膜に酸化マグネシウムを用いる。
【０００８】
すなわち、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、その絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする。第二の強磁性膜は、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であってもよい。また、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅの組成比（ａｔｍ％の比）が５０：５０〜７０：３０であるのが好ましい。絶縁膜にＭｇＯを適用したトンネル磁気抵抗効果素子では、図８に示すように体心立方構造が安定に存在し、かつＣｏをＦｅより多く含むことでトンネル磁気抵抗比に寄与するスピン分極率を向上できるためである。ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の強磁性膜は、膜厚が３ｎｍ以下で、Ｂを１０〜３０％ａｔｍ含有するのが好ましい。
【０００９】
本発明による磁気メモリは、トンネル磁気抵抗効果素子と、トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備える磁気メモリであり、トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする。
【００１０】
本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリであり、磁気メモリセルは、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の第一の強磁性膜と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜と、第二の強磁性膜とが積層されたトンネル磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、高出力なトンネル磁気抵抗効果素子が得られる。また、そのトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリに装備することにより、高速かつ消費電力が極めて小さい不揮発性メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第一の構成例を示した図である。
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第二の構成例を示した図である。
【図３】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第三の構成例を示した図である。
【図４】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第四の構成例を示した図である。
【図５】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第五の構成例を示した図である。
【図６】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第六の構成例を示した図である。
【図７】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図８】ＣｏｘＦｅ１００−ｘの組成に対する結晶構造を示した図である。
【図９】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１０】本発明のトンネル磁気抵抗素子のＴＭＲ比と熱処理温度依存性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子１は、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７を積層して形成され、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はスパッタリング法を用いて作製した。
【００１５】
配向制御膜３００はＮｉＦｅ（５ｎｍ）により形成したが、Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）の２層膜など、上記反強磁性膜３０１の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することのできる他の材料を用いてもよい。反強磁性膜３０１にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は５〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなど、Ｍｎ化合物で構成される反強磁性膜を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０２にはＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、非磁性膜３０３にはＲｕ（０．８ｎｍ）を、強磁性膜３０４には体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０２のＣｏＦｅの組成比は、主としてＣｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の間で使用した。この組成範囲において、上記反強磁性膜と安定した反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４は、強磁性膜３０２と強磁性膜３０４の磁化が反強磁性結合するような材料を選択し、それぞれの膜厚は強磁性膜３０２と強磁性膜３０４の磁化の大きさが等しくなるように選択した。絶縁膜３０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜を用い、（１００）方向に配向した膜である。絶縁膜の膜厚は０．８ｎｍ〜３ｎｍの範囲で使用した。強磁性膜３０６は体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０４と強磁性膜３０６のＣｏＦｅＢのＣｏとＦｅの組成は５０：５０〜７０：３０で使用するのが好ましい。この組成範囲では、図８に示すように、体心立方構造が安定に存在し、かつ絶縁膜３０５にＭｇＯを適用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、ＣｏをＦｅより多く含むことでトンネル磁気抵抗比に寄与するスピン分極率を向上できるためである。
【００１６】
強磁性膜３０４、強磁性膜３０６に使用できるＣｏＦｅＢ及びＣｏＦｅの組成を記載した例を表１に示す。トンネル磁気抵抗効果素子１において大きなＴＭＲ比を得るには、強磁性膜３０４及び強磁性膜３０６にＣｏＦｅＢを用い、Ｃｏ組成は５０〜９０ａｔｍ％の間で使用することが望ましいが、ＣｏのＦｅに対する組成比が０〜５０ａｔｍ％の間で使用することも可能である。このＣｏ組成を使用した場合、ＴＭＲ比の大きさはＣｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の場合に比べて低下するが、トンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧依存性が改善される傾向にある。通常ＴＭＲ比は印加電圧が大きくなるにつれて減少する傾向を示すが、Ｃｏ組成０〜５０ａｔｍ％の間の組成では、その減少率が最大で半減できる。
