JP5103259B2 - 磁気記憶素子及び磁気記憶装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気記憶素子及び磁気記憶装置に関し、特にスピン偏極した電子を磁気素子に流すことにより情報の書き換えが可能な磁気記憶素子及び磁気記憶装置に関する。

新世代の不揮発性磁気記憶装置として、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）デバイスが注目されている。ＭＲＡＭデバイスは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体からなるメモリセルを用いて不揮発のデータ記憶を行なうとともに、各メモリセルに対してランダムアクセスを可能とした不揮発性磁気記憶装置である。
かかるメモリセルは、磁化方向が固定された強磁性層からなる固着層と、外部磁界に応じてその磁化方向が変化する強磁性層からなる記録層とを、非磁性層を介して配置したサンドイッチ構造の磁気抵抗素子を含む。磁気抵抗素子は、記録層の磁化方向の変化に応じて生じる電気抵抗値の変化に対応付けてデータを記憶する。電気抵抗値の変化は、その原理に応じて、トンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto Resistive）効果や巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistive）効果などに分類されるが、トンネル磁気抵抗効果による磁気抵抗素子を用いることで、ＭＲＡＭデバイスの性能が飛躍的に向上することが知られている。
記憶層の磁化を反転させる方法として、スピン偏極した電子を磁性体に流すこと（スピン注入）により、磁性体の磁化方向を反転させる方法を用いたＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque Transfer-MRAM）が報告されている（例えば、非特許文献１、２参照）。このようなスピン注入による磁化反転方式は、電子の持つスピン角運動量が記憶層の磁性体の角運動量と相互作用することによってスピンの伝達が行われるという原理に基づく。メモリセルのサイズが小さくなるほど、記憶層の磁化反転に必要な電流が小さくなるといった特長があり、大容量の不揮発性磁気記憶装置に適した記憶方法といえる。
F.J.Albert, etal., Appl.Phy.Lett. Vol. 77, P.3809 (2000) Y.Huai, etal., Appl.Phy.Lett. Vol. 84, P.3118 (2004)

しかしながら、スピン注入による磁化反転方式では、磁化反転に必要な反転電流密度は１×１０ＭＡ／ｃｍ^２程度であり、単磁区構造を用いる磁気抵抗素子では数ｍＡの書き込み電流が必要となる。このため、配線などによる制約や大容量化に対応して、書き込み電流の低減が必要であった。
また、記憶層の中心部のスピンの反転エネルギーは周辺部と比較して高いため、周辺部においてスピンが反転しても中心部のスピンは反転しない場合があった。
更に、磁気抵抗素子の加工時のダメージ等により、記憶層の周辺部の磁気特性が劣化する場合もあり、記憶層の周辺部に電流を流しても、実質的に記憶層の磁化反転に寄与しないという問題があった。

そこで、本発明は、スピン注入による磁化反転方式の磁気記憶素子及び磁気記憶装置において、書き換え電流が低く、かつ良好な磁気特性を有する磁気記憶素子及び磁気記憶装置の提供を目的とする。

本発明は、磁化方向が一定方向に固定された固着層（ＰＬ）と、固着層（ＰＬ）と接する非磁性誘電体層（ＴＮ１）と、非磁性誘電体層（ＴＮ１）と接する第１面と、第１面と対向する第２面とを備え、磁化方向が反転可能な記憶層（ＦＬ）との積層構造からなり、積層構造を流れる電流により記憶層（ＦＬ）の磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、記憶層（ＦＬ）の第１面の全面が非磁性誘電体層（ＴＮ１）に覆われ、非磁性誘電体層（ＴＮ１）と固着層（ＰＬ）との接合面において、接合面を囲むように非磁性誘電体層（ＴＮ１）が露出し、記憶層（ＦＬ）の第２面の全面が第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）に覆われ、第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）と接するように金属層が設けられ、第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）と金属層との接合面において、接合面を囲むように第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）が露出したことを特徴とする磁気記憶素子である。

また、本発明は、磁気記憶素子がマトリックス状に配置されたことを特徴とする磁気記憶装置でもある。

本発明では、低電流で情報の書き換えが可能で、かつ磁気特性の良好な磁気記憶素子および磁気記憶装置の提供が可能となる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される本実施の形態１にかかる磁気記憶装置（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque Transfer-MRAM））の部分断面図を表す。

磁気記憶装置１００は、シリコン等の半導体基板１を含む。半導体基板１には、酸化シリコン等からなる素子分離絶縁膜２が設けられている。素子分離絶縁膜２によって区切られた素子形成領域には、素子選択用のトランジスタ１０が形成されている。トランジスタ１０は、半導体基板１上に設けられたゲート絶縁膜１１と、その上に設けられたゲート電極１２を含む。ゲート電極１２の両側には、酸化シリコン等からなるサイドウォール１３が設けられている。また、半導体基板１には、ゲート電極１２を挟むようにソース／ドレイン領域１４が設けられている。

