JP2008153527A

JP2008153527A - Storage element and memory

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Publication number: JP2008153527A
Application number: JP2006341549A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Hosomi; 政功細見
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-07-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a storage element the thermal stability of which can be improved. <P>SOLUTION: A storage element 1 has a storage layer 17 for holding information by the magnetization state of a magnetic substance. In the storage element 1, a magnetization fixing layer 31 is provided via a tunnel insulating layer 16 to the storage layer 17, spin-polarized electrons are injected in the direction of lamination so as to change the orientation of the magnetization M1 of the storage layer 17 and information is recorded on the storage layer 17, and so that the storage layer 17 is formed with the area of the plane pattern of the storage layer being larger than that of the tunnel insulating layer 16. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、スピン偏極した電子を注入することにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。 The present invention relates to a memory element that changes the magnetization direction of a memory layer by injecting spin-polarized electrons and a memory including the memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。 In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。 As a candidate for a nonvolatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed.

ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。 In the MRAM, current is supplied to two types of address lines (word lines and bit lines) that are substantially orthogonal to each other, and the magnetization of the magnetic layer of the magnetic memory element at the intersection of the address lines is caused by a current magnetic field generated from each address line. Inverted information is recorded.

一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図６に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。 A schematic view (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A drain region 108, a source region 107, and a gate electrode 101 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 102 of the semiconductor substrate 110 such as a silicon substrate. Has been.
A word line 105 extending in the front-rear direction in the figure is provided above the gate electrode 101.
The drain region 108 is formed in common to the left and right selection transistors in the drawing, and a wiring 109 is connected to the drain region 108.
A magnetic storage element 103 having a storage layer whose magnetization direction is reversed is disposed between the word line 105 and the bit line 106 disposed above and extending in the horizontal direction in the drawing. The magnetic memory element 103 is composed of, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
Further, the magnetic memory element 103 is electrically connected to the source region 107 via the horizontal bypass line 111 and the vertical contact layer 104.
By applying current to each of the word line 105 and the bit line 106, a current magnetic field is applied to the magnetic memory element 103, thereby reversing the magnetization direction of the memory layer of the magnetic memory element 103 and recording information. be able to.

そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。 In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。 Accordingly, attention has been paid to a memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of performing magnetization reversal with a smaller current (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2). reference).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.

例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。 For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。 Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized without increasing current even if the element is miniaturized.

上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図４及び図５に示す。図４は斜視図、図５は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図４中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図４中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図４中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。 4 and 5 are schematic diagrams of a memory having a configuration using the above-described magnetization reversal by spin injection. 4 is a perspective view, and FIG. 5 is a cross-sectional view.
A drain region 58, a source region 57, and a gate electrode 51 constituting a selection transistor for selecting each memory cell are formed in a portion separated by the element isolation layer 52 of the semiconductor substrate 60 such as a silicon substrate. Has been. Among these, the gate electrode 51 also serves as a word line extending in the front-rear direction in FIG.
The drain region 58 is formed in common with the left and right selection transistors in FIG. 4, and a wiring 59 is connected to the drain region 58.
A storage element 53 having a storage layer whose magnetization direction is reversed by spin injection is disposed between the source region 57 and the bit line 56 disposed above and extending in the left-right direction in FIG.
The storage element 53 is configured by, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element). In the figure, reference numerals 61 and 62 denote magnetic layers. Of the two magnetic layers 61 and 62, one magnetic layer is a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and the other magnetic layer is a magnetization direction. A changing magnetization free layer, that is, a storage layer is used.
The storage element 53 is connected to the bit line 56 and the source region 57 via the upper and lower contact layers 54, respectively. As a result, a current can be passed through the memory element 53 to reverse the magnetization direction of the memory layer by spin injection.

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図６に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。 Such a memory using a magnetization reversal by spin injection has a feature that the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.

ところで、ＭＲＡＭの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線（ワード線やビット線）を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み（記録）を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる電流量を充分に流すことができる。 In the case of an MRAM, a write wiring (word line or bit line) is provided separately from a memory element, and information is written (recorded) by a current magnetic field generated by passing a current through the write wiring. Therefore, a sufficient amount of current required for writing can be passed through the write wiring.