【００１７】
上記強磁性膜３０４と強磁性膜３０６のＣｏＦｅＢは、非結晶であってもよく、適当な温度での熱処理により結晶化させてもよい。また、ＣｏＦｅＢの組成比は、体心立方格子となるＣｏ組成が４０〜６０ａｔｍ％、Ｂ組成が１０〜３０ａｔｍ％の間で使用した。さらに、強磁性膜３０６にはＣｏＦｅＢ以外に、ＣｏＦｅの単層膜、ＮｉＦｅの単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅあるいはＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅの２層膜を用いてもよい。このときのＣｏＦｅのＣｏ組成は体心立方格子が安定である５０ａｔｍ％としたが、５０〜９０％の間で使用してよい。Ｃｏ組成が大きいと、面心立方格子が安定であり、トンネル磁気抵抗比は減少するが、磁気フリー層として保磁力の小さい良好な磁気特性が実現でき、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流密度をそれぞれの磁気モーメントの大きさに対応して変化させることができる。保護膜３０７は、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の２層膜で形成した。
【００１８】
素子加工にはフォトリソグラフィーとイオンミリングを用い、０．８μｍ×１．６μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子を作製した。このように作製されたトンネル磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比は、熱処理を施すことにより増大させることが可能であり、強磁性膜３０６にＣｏＦｅＢを用いた構成では、３７５℃以上で、１時間程度の熱処理を施すことにより２５０％に達した。また、絶縁膜３０５の厚さが０．８ｎｍから３．０ｎｍの範囲では、１００％以上のトンネル磁気抵抗比を示した。また、熱処理の温度は４００℃まで上昇させても、１５０％以上の良好な磁気抵抗比を得ることが可能である。特に、熱処理によりＣｏＦｅＢは結晶化することが確認され、結晶化した後のＣｏＦｅＢが体心立方格子の結晶構造をもつ場合に、トンネル磁気抵抗比は最も大きくなった。さらに、上記酸化マグネシウムの（１００）配向膜は、非晶質の強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製することは可能であるが、多結晶構造をもつ強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製した場合、良好な（１００）配向膜を得ることは困難であり、トンネル磁気抵抗比は最大でも５０％にとどまった。したがって、強磁性膜３０４と強磁性膜３０６が結晶のＣｏＦｅＢであり、かつ絶縁膜３０５が（１００）配向の結晶の酸化マグネシウムであるトンネル磁気抵抗効果素子１で、２００％以上のトンネル磁気抵抗比が得られている素子は、必ず製膜時の強磁性膜３０４と強磁性膜３０６は非結晶のＣｏＦｅＢであって、熱処理の過程を経て作製されたものであることを示している。
【００１９】
トンネル磁気抵抗効果素子１は、強磁性膜３０４をＣｏＦｅＢ、絶縁膜３０５をＭｇＯ、強磁性膜３０６をＣｏＦｅＢとし、反強磁性膜３０１を使用しない構造であり、強磁性膜３０４と強磁性膜３０６の磁気異方性のあるいは保磁力の大きさの違いを利用してＴＭＲ比を得る積層構造を使用してもよい。例えば、Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａの積層構造を用い、それぞれの膜において適当な膜厚を選ぶことにより、図１０に示すように、熱処理温度４５０℃において、４５０％のＴＭＲ比を得る。上記ＣｏＦｅＢの組成は、Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂが４０：４０：２０（ａｔｍ％）である場合に、最大のＴＭＲ比を得ることができるが、Ｂ組成を０〜３０（ａｔｍ％）として、Ｃｏ：Ｆｅは０〜１００ａｔｍ％の間の任意の組成を選んでもよい。その組成比は表１に示すように、［Ｃｏ（１００−ｘ）Ｆｅ（ｘ）］（１００−ｙ）Ｂ（ｙ）、０＜ｘ＜１００（％）、０＜ｙ＜３０（％）の関係にある。表１は、本発明の強磁性膜に使用する可能な材料とその組成例を示した表である。上記Ｔａ以外に融点の高い非晶質膜を使用することも有効である。この場合の構造では、反強磁性膜３０１に用いられるＭｎ化合物のＭｎなどの熱拡散がないため、高い熱処理温度でさらに高いＴＭＲ比を得る事が可能となる。
【００２０】
【表１】
【００２１】
上記のように、製膜時非晶質であった強磁性膜３０４と強磁性膜３０６を熱処理により結晶化させてトンネル磁気抵抗効果素子１を作製する方法は、従来の方法とは異なる。ただし、強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、これらの強磁性膜３０６は製膜時から結晶質であり、熱処理により強磁性膜３０４のみが結晶化することになる。強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１の最大のトンネル磁気抵抗比は、それぞれ、２００％、４０％、１５０％であった。
【００２２】
［実施例２］
図２は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２は、配向制御膜３００、強磁性膜３０６、絶縁膜３０５、強磁性膜３０４、非磁性膜３０３、強磁性膜３０２、反強磁性膜３０１、保護膜３０７を積層して形成した。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２３】
本構成のトンネル磁気抵抗効果素子２では、強磁性膜３０６は、配向絶縁膜３００に隣接して作製され平坦性に優れているため、実施例１の構造に比べて強磁性膜３０６の軟磁気特性が向上する。例えば、結晶化した後のＣｏＦｅＢの保磁力が実施例１に比べて半減する。絶縁膜３０５も平坦な膜に形成される。しかし、反強磁性膜３０１がトンネル磁気抵抗効果素子２の積層方向の上方に製膜されるため、当該膜の配向性が実施例１に比べ劣化するため反強磁性結合が弱くなり、実施例１に比べ耐熱処理特性が劣化し、４００℃の熱処理によりトンネル磁気抵抗比は減少する傾向を示す。トンネル磁気抵抗効果素子２の作製方法、それぞれの膜に使用した材料は実施例１と同様である。また、このトンネル磁気抵抗効果素子２によって得られた磁気抵抗比は、実施例１とほぼ同様の２００％であった。
【００２４】
［実施例３］
図３は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子３は、図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子１の構成において、強磁性膜３０６の上に、非磁性膜３０８、強磁性膜３０９、反強磁性膜３１０、保護膜３０７を、この順に積層したものに相当する。