半導体基板１の上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層２０が設けられている。層間絶縁層２０には、例えばＴｉＮ／Ｔｉからなるバリアメタル層２１を介して、例えばタングステンからなるコンタクトプラグ２２が埋め込まれている。コンタクトプラグ２２は、ソース／ドレイン領域１４に電気的に接続されている。

コンタクトプラグ２２の上には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜２３を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ２４が埋め込まれ、更に、コンタクトプラグ２４上には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜２５を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ２６が埋め込まれている。

コンタクトプラグ２６の上には、例えば銅からなる引き出し配線３０が設けられ、その上に磁気記憶素子（ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子）５０が設けられている。磁気記憶素子５０の上には、例えばＴａＮ／Ｔａからなるバリアメタル膜２７を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ２８が埋め込まれている。
層間絶縁層２０の上には、コンタクトプラグ２８と接続するように、例えば銅からなるビットライン（ＢＬ）４０が設けられている

図２は、図１の磁気記憶素子５０を拡大図であり、（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す。磁気記憶装置１００は、複数の磁気記憶素子５０がマトリックス状に配置された構造となっている。図１には記載していないが、磁気記憶素子５０とバリアメタル膜２５との間には、例えばＴａからなる上部電極ＴＥが設けられている。

磁気記憶素子５０は、引き出し電極３０と接続された固着層（ピン層）ＰＬを含む。固着層ＰＬの上には、非磁性体（誘電体）であるトンネル絶縁層ＴＮ１、ＴＮ２と、これらのトンネル絶縁層ＴＮ１、ＴＮ２に挟まれた強磁性体である記憶層（フリー層）ＦＬが設けられている。トンネル絶縁層ＴＮ２の上には、上述の上部電極ＴＥが設けられている。

固着層（ピン層）ＰＬには、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３などの反強磁性体と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔａなどの元素を１種又は複数からなる強磁性体とを交換結合させた構造や、薄い非磁性層を介して強磁性体と強磁性体とを結合させたＳＡＦ構造（Synthetic Anti Ferromagnet構造）を反強磁性層上に積層した構造が用いられる。
また、トンネル絶縁層ＴＮ１、ＴＮ２には、例えばＭｇ、Ａｌ、Ｓｉなどを含む酸化物や窒化物（例えばＡｌＮ、ＳｉＮ）又はこれらを混合した材料が用いられる。
また、記憶層（フリー層）ＦＬは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔａなどの元素を１種又は複数からなる強磁性体であり、固着層ＰＬに使われる強磁性体と同じ材料を用いることが好ましいが、異なった強磁性体材料を用いても構わない。

本実施の形態１にかかる磁気記憶素子５０では、図２に示すように、記憶層ＦＬの両面にトンネル絶縁層ＴＮ１、ＴＮ２が設けられている。トンネル絶縁層ＴＮ２の上面に上部電極ＴＥが設けられている。上部電極ＴＥの端部（外縁）は、記憶層ＦＬの端部（外縁）より内側に配置されている。

また、上部電極ＴＥの端部（外縁）と、記憶層ＦＬの端部（トンネル絶縁層ＴＮ２の外縁）との距離は、記憶層ＦＬの厚み以上であることが好ましい。通常、記憶層ＦＬの加工ダメージ等は、少なくとも端部からこれくらいの距離の範囲内に存在するからである。

また、トンネル絶縁層ＴＮ１の下面には固着層ＰＬが設けられている。固着層ＰＬの端部は、記憶層ＦＬの端部より内側に配置されている。図２（ａ）では、固着層ＰＬが、記憶層ＦＬを挟んで上部電極ＴＥと対称となる位置（略一致する位置）に設けられている。また、固着層ＰＬの端部と、記憶層ＦＬの端部との距離は、記憶層ＦＬの厚み以上であることが好ましい。

本実施の形態１にかかる磁気記憶素子５０では、固着層ＰＬから注入された電子（電流は上部電極ＴＥから固着層ＰＬに流れる）のうち、固着層ＰＬとスピンの方向が揃った電子はトンネル絶縁層ＴＮ１、記憶層ＦＬを通って、上部電極ＴＥに流れる。この時、トンネル絶縁層ＴＮ１は誘電体からなるため、誘電体中では電子は横方向に拡がらず、主に記憶層ＦＬの中央部に電子が流れ込み、周辺部にはほとんど流れ込まない。

また、上部電極ＴＥは、記憶層ＦＬを挟んで固着層ＰＬと対称となるように配置されているため、固着層ＰＬから記憶層ＦＬに流れ込んだ電子は、周辺部には拡がらずに上部電極ＴＥに流れ込む。

