JP2005085821A - Magnetoresistive effect element and magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関し、より詳細には、強磁性トンネル接合型あるいはスピンバルブ型などの構造を有する磁気抵抗効果素子及びこれを用いた磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory, and more particularly to a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic tunnel junction type or spin valve type structure and a magnetic memory using the same.
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに、固体磁気メモリ(磁気抵抗効果メモリ:MRAM(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。 A magnetoresistive element using a magnetic film is used for a magnetic head, a magnetic sensor, and the like, and has been proposed to be used for a solid magnetic memory (magnetoresistance effect memory: MRAM (Magnetic Random Access Memory)). .
2つの磁性金属層の間に1層の非磁性導電層を挿入した、いわゆるスピンバルブ構造膜において、膜面に対して垂直に電流を流し、巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-Resistance effect:GMR)が得られる磁気抵抗効果素子が提案されている。 In a so-called spin-valve structure film in which one non-magnetic conductive layer is inserted between two magnetic metal layers, a current flows perpendicularly to the film surface, and a giant magneto-resistance effect (GMR) There has been proposed a magnetoresistive element capable of obtaining the above.
また近年、2つの磁性金属層の間に1層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜において、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子(Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR素子)」が提案されている。強磁性トンネル接合素子においては、20%以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから、MRAMへの民生化応用の可能性が高まってきた。 In recent years, in a sandwich structure film in which a single dielectric is inserted between two magnetic metal layers, a so-called “ferromagnetic” element is used as a magnetoresistive effect element utilizing a tunnel current by flowing a current perpendicular to the film surface. A tunnel junction element (Tunneling Magneto-Resistance effect: TMR element) has been proposed. In the ferromagnetic tunnel junction element, since the magnetoresistance change rate of 20% or more can be obtained, the possibility of civilian application to MRAM has increased.
この強磁性トンネル接合素子は、強磁性電極上に0.6nm〜2.0nm厚の薄いAl(アルミニウム)層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝すことによって、Al2O3からなるトンネルバリア層を形成することにより、実現できる。 In this ferromagnetic tunnel junction device, a thin Al (aluminum) layer having a thickness of 0.6 nm to 2.0 nm is formed on a ferromagnetic electrode, and then the surface thereof is exposed to oxygen glow discharge or oxygen gas to thereby form Al 2. This can be realized by forming a tunnel barrier layer made of O 3 .
また、この強磁性1重トンネル接合の片側一方の強磁性層に反強磁性層を付与し、片方を磁化固定層とした構造を有する強磁性1重トンネル接合が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, a ferromagnetic single tunnel junction having a structure in which an antiferromagnetic layer is provided on one ferromagnetic layer on one side of the ferromagnetic single tunnel junction and one side is a fixed magnetization layer has been proposed (for example, a patent) Reference 1).
また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性2重トンネル接合(連続膜)も提案されている。 Further, a ferromagnetic tunnel junction via magnetic particles dispersed in a dielectric and a ferromagnetic double tunnel junction (continuous film) have been proposed.
これらにおいても、20〜50%の磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、及び、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、MRAMへの応用の可能性がある。 Also in these cases, the magnetoresistance change rate of 20 to 50% can be obtained, and the magnetoresistance change rate even if the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction element is increased in order to obtain a desired output voltage value. Therefore, there is a possibility of application to MRAM.
これら強磁性1重トンネル接合あるいは強磁性2重トンネル接合を用いた磁気記録素子は、不揮発性で、書き込み読み出し時間も10ナノ秒以下と速く、書き換え回数も1015回以上というポテンシャルを有する。特に、強磁性2重トンネル接合を用いた磁気記録素子は、上述したように、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられるため、大きな出力電圧が得られ、磁気記録素子として好ましい特性を示す。 The magnetic recording device using these ferromagnetic single tunnel junction or ferromagnetic double tunnel junction is nonvolatile, fast as 10 nanoseconds or less and write read time, have the potential that the number of times of rewriting even 1015 times or more. In particular, as described above, the magnetic recording element using the ferromagnetic double tunnel junction does not decrease the magnetoresistance change rate even if the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction element is increased in order to obtain a desired output voltage value. Therefore, a large output voltage can be obtained, and preferable characteristics as a magnetic recording element can be obtained.
しかし、メモリのセルサイズに関しては、1Tr(トランジスタ)−1TMRアーキテクチャを用いた場合、半導体のDRAM(Dynamic Random Access Memory)以下にサイズを小さくできないという問題がある。 However, regarding the memory cell size, when the 1Tr (transistor) -1TMR architecture is used, there is a problem that the size cannot be reduced below that of a semiconductor dynamic random access memory (DRAM).
この問題を解決するために、ビット(bit)線とワード(word)線との間にTMRセルとダイオードを直列接続したダイオード型アーキテクチャや、ビット線とワード線の間にTMRセルを配置した単純マトリックス型アーキテクチャが提案されている。 In order to solve this problem, a diode type architecture in which a TMR cell and a diode are connected in series between a bit line and a word line, or a TMR cell is simply arranged between a bit line and a word line. A matrix architecture has been proposed.
ところで、スピンバルブ型やトンネル接合型などの磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサや磁気ヘッドあるいは磁気メモリを作成する場合、磁気抵抗効果素子の上に厚い金属層を設ける必要が生ずる場合が多い。例えば、これら磁気抵抗効果素子をMRAMに応用する場合、磁気抵抗効果素子の上側に厚い金属ハードマスク層や、金属ビア、厚いビット線などを形成する必要がある(例えば、非特許文献1及び2参照)
しかし、本発明者の検討の結果、これらスピンバルブ型やトンネル接合型などの磁気抵抗効果素子を用いて磁気センサや磁気ヘッドあるいは磁気メモリなどを形成した場合、磁化自由層(「フリー層」、「磁化容易層」などとも称される)の磁化反転のための必要なスイッチング磁界が所定値から「ばらつく」傾向があることが判明した。例えば、これら磁気抵抗効果素子をMRAMへ応用しようとした場合、書き込みの際のスイッチング磁界の「ばらつき」が大きく、クロストークなど誤動作も生じやすくなり、大容量化するとその確率がさらに増えて歩留まりが悪くなるという問題があることが判明した。 However, as a result of the study by the present inventors, when a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic memory, or the like is formed using a magnetoresistive effect element such as a spin valve type or a tunnel junction type, a magnetization free layer (“free layer”, It has been found that the switching magnetic field necessary for the magnetization reversal of the “easy magnetization layer” or the like tends to “vari” from a predetermined value. For example, when these magnetoresistive elements are applied to MRAM, the “variation” of the switching magnetic field at the time of writing is large, and malfunctions such as crosstalk are likely to occur. When the capacity is increased, the probability further increases and the yield increases. It turns out that there is a problem of getting worse.
そして、本発明者のさらなる検討の結果、このようなスイッチング磁界の「ばらつき」を誘発する原因のひとつは、磁気抵抗効果素子の上側に厚い導電層を形成することにあることが分かった。例えば、磁気抵抗効果素子の上に、前述の如く、厚い金属ハードマスク層や金属ビア、厚いビット線のなどを形成すると、フリー層に歪が導入されやすく、その結果生ずる磁歪がスイッチング磁界の「ばらつき」を誘発することが分かった。 As a result of further studies by the present inventors, it has been found that one of the causes for causing such “variation” of the switching magnetic field is to form a thick conductive layer on the upper side of the magnetoresistive effect element. For example, if a thick metal hard mask layer, a metal via, a thick bit line, or the like is formed on the magnetoresistive effect element as described above, strain is easily introduced into the free layer. It was found to induce "variation".
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、フリー層のスイッチング磁界の「ばらつき」を抑えることができる磁気抵抗効果素子及びこれを用いた磁気メモリを提供することにある。 The present invention has been made based on recognition of such a problem, and an object thereof is to provide a magnetoresistive effect element capable of suppressing “variation” of a switching magnetic field of a free layer and a magnetic memory using the same. It is in.
上記課題を解決するために、本発明によれば、磁化方向が実質的に一方向に固着された第1の強磁性体膜を含む磁化固着層と、前記磁化固着層の上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層の上に設けられ、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第2の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化自由層の上に設けられた非結晶質の導電層と、を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to the present invention, a magnetization pinned layer including a first ferromagnetic film whose magnetization direction is substantially pinned in one direction and the magnetization pinned layer are provided. A nonmagnetic layer, a magnetization free layer provided on the nonmagnetic layer and including a second ferromagnetic film whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field, and provided on the magnetization free layer There is provided a magnetoresistive effect element comprising an amorphous conductive layer.
また、本発明によれば、上述の磁気抵抗効果素子を備え、前記磁化自由層の磁化方向を制御することにより情報を記録することを特徴とする磁気メモリが提供される。 According to the present invention, there is provided a magnetic memory comprising the above-described magnetoresistive element and recording information by controlling the magnetization direction of the magnetization free layer.
または、本発明によれば、第1の方向に延在する第1の配線と、前記第1の配線の上に設けられた上述の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の上において、前記第1の方向と交差する方向に延在する第2の配線と、を備え、前記第1及び第2の配線にそれぞれ電流を流すことにより形成される磁界によって前記磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の磁化方向を制御することにより2値情報のいずれかを記録することを特徴とする磁気メモリが提供される。 Alternatively, according to the present invention, the first wiring extending in the first direction, the above-described magnetoresistive effect element provided on the first wiring, and the magnetoresistive effect element, A second wiring extending in a direction crossing the first direction, and the magnetization of the magnetoresistive effect element by a magnetic field formed by flowing a current through each of the first and second wirings There is provided a magnetic memory characterized in that any of binary information is recorded by controlling the magnetization direction of the free layer.
なお、本願明細書において、「非結晶質」とは、単結晶状態または多結晶状態ではなく、アモルファス(非晶質)または、アモルファスの中に微細結晶が分散した状態を意味するものとする。アモルファスの中に微細結晶が分散した状態の場合、例えば、X線回折により、結晶質のピークが実質的に観察されないものは、「非結晶質」ということができる。 In the present specification, “non-crystalline” means not a single crystal state or a polycrystalline state but means an amorphous state (amorphous) or a state in which fine crystals are dispersed in an amorphous state. In a state where fine crystals are dispersed in an amorphous state, for example, a crystalline peak that is not substantially observed by X-ray diffraction can be referred to as “amorphous”.