【００２５】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（６ｎｍ）を、強磁性膜３０９にＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、反強磁性膜３１０にＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０９のＣｏＦｅの組成比は、反強磁性膜３１０との間に反強磁性結合が安定して実現できるＣｏ組成が５０〜９０％の間で使用した。非磁性膜３０８はＲｕ（６ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の磁気的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子３の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７に使用した材料は、実施例１と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２６】
本実施例で得られた磁気抵抗比は１５０％であり、実施例１に比べ若干小さくなるが、非磁性膜３０８と強磁性膜３０９の界面で起きるスピン依存反射のため強磁性膜３０６に作用するスピントルクの効率を増大させることが可能であり、実施例１に比べスピントルク磁化反転の閾値電流密度がおよそ３分の２程度低減できる。
【００２７】
［実施例４］
図４は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子４は、図２のトンネル磁気抵抗効果素子２の構成において、強磁性膜３０６と配向制御膜３００の間に、配向制御膜３００側から反強磁性膜３１０、強磁性膜３０９、非磁性膜３０８を、この順に積層したものに相当する。
【００２８】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（６ｎｍ）を、強磁性膜３０９にＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、反強磁性膜３１０にＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０９のＣｏＦｅの組成比は、反強磁性膜３１０との間に反強磁性結合が安定して実現できるＣｏ組成が５０〜９０％の間で使用した。非磁性膜３０８はＲｕ（６ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の磁気的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子４の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７に使用した材料は、実施例２と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２９】
本実施例で得られた磁気抵抗比は１４０％であり、実施例２に比べ若干小さくなるが、非磁性膜３０８と強磁性膜３０９の界面で起きるスピン依存反射のため強磁性膜３０６に作用するスピントルクの効率を増大させることが可能であり、実施例２に比べスピントルク磁化反転の閾値電流密度がおよそ３分の２程度低減できる。
【００３０】
［実施例５］
図５は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子５は、図３に示したトンネル磁気抵抗効果素子３の構成において反強磁性膜３１０のない素子に相当する。
【００３１】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（８ｎｍ）を用いた。非磁性膜３０８はＲｕ（８ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の反強磁性的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子５の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、強磁性膜３０９、保護膜３０７に使用した材料は、実施例３と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。得られた磁気抵抗比は、実施例３とほぼ同様で１５０％程度である。
【００３２】
本構成では、実施例３と同様に強磁性膜３０６に作用するスピントラスファートルクの効率が実施例１よりも増大し、スピントランスファートルクを用いた磁化回転が低電流で実現できる。さらに、実施例３に対して反強磁性膜３１０がないため、熱処理によるＭｎの拡散が抑制され、実施例３に比べ磁気抵抗比の耐熱性が向上する。
【００３３】
［実施例６］
図６は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子６は、図４に示したトンネル磁気抵抗効果素子４の構成において反強磁性膜３１０のない素子に相当する。
【００３４】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（８ｎｍ）を用いた。非磁性膜３０８はＲｕ（８ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の反強磁性的な結合を消失できる得られる材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子６の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、強磁性膜３０９、保護膜３０７に使用した材料は、実施例４と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。得られた最大の磁気抵抗比は実施例４とほぼ同様であり、１４０％程度であった。
【００３５】
本構成では、強磁性膜３０６に作用するスピントラスファートルクの効率が実施例４よりも増大し、スピントランスファートルクを用いた磁化回転が低電流で実現できる。さらに、実施例４に対して反強磁性膜３１０がないため、熱処理によるＭｎの拡散が抑制され、実施例４に比べ磁気抵抗比の耐熱性が向上する。
【００３６】
［実施例７］
図７は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１〜実施例６に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０を搭載している。
【００３７】
Ｃ−ＭＯＳ１１は、２つのｎ型半導体１２，１３と一つのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１３には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する。上記ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２、電極４６が積層され、電極４６を介してトンネル磁気抵抗効果素子１０の配向制御膜３００が接続されている。
【００３８】
ビット線２１２は上記トンネル磁気抵抗効果素子１０の保護膜３０７に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子１０に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０６の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。また、前記のスピントランスファートルクを用いずに、ビット線２１２とワード線を兼ねる電極４７に電流を流し、その周りに作られる磁界を用いてトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０６の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録してもよい。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