このように、かかる構造を用いることにより、記憶層ＦＬの中央部に集中的に電子を注入することができ、周辺部に比較して反転しにくい中央部のスピンを効率良く反転させることができる。

図３は、紙面の右から左に向かって磁界をかけた場合の、記憶層ＦＬのスピンの方向を表すシミュレーション結果である。図３中、楕円部分が記憶層ＦＬに相当する。図３から分かるように、周辺部のスピンの方向は、中央部のスピンの方向に比べて右に傾いている。これは、中央部のスピンが周辺部のスピンより方向が変わりにくいことを表している。

このように、磁気記憶素子５０では、記憶層ＦＬの中央部に集中的に電流を流すことにより、中央部のみにスピン偏極した電子を通過させることで、記憶層ＦＬのスピンの反転効率を高くできる。この結果、磁気記憶素子５０の書き換えが低電流で可能となる。

また、従来、記憶層ＦＬの周辺部に加工ダメージ等の入った領域がある場合、かかる周辺部では電流を流しても実質的に記憶層の磁化反転が起きないという問題があった。これに対しても、磁気記憶素子５０では、記憶層ＦＬの中央部のスピンを主に磁化反転させるため、周辺部のダメージの影響を受けにくく、反転効率が高くなる。この結果、磁気記憶素子５０の書き換えが低電流で可能となる。

図４は、全体が５５で表される、本実施の形態１にかかる他の磁気記憶素子の拡大図であり、（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す。図４中、図１、２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
図４に示すように、磁気記憶素子５５において、上部電極ＴＥ内に磁化方向を固定した（多くは固定層ＰＬとは逆の磁化方向を持つ）固定層ＰＬ２を設け、スピンフィルタとして用いることにより、更に反転効率が高くなり、書き換えの低電流化が可能となる。

実施の形態２．
図５は、全体が１５０で表される、本実施の形態２にかかる磁気記憶素子の拡大図であり、（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す。図５中、図１、２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。

磁気記憶素子１５０は、引き出し電極３０と接続された固着層（ピン層）ＰＬを含む。固着層ＰＬの上には、非磁性体（誘電体）であるトンネル絶縁層ＴＮ１、強磁性体である記憶層（フリー層）ＦＬ、および上部電極ＴＥが順次積層されている。

本実施の形態２にかかる磁気記憶素子１５０では、固着層ＰＬの端部は、記憶層ＦＬおよびトンネル絶縁膜ＴＮ１の端部より内側に配置されている。また、固着層ＰＬの端部と、記憶層ＦＬの端部との距離は、記憶層ＦＬの厚み以上であることが好ましい。一方、記憶層ＦＬの上には上部電極ＴＥが直接設けられ、面積も同一となっている。

本実施の形態２にかかる磁気記憶素子１５０では、固着層ＰＬから注入された電子のうち、固着層ＰＬとスピンの方向が揃った電子はトンネル絶縁層ＴＮ１、記憶層ＦＬを通って、上部電極ＴＥに流れる。この時、トンネル絶縁層ＴＮ１は誘電体からなるため、誘電体中では電子は横方向に拡がらず、主に記憶層ＦＬの中央部に電子が流れ込み、周辺部には流れ込まない。

また、トンネル絶縁層ＴＮ１や記憶層ＦＬの面積に比較して固着層ＰＬの面積が小さいため、上部電極ＴＥから記憶層ＦＬを通って固着層ＰＬに流れ込む電子も記憶層ＦＬの周辺部には拡がらない。このため、ダメージ等のために磁化反転しにくい周辺部には電子を供給せず、主に記憶層ＦＬの中央部に電子を供給するために、記憶層ＦＬの中央部のスピンを優先的に磁化反転でき、磁気記憶素子１５０の書き換えが低電流で可能となる。

実施の形態３．
図６は、全体が２５０で表される、本実施の形態３にかかる磁気記憶素子の拡大図であり、（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す。図６中、図１、２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。

本実施の形態３にかかる磁気記憶素子２５０は、実施の形態２にかかる磁気記憶素子１５０を上下、逆に形成した構造となっている。
即ち、下部電極ＢＥ（図１の引き出し電極３０に相当）の上に、記憶層ＦＬ、トンネル絶縁層ＴＮ１が形成され、その上に固着層ＰＬが形成されている。固着層ＰＬの端部は、記憶層ＦＬおよびトンネル絶縁膜ＴＮ１の端部より内側に配置されている。また、固着層ＰＬの端部と、記憶層ＦＬの端部との距離は、記憶層ＦＬの厚み以上であることが好ましい。なお、固着層ＰＬの上には、図示しない上部電極ＴＥが設けられている。

本実施の形態３にかかる磁気記憶素子２５０では、上述の磁気記憶素子１５０と同様に、主に記憶層ＦＬの中央部に電子を供給できるために、記憶層ＦＬの中央部のスピンを優先的に磁化反転でき、磁気記憶素子２５０の書き換えが低電流で可能となる。