以上詳述したように、本発明によれば、磁気抵抗効果素子のフリー層におけるスイッチング磁界の「ばらつき」を低減できるので、大容量の磁気不揮発性メモリや高感度の磁気ヘッドなどを実現することができ、産業上のメリットは多大である。 As described above in detail, according to the present invention, since the “variation” of the switching magnetic field in the free layer of the magnetoresistive effect element can be reduced, a large-capacity magnetic nonvolatile memory, a highly sensitive magnetic head, and the like can be realized. And there are significant industrial advantages.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を例示する模式図である。すなわち、本具体例は、トンネル接合型の磁気抵抗効果素子であり、下側電極LEの上に、反強磁性層AF、ピン層(磁化固着層)PL、トンネルバリア層TL、フリー層(磁化自由層)FLがこの順に積層された構造を有する。 FIG. 1 is a schematic view illustrating the cross-sectional structure of a magnetoresistive element according to an embodiment of the invention. That is, this specific example is a tunnel junction type magnetoresistive effect element. On the lower electrode LE, an antiferromagnetic layer AF, a pinned layer (magnetization pinned layer) PL, a tunnel barrier layer TL, a free layer (magnetization). The free layer (FL) has a structure in which the layers are stacked in this order.
そしてさらに、本実施形態においては、フリー層FLの上に、非結晶質の導電層ALが積層されている。導電層ALは、後に詳述するように、ハードマスク層、キャップ層、ビア層、あるいは上側電極などとして設けられている。そして、導電層ALは、単結晶または多結晶体ではなく、アモルファス(非晶質)または、アモルファスの中に微細結晶が分散した構造を有する。このような導電層ALを設けることにより、フリー層FLに歪みが導入されることを阻止し、磁歪によるフリー層FLのスイッチング磁界(磁化反転のために必要な磁界)の「ばらつき」の発生を抑止することができる。 Furthermore, in the present embodiment, an amorphous conductive layer AL is laminated on the free layer FL. As will be described in detail later, the conductive layer AL is provided as a hard mask layer, a cap layer, a via layer, an upper electrode, or the like. The conductive layer AL is not a single crystal or a polycrystal, but has an amorphous structure or a structure in which fine crystals are dispersed in an amorphous state. By providing such a conductive layer AL, distortion is prevented from being introduced into the free layer FL, and “variation” of the switching magnetic field (magnetic field necessary for magnetization reversal) of the free layer FL due to magnetostriction is generated. Can be deterred.
図2は、比較例として、フリー層FLの上に、結晶質の導電層CLが積層された磁気抵抗効果素子を表す。各層の厚みついて説明すると、通常、下側電極LEの厚みは、30ナノメータ程度であり、反強磁性層AFからフリー層FLまでの厚みの合計は30ナノメータ程度である。これに対して、ハードマスク層やキャップ層などとして導電層CLを形成する場合、その厚みは、100ナノメータ以上とする場合が多い。またさらに、ビア層や上側電極などとして導電層CLを設ける場合、その厚みは300ナノメータ以上とすることもある。 FIG. 2 shows a magnetoresistive effect element in which a crystalline conductive layer CL is stacked on a free layer FL as a comparative example. The thickness of each layer will be described. Usually, the thickness of the lower electrode LE is about 30 nanometers, and the total thickness from the antiferromagnetic layer AF to the free layer FL is about 30 nanometers. On the other hand, when the conductive layer CL is formed as a hard mask layer or a cap layer, the thickness is often 100 nanometers or more. Furthermore, when the conductive layer CL is provided as a via layer or an upper electrode, the thickness may be 300 nanometers or more.
このように、フリー層FLの上に結晶質の厚い導電層CLを積層すると、フリー層FLに歪が導入される。この歪は、磁性体からなるフリー層FLに対して磁歪として作用し、フリー層FLの磁化Mが反転する磁界を変化させる。つまり、結晶質の導電層CLを積層させた場合、フリー層FLに磁歪が作用して、その反転磁界が変化してしまう。このため、磁気センサや磁気ヘッドあるいは磁気メモリなどを形成した場合に、その感度が変動したり、メモリセル毎に反転磁界がばらつくなどの問題が生ずる。 Thus, when the crystalline thick conductive layer CL is laminated on the free layer FL, strain is introduced into the free layer FL. This strain acts as a magnetostriction on the free layer FL made of a magnetic material, and changes the magnetic field at which the magnetization M of the free layer FL is reversed. That is, when the crystalline conductive layer CL is laminated, magnetostriction acts on the free layer FL, and the switching magnetic field changes. For this reason, when a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic memory, or the like is formed, there arises a problem that the sensitivity varies or the reversal magnetic field varies from one memory cell to another.
これに対して、本発明者は、フリー層FLの上に、結晶質の導電層CLの代わりに非結晶質の導電層ALを積層することにより、このような歪によるフリー層のスイッチング磁界の「ばらつき」の問題を解消できることを見いだした。すなわち、導電層を結晶質ではなく非結晶質に形成すると、歪を緩和する作用が顕著となる。このため、非結晶質の導電層ALを積層することにより、フリー層FLに比べて極端に厚く形成される上層のビット線やハードマスク、あるいはビアなどから印加される歪を効果的に緩和することができる。その結果として、磁歪の発生を大幅に低減させ、フリー層FLのスイッチング磁界の「ばらつき」を抑制することができる。 On the other hand, the present inventor has laminated the amorphous conductive layer AL instead of the crystalline conductive layer CL on the free layer FL, so that the switching magnetic field of the free layer due to such strain is reduced. We found that the problem of "variation" can be solved. That is, when the conductive layer is formed in an amorphous rather than a crystalline state, the effect of relaxing the strain becomes remarkable. For this reason, by laminating the amorphous conductive layer AL, the strain applied from the upper bit line, hard mask, or via, which is formed to be extremely thick compared to the free layer FL, is effectively reduced. be able to. As a result, the occurrence of magnetostriction can be greatly reduced, and the “variation” of the switching magnetic field of the free layer FL can be suppressed.
非結晶質の導電層ALの材料としては、(Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W)の少なくとも1元素と、(Pt,Pd,Ru,Rh,Ir,Os,Re,Au,Al)の少なくとも1元素を含む合金を用いることができる。
または、導電層ALの材料としては、(Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W)の少なくとも1元素と、(Fe, Ni,Cr,Cu)の少なくとも1元素を含む合金を用いることもできる。
または、導電層ALの材料としては、(Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)の少なくとも1元素と、(Pt,Pd,Ru,Rh,Ir,Os,Re,Au,Al) の少なくとも1元素を含む合金を用いることもできる。
As the material of the amorphous conductive layer AL, at least one element of (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W), (Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Os, An alloy containing at least one element of (Re, Au, Al) can be used.
Alternatively, the material of the conductive layer AL includes at least one element of (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W) and at least one element of (Fe, Ni, Cr, Cu). An alloy can also be used.
Alternatively, as the material of the conductive layer AL, at least one element of (Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) and (Pt, Pd, Ru, An alloy containing at least one element of Rh, Ir, Os, Re, Au, Al) can also be used.
または、導電層ALの材料としては、インジウム・チタン合金の酸化物(Indium-Titan-Oxide)や、インジウム亜鉛合金の酸化物(Indium-Zinc-Oxide)などの酸化物導電体を用いることもできる。 Alternatively, an oxide conductor such as an oxide of indium / titanium alloy (Indium-Titan-Oxide) or an oxide of indium zinc alloy (Indium-Zinc-Oxide) can be used as the material of the conductive layer AL. .
導電層ALの材料として、上述した合金や酸化物導電体を用いると、スイッチング磁界の「ばらつき」は著しく低減した。これは、上述した合金や酸化物導電体の場合、結晶質の材料からなる層(例えば、フリー層FL)の上に堆積した場合でも、非結晶質状に形成することが容易だからである。さらにまた、これらの合金や酸化物導電体は、膜堆積後に摂氏400度で2時間程度アニールしても、X線的にみて非結晶質状態を維持し、再結晶化しない。したがって、これら合金や酸化物導電体を用いると、シンターアニールなどの加熱プロセスの後でもウェーハ内に均一にアモルファス層が維持され、良好なスイッチング磁界特性を得ることができる。 When the above-described alloy or oxide conductor is used as the material of the conductive layer AL, the “variation” of the switching magnetic field is remarkably reduced. This is because in the case of the above-described alloy or oxide conductor, even when deposited on a layer made of a crystalline material (for example, the free layer FL), it is easy to form it in an amorphous state. Furthermore, even if these alloys and oxide conductors are annealed at 400 degrees Celsius for about 2 hours after film deposition, they remain in an amorphous state in terms of X-rays and do not recrystallize. Therefore, when these alloys and oxide conductors are used, an amorphous layer is uniformly maintained in the wafer even after a heating process such as sintering annealing, and good switching magnetic field characteristics can be obtained.
トンネル接合型の磁気抵抗効果素子の平面形状アスペクト比が、(長軸/短軸)>3の場合には、形状磁気異方性が大きくなるため、フリー層FLのスイッチング磁界の「ばらつき」は、ある程度抑えられる。これに対して、磁気メモリの大容量化に必須な低アスペクトの場合(すなわち、トンネル接合型の磁気抵抗効果素子の平面形状アスペクト比が、(長軸/短軸)<3である場合)には、非結晶質の導電層ALを設けることにより、スイッチング磁界の「ばらつき」を抑制する効果が顕著に得られる。 When the planar shape aspect ratio of the tunnel junction type magnetoresistive effect element is (major axis / minor axis)> 3, since the shape magnetic anisotropy becomes large, the “variation” of the switching magnetic field of the free layer FL is To some extent. On the other hand, in the case of a low aspect that is essential for increasing the capacity of the magnetic memory (that is, when the planar shape aspect ratio of the tunnel junction type magnetoresistive effect element is (long axis / short axis) <3). By providing the amorphous conductive layer AL, the effect of suppressing the “variation” of the switching magnetic field can be remarkably obtained.