【００３９】
図９は、上記磁気メモリセルを配置した不揮発性磁気メモリの構成例を示す図である。ゲート電極２３とビット線２１２がメモリセル１００に電気的に接続されている。前記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより前記磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１…トンネル磁気抵抗効果素子、２…トンネル磁気抵抗効果素子、３…トンネル磁気抵抗効果、４…トンネル磁気抵抗効果素子、５…トンネル磁気抵抗効果素子、６…トンネル磁気抵抗効果素子、１０…トンネル磁気抵抗効果素子、１１…トランジスタ、１２…第一のｎ型半導体、１３…第二のｎ型半導体、１４…ｐ型半導体、２１…ドレイン電極、２１１…書込みワード線、２１２…ビット線、２２…ソース電極、２３…ゲート電極、３００…配向制御膜、３０１…反強磁性膜、３０２…強磁性膜、３０３…非磁性膜、３０４…強磁性膜、３０５…絶縁膜、３０６…強磁性膜、３０７…保護膜、３０８…非磁性膜、３０９…強磁性膜、３１０…反強磁性膜、４１…電極、４２…電極、４３…電極、４４…電極、４５…電極、４６…電極、４７…電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力トンネル磁気抵抗素子及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、Ａｌの酸化物を絶縁膜に用いたトンネル積層膜を用いていた（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）が、Ａｌ酸化物は非晶質であるため工業的に使用するための十分な電気的出力信号を得ることができなかった。最近、絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子において、上記のＡｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られることが報告された（S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させ、情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、トンネル磁気抵抗効果素子の高出力化とトンネル磁気抵抗効果素子へのスピントランスファートルク磁化反転による書込み方式を同時に満足する技術を開発することが重要な課題である。
【０００６】
本発明は、このような要請に応えることのできるトンネル磁気抵抗効果素子及び不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性膜にＢを含むＣｏあるいはＦｅの体心立方格子をもつ化合物強磁性膜を用い、また絶縁膜に酸化マグネシウムを用いる。
【０００８】
すなわち、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、その絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする。第二の強磁性膜は、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であってもよい。また、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅの組成比（ａｔｍ％の比）が５０：５０〜７０：３０であるのが好ましい。絶縁膜にＭｇＯを適用したトンネル磁気抵抗効果素子では、図８に示すように体心立方構造が安定に存在し、かつＣｏをＦｅより多く含むことでトンネル磁気抵抗比に寄与するスピン分極率を向上できるためである。ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の強磁性膜は、膜厚が３ｎｍ以下で、Ｂを１０〜３０％ａｔｍ含有するのが好ましい。
【０００９】
本発明による磁気メモリは、トンネル磁気抵抗効果素子と、トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備える磁気メモリであり、トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、第一の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする。
【００１０】
本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリであり、磁気メモリセルは、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の第一の強磁性膜と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜と、第二の強磁性膜とが積層されたトンネル磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、高出力なトンネル磁気抵抗効果素子が得られる。また、そのトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリに装備することにより、高速かつ消費電力が極めて小さい不揮発性メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第一の構成例を示した図である。
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第二の構成例を示した図である。
【図３】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第三の構成例を示した図である。
【図４】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第四の構成例を示した図である。
【図５】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第五の構成例を示した図である。
【図６】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第六の構成例を示した図である。
【図７】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図８】ＣｏｘＦｅ１００−ｘの組成に対する結晶構造を示した図である。
【図９】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１０】本発明のトンネル磁気抵抗素子のＴＭＲ比と熱処理温度依存性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子１は、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７を積層して形成され、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はスパッタリング法を用いて作製した。
【００１５】