一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。 On the other hand, in a memory configured to use magnetization reversal by spin injection, it is necessary to reverse the magnetization direction of the storage layer by performing spin injection with a current flowing through the storage element.
Since the current is directly supplied to the memory element and information is written (recorded) as described above, the memory cell is configured by connecting the memory element to a selection transistor in order to select a memory cell to be written. In this case, the current flowing through the memory element is limited to the magnitude of the current that can flow through the selection transistor (the saturation current of the selection transistor).
Therefore, it is necessary to perform writing with a current lower than the saturation current of the selection transistor, and it is necessary to improve the efficiency of spin injection and reduce the current flowing through the memory element.

また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。 Also, in order to increase the read signal, it is necessary to secure a large rate of change in magnetoresistance. To that end, a memory element having a tunnel insulating layer (tunnel barrier layer) as an intermediate layer in contact with both sides of the memory layer is required. The configuration is effective.
When the tunnel insulating layer is used as the intermediate layer as described above, the amount of current flowing through the memory element is limited in order to prevent the tunnel insulating layer from being broken down. From this viewpoint, it is necessary to suppress the current during spin injection.

Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５４，９３５３（１９９６）Phys. Rev. B, 54, 9353 (1996) Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔ．，１５９，Ｌ１（１９９６）J. et al. Magn. Mat. , 159, L1 (1996) 特開２００３−１７７８２号公報JP 2003-17782 A 米国特許第６２５６２２３号明細書US Pat. No. 6,256,223

ところで、電流によって書き込まれた情報を記憶して保持しなければ、メモリとはなり得ない。そのため、記憶層の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）の確保が必要である。
スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子の場合、従来のＭＲＡＭと比較して、記憶層の体積が小さくなるので、単純に考えると熱安定性は低下する方向にある。
記憶層の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱により再反転してしまい、書き込みエラーとなってしまう。
そのため、スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子において、熱安定性は非常に重要な特性である。 By the way, unless the information written by the current is stored and held, it cannot be a memory. Therefore, it is necessary to ensure the stability (thermal stability) of the memory layer against thermal fluctuation.
In the case of a memory element using magnetization reversal by spin injection, the volume of the memory layer is smaller than that of a conventional MRAM, so that the thermal stability tends to be lowered in a simple way.
If the thermal stability of the storage layer is not ensured, the reversed magnetization direction is reversed again by heat, resulting in a write error.
Therefore, thermal stability is a very important characteristic in a memory element using magnetization reversal by spin injection.

一般に、書き込みにあまりエネルギーを費やさない素子は、エネルギーバリアが低いため、情報が消えやすい。
一方、書き込みに大きなエネルギーを要する素子は、高いエネルギーバリアを形成することが可能であるため、情報の保持も安定していると言える。 In general, an element that does not spend much energy for writing has a low energy barrier, and thus information is easily lost.
On the other hand, an element that requires large energy for writing can form a high energy barrier, and thus it can be said that information retention is stable.

スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子において、スピン注入効率が等しい構成で比較すると、記憶層の飽和磁化量及び記憶層の体積が大きくなるに従い、熱安定性が高くなると同時に、書き込みに大きな電流を必要とするようになる。
熱安定性指標は、一般に、熱安定性パラメーター（Δ）で表すことができる。
Δは、Δ＝ＫＶ／ｋＴ（Ｋ：異方性エネルギー、Ｖ：記憶層の体積、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度）で与えられる。 In a memory element using magnetization reversal by spin injection, when compared with a configuration having the same spin injection efficiency, as the saturation magnetization amount of the memory layer and the volume of the memory layer increase, the thermal stability increases and at the same time a large current is applied to writing. Need to.
The thermal stability index can generally be represented by a thermal stability parameter (Δ).
Δ is given by Δ = KV / kT (K: anisotropic energy, V: volume of storage layer, k: Boltzmann constant, T: temperature).

従って、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる構成の記憶素子が、メモリとして存在し得るためには、スピン注入効率を改善して磁化反転に必要な電流をトランジスタの飽和電流以下に減らすと同時に、書き込まれた情報をしっかり保持する熱安定性を確保する必要がある。 Therefore, in order that a memory element having a configuration in which the magnetization direction of the memory layer is reversed by spin injection can exist as a memory, the current required for the magnetization reversal is reduced below the saturation current of the transistor by improving the spin injection efficiency. At the same time, it is necessary to ensure thermal stability that holds the written information firmly.

上述した問題の解決のために、本発明は、熱安定性を改善することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a memory element that can improve thermal stability, and a memory including the memory element.