これらの磁気抵抗効果素子において、ピン層PL、フリー層FLとして用いることができる強磁性体としては、例えば、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)またはこれらの合金や、(Co,Fe,Ni)−(Si,B)系またはCo−(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)などのアモルファス材料、(Fe,Co)−(B,Si,Hf,Zr,Sm,Ta,Al)−(F,O,N)系などの金属−非金属ナノグラニュラー膜、スピン分極率の大きいマグネタイト、CrO2、RXMnO3−y(ここでRは希土類、XはCa(カルシウム)、Ba(バリウム)、Sr(ストロンチウム)のいずれかを表す)などの酸化物、あるいは、NiMnSb(ニッケル・マンガン・アンチモン)、PtMnSb(白金マンガン・アンチモン)、(CoFe)−Cr−Al(コバルト鉄・クロム・アルミ)などのホイスラー合金などを挙げることができる。 In these magnetoresistive elements, examples of the ferromagnetic material that can be used as the pinned layer PL and the free layer FL include Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), or alloys thereof, and (Co , Fe, Ni)-(Si, B) system or amorphous material such as Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti), (Fe, Co)-(B, Si, Hf, Zr, Sm, Ta, Metal-non-metallic nano - granular films such as Al)-(F, O, N), magnetite with high spin polarizability, CrO 2 , RXMnO 3-y (where R is rare earth, X is Ca (calcium), Ba ( Oxides such as barium) and Sr (strontium)), or NiMnSb (nickel, manganese, antimony), PtMnSb (platinum manganese, antimony) And Heusler alloys such as (CoFe) -Cr-Al (cobalt iron / chromium / aluminum).
これらの材料からなるピン層PLは、一方向異方性を有することが望ましい。また、フリー層FLは、一軸異方性を有することが望ましい。また、それらの厚さは、0.1ナノメータ以上100ナノメータ以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、これら強磁性体からなる層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、0.4ナノメータ以上であることがより望ましい。 The pinned layer PL made of these materials desirably has unidirectional anisotropy. The free layer FL preferably has uniaxial anisotropy. Moreover, it is preferable to make those thickness into the range of 0.1 nanometer or more and 100 nanometer or less. Further, the thickness of the layer made of the ferromagnetic material needs to be a thickness that does not become superparamagnetic, and is more preferably 0.4 nanometers or more.
また、ピン層PLとして用いる強磁性層には、反強磁性層AFを付加して磁化を固着することが望ましい。そのような反強磁性層AFの材料としては、Fe(鉄)−Mn(マンガン)、Pt(白金)−Mn(マンガン)、Pt(白金)−Cr(クロム)−Mn(マンガン)、Ni(ニッケル)−Mn(マンガン)、Ir(イリジウム)−Mn(マンガン)、NiO(酸化ニッケル)、Fe2O3(酸化鉄)などを挙げることができる。 Further, it is desirable to add an antiferromagnetic layer AF to the ferromagnetic layer used as the pinned layer PL to fix the magnetization. As a material of such an antiferromagnetic layer AF, Fe (iron) -Mn (manganese), Pt (platinum) -Mn (manganese), Pt (platinum) -Cr (chromium) -Mn (manganese), Ni ( nickel) -Mn (manganese), Ir (iridium) -Mn (manganese), NiO (nickel oxide), Fe 2 O 3 (iron oxide) and the like.
また、これら磁性体には、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)、B(ボロン)などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。 These magnetic materials include Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Mg (magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B ( Boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), Nb ( By adding a nonmagnetic element such as niobium or B (boron), the magnetic properties can be adjusted, and various physical properties such as crystallinity, mechanical properties, and chemical properties can be adjusted.
一方、ピン層PLや、フリー層FLとして、強磁性層と非磁性層との積層膜を用いても良い。例えば、強磁性層/非磁性層/強磁性層という3層構造または、3層以上の多層膜を用いることができる。この場合、非磁性層を介して両側の強磁性層に相互作用が弱い強磁性的または反強磁性的な層間の相互作用が働いていることが望ましい。 On the other hand, a laminated film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer may be used as the pinned layer PL or the free layer FL. For example, a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer or a multilayer film of three or more layers can be used. In this case, it is desirable that the interaction between the ferromagnetic or antiferromagnetic layers having weak interaction acts on the ferromagnetic layers on both sides via the nonmagnetic layer.
より具体的には、磁性層を一方向に固着する方法として、Co(Co−Fe)/Ru(ルテニウム)/Co(Co−Fe)、 Co(Co−Fe)/Ir(イリジウム)/Co(Co−Fe)、 Co(Co−Fe)/Os(オスミウム)/Co(Co−Fe)、Co(Co−Fe)/Re(レニウム)/Co(Co−Fe)、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ru(ルテニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、 Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ir(イリジウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、 Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Os(オスミウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Re(レニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、などの3層構造の積層膜を用いることができる。 More specifically, as a method for fixing the magnetic layer in one direction, Co (Co—Fe) / Ru (ruthenium) / Co (Co—Fe), Co (Co—Fe) / Ir (iridium) / Co ( Co-Fe), Co (Co-Fe) / Os (osmium) / Co (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Re (rhenium) / Co (Co-Fe), Co-Fe-B, etc. Amorphous material layer / Amorphous material layer such as Ru (ruthenium) / Co—Fe—B, Amorphous material layer such as Co—Fe—B / Amorphous material layer such as Ir (iridium) / Co—Fe—B, Co—Fe -B or other amorphous material layer / Os (osmium) / Amorphous material layer such as Co-Fe-B, Co-Fe-B or other amorphous material layer / Re (rhenium) / Co-Fe- Amorphous material layer such as, can be used a three-layer structure laminate film of such.
これら積層膜をピン層PLとして用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Fe−Mn、Pt−Mn、Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Ir−Mn、NiO、Fe2O3などを用いることができる。この構造を用いると、ピン層PLの磁化が、磁気メモリのビット線やワード線からの電流磁界の影響をより受け難く、しっかりと磁化が固着される。また、ピン層PLからの漏洩磁界(stray field)を減少(あるいは調節)でき、ピン層PLを形成する2層の強磁性層の膜厚を変えることにより、磁気記録層(フリー層FL)の磁化シフトを調整することができる。 When these laminated films are used as the pinned layer PL, it is desirable to further provide an antiferromagnetic layer adjacent thereto. As the antiferromagnetic layer in this case, Fe—Mn, Pt—Mn, Pt—Cr—Mn, Ni—Mn, Ir—Mn, NiO, Fe 2 O 3 or the like may be used as described above. it can. When this structure is used, the magnetization of the pinned layer PL is less affected by the current magnetic field from the bit line or word line of the magnetic memory, and the magnetization is firmly fixed. Further, the stray field from the pinned layer PL can be reduced (or adjusted), and the magnetic recording layer (free layer FL) can be changed by changing the film thickness of the two ferromagnetic layers forming the pinned layer PL. The magnetization shift can be adjusted.
さらに、この強磁性層の膜厚も、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、0.4ナノメータ以上であることがより望ましい。 Furthermore, the thickness of the ferromagnetic layer needs to be a thickness that does not become superparamagnetic, and is more preferably 0.4 nanometers or more.
また、フリー層FLとして、軟磁性層/強磁性層という2層構造、または、強磁性層/軟磁性層/強磁性層という3層構造を用いても良い。フリー層FLとして、強磁性層/非磁性層/強磁性層という3層構造、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層という5層構造を用いて、強磁性層の層間の相互作用の強さを制御することにより、メモリセルであるフリー層(磁気記録層)FLのセル幅がサブミクロン以下になった場合でも、電流磁界の消費電力を増大させずに済むというより好ましい効果が得られる。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもよい。 Further, as the free layer FL, a two-layer structure of soft magnetic layer / ferromagnetic layer or a three-layer structure of ferromagnetic layer / soft magnetic layer / ferromagnetic layer may be used. As the free layer FL, a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer and a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer are used. By controlling the strength of the interaction between the layers, even when the cell width of the free layer (magnetic recording layer) FL, which is a memory cell, becomes submicron or less, the power consumption of the current magnetic field is not increased. A more favorable effect can be obtained. At this time, the type and film thickness of the ferromagnetic layer may be changed.
また、フリー層FLとして、これら積層構造を採用した場合、トンネルバリア層TLに接した強磁性層にはMRが大きくなるCo−Fe,Co−Fe−Ni、FeリッチNi−Feなどを用い、トンネルバリア層TLと接していない強磁性層にはNiリッチNi−Fe,NiリッチNi−Fe−Coなどを用いると、MRを大きく保ったままスイッチング磁界を低減でき、より好ましい。 Further, when these laminated structures are adopted as the free layer FL, Co—Fe, Co—Fe—Ni, Fe-rich Ni—Fe, or the like that increases MR is used for the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer TL. It is more preferable to use Ni-rich Ni—Fe, Ni-rich Ni—Fe—Co or the like for the ferromagnetic layer that is not in contact with the tunnel barrier layer TL because the switching magnetic field can be reduced while maintaining a large MR.
これら積層構造における非磁性材料としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスミウム),Re(レニウム),Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)、またはそれら合金を用いることができる。 Nonmagnetic materials in these laminated structures include Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osmium), Re (rhenium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), Nb (niobium) or an alloy thereof can be used.
また、強磁性層においても、上述した磁性体に、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスミウム),Re(レニウム),Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。 Also in the ferromagnetic layer, the above-mentioned magnetic materials are Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osmium), Re (rhenium), Mg. (Magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (Zirconium), Ir (Iridium), W (Tungsten), Mo (Molybdenum), Nb (Niobium) and other non-magnetic elements are added to adjust the magnetic properties, and in addition, crystallinity, mechanical properties, chemistry Various physical properties such as physical properties can be adjusted.
一方、ピン層PLとフリー層FLとの間に設けられるトンネルバリア層TLの材料としては、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)、MgO(酸化マグネシウム)、AlN(窒化アルミニウム)、Bi2O3(酸化ビスマス)、MgF2(フッ化マグネシウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SrTiO2(酸化チタン・ストロンチウム)、AlLaO3(酸化ランタン・アルミニウム)、Al−N−O(酸化窒化アルミニウム)などの各種の絶縁体(誘電体)を用いることができる。 On the other hand, the material of the tunnel barrier layer TL provided between the pinned layer PL and the free layer FL is Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 (silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride). ), Bi 2 O 3 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 2 (titanium oxide / strontium), AlLaO 3 (lanthanum oxide / aluminum), Al—N—O Various insulators (dielectrics) such as (aluminum oxynitride) can be used.
これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、トンネルバリア層TLの厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄いこと望ましく、実際上は、10nm以下であることが望ましい。 These compounds do not need to have a completely accurate composition in terms of stoichiometry, and may be deficient or excessive or deficient in oxygen, nitrogen, fluorine, or the like. Further, the thickness of the tunnel barrier layer TL is desirably thin enough to allow a tunnel current to flow, and in practice, desirably 10 nm or less.
このような磁気抵抗効果素子は、スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの各種の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することができる。この場合の基板としては、例えば、Si(シリコン)、SiO2(酸化シリコン)、Al2O3(酸化アルミニウム)、スピネル、AlN(窒化アルミニウム)など各種の材料からなる基板を用いることができる。 Such a magnetoresistive element can be formed on a predetermined substrate by using various thin film forming means such as a sputtering method, a vapor deposition method, and a molecular beam epitaxial method. As the substrate in this case, for example, substrates made of various materials such as Si (silicon), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), spinel, AlN (aluminum nitride) can be used.
また、基板の上に、下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Au(金)、Ti(チタン)/Pt(白金)、Ta(タンタル)/Pt(白金)、Ti(チタン)/Pd(パラジウム)、Ta(タンタル)/Pd(パラジウム)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)‐Cu(銅)、Ru(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Os(オスミウム)などからなる層を設けてもよい。 Moreover, Ta (tantalum), Ti (titanium), Pt (platinum), Pd (palladium), Au (gold), Ti (titanium) / Pt (as a base layer, a protective layer, a hard mask, etc. on the substrate. Platinum), Ta (tantalum) / Pt (platinum), Ti (titanium) / Pd (palladium), Ta (tantalum) / Pd (palladium), Cu (copper), Al (aluminum) -Cu (copper), Ru ( A layer made of ruthenium), Ir (iridium), Os (osmium), or the like may be provided.
以上、本発明の実施の形態にかかるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子材料について説明した。
次に、本発明の実施の形態にかかるスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子について説明する。
図3は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を例示する模式図である。すなわち、本具体例は、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子であり、下側電極LEの上に、反強磁性層AF、ピン層(磁化固着層)PL、スペーサ層SL、フリー層(磁化自由層)FLがこの順に積層された構造を有する。
The tunnel junction type magnetoresistive element material according to the embodiment of the present invention has been described above.
Next, a spin valve magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic view illustrating the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the invention. That is, this example is a spin valve type magnetoresistive effect element, and on the lower electrode LE, an antiferromagnetic layer AF, a pinned layer (magnetization pinned layer) PL, a spacer layer SL, a free layer (magnetization free). Layer) FL is laminated in this order.
そして、本実施形態においても、フリー層FLの上に、非結晶質の導電層ALが積層されている。導電層ALは、図1に関して前述したように、ハードマスク層、キャップ層、ビア層、あるいは上側電極などとして設けられている。本具体例においても、導電層ALは、単結晶または多結晶体ではなく、アモルファス(非晶質)または、アモルファスの中に微細結晶が分散した構造を有する。このような導電層ALを設けることにより、フリー層FLに歪みが導入されることを阻止し、磁歪によるフリー層FLのスイッチング磁界の「ばらつき」の発生を抑止することができる。 Also in this embodiment, the amorphous conductive layer AL is laminated on the free layer FL. As described above with reference to FIG. 1, the conductive layer AL is provided as a hard mask layer, a cap layer, a via layer, an upper electrode, or the like. Also in this specific example, the conductive layer AL is not a single crystal or a polycrystal, but has an amorphous (amorphous) or a structure in which fine crystals are dispersed in an amorphous. By providing such a conductive layer AL, it is possible to prevent strain from being introduced into the free layer FL, and to suppress the occurrence of “variation” of the switching magnetic field of the free layer FL due to magnetostriction.
スピンバルブ型の素子の場合には、ピン層PLとフリー層FLとの間に、これらの磁気結合を遮断するためのスペーサ層SLが設けられている。ピン層PLは、その磁化Mが所定の方向に固着されている。フリー層FLは、その磁化Mが外部から印加される磁界に応じて変化しうる。そして、ピン層PLとフリー層FLの磁化の相対的な方向に応じて、その素子を流れるセンス電流に対する抵抗が変化する。 In the case of a spin valve type element, a spacer layer SL for blocking these magnetic couplings is provided between the pinned layer PL and the free layer FL. The pinned layer PL has its magnetization M fixed in a predetermined direction. The free layer FL can change its magnetization M according to a magnetic field applied from the outside. The resistance to the sense current flowing through the element changes according to the relative directions of magnetization of the pinned layer PL and the free layer FL.
本具体例においても、ピン層PL及びフリー層FLは、図1に関して前述したものと同様の材料、構成を有するものとすることができる。一方、スペーサ層SLは、導電性の非磁性材料により形成されている。すなわち、スペーサ層SLを構成する材料としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスミウム),Re(レニウム),Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)、またはそれら合金などを挙げることができる。 Also in this specific example, the pinned layer PL and the free layer FL can have the same material and configuration as those described above with reference to FIG. On the other hand, the spacer layer SL is formed of a conductive nonmagnetic material. That is, as a material constituting the spacer layer SL, Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osmium), Re (rhenium), Si (silicon) ), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum) ), Nb (niobium), or alloys thereof.
またさらに、スペーサ層SLは、非磁性であり、且つ、絶縁性の部分と導電性の部分とを有するものとすることもできる。つまり、センス電流を膜面に対して垂直方向に流した場合(current perpendicular to plane:CPP)に、スペーサ層SLに局所的に形成された導電性の部分がピン層PLとフリー層FLとを接続する電流経路として機能するようにしてもよい。このようにすると、CPP型のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子において、素子の抵抗値を適度に増加させ、大きな磁気抵抗変化を得ることが容易となる。 Furthermore, the spacer layer SL may be nonmagnetic and have an insulating portion and a conductive portion. In other words, when a sense current is passed in a direction perpendicular to the film surface (current perpendicular to plane: CPP), the conductive portions locally formed in the spacer layer SL form the pinned layer PL and the free layer FL. It may function as a current path to be connected. Thus, in the CPP type spin valve magnetoresistive effect element, it becomes easy to appropriately increase the resistance value of the element and obtain a large magnetoresistance change.
以上、図1乃至図3を参照しつつ、本発明を適用したトンネル接合型及びスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子について説明した。 The tunnel junction type and spin valve type magnetoresistive elements to which the present invention is applied have been described above with reference to FIGS. 1 to 3.
次に、これら磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリのセル構造について具体例を挙げて説明する。 Next, a cell structure of a magnetic memory using these magnetoresistive effect elements will be described with a specific example.
図4は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリのセル構造を表す模式断面図である。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the cell structure of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention.
すなわち、同図は、MOSトランジスタを用いた場合のメモリのアーキテクチャを表す。本具体例の場合、下部選択トランジスタTrの主電極が磁気抵抗効果素子10の下側電極LEに接続されている。下側電極LEの上には、バッファ層(下地層)BFが設けられている。また、磁気抵抗効果素子10の下方には、これと絶縁されたワード線WLが配線されている。一方、磁気抵抗効果素子10の上側電極は、ワード線WLと略直交して配線されたビット線BLに接続されている。そして、磁気抵抗効果素子10のフリー層FLの上には、非結晶質の導電層ALがキャップ層として形成され、その上に形成されたハードマスクあるいはビアXLを介してビット線BLに接続されている。
That is, the figure shows the architecture of the memory when MOS transistors are used. In this specific example, the main electrode of the lower select transistor Tr is connected to the lower electrode LE of the
一方、ワード線WL及びビット線BLの側面と、磁気抵抗効果素子10からみた反対側の壁面には、磁性材料からなる磁性被覆層SMが設けられている。これら磁性被覆層SMは、ビット線BL、ワード線WLをそれぞれ磁気的にシールドし、電流磁界の漏洩を防止するとともに、電流磁界が磁気抵抗効果素子10のフリー層FLに効率的に印加されるように「磁気ヨーク」の役割も有する。
On the other hand, a magnetic coating layer SM made of a magnetic material is provided on the side surfaces of the word line WL and the bit line BL and on the opposite wall surface viewed from the
データの読み出しは、下部選択トランジスタTrをオン(ON)にし、磁気抵抗効果素子10を介してビット線BLにセンス電流を流すことにより実行する。一方、データの書きこみは、略直交するビット線BLとワード線WLとにそれぞれ書き込み電流を流し、これらの生ずる電流磁場の合成磁界を磁気抵抗効果素子10のフリー層FLに印加してその磁化を反転させることにより行う。
Data reading is performed by turning on the lower selection transistor Tr and flowing a sense current to the bit line BL via the
そして、本発明によれば、フリー層FLの上に非結晶質の導電層ALを設けることにより、その上に形成されるハードマスクあるいはビアXLからフリー層FLに歪みが導入されることを防ぐことができる。その結果として、フリー層FLにおける磁歪の発生を防ぎ、スイッチング磁界の「ばらつき」を解消することができる。
なお、図4においては、ビット線BLとワード線WLに磁性被覆層SMが設けられている例を表したが、本発明はこれに限定されず、磁性被覆層SMを設けなくてもよい。
According to the present invention, by providing the amorphous conductive layer AL on the free layer FL, it is possible to prevent distortion from being introduced into the free layer FL from the hard mask or via XL formed thereon. be able to. As a result, it is possible to prevent the occurrence of magnetostriction in the free layer FL and eliminate the “variation” of the switching magnetic field.
Although FIG. 4 shows an example in which the magnetic coating layer SM is provided on the bit line BL and the word line WL, the present invention is not limited to this, and the magnetic coating layer SM may not be provided.