配向制御膜３００はＮｉＦｅ（５ｎｍ）により形成したが、Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）の２層膜など、上記反強磁性膜３０１の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することのできる他の材料を用いてもよい。反強磁性膜３０１にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は５〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなど、Ｍｎ化合物で構成される反強磁性膜を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０２にはＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、非磁性膜３０３にはＲｕ（０．８ｎｍ）を、強磁性膜３０４には体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０２のＣｏＦｅの組成比は、主としてＣｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の間で使用した。この組成範囲において、上記反強磁性膜と安定した反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４は、強磁性膜３０２と強磁性膜３０４の磁化が反強磁性結合するような材料を選択し、それぞれの膜厚は強磁性膜３０２と強磁性膜３０４の磁化の大きさが等しくなるように選択した。絶縁膜３０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜を用い、（１００）方向に配向した膜である。絶縁膜の膜厚は０．８ｎｍ〜３ｎｍの範囲で使用した。強磁性膜３０６は体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０４と強磁性膜３０６のＣｏＦｅＢのＣｏとＦｅの組成は５０：５０〜７０：３０で使用するのが好ましい。この組成範囲では、図８に示すように、体心立方構造が安定に存在し、かつ絶縁膜３０５にＭｇＯを適用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、ＣｏをＦｅより多く含むことでトンネル磁気抵抗比に寄与するスピン分極率を向上できるためである。
【００１６】
強磁性膜３０４、強磁性膜３０６に使用できるＣｏＦｅＢ及びＣｏＦｅの組成を記載した例を表１に示す。トンネル磁気抵抗効果素子１において大きなＴＭＲ比を得るには、強磁性膜３０４及び強磁性膜３０６にＣｏＦｅＢを用い、Ｃｏ組成は５０〜９０ａｔｍ％の間で使用することが望ましいが、ＣｏのＦｅに対する組成比が０〜５０ａｔｍ％の間で使用することも可能である。このＣｏ組成を使用した場合、ＴＭＲ比の大きさはＣｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の場合に比べて低下するが、トンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧依存性が改善される傾向にある。通常ＴＭＲ比は印加電圧が大きくなるにつれて減少する傾向を示すが、Ｃｏ組成０〜５０ａｔｍ％の間の組成では、その減少率が最大で半減できる。
【００１７】
上記強磁性膜３０４と強磁性膜３０６のＣｏＦｅＢは、非結晶であってもよく、適当な温度での熱処理により結晶化させてもよい。また、ＣｏＦｅＢの組成比は、体心立方格子となるＣｏ組成が４０〜６０ａｔｍ％、Ｂ組成が１０〜３０ａｔｍ％の間で使用した。さらに、強磁性膜３０６にはＣｏＦｅＢ以外に、ＣｏＦｅの単層膜、ＮｉＦｅの単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅあるいはＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅの２層膜を用いてもよい。このときのＣｏＦｅのＣｏ組成は体心立方格子が安定である５０ａｔｍ％としたが、５０〜９０％の間で使用してよい。Ｃｏ組成が大きいと、面心立方格子が安定であり、トンネル磁気抵抗比は減少するが、磁気フリー層として保磁力の小さい良好な磁気特性が実現でき、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流密度をそれぞれの磁気モーメントの大きさに対応して変化させることができる。保護膜３０７は、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の２層膜で形成した。
【００１８】
素子加工にはフォトリソグラフィーとイオンミリングを用い、０．８μｍ×１．６μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子を作製した。このように作製されたトンネル磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比は、熱処理を施すことにより増大させることが可能であり、強磁性膜３０６にＣｏＦｅＢを用いた構成では、３７５℃以上で、１時間程度の熱処理を施すことにより２５０％に達した。また、絶縁膜３０５の厚さが０．８ｎｍから３．０ｎｍの範囲では、１００％以上のトンネル磁気抵抗比を示した。また、熱処理の温度は４００℃まで上昇させても、１５０％以上の良好な磁気抵抗比を得ることが可能である。特に、熱処理によりＣｏＦｅＢは結晶化することが確認され、結晶化した後のＣｏＦｅＢが体心立方格子の結晶構造をもつ場合に、トンネル磁気抵抗比は最も大きくなった。さらに、上記酸化マグネシウムの（１００）配向膜は、非晶質の強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製することは可能であるが、多結晶構造をもつ強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製した場合、良好な（１００）配向膜を得ることは困難であり、トンネル磁気抵抗比は最大でも５０％にとどまった。したがって、強磁性膜３０４と強磁性膜３０６が結晶のＣｏＦｅＢであり、かつ絶縁膜３０５が（１００）配向の結晶の酸化マグネシウムであるトンネル磁気抵抗効果素子１で、２００％以上のトンネル磁気抵抗比が得られている素子は、必ず製膜時の強磁性膜３０４と強磁性膜３０６は非結晶のＣｏＦｅＢであって、熱処理の過程を経て作製されたものであることを示している。
【００１９】
トンネル磁気抵抗効果素子１は、強磁性膜３０４をＣｏＦｅＢ、絶縁膜３０５をＭｇＯ、強磁性膜３０６をＣｏＦｅＢとし、反強磁性膜３０１を使用しない構造であり、強磁性膜３０４と強磁性膜３０６の磁気異方性のあるいは保磁力の大きさの違いを利用してＴＭＲ比を得る積層構造を使用してもよい。例えば、Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａの積層構造を用い、それぞれの膜において適当な膜厚を選ぶことにより、図１０に示すように、熱処理温度４５０℃において、４５０％のＴＭＲ比を得る。上記ＣｏＦｅＢの組成は、Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂが４０：４０：２０（ａｔｍ％）である場合に、最大のＴＭＲ比を得ることができるが、Ｂ組成を０〜３０（ａｔｍ％）として、Ｃｏ：Ｆｅは０〜１００ａｔｍ％の間の任意の組成を選んでもよい。その組成比は表１に示すように、［Ｃｏ（１００−ｘ）Ｆｅ（ｘ）］（１００−ｙ）Ｂ（ｙ）、０＜ｘ＜１００（％）、０＜ｙ＜３０（％）の関係にある。表１は、本発明の強磁性膜に使用する可能な材料とその組成例を示した表である。上記Ｔａ以外に融点の高い非晶質膜を使用することも有効である。この場合の構造では、反強磁性膜３０１に用いられるＭｎ化合物のＭｎなどの熱拡散がないため、高い熱処理温度でさらに高いＴＭＲ比を得る事が可能となる。