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成である。さらに、本発明の記憶素子は、記憶層が、中間層よりも平面パターンの面積が大きく形成されているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。 The storage element of the present invention has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and a magnetization fixed layer is provided via the intermediate layer for the storage layer, and the intermediate layer is made of an insulator. By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer. Furthermore, in the memory element of the present invention, the memory layer is formed so that the area of the planar pattern is larger than that of the intermediate layer.
The memory of the present invention includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the memory element has the configuration of the memory element of the present invention. A storage element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, a current in the stacking direction flows through the two types of wiring, and spin-polarized electrons are injected. .

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
また、記憶層が、中間層よりも平面パターンの面積が大きく形成されているので、記憶層の保磁力を大きくして、記憶層の熱安定性を大きくすることができる。
一方で、中間層は相対的に面積の小さいパターンであるため、電流は記憶層の中間層に対応する部分（例えば中央部）のみに流れることになる。これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるための電流量の増大を抑制することができる。 According to the configuration of the above-described storage element of the present invention, the storage layer that holds information by the magnetization state of the magnetic material is provided, and the magnetization fixed layer is provided to the storage layer via the intermediate layer. By injecting electrons that are made of an insulator and spin-polarized in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes and information is recorded on the storage layer. Information can be recorded by injecting spin-polarized electrons.
In addition, since the storage layer has a larger planar pattern area than the intermediate layer, the coercive force of the storage layer can be increased and the thermal stability of the storage layer can be increased.
On the other hand, since the intermediate layer has a pattern with a relatively small area, the current flows only in a portion corresponding to the intermediate layer of the memory layer (for example, the central portion). Thereby, an increase in the amount of current for reversing the magnetization direction of the storage layer can be suppressed.

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量の増大を抑制し、かつ、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になるため、メモリセルに記録された情報を安定して保持することが可能になる。 According to the configuration of the memory of the present invention described above, the memory element includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wiring intersecting each other. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and a current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring, and spin-polarized electrons are injected. Accordingly, information can be recorded by spin injection by flowing current in the stacking direction of the memory element through two types of wiring.
In addition, since it becomes possible to suppress an increase in the amount of current required for reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element and to sufficiently ensure the thermal stability of the storage layer, the memory cell It is possible to stably hold the recorded information.

上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量（閾値電流）の増大を抑制すると共に、情報保持能力である熱安定性を確保することができるため、特性バランスに優れた記憶素子を構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。 According to the present invention described above, it is possible to suppress an increase in the amount of current (threshold current) required for reversing the magnetization direction of the storage layer, and to ensure thermal stability that is an information holding capability. Thus, a memory element having an excellent characteristic balance can be configured.
Thereby, an operation error can be eliminated and a sufficient operation margin of the memory element can be obtained.

また、メモリとして必要な熱安定性を確保しても、閾値電流の増大を抑制することができるので、大きな電圧をかける必要がなくなることから、中間層である絶縁体が破壊されることもなくなる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。 Even if the thermal stability required for the memory is ensured, an increase in threshold current can be suppressed, so that it is not necessary to apply a large voltage, so that the insulator as the intermediate layer is not destroyed. .
Therefore, a highly reliable memory that operates stably can be realized.

さらにまた、書き込み電流を低減しても、メモリとして必要となる熱安定性を充分に確保することが可能となるため、書き込み電流を低減して、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
従って、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。 Furthermore, even if the write current is reduced, it is possible to sufficiently secure the thermal stability required for the memory, so the write current is reduced and the power consumption when writing to the memory element is reduced. It becomes possible to do.
Therefore, the power consumption of the entire memory can be reduced.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。 First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.
In the present invention, information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element by the spin injection described above. The memory layer is made of a magnetic material such as a ferromagnetic layer, and holds information by the magnetization state (magnetization direction) of the magnetic material.

スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくは磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値（Ｉｃ）以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。 The basic operation of reversing the magnetization direction of the magnetic layer by spin injection is perpendicular to the film surface of a storage element composed of a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element). A current of a certain threshold value (Ic) or more flows in the direction. At this time, the polarity (direction) of the current depends on the direction of magnetization to be reversed.
When a current having an absolute value smaller than this threshold is passed, magnetization reversal does not occur.