図5は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリのセル構造の第2の具体例を表す模式断面図である。同図については、図1乃至図4に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、図5も、MOSトランジスタを用いた場合のメモリのアーキテクチャを表す。 FIG. 5 is a schematic sectional view showing a second specific example of the cell structure of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. In the figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. That is, FIG. 5 also shows a memory architecture when MOS transistors are used.
本具体例の場合、フリー層FLの上に設けられる非結晶質の導電層ALがハードマスクあるいはビアとしての役割を有する。そして、その上にビット線BLが接続されている。本具体例の場合、導電層ALの膜厚は、100ナノメータあるいはそれ以上となる場合もある。このように厚い非結晶質の導電層ALをフリー層FLの上に設けることにより、その上に形成する厚い(300ナノメータ以上とする場合もある)ビット線BLからフリー層FLへの歪みの導入を防ぐことができる。その結果として、その結果として、フリー層FLにおける磁歪の発生を防ぎ、スイッチング磁界の「ばらつき」を解消することができる。
図6は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリのセル構造の第3の具体例を表す模式断面図である。同図についても、図1乃至図5に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
In this specific example, the amorphous conductive layer AL provided on the free layer FL serves as a hard mask or a via. Then, a bit line BL is connected thereto. In the case of this specific example, the film thickness of the conductive layer AL may be 100 nanometers or more. By providing such a thick non-crystalline conductive layer AL on the free layer FL, strain is introduced into the free layer FL from the thick bit line BL (which may be 300 nanometers or more) formed thereon. Can be prevented. As a result, the magnetostriction in the free layer FL can be prevented and the “variation” of the switching magnetic field can be eliminated.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a third specific example of the cell structure of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本具体例の場合、フリー層FLの上に、非結晶質の第1の導電層AL1と、非結晶質の第2の導電層AL2とが積層されている。これら第1及び第2の導電層ALは、ハードマスクあるいはビアとしての役割を有する。そして、その上に、ビット線BLが接続されている。 In the case of this specific example, an amorphous first conductive layer AL1 and an amorphous second conductive layer AL2 are stacked on the free layer FL. These first and second conductive layers AL serve as hard masks or vias. On top of this, the bit line BL is connected.
このように、非結晶質の導電層AL1、AL2をフリー層FLとビット線BLと間に設けることにより、ビット線BLからフリー層FLへの歪みの導入を防ぐことができる。その結果として、その結果として、フリー層FLにおける磁歪の発生を防ぎ、スイッチング磁界の「ばらつき」を解消することができる。
そしてさらに、第1の導電層AL1と第2の導電層AL2の材料を適宜変えることにより、設計の自由度が増加し、また製造プロセスが容易となるという効果も得られる。例えば、第1の導電層ALは、所定のRIE(reactive ion etching)などのエッチングに対して、エッチングされにくい材料により形成し、また、第2の導電層ALは、そのエッチングに対して、エッチングされやすい材料により形成することができる。このようにすると、第2の導電層AL2をパターニングする際に、第1の導電層AL1をエッチングストップ層あるいはマスク層として用いることができる。
As described above, by providing the amorphous conductive layers AL1 and AL2 between the free layer FL and the bit line BL, it is possible to prevent introduction of strain from the bit line BL to the free layer FL. As a result, the magnetostriction in the free layer FL can be prevented and the “variation” of the switching magnetic field can be eliminated.
Furthermore, by changing the materials of the first conductive layer AL1 and the second conductive layer AL2 as appropriate, it is possible to increase the degree of freedom of design and to facilitate the manufacturing process. For example, the first conductive layer AL is formed of a material that is difficult to be etched with respect to etching such as predetermined RIE (reactive ion etching), and the second conductive layer AL is etched with respect to the etching. It can be formed of a material that is easily processed. In this case, when patterning the second conductive layer AL2, the first conductive layer AL1 can be used as an etching stop layer or a mask layer.
なお、図4乃至図6においては、読み出しMOSトランジスタTrを用いた具体例を表したが、本発明のメモリセルのアーキテクチャはこれらに限定されない。すなわち、これらの他にも、単純クロスマトリックス型、それにダイオードを付与した1ダイオード−1MR素子型、選択書き込みMOSトランジスタを用いて一本の配線で書き込みを行う書き込みトランジスタ型、スピン注入で書き込みを行うスピン偏極電流書き込み型など、各種のアーキテクチャにおいても、磁気抵抗効果素子のフリー層の上に非結晶質の導電層を設けることにより、その上に形成される、ハードマスク、ビア、配線などからフリー層に歪が導入されることを防ぐことができる。その結果として、フリー層における磁歪の発生を防ぎ、スイッチング磁界の「ばらつき」を防ぐことができる。 4 to 6 show specific examples using the read MOS transistor Tr, but the architecture of the memory cell of the present invention is not limited to these. That is, in addition to these, a simple cross matrix type, a 1 diode-1 MR element type with a diode added thereto, a writing transistor type in which writing is performed with one wiring using a selective writing MOS transistor, and writing by spin injection. In various architectures such as the spin-polarized current writing type, by providing an amorphous conductive layer on the free layer of the magnetoresistive effect element, the hard mask, via, wiring, etc. Strain can be prevented from being introduced into the free layer. As a result, generation of magnetostriction in the free layer can be prevented, and “variation” of the switching magnetic field can be prevented.
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
まず、本発明の第1の実施例として、図4に表したアーキテクチャの磁気メモリを作製した実施例について説明する。 First, as a first embodiment of the present invention, an embodiment in which a magnetic memory having the architecture shown in FIG. 4 is manufactured will be described.
この磁気メモリの構造について、その製造手順に沿って説明すれば、以下の如くである。 The structure of this magnetic memory will be described as follows in accordance with its manufacturing procedure.
すなわち、図7に表したように、MOSトランジスタTr、ビアVW、ワード線WLをそれぞれ形成し絶縁層ILに埋め込んだ基板を形成する。そして、この基板上に、まず、下側電極LE/バッファ層BF/反強磁性層AF/ピン層PL/トンネルバリア層TL(またはスペーサ層SL)/フリー層FL/導電層AL(キャップ層)/Pt層またはRu層/金属ハードマスクHMを成膜する。本実施例では、下側電極LEは、タンタル(Ta)により形成した。そして、その上に、下側から順に、Ta(5nm)/Ru(3nm)/Ir−Mn(10nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.4nm)/CoNiFe(3nm)を形成した。 That is, as shown in FIG. 7, a MOS transistor Tr, a via VW, and a word line WL are formed and a substrate embedded in the insulating layer IL is formed. On this substrate, first, the lower electrode LE / buffer layer BF / antiferromagnetic layer AF / pinned layer PL / tunnel barrier layer TL (or spacer layer SL) / free layer FL / conductive layer AL (cap layer) / Pt layer or Ru layer / metal hard mask HM is formed. In this example, the lower electrode LE was formed of tantalum (Ta). On top of that, Ta (5 nm) / Ru (3 nm) / Ir—Mn (10 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3.25 nm) / AlOx (1) .4 nm) / CoNiFe (3 nm).
すなわち、バッファ層BFとしてTa(5nm)/Ru(3nm)を形成し、反強磁性層AFとしてIr−Mn(10nm)を形成し、ピン層PLとしてCoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)を形成し、トンネルバリア層TLとしてAlOx(1.4nm)を形成し、フリー層FLとしてCoNiFe(3nm)を形成した。 That is, Ta (5 nm) / Ru (3 nm) is formed as the buffer layer BF, Ir—Mn (10 nm) is formed as the antiferromagnetic layer AF, and CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) is formed as the pinned layer PL. / CoFe (3.25 nm) was formed, AlOx (1.4 nm) was formed as the tunnel barrier layer TL, and CoNiFe (3 nm) was formed as the free layer FL.
その上に、導電層ALとして、Ta−Ir(タンタル−イリジウム)からなるアモルファス合金を20nmの厚みに成膜した後、Ru導電層を10nmの厚みに形成し、さらにハードマスクHMとしてタンタル(Ta)を120nmの厚みに成膜した。ここで、導電層ALの組成は、Ta65Ir35とした。 On top of that, an amorphous alloy made of Ta—Ir (tantalum-iridium) is formed to a thickness of 20 nm as the conductive layer AL, and then a Ru conductive layer is formed to a thickness of 10 nm. Further, tantalum (Ta) is formed as the hard mask HM. ) To a thickness of 120 nm. Here, the composition of the conductive layer AL was Ta 65 Ir 35 .
その後、300℃で磁場中アニールを行った。磁場中アニールを行った後X線回折で調べたところ、導電層ALを構成するTa−Irの回折ピークは観測されず、導電層ALがアモルファスまたはX線の干渉長以下のサイズのマイクロクリスタル(微結晶)であることが確認できた。 Thereafter, annealing was performed in a magnetic field at 300 ° C. When X-ray diffraction was examined after annealing in a magnetic field, a diffraction peak of Ta-Ir constituting the conductive layer AL was not observed, and the conductive layer AL was amorphous or a microcrystal having a size equal to or smaller than the X-ray interference length ( It was confirmed that it was a microcrystal).
その後、レジストを塗布し、PEP(photo-engraving process)を行った後、塩素系ガスでTaからなるハードマスクHMをRIEエッチングし、その下のRu金属層でストップさせた。 Then, after applying a resist and performing a PEP (photo-engraving process), the hard mask HM made of Ta was RIE-etched with a chlorine-based gas, and stopped at the Ru metal layer therebelow.
その後、レジストを剥離し、TaハードマスクHMをマスクとして利用して、Ir−Mn層までイオンミリングによりエッチングして、強磁性トンネル接合を接合分離した。トンネル接合の平面形状は、アスペクト比が1:2.5の楕円形とした。またそのサイズは、0.3μm×0.75μmとした。 Thereafter, the resist was peeled off, and the ferromagnetic tunnel junction was separated by etching by ion milling to the Ir—Mn layer using the Ta hard mask HM as a mask. The planar shape of the tunnel junction was an ellipse with an aspect ratio of 1: 2.5. The size was set to 0.3 μm × 0.75 μm.