【００２０】
【表１】
【００２１】
上記のように、製膜時非晶質であった強磁性膜３０４と強磁性膜３０６を熱処理により結晶化させてトンネル磁気抵抗効果素子１を作製する方法は、従来の方法とは異なる。ただし、強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、これらの強磁性膜３０６は製膜時から結晶質であり、熱処理により強磁性膜３０４のみが結晶化することになる。強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１の最大のトンネル磁気抵抗比は、それぞれ、２００％、４０％、１５０％であった。
【００２２】
［実施例２］
図２は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２は、配向制御膜３００、強磁性膜３０６、絶縁膜３０５、強磁性膜３０４、非磁性膜３０３、強磁性膜３０２、反強磁性膜３０１、保護膜３０７を積層して形成した。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２３】
本構成のトンネル磁気抵抗効果素子２では、強磁性膜３０６は、配向絶縁膜３００に隣接して作製され平坦性に優れているため、実施例１の構造に比べて強磁性膜３０６の軟磁気特性が向上する。例えば、結晶化した後のＣｏＦｅＢの保磁力が実施例１に比べて半減する。絶縁膜３０５も平坦な膜に形成される。しかし、反強磁性膜３０１がトンネル磁気抵抗効果素子２の積層方向の上方に製膜されるため、当該膜の配向性が実施例１に比べ劣化するため反強磁性結合が弱くなり、実施例１に比べ耐熱処理特性が劣化し、４００℃の熱処理によりトンネル磁気抵抗比は減少する傾向を示す。トンネル磁気抵抗効果素子２の作製方法、それぞれの膜に使用した材料は実施例１と同様である。また、このトンネル磁気抵抗効果素子２によって得られた磁気抵抗比は、実施例１とほぼ同様の２００％であった。
【００２４】
［実施例３］
図３は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子３は、図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子１の構成において、強磁性膜３０６の上に、非磁性膜３０８、強磁性膜３０９、反強磁性膜３１０、保護膜３０７を、この順に積層したものに相当する。
【００２５】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（６ｎｍ）を、強磁性膜３０９にＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、反強磁性膜３１０にＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０９のＣｏＦｅの組成比は、反強磁性膜３１０との間に反強磁性結合が安定して実現できるＣｏ組成が５０〜９０％の間で使用した。非磁性膜３０８はＲｕ（６ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の磁気的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子３の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７に使用した材料は、実施例１と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２６】
本実施例で得られた磁気抵抗比は１５０％であり、実施例１に比べ若干小さくなるが、非磁性膜３０８と強磁性膜３０９の界面で起きるスピン依存反射のため強磁性膜３０６に作用するスピントルクの効率を増大させることが可能であり、実施例１に比べスピントルク磁化反転の閾値電流密度がおよそ３分の２程度低減できる。
【００２７】
［実施例４］
図４は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子４は、図２のトンネル磁気抵抗効果素子２の構成において、強磁性膜３０６と配向制御膜３００の間に、配向制御膜３００側から反強磁性膜３１０、強磁性膜３０９、非磁性膜３０８を、この順に積層したものに相当する。
【００２８】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（６ｎｍ）を、強磁性膜３０９にＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、反強磁性膜３１０にＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０９のＣｏＦｅの組成比は、反強磁性膜３１０との間に反強磁性結合が安定して実現できるＣｏ組成が５０〜９０％の間で使用した。非磁性膜３０８はＲｕ（６ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の磁気的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子４の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、保護膜３０７に使用した材料は、実施例２と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。
【００２９】
本実施例で得られた磁気抵抗比は１４０％であり、実施例２に比べ若干小さくなるが、非磁性膜３０８と強磁性膜３０９の界面で起きるスピン依存反射のため強磁性膜３０６に作用するスピントルクの効率を増大させることが可能であり、実施例２に比べスピントルク磁化反転の閾値電流密度がおよそ３分の２程度低減できる。
【００３０】
［実施例５］
図５は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子５は、図３に示したトンネル磁気抵抗効果素子３の構成において反強磁性膜３１０のない素子に相当する。
【００３１】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（８ｎｍ）を用いた。非磁性膜３０８はＲｕ（８ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の反強磁性的な結合が消失する材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子５の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、強磁性膜３０９、保護膜３０７に使用した材料は、実施例３と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。得られた磁気抵抗比は、実施例３とほぼ同様で１５０％程度である。
【００３２】