スピン注入によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、現象論的に、下記式１により表される（例えば、F.J.Albert他著、Appl.Phys.Lett.,77,p.3809,2000年、等を参照）。 When the magnetization direction of the magnetic layer is reversed by spin injection, the threshold value Ic of the necessary current is phenomenologically expressed by the following equation 1 (for example, FJAlbert et al., Appl. Phys. Lett. ., 77, p. 3809, 2000, etc.).

なお、式１において、Ａは定数、αはスピン制動定数、ηはスピン注入効率、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは磁性層（記憶層）の体積である。 In Equation 1, A is a constant, α is a spin braking constant, η is a spin injection efficiency, Ms is a saturation magnetization, and V is a volume of a magnetic layer (storage layer).

本発明では、式１で表されるように、電流の閾値が、磁性層の体積Ｖ、磁性層の飽和磁化Ｍｓ、スピン注入効率と制動定数を制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
メモリとして存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標として、前述した熱安定性指標Δの値で判断される。磁性層（記憶層）の熱安定性指標Δは、下記式２により表される。 In the present invention, as represented by Equation 1, the current threshold can be arbitrarily set by controlling the volume V of the magnetic layer, the saturation magnetization Ms of the magnetic layer, the spin injection efficiency, and the braking constant. Take advantage of that.
Then, a storage element having a magnetic layer (storage layer) capable of holding information depending on the magnetization state and a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed is configured.
In order to be able to exist as a memory, it must be able to hold the written information. As an index of the ability to hold information, it is determined by the value of the thermal stability index Δ described above. The thermal stability index Δ of the magnetic layer (memory layer) is expressed by the following formula 2.

なお、式２において、Ｂは定数、Ｈｃ_０は０Ｋでの保磁力Ｈｃ、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは体積である。 In Equation 2, B is a constant, Hc ₀ is a coercive force Hc at 0K, Ms is a saturation magnetization, and V is a volume.

一般に、記憶された情報を８５℃で１０年間保持するためには、熱安定性指標Δの値として６０以上が必要とされる。この熱安定性指標Δと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多く、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。 Generally, in order to retain the stored information at 85 ° C. for 10 years, a value of 60 or more is required as the value of the thermal stability index Δ. The thermal stability index Δ and the current threshold value Ic often have a trade-off relationship, and in order to maintain memory characteristics, it is often a problem to achieve both of them.

そして、スピン注入により磁化反転を行う場合には、記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。
この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限されるため、書き込み電流の許容範囲も制限されることになる。 When magnetization reversal is performed by spin injection, information is written (recorded) by directly passing a current through the memory element. Therefore, the memory element is connected to a selection transistor in order to select a memory cell to be written. Thus, a memory cell is configured.
In this case, the current flowing through the memory element is limited to the magnitude of the current that can flow through the selection transistor (the saturation current of the selection transistor), and thus the allowable range of the write current is also limited.

これに対して、記憶層の磁化量を減らせば、書き込み電流の閾値を低減して許容範囲を広げることが可能になるが、前述したように、記憶層の熱安定性（指標Δ）を損なうことになる。メモリを構成するためには、熱安定性指標Δがある程度以上の大きさである必要がある。 On the other hand, if the amount of magnetization of the storage layer is reduced, the threshold value of the write current can be reduced and the allowable range can be expanded. However, as described above, the thermal stability (index Δ) of the storage layer is impaired. It will be. In order to configure the memory, the thermal stability index Δ needs to be a certain level or more.

そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層の平面パターンを、中間層や磁化固定層の平面パターンよりも大きい面積とすることにより、記憶層の保磁力を向上させることができると共に、書き込み電流を増やすことなく、熱安定性を改善することができ、安定したメモリを形成することができることを、見出した。 Therefore, as a result of various studies by the inventors of the present application, the coercive force of the storage layer is improved by making the plane pattern of the storage layer larger than the plane pattern of the intermediate layer or the magnetization fixed layer. It has been found that the thermal stability can be improved without increasing the write current and a stable memory can be formed.

さらに、本発明では、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。 Furthermore, in the present invention, in consideration of the saturation current value of the selection transistor, a magnetic tunnel junction (MTJ) using a tunnel insulating layer made of an insulator as a nonmagnetic intermediate layer between the storage layer and the magnetization fixed layer. Configure the element.
By constructing a magnetic tunnel junction (MTJ) element using a tunnel insulating layer, a magnetoresistance change rate (MR ratio) is compared with a case where a giant magnetoresistive effect (GMR) element is constructed using a nonmagnetic conductive layer. This is because the read signal intensity can be increased.