その後、SiOx保護膜を成膜し、レジストを塗布し、PEPを行った後、下側電極LEをRIEエッチングによりパターニングした。その後、レジストを除去し、SiOxからなる層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行い、平坦化してTaハードマスクHMの表面を露出させた。 Thereafter, a SiOx protective film was formed, a resist was applied, PEP was performed, and then the lower electrode LE was patterned by RIE etching. Thereafter, the resist was removed, and an interlayer insulating film made of SiOx was formed, and then etched back and planarized to expose the surface of the Ta hard mask HM.
その後、スパッタエッチングした後にビット線BLと、磁性被覆(磁気ヨーク)層SMを成膜し、レジスト塗布、PEP、RIE、レジスト除去のプロセスを順次実施することにより、図7に表した磁気メモリを作製した。 After that, after sputter etching, the bit line BL and the magnetic coating (magnetic yoke) layer SM are formed, and the resist coating, PEP, RIE, and resist removal processes are sequentially performed, so that the magnetic memory shown in FIG. Produced.
このようにして得られた磁気メモリセルのCoNiFeフリー層FLの長軸方向に磁場を印加してその磁化特性を測定した。 The magnetic characteristics were measured by applying a magnetic field in the major axis direction of the CoNiFe free layer FL of the magnetic memory cell thus obtained.
図8は、16個の磁気メモリセルのアステロイド曲線を測定した結果を表すグラフ図である。同図から、これら16個のメモリセルのフリー層のアステロイド曲線はよく重なっており、スイッチング磁界の「ばらつき」が十分に小さいことが分かる。つまり、大容量磁気メモリを形成した場合でも、書き込みエラーや、クロストークなどの問題を抑制できることが分かる。 FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the asteroid curve of 16 magnetic memory cells. From the figure, it can be seen that the asteroid curves of the free layer of these 16 memory cells overlap well, and the “variation” of the switching magnetic field is sufficiently small. That is, it can be seen that even when a large-capacity magnetic memory is formed, problems such as write errors and crosstalk can be suppressed.
本実施例とは別に実施した実験において、フリー層FLの上に形成する非結晶質の導電層ALの材料として、TaPt,WPt,ZrPt、NbPt、MoPt、VPt、CrPt、TaRu,WRu,ZrRu、NbRu、MoRu、VRu、CrRu、WIr,ZrAl、NbAl、MoAl、VAl及びCrAlを用いた場合のいずれにおいても、図8に表した結果と同様にスイッチング磁界の「ばらつき」が小さく良好な特性が得られた。 In the experiment conducted separately from this example, the material of the amorphous conductive layer AL formed on the free layer FL is TaPt, WPt, ZrPt, NbPt, MoPt, VPt, CrPt, TaRu, WRu, ZrRu, In any of the cases where NbRu, MoRu, VRu, CrRu, WIr, ZrAl, NbAl, MoAl, VAl and CrAl are used, similar to the result shown in FIG. It was.
次に、本発明の第2の実施例として、図5に表したアーキテクチャの磁気メモリを作製した実施例について説明する。本実施例においては、ハードマスクとして非結晶質の導電層ALを設けたサンプル(サンプル1)と、絶縁層の中に埋め込まれた配線ビアとして非結晶質の導電層ALを設けたサンプル(サンプル2)と、を作成した。 Next, as a second embodiment of the present invention, an embodiment in which a magnetic memory having the architecture shown in FIG. 5 is manufactured will be described. In this embodiment, a sample (sample 1) provided with an amorphous conductive layer AL as a hard mask, and a sample (sample) provided with an amorphous conductive layer AL as a wiring via embedded in an insulating layer. 2) and were created.
これら磁気メモリの構造について、その製造手順に沿って説明すれば、以下の如くである。
すなわち、まず、第1実施例と同様に、MOSトランジスタTr、ビアVW、ワード線WLなどを絶縁層ILに埋め込んだ基板を形成した。
The structure of these magnetic memories will be described as follows along the manufacturing procedure.
That is, first, as in the first embodiment, a substrate in which the MOS transistor Tr, the via VW, the word line WL, and the like are embedded in the insulating layer IL is formed.
そして、この基板の上に、「サンプル1」として、下側電極LE/TMR/Pt層またはRu層/導電層ALを成膜した。後に説明するように、この導電層ALは、TMRをパターニングするための「ハードマスク」として用いられる。 Then, a lower electrode LE / TMR / Pt layer or Ru layer / conductive layer AL was formed on this substrate as “Sample 1”. As will be described later, the conductive layer AL is used as a “hard mask” for patterning the TMR.
一方、これとは別に、「サンプル2」として、基板の上に、下側電極LE/TMR/Pt層またはRu層を成膜した。つまり、ハードマスクとしての非結晶質の導電層ALを設けないものを「サンプル2」として作成した。 On the other hand, a lower electrode LE / TMR / Pt layer or Ru layer was formed on the substrate as “Sample 2” separately from this. That is, a sample without the amorphous conductive layer AL as a hard mask was prepared as “Sample 2”.
ここで、下側電極LEは、下側から順に、Ta/Al/Taという積層構造とした。
また、「サンプル1」のTMRは、下側から順に、Ta(5nm)/Ru(3nm)/Pt−Mn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.4nm)/CoFeB(3nm)/Ru(18nm)とした。
Here, the lower electrode LE has a stacked structure of Ta / Al / Ta in order from the lower side.
The TMR of “Sample 1” is Ta (5 nm) / Ru (3 nm) / Pt—Mn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3.25 nm) in order from the bottom. / AlOx (1.4 nm) / CoFeB (3 nm) / Ru (18 nm).
すなわち、バッファ層BFとしてTa(5nm)/Ru(3nm)を形成し、反強磁性層AFとしてPt−Mn(15nm)を形成し、ピン層PLとしてCoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)を形成し、トンネルバリア層TLとしてAlOx(1.4nm)を形成し、フリー層FLとしてCoFeB(3nm)を形成した。 That is, Ta (5 nm) / Ru (3 nm) is formed as the buffer layer BF, Pt—Mn (15 nm) is formed as the antiferromagnetic layer AF, and CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) is formed as the pinned layer PL. / CoFe (3.25 nm) was formed, AlOx (1.4 nm) was formed as the tunnel barrier layer TL, and CoFeB (3 nm) was formed as the free layer FL.
一方、「サンプル2」のTMRは、下側から順に、Ta(5nm)/Ru(3nm)/Pt−Mn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.4nm)/CoFeNi(3nm)/Ru(18nm)とした。 On the other hand, the TMR of “Sample 2” is Ta (5 nm) / Ru (3 nm) / Pt—Mn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3.25 nm) in order from the bottom. / AlOx (1.4 nm) / CoFeNi (3 nm) / Ru (18 nm).
また、「サンプル1」におけるハードマスクとしての導電層ALとしては、Ta−Alアモルファス合金を120nm成膜した。また、導電層ALの組成は、Ta60Al40とした。 In addition, as the conductive layer AL as a hard mask in “Sample 1”, a Ta—Al amorphous alloy was formed to a thickness of 120 nm. The composition of the conductive layer AL was Ta 60 Al 40 .
その後、300度Cで磁場中アニールを行った。磁場中アニールを行った後X線回折で調べたところ「サンプル1」における導電層ALを構成するTa−Alの回折ピークは観測されず、アモルファスまたは微結晶であることが確認された。 Thereafter, annealing in a magnetic field was performed at 300 ° C. When X-ray diffraction was performed after annealing in a magnetic field, the diffraction peak of Ta—Al constituting the conductive layer AL in “Sample 1” was not observed, and it was confirmed to be amorphous or microcrystalline.
その後、「サンプル1」においては、レジストを塗布し、PEPを行った後、塩素系ガスで導電層AL(Ta−Alアモルファス合金)をRIEし、その下のRu層でエッチングをストップさせた。その後、レジストを剥離し、導電層ALをハードマスクとして、TMRを構成するPtMn層までイオンミリングでエッチングし、強磁性トンネル接合を接合分離した。トンネル接合の平面形状は、アスペクト比1:2の楕円形とした。サイズは、直径0.3μm×0.6μmとした。その後、SiOx保護膜を成膜し、レジストを塗布して、PEPし、下側電極LEをRIEによってパターニングした。その後、レジストを除去し、SiOx層間絶縁膜を成膜した後にエッチバックを行い、表面を平坦化するとともに、導電層AL(Ta−Alアモルファス合金ハードマスク層)の表面を露出させた。 Thereafter, in “Sample 1”, after applying a resist and performing PEP, the conductive layer AL (Ta—Al amorphous alloy) was RIE using a chlorine-based gas, and etching was stopped at the Ru layer below. Thereafter, the resist was peeled off, and etching was performed by ion milling to the PtMn layer constituting the TMR using the conductive layer AL as a hard mask, thereby separating and separating the ferromagnetic tunnel junction. The planar shape of the tunnel junction was an ellipse with an aspect ratio of 1: 2. The size was 0.3 μm × 0.6 μm in diameter. Thereafter, a SiOx protective film was formed, a resist was applied, PEP was performed, and the lower electrode LE was patterned by RIE. Thereafter, the resist was removed, and an SiOx interlayer insulating film was formed, followed by etch back to flatten the surface and expose the surface of the conductive layer AL (Ta-Al amorphous alloy hard mask layer).
その後、スパッタエッチングした後に上側配線BLを形成し、さらに、その側面及び上面に磁性被覆(磁気ヨーク)層SMを成膜し、レジスト塗布、PEP、RIE、レジスト除去、の各工程を経て、図5に表した構造の磁気メモリを作製した。 Thereafter, the upper wiring BL is formed after the sputter etching, and further, the magnetic coating (magnetic yoke) layer SM is formed on the side surface and the upper surface, and the resist coating, PEP, RIE, and resist removal steps are performed. A magnetic memory having the structure shown in FIG.