実施の形態４．
図７は、全体が３５０で表される、本実施の形態４にかかる磁気記憶素子の拡大図であり、（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す。図７中、図１、２と同一符号は同一又は相当箇所を示す。

本実施の形態４にかかる磁気記憶素子３５０は、実施の形態１にかかる磁気記憶素子５０のうち上部電極のみを縮小したものである。
記憶層ＦＬの両面にトンネル絶縁層ＴＮ１、ＴＮ２が設けられている。トンネル絶縁層ＴＮ２の上面に上部電極ＴＥが設けられている。上部電極ＴＥの端部（外縁）は、記憶層ＦＬの端部（外縁）より内側に配置されている。また、上部電極ＴＥの端部（外縁）と、記憶層ＦＬの端部（トンネル絶縁層ＴＮ２の外縁）との距離は、記憶層ＦＬの厚み以上であることが好ましい。

本実施の形態４にかかる磁気記憶素子３５０では、上述の磁気記憶素子２５０と同様に、主に記憶層ＦＬの中央部に電子を供給できるために、記憶層ＦＬの中央部のスピンを優先的に磁化反転でき、磁気記憶素子３５０の書き換えが低電流で可能となる。

なお、実施の形態１〜４では、磁気記憶素子５０、５５、１５０、２５０、３５０、４５０の上面形状を楕円形としたが、例えば矩形、円形、多角形等の他の形状としても同様の効果を得ることができる。また、記憶層ＦＬよりも面積を小さくした上部電極ＴＥや、下部電極ＢＥ、固定層ＰＬ、ＰＬ２などの形状も磁気記憶素子と相似である必要は無く、異なる形状であっても同様な効果を得ることができる。

また、実施の形態２〜４に示した磁気記憶素子においても、実施の形態１で述べたように、固定層ＰＬと対応している金属電極ＴＥや下部電極ＢＥ内に固定層ＰＬと逆方向に磁化された第２の固定層ＰＬ２を設けることにより、スピンの揃った電子を注入でき反転効率が向上する。

本発明の実施の形態１にかかる磁気記憶装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる磁気記憶素子の拡大図である。 記憶層ＦＬのスピンの方向を表すシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態１にかかる他の磁気記憶素子の拡大図である。 本発明の実施の形態２にかかる磁気記憶素子の拡大図である。 本発明の実施の形態３にかかる磁気記憶素子の拡大図である。 本発明の実施の形態４にかかる磁気記憶素子の拡大図である。

符号の説明

１ 半導体基板、２ 素子分離絶縁膜、１０ トランジスタ、１１ ゲート絶縁膜、１２ ゲート電極、１３ サイドウォール、１４ ソース／ドレイン領域、２０ 層間絶縁層、２１、２３、２５、２７ バリアメタル層、２２、２４、２６、２８ コンタクトプラグ、３０（ＢＥ） 引き出し配線（下部電極）、４０ ビットライン、５０（ＭＲ） 磁気記憶素子（メモリセル）、１００ 磁気記憶装置、ＰＬ、ＰＬ２ 固着層、ＴＮ１、ＴＮ２ トンネル絶縁膜、ＦＬ 記憶層、ＴＥ 上部電極。

Claims (4)

1. 磁化方向が一定方向に固定された固着層（ＰＬ）と、
   該固着層（ＰＬ）と接する非磁性誘電体層（ＴＮ１）と、
   該非磁性誘電体層（ＴＮ１）と接する第１面と、該第１面と対向する第２面とを備え、磁化方向が反転可能な記憶層（ＦＬ）との積層構造からなり、該積層構造を流れる電流により該記憶層（ＦＬ）の磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、
   該記憶層（ＦＬ）の第１面の全面が該非磁性誘電体層（ＴＮ１）に覆われ、
   該非磁性誘電体層（ＴＮ１）と該固着層（ＰＬ）との接合面において、該接合面を囲むように該非磁性誘電体層（ＴＮ１）が露出し、
   該記憶層（ＦＬ）の第２面の全面が第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）に覆われ、該第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）と接するように金属層が設けられ、
   該第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）と該金属層との接合面において、該接合面を囲むように該第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）が露出したことを特徴とする磁気記憶素子。
2. 上記非磁性誘電体層（ＴＮ１）と上記固着層（ＰＬ）との接合面と、上記第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）と上記金属層との接合面とが、該接合面の法線方向に見た場合に、一致するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
3. 上記接合面の外縁と、上記第２非磁性誘電体層（ＴＮ２）の外縁との距離が、上記記憶層（ＦＬ）の厚み以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の磁気記憶素子がマトリックス状に配置されたことを特徴とする磁気記憶装置。