また、トンネル絶縁層の材料として、特に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
一般に、スピン注入効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。 In addition, by using magnesium oxide (MgO) as a material of the tunnel insulating layer, the magnetoresistance change rate (MR ratio) is made larger than when aluminum oxide that has been generally used so far is used. be able to.
In general, the spin injection efficiency depends on the MR ratio, and the higher the MR ratio, the higher the spin injection efficiency and the lower the magnetization reversal current density.
Therefore, by using magnesium oxide as the material of the tunnel insulating layer which is an intermediate layer, the write threshold current by spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. In addition, the read signal intensity can be increased.
As a result, the MR ratio (TMR ratio) can be ensured, the write threshold current by spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. In addition, the read signal intensity can be increased.

トンネル絶縁層を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜により形成する場合には、ＭｇＯ膜が結晶化していて、００１方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。 When the tunnel insulating layer is formed of a magnesium oxide (MgO) film, it is more desirable that the MgO film is crystallized and the crystal orientation is maintained in the 001 direction.

なお、本発明において、記憶層と磁化固定層との間の中間層（トンネル絶縁層）は、酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ_２、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。 In the present invention, the intermediate layer (tunnel insulating layer) between the storage layer and the magnetization fixed layer is made of magnesium oxide, for example, aluminum oxide, aluminum nitride, SiO ₂ , Bi ₂ O ₃ , MgF ₂ , CaF, SrTiO ₂ , AlLaO ₃ , Al—N—O, and other various insulators, dielectrics, and semiconductors can also be used.

さらにまた、記憶層中の酸化物の分散状態を適正化し、かつ、中間層に酸化マグネシウムを用いた場合に優れた磁気抵抗効果特性（ＭＲ特性）を得るためには、アニール温度を３００℃以上、望ましくは３４０℃〜３６０℃の高い温度とすることが要求される。これは、従来中間層に用いられていた酸化アルミニウムの場合のアニール温度の範囲（２５０℃〜２８０℃）と比較して、高温になっている。
これは、酸化物と磁性層の相分離を促し、整合界面を形成するためであり、同時に酸化マグネシウム等のトンネル絶縁層の適正な内部構造や結晶構造を形成するために必要になるからである、と考えられる。 Furthermore, in order to optimize the dispersion state of the oxide in the memory layer and to obtain excellent magnetoresistance effect characteristics (MR characteristics) when magnesium oxide is used for the intermediate layer, the annealing temperature is set to 300 ° C. or higher. The temperature is desirably set to a high temperature of 340 ° C. to 360 ° C. This is higher than the annealing temperature range (250 ° C. to 280 ° C.) in the case of aluminum oxide conventionally used for the intermediate layer.
This is to promote phase separation between the oxide and the magnetic layer and form a matching interface, and at the same time, it is necessary to form an appropriate internal structure and crystal structure of the tunnel insulating layer such as magnesium oxide. ,it is conceivable that.

このため、記憶素子の強磁性層にも、この高い温度のアニールに耐性を有するように、耐熱性のある強磁性材料を用いないと、優れたＭＲ特性を得ることができないが、本発明によれば、記憶層の平面パターンの面積を相対的に大きくすることによって、記憶層の耐熱性が向上するので、３４０℃〜３６０℃のアニールにも記憶層の磁気特性が劣化することがなく耐えうるようになる。
これにより、記憶素子を備えたメモリを製造する際に、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを適用できるという利点を有し、本実施の形態の記憶素子を備えたメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。 Therefore, excellent MR characteristics cannot be obtained without using a heat-resistant ferromagnetic material so that the ferromagnetic layer of the memory element is resistant to this high temperature annealing. Accordingly, the heat resistance of the memory layer is improved by relatively increasing the area of the planar pattern of the memory layer, so that the magnetic characteristics of the memory layer are not deteriorated even when annealed at 340 ° C. to 360 ° C. Become moist.
This has the advantage that a general semiconductor MOS formation process can be applied when manufacturing a memory including a memory element, and the memory including the memory element of the present embodiment can be applied as a general-purpose memory. It becomes possible.

記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。 The other configuration of the storage element can be the same as a conventionally known configuration of the storage element that records information by spin injection.