一方、「サンプル2」については、基板の上にTMRの積層構造を形成した後、ハードマスク層を形成せずに、レジストマスクを用いてパターニングしてTMRを接合分離した。その後、レジストを除去し、SiOx層間絶縁膜を成膜した後、PEPを行いフッ素(F)系ガスを用いてSiOx層にビア穴を開け、その底部にTMR積層構造の上側のRu層の表面を露出させた。その後、スパッタエッチングした後に、配線ビアとしてTa−Alアモルファス合金からなる導電層ALを成膜し、その上に上側配線BLを形成し、その側面と上面に磁性被覆(磁気ヨーク)層SMを成膜し、レジスト塗布、PEP、RIE、レジスト除去、の各工程を経て、図5に表した構造の磁気メモリを作製した。ここでも、導電層ALの組成は、Ta60Al40とした。 On the other hand, for “Sample 2”, the TMR laminated structure was formed on the substrate, and then the TMR was bonded and separated by patterning using a resist mask without forming the hard mask layer. Then, after removing the resist and forming a SiOx interlayer insulating film, PEP is performed to form a via hole in the SiOx layer using fluorine (F) gas, and the surface of the Ru layer on the upper side of the TMR laminated structure at the bottom Was exposed. Then, after sputter etching, a conductive layer AL made of a Ta—Al amorphous alloy is formed as a wiring via, an upper wiring BL is formed thereon, and a magnetic coating (magnetic yoke) layer SM is formed on the side and upper surfaces thereof. A magnetic memory having the structure shown in FIG. 5 was manufactured through the steps of resist coating, PEP, RIE, and resist removal. Again, the composition of the conductive layer AL was Ta 60 Al 40 .
その後、磁場中アニールにより、上側配線BLの直下のCoFeB層(サンプル1)、CoFeNi層(サンプル2)の長軸方向に磁場を印加した。 Thereafter, a magnetic field was applied in the major axis direction of the CoFeB layer (sample 1) and the CoFeNi layer (sample 2) immediately below the upper wiring BL by annealing in a magnetic field.
図9及び図10は、それぞれサンプル1及び2において16個の素子のアステロイド曲線を測定した結果を表すグラフ図である。いずれのサンプルにおいても、スイッチング磁界の「ばらつき」が小さいことがわかり、大容量磁気メモリとして望ましい特性が得られた。 9 and 10 are graphs showing the results of measuring the asteroid curves of 16 elements in samples 1 and 2, respectively. In any sample, it was found that the “variation” of the switching magnetic field was small, and desirable characteristics as a large-capacity magnetic memory were obtained.
本実施例とは別に実施した実験において、ハードマスクまたは配線ビアとして形成する非結晶質の導電層ALの材料として、PrPt、PrRu、PrIr、PrAl、PrAu、PrPd、NdPt、NdRu、NdIr、NdAl、NdAu、NdPd、GdPt、GdRu、GdIr、DyAl、DyAu及びErPdを用いた場合のいずれにおいても、図8に表した結果と同様にスイッチング磁界の「ばらつき」が小さく良好な特性が得られた。 In the experiment conducted separately from this example, the material of the amorphous conductive layer AL formed as a hard mask or wiring via is PrPt, PrRu, PrIr, PrAl, PrAu, PrPd, NdPt, NdRu, NdIr, NdAl, In any case where NdAu, NdPd, GdPt, GdRu, GdIr, DyAl, DyAu, and ErPd were used, the “variation” of the switching magnetic field was small and good characteristics were obtained as in the result shown in FIG.
(比較例)
第2実施例の比較例として、結晶質のTaからなるハードマスク(サンプル3)、結晶質のTaからなる配線ビア(サンプル4)を用いた磁気メモリについて説明する。
(Comparative example)
As a comparative example of the second embodiment, a magnetic memory using a hard mask (sample 3) made of crystalline Ta and a wiring via (sample 4) made of crystalline Ta will be described.
本比較例の磁気メモリの作製方法は、サンプル1及び2における導電層AL(Ta−Alアモルファス合金)を、Taからなる金属層に変えた以外は、第2実施例と同様である。サンプル3及び4の作成後、磁場中アニールを施して、上側配線BLの直下のCoFeB層(サンプル3)、CoFeNi層(サンプル4)の長軸方向に磁場を印加した。磁場中アニールを行った後にX線回折で調べたところ、Taハードマスク(サンプル3)、Ta配線ビア(サンプル4)において、それぞれTaの回折ピークが観測され、これらのTa層が結晶質のα−Taからなることが分かった。 The manufacturing method of the magnetic memory of this comparative example is the same as that of the second example except that the conductive layer AL (Ta—Al amorphous alloy) in Samples 1 and 2 is changed to a metal layer made of Ta. After the samples 3 and 4 were prepared, annealing was performed in a magnetic field, and a magnetic field was applied in the major axis direction of the CoFeB layer (sample 3) and the CoFeNi layer (sample 4) immediately below the upper wiring BL. When X-ray diffraction was examined after annealing in a magnetic field, Ta diffraction peaks were observed in the Ta hard mask (Sample 3) and Ta wiring via (Sample 4), respectively. It was found to consist of -Ta.
図11及び図12は、それぞれサンプル3及び4において16個の素子のアステロイド曲線を測定した結果を表すグラフ図である。いずれのサンプルにおいても、スイッチング磁界の「ばらつき」が大きく、大容量磁気メモリとして用いた場合には、書き込みエラーや、クロストークなどの問題が生じやすい点で改善の余地があることが分かる。 11 and 12 are graphs showing the results of measuring the asteroid curves of 16 elements in samples 3 and 4, respectively. In any sample, the “variation” of the switching magnetic field is large, and when used as a large-capacity magnetic memory, it can be seen that there is room for improvement in that problems such as write errors and crosstalk are likely to occur.
本発明の第3の実施例として、図6に表した2層構造の導電層AL1、AL2を有する磁気メモリを作製した実施例について説明する。 As a third embodiment of the present invention, an embodiment in which a magnetic memory having the two-layered conductive layers AL1 and AL2 shown in FIG. 6 will be described.
この本実施例の磁気メモリの構造について、その製造手順に沿って説明すれば、以下の如くである。
すなわち、まず、第1実施例と同様に、MOSトランジスタTr、ビアVW、ワード線WLなどを絶縁層ILに埋め込んだ基板を形成した。次に、この基板の上に、下側電極LE/TMR/Pt層またはRu層/非結晶質の導電層(ハードマスク層)AL2を成膜したものを形成した。
The structure of the magnetic memory of the present embodiment will be described as follows along the manufacturing procedure.
That is, first, as in the first embodiment, a substrate in which the MOS transistor Tr, the via VW, the word line WL, and the like are embedded in the insulating layer IL is formed. Next, the lower electrode LE / TMR / Pt layer or Ru layer / non-crystalline conductive layer (hard mask layer) AL2 was formed on this substrate.
本実施例においては、下側電極LEとして下側から順に、Ta/Al/Taなる積層構造を形成した。また、TMRは、下側から順に、Ta(5nm)/Ru(3nm)/Pt−Mn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.4nm)/CoFeNi(3nm))/Ta−Fe導電層AL1(アモルファスキャップ層)(18nm)なる積層構造とした。 In this example, a stacked structure of Ta / Al / Ta was formed as the lower electrode LE in order from the lower side. TMR is Ta (5 nm) / Ru (3 nm) / Pt—Mn (15 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (3.25 nm) / AlOx (1. 4 nm) / CoFeNi (3 nm)) / Ta—Fe conductive layer AL1 (amorphous cap layer) (18 nm).
すなわち、バッファ層BFとしてTa(5nm)/Ru(3nm)を形成し、反強磁性層AFとしてPt−Mn(15nm)を形成し、ピン層PLとしてCoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3.25nm)を形成し、トンネルバリア層TLとしてAlOx(1.4nm)を形成し、フリー層FLとしてCoNiFe(3nm)を形成した。また、導電層ALの組成は、Ta45Fe55とした。 That is, Ta (5 nm) / Ru (3 nm) is formed as the buffer layer BF, Pt—Mn (15 nm) is formed as the antiferromagnetic layer AF, and CoFe (3 nm) / Ru (0.9 nm) is formed as the pinned layer PL. / CoFe (3.25 nm) was formed, AlOx (1.4 nm) was formed as the tunnel barrier layer TL, and CoNiFe (3 nm) was formed as the free layer FL. The composition of the conductive layer AL was Ta 45 Fe 55 .
そして、この上にアモルファスハードマスク層として、Ta−Alアモルファス合金からなる導電層AL2を120nmの厚みに成膜した。 Then, a conductive layer AL2 made of a Ta—Al amorphous alloy was formed to a thickness of 120 nm as an amorphous hard mask layer thereon.
その後、300℃で磁場中アニールを行った。磁場中アニールを行った後にX線回折で調べたところ導電層AL1(Ta−Feアモルファス合金)、導電層AL2(Ta−Alアモルファス合金)ともに回折ピークは観測されず、アモルファスまたは微結晶であることが確認できた。 Thereafter, annealing was performed in a magnetic field at 300 ° C. When X-ray diffraction is examined after annealing in a magnetic field, no diffraction peak is observed in the conductive layer AL1 (Ta—Fe amorphous alloy) and the conductive layer AL2 (Ta—Al amorphous alloy), and the layer is amorphous or microcrystalline. Was confirmed.
次に、レジストを塗布し、PEPを行った後、塩素系ガスで導電層AL2(Ta−Alアモルファス合金)をRIEし、導電層AL1(Ta−Feアモルファス合金)でエッチングをストップさせた。 Next, after applying a resist and performing PEP, the conductive layer AL2 (Ta-Al amorphous alloy) was RIE with a chlorine-based gas, and etching was stopped with the conductive layer AL1 (Ta-Fe amorphous alloy).
その後、レジストを剥離し、導電層AL2(Ta−Alアモルファス合金)をハードマスクとして、TMRのPtMn層までイオンミリングによりエッチングして、強磁性トンネル接合を接合分離した。トンネル接合の平面形状は、アスペクト比1:2の楕円形とした。サイズは、直径0.3μm×0.6μmとした。 Thereafter, the resist was peeled off, and etching was performed by ion milling to the PtMn layer of TMR using the conductive layer AL2 (Ta—Al amorphous alloy) as a hard mask, thereby separating and separating the ferromagnetic tunnel junction. The planar shape of the tunnel junction was an ellipse with an aspect ratio of 1: 2. The size was 0.3 μm × 0.6 μm in diameter.