本構成では、実施例３と同様に強磁性膜３０６に作用するスピントラスファートルクの効率が実施例１よりも増大し、スピントランスファートルクを用いた磁化回転が低電流で実現できる。さらに、実施例３に対して反強磁性膜３１０がないため、熱処理によるＭｎの拡散が抑制され、実施例３に比べ磁気抵抗比の耐熱性が向上する。
【００３３】
［実施例６］
図６は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子６は、図４に示したトンネル磁気抵抗効果素子４の構成において反強磁性膜３１０のない素子に相当する。
【００３４】
本実施例では、非磁性膜３０８にＲｕ（８ｎｍ）を用いた。非磁性膜３０８はＲｕ（８ｎｍ）以外に、強磁性膜３０６と強磁性膜３０９の間の反強磁性的な結合を消失できる得られる材料、膜厚を選択してもよい。トンネル磁気抵抗効果素子６の作製方法、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性膜３０２、非磁性膜３０３、強磁性膜３０４、絶縁膜３０５、強磁性膜３０６、強磁性膜３０９、保護膜３０７に使用した材料は、実施例４と同様である。特に強磁性膜３０６及び強磁性層膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。得られた最大の磁気抵抗比は実施例４とほぼ同様であり、１４０％程度であった。
【００３５】
本構成では、強磁性膜３０６に作用するスピントラスファートルクの効率が実施例４よりも増大し、スピントランスファートルクを用いた磁化回転が低電流で実現できる。さらに、実施例４に対して反強磁性膜３１０がないため、熱処理によるＭｎの拡散が抑制され、実施例４に比べ磁気抵抗比の耐熱性が向上する。
【００３６】
［実施例７］
図７は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１〜実施例６に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０を搭載している。
【００３７】
Ｃ−ＭＯＳ１１は、２つのｎ型半導体１２，１３と一つのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１３には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する。上記ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２、電極４６が積層され、電極４６を介してトンネル磁気抵抗効果素子１０の配向制御膜３００が接続されている。
【００３８】
ビット線２１２は上記トンネル磁気抵抗効果素子１０の保護膜３０７に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子１０に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０６の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。また、前記のスピントランスファートルクを用いずに、ビット線２１２とワード線を兼ねる電極４７に電流を流し、その周りに作られる磁界を用いてトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０６の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録してもよい。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
【００３９】
図９は、上記磁気メモリセルを配置した不揮発性磁気メモリの構成例を示す図である。ゲート電極２３とビット線２１２がメモリセル１００に電気的に接続されている。前記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより前記磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１…トンネル磁気抵抗効果素子、２…トンネル磁気抵抗効果素子、３…トンネル磁気抵抗効果、４…トンネル磁気抵抗効果素子、５…トンネル磁気抵抗効果素子、６…トンネル磁気抵抗効果素子、１０…トンネル磁気抵抗効果素子、１１…トランジスタ、１２…第一のｎ型半導体、１３…第二のｎ型半導体、１４…ｐ型半導体、２１…ドレイン電極、２１１…書込みワード線、２１２…ビット線、２２…ソース電極、２３…ゲート電極、３００…配向制御膜、３０１…反強磁性膜、３０２…強磁性膜、３０３…非磁性膜、３０４…強磁性膜、３０５…絶縁膜、３０６…強磁性膜、３０７…保護膜、３０８…非磁性膜、３０９…強磁性膜、３１０…反強磁性膜、４１…電極、４２…電極、４３…電極、４４…電極、４５…電極、４６…電極、４７…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有するトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の強磁性膜及び第二の磁性膜は、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の体心立方構造の膜であり、
前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
配向制御膜と、前記配向制御膜の上に順に積層された反強磁性膜、第三の強磁性膜、非磁性膜を有し、前記非磁性膜の上に前記第一の強磁性膜、絶縁膜及び第二の強磁性膜が順に積層され、
前記第三の強磁性膜の磁化方向は前記反強磁性膜によって固定され、前記第三の強磁性膜と前記第一の強磁性膜とは前記非磁性膜を介して反強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第二の強磁性膜の上に第二の非磁性膜と第四の強磁性膜と第二の反強磁性膜がこの順に積層され、前記第四の強磁性膜の磁化方向は前記第二の反強磁性膜によって固定されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第二の強磁性膜の上に第二の非磁性膜と第四の強磁性膜がこの順に積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
配向制御膜を有し、前記配向制御膜の上に前記第一の強磁性膜、絶縁膜及び第二の強磁性膜が順に積層され、
更に、前記第二の強磁性膜の上に非磁性膜、第三の強磁性膜、反強磁性膜が順に積層され、
前記第三の強磁性膜の磁化方向は前記反強磁性膜によって固定され、前記第三の強磁性膜と前記第一の強磁性膜とは前記非磁性膜を介して反強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項５記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記配向制御膜と前記第一の強磁性膜の間に、第二の反強磁性膜と第四の強磁性膜と第二の非磁性膜がこの順に積層され、前記第四の強磁性膜の磁化方向は前記第二の反強磁性膜によって固定されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項５記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記配向制御膜と前記第一の強磁性膜の間に、第四の強磁性膜と第二の非磁性膜がこの順に積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項８】
トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備える磁気メモリにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、前記第一の強磁性膜及び第二の磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の体心立方構造の膜であり、前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
請求項８記載の磁気メモリにおいて、スピントランスファートルクにより磁気情報を記録することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１０】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％である体心立方構造の第一の強磁性膜と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜と、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％である体心立方構造の第二の強磁性膜とが積層されたトンネル磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、スピントランスファートルクにより磁気情報を記録することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記絶縁膜は前記第二の強磁性膜の上に形成され、前記第一の強磁性膜は前記絶縁膜の上に形成されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記絶縁膜は結晶構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１】
絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有するトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の強磁性膜及び第二の磁性膜は、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の体心立方構造の膜であり、
前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
配向制御膜と、前記配向制御膜の上に順に積層された反強磁性膜、第三の強磁性膜、非磁性膜を有し、前記非磁性膜の上に前記第一の強磁性膜、絶縁膜及び第二の強磁性膜が順に積層され、
前記第三の強磁性膜の磁化方向は前記反強磁性膜によって固定され、前記第三の強磁性膜と前記第一の強磁性膜とは前記非磁性膜を介して反強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第二の強磁性膜の上に第二の非磁性膜と第四の強磁性膜と第二の反強磁性膜がこの順に積層され、前記第四の強磁性膜の磁化方向は前記第二の反強磁性膜によって固定されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第二の強磁性膜の上に第二の非磁性膜と第四の強磁性膜がこの順に積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
配向制御膜を有し、前記配向制御膜の上に前記第一の強磁性膜、絶縁膜及び第二の強磁性膜が順に積層され、
更に、前記第二の強磁性膜の上に非磁性膜、第三の強磁性膜、反強磁性膜が順に積層され、
前記第三の強磁性膜の磁化方向は前記反強磁性膜によって固定され、前記第三の強磁性膜と前記第一の強磁性膜とは前記非磁性膜を介して反強磁性結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項５記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記配向制御膜と前記第一の強磁性膜の間に、第二の反強磁性膜と第四の強磁性膜と第二の非磁性膜がこの順に積層され、前記第四の強磁性膜の磁化方向は前記第二の反強磁性膜によって固定されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項５記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記配向制御膜と前記第一の強磁性膜の間に、第四の強磁性膜と第二の非磁性膜がこの順に積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項８】
トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備える磁気メモリにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜とを有し、前記第一の強磁性膜及び第二の磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％の体心立方構造の膜であり、前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
請求項８記載の磁気メモリにおいて、スピントランスファートルクにより磁気情報を記録することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１０】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％である体心立方構造の第一の強磁性膜と、（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜と、ＣｏとＦｅとＢを含有し、Ｃｏ組成が５０〜９０ａｔｍ％である体心立方構造の第二の強磁性膜とが積層されたトンネル磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、スピントランスファートルクにより磁気情報を記録することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記絶縁膜は前記第二の強磁性膜の上に形成され、前記第一の強磁性膜は前記絶縁膜の上に形成されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記絶縁膜は結晶構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１２７５６（Ｐ２０１３−１２７５６Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８１７８３（Ｐ２０１２−１８１７８３）
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００６−１８１９７９（Ｐ２００６−１８１９７９）の分割
【原出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００６−１８１９７９（Ｐ２００６−１８１９７９）の分割
【原出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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