次に、SiOx保護膜を成膜し、レジストを塗布して、PEPし、下側電極LEをRIEによりパターニングして形成した。その後、レジストを除去し、SiOx層間絶縁膜を成膜した後に、エッチバックを行い、層間絶縁膜の表面を平坦化するとともに、導電層AL2(Ta−Alアモルファス合金)の表面を露出させた。その後、スパッタエッチングした後に、上側配線BLを形成し、さらにその側面及び上面に磁性被覆(磁気ヨーク)層SMを形成して、図6に表した構造を作製した。 Next, a SiOx protective film was formed, a resist was applied, PEP was performed, and the lower electrode LE was formed by patterning using RIE. Then, after removing the resist and forming an SiOx interlayer insulating film, etch back was performed to flatten the surface of the interlayer insulating film and expose the surface of the conductive layer AL2 (Ta—Al amorphous alloy). Thereafter, after sputter etching, the upper wiring BL was formed, and the magnetic coating (magnetic yoke) layer SM was formed on the side surface and upper surface of the upper wiring BL, thereby producing the structure shown in FIG.
その後、磁場中アニールを施して、上側配線BLの直下のCoFeNi磁性層の長軸方向に磁場を印加した。 Thereafter, annealing was performed in a magnetic field, and a magnetic field was applied in the major axis direction of the CoFeNi magnetic layer immediately below the upper wiring BL.
図13は、このようにして形成した16個の素子のアステロイド曲線を測定した結果を表すグラフ図である。 FIG. 13 is a graph showing the results of measuring the asteroid curves of the 16 elements formed in this way.
スイッチング磁界の「ばらつき」が十分に小さく、大容量磁気メモリとして望ましい特性が得られていることが確認できた。 It was confirmed that the “variation” of the switching magnetic field was sufficiently small and desirable characteristics were obtained as a large-capacity magnetic memory.
なお、本実施例において、RIEによりエッチングされにくい第1の導電層AL1の材料としては、WFe,ZrFe、NbFe、MoFe、VFe、TaNi,WNi,ZrNi、NbNi、MoNi、Vni、TaCr,WCr,ZrCu、NbCu、MoCu、VCu TaPt,WPt,ZrPt、NbPt、MoPt、VPt、CrPt、TaRu,WRu,ZrRu、NbRu、MoRu、VRu及びCrRuのいずれかを用い、RIEによりエッチングされやすい第2の導電層AL2としては、WAl,ZrAl、NbAl、MoAl、VAl及びCrAlのいずれかを用いることもできる。 In this embodiment, the material of the first conductive layer AL1 that is difficult to be etched by RIE includes WFe, ZrFe, NbFe, MoFe, VFe, TaNi, WNi, ZrNi, NbNi, MoNi, Vni, TaCr, WCr, and ZrCu. , NbCu, MoCu, VCu TaPt, WPt, ZrPt, NbPt, MoPt, VPt, CrPt, TaRu, WRu, ZrRu, NbRu, MoRu, VRu, and CrRu, and the second conductive layer AL2 that is easily etched by RIE For example, any of WAl, ZrAl, NbAl, MoAl, VAl, and CrAl can be used.
次に、本発明の第4の実施例として、CPP型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。 Next, as a fourth embodiment of the present invention, a specific example of a CPP type magnetoresistive effect element will be described.
図14及び図15は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図14は、磁気記録媒体(図示せず)に対向する媒体対向面Pに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図15は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Pに対して垂直な方向に切断した断面図である。 FIG. 14 and FIG. 15 are conceptual diagrams schematically showing the main configuration of the magnetoresistive effect element according to the exemplary embodiment of the present invention. That is, these drawings show the state in which the magnetoresistive effect element is incorporated in the magnetic head, and FIG. 14 shows the magnetoresistive in a direction substantially parallel to the medium facing surface P facing the magnetic recording medium (not shown). It is sectional drawing which cut | disconnected the effect element. FIG. 15 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element cut in a direction perpendicular to the medium facing surface P.
図14及び図15に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド(hard abutted)構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜14の上下には、下部電極12と上部電極20とがそれぞれ設けられ、また、図14において、磁気抵抗効果膜14の両側の側面には、バイアス磁界印加膜16と絶縁膜18とが積層して設けられている。さらに、図15に例示したように、磁気抵抗効果膜4の媒体対向面には、保護層30が設けられている。
The magnetoresistive effect element illustrated in FIGS. 14 and 15 is an element having a hard abutted structure, and a
磁気抵抗効果膜4は、トンネル接合型またはスピンバルブ型の構造を有し、図1乃至図13に関して前述したように、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、フリー層の上に非結晶質の導電層が積層され、その上に形成されるハードマスクや上部電極20から歪が導入されることを抑制している。または、上部電極20を非結晶質の導電層として形成してもよい。
The magnetoresistive film 4 has a tunnel junction type or spin valve type structure, and has the structure according to the embodiment of the present invention as described above with reference to FIGS. That is, an amorphous conductive layer is stacked on the free layer, and the introduction of strain from the hard mask and the
磁気抵抗効果膜4に対するセンス電流は、その上下に配置された電極12、20によって矢印Aで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜16、16により、磁気抵抗効果膜14にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜14のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ(Barkhausen noise)を抑制することができる。
The sense current for the magnetoresistive film 4 is energized in a direction substantially perpendicular to the film surface as indicated by the arrow A by the
そして、本発明によれば、磁気抵抗効果膜14のフリー層の上に非結晶質の導電層を積層させることにより、フリー層における磁歪の発生を抑制することができる。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度の「ばらつき」や低下を抑制することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度で再現性のよい磁気再生が可能となる。
According to the present invention, the generation of magnetostriction in the free layer can be suppressed by laminating the amorphous conductive layer on the free layer of the
次に、本発明の第5の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図1乃至図15に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。 Next, as a fifth embodiment of the present invention, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetoresistive effect element of the present invention will be described. That is, the magnetoresistive effect element or magnetic head of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 15 can be incorporated into a recording / reproducing integrated magnetic head assembly and mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus, for example.
図16は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置150は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク200は、スピンドル152に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Aの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置150は、複数の媒体ディスク200を備えたものとしてもよい。
FIG. 16 is a main part perspective view illustrating a schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing
媒体ディスク200に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ153は、薄膜状のサスペンション154の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ153は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
A
媒体ディスク200が回転すると、ヘッドスライダ153の媒体対向面(ABS)は媒体ディスク200の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク200と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
When the
サスペンション154は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム155の一端に接続されている。アクチュエータアーム155の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ156が設けられている。ボイスコイルモータ156は、アクチュエータアーム155のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
The
アクチュエータアーム155は、スピンドル157の上下2箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ156により回転摺動が自在にできるようになっている。
The
図17は、アクチュエータアーム155から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ160は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム155を有し、アクチュエータアーム155の一端にはサスペンション154が接続されている。
サスペンション154の先端には、図1乃至図15に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ153が取り付けられている。サスペンション154は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線164を有し、このリード線164とヘッドスライダ153に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中165は磁気ヘッドアッセンブリ160の電極パッドである。
FIG. 17 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the
A
本発明によれば、図1乃至図15に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、感度の「ばらつき」や低下を抑制し、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク200に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
According to the present invention, by providing the magnetoresistive effect element or magnetic head of the present invention as described above with reference to FIGS. 1 to 15, sensitivity variation and reduction can be suppressed, and the recording density can be higher than that of the prior art. The information magnetically recorded on the
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性層、絶縁層、反強磁性層、中間層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art is concerned with specific materials, such as a ferromagnetic layer, an insulating layer, an antiferromagnetic layer, an intermediate layer, a nonmagnetic metal layer, and an electrode constituting a magnetoresistive effect element, as well as a film thickness, shape, and dimensions. The present invention can be implemented in the same manner by selecting as appropriate, and the same effects can be obtained within the scope of the present invention.
同様に、本発明の磁気メモリを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。 Similarly, the structure, material, shape, and dimensions of each element constituting the magnetic memory of the present invention can be appropriately selected by those skilled in the art to implement the present invention in the same manner and obtain similar effects. It is included in the scope of the present invention.
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気抵抗効果素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子も同様に本発明の範囲に属する。 In addition, all magnetoresistive elements that can be implemented by those skilled in the art based on the magnetoresistive elements described above as embodiments of the present invention are also within the scope of the present invention.
AF 反強磁性層
BL ビット線
FL フリー層
LE 下側電極
WL ワード線
NM 非磁性層
IL 絶縁層
PL ピン層
SM 磁性被覆層
SL 非磁性中間層
Tr 選択トランジスタ
TB トンネルバリア層
UL 上側電極
AF Antiferromagnetic layer BL Bit line FL Free layer LE Lower electrode WL Word line NM Nonmagnetic layer IL Insulating layer PL Pinned layer SM Magnetic coating layer SL Nonmagnetic intermediate layer Tr Select transistor TB Tunnel barrier layer UL Upper electrode
Claims (11)
前記磁化固着層の上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層の上に設けられ、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第2の強磁性体膜を含む磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に設けられた非結晶質の導電層と、
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A magnetization pinned layer including a first ferromagnetic film having a magnetization direction pinned substantially in one direction;
A nonmagnetic layer provided on the magnetization pinned layer;
A magnetization free layer including a second ferromagnetic film provided on the nonmagnetic layer and having a magnetization direction that changes in response to an external magnetic field;
An amorphous conductive layer provided on the magnetization free layer;
A magnetoresistive effect element comprising:
前記磁化自由層の磁化方向を制御することにより情報を記録することを特徴とする磁気メモリ。 A magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 8,
A magnetic memory, wherein information is recorded by controlling a magnetization direction of the magnetization free layer.
前記第1の配線の上に設けられた請求項1〜8のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の上において、前記第1の方向と交差する方向に延在する第2の配線と、
を備え、前記第1及び第2の配線にそれぞれ電流を流すことにより形成される磁界によって前記磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の磁化方向を制御することにより2値情報のいずれかを記録することを特徴とする磁気メモリ。 A first wiring extending in a first direction;
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 8, provided on the first wiring,
A second wiring extending in a direction crossing the first direction on the magnetoresistive element;
One of the binary information is recorded by controlling the magnetization direction of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element by a magnetic field formed by flowing current through the first and second wirings, respectively. A magnetic memory characterized by that.
11. The magnetic memory according to claim 10, wherein at least one of the first and second wirings has a coating layer made of a magnetic material on at least both side surfaces thereof.
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