本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
この記憶素子１は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設けている。磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。
記憶層１７と磁化固定層３１との間には、トンネルバリア層となるトンネル絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層３１とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。 As an embodiment of the present invention, FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element.
In this storage element 1, a magnetization fixed layer 31 is provided as a lower layer with respect to the storage layer 17 in which the direction of the magnetization M1 is reversed by spin injection. The antiferromagnetic layer 12 is provided under the magnetization fixed layer 31, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 31 is fixed by the antiferromagnetic layer 12.
A tunnel insulating layer 16 serving as a tunnel barrier layer is provided between the storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31. The storage layer 17 and the magnetization fixed layer 31 constitute an MTJ element.
A base layer 11 is formed below the antiferromagnetic layer 12, and a cap layer 18 is formed on the storage layer 17.

磁化固定層３１は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。 The magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure.
Specifically, the magnetization fixed layer 31 has a configuration in which two ferromagnetic layers 13 and 15 are stacked via a nonmagnetic layer 14 and antiferromagnetically coupled.
Since each of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 has a laminated ferrimagnetic structure, the magnetization M13 of the ferromagnetic layer 13 is directed to the right, and the magnetization M15 of the ferromagnetic layer 15 is directed to the left. It has become. Thereby, the magnetic fluxes leaking from the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 cancel each other.

また、本実施の形態の記憶素子１の記憶層１７を含む要部の斜視図を、図２に示す。
図２の斜視図は、記憶層１７とトンネル絶縁層１６と磁化固定層３１とを示している。
本実施の形態では、特に、記憶層１７を、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１よりも、大きい面積の平面パターンに形成している。
図２に示すように、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１は、楕円形状の平面パターンに形成されている。記憶層１７は、トンネル絶縁層１６の平面パターンと同じ楕円形のパターン１７Ａと、その楕円の長軸方向の両側に突出した部分１７Ｂとを有している。
そして、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１は、記憶層１７の中央部に対向して配置されている。 2 is a perspective view of a main part including the memory layer 17 of the memory element 1 of the present embodiment.
The perspective view of FIG. 2 shows the storage layer 17, the tunnel insulating layer 16, and the magnetization fixed layer 31.
In the present embodiment, in particular, the storage layer 17 is formed in a planar pattern having a larger area than the tunnel insulating layer 16 and the magnetization fixed layer 31.
As shown in FIG. 2, the tunnel insulating layer 16 and the magnetization fixed layer 31 are formed in an elliptical plane pattern. The memory layer 17 includes an elliptic pattern 17A that is the same as the planar pattern of the tunnel insulating layer 16, and portions 17B that protrude on both sides of the ellipse in the major axis direction.
The tunnel insulating layer 16 and the magnetization fixed layer 31 are disposed to face the central portion of the storage layer 17.

磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ，Ｚｒ，Ｇｄ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等の遷移金属元素やＳｉ，Ｂ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、強磁性層１３，１５を構成してもよい。
磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。
非磁性層１４の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．５ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。 The material of the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31 is not particularly limited, and an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb, Zr, Gd, Ta, Ti, Mo, Mn, and Cu, and light elements such as Si, B, and C can also be included. Alternatively, the ferromagnetic layers 13 and 15 may be configured by directly stacking a plurality of films of different materials (not via a nonmagnetic layer) such as a CoFe / NiFe / CoFe stacked film.
As the material of the nonmagnetic layer 14 constituting the laminated ferrimagnetic pinned layer 31, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used.
Although the film thickness of the nonmagnetic layer 14 varies depending on the material, it is preferably used in the range of approximately 0.5 nm to 2.5 nm.

磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と記憶層１７の膜厚は、適宜調整することが可能であり、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が適当である。 The film thicknesses of the ferromagnetic layers 13 and 15 and the memory layer 17 of the magnetization fixed layer 31 can be adjusted as appropriate, and are preferably 1 nm or more and 5 nm or less.

記憶層１７の強磁性層の材料としては、特に限定はないが、磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と同様に、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ，Ｚｒ，Ｇｄ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等の遷移金属元素やＳｉ，Ｂ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、記憶層１７の強磁性層を構成してもよい。 The material of the ferromagnetic layer of the memory layer 17 is not particularly limited, but an alloy material composed of one or more of iron, nickel, and cobalt is used as in the ferromagnetic layers 13 and 15 of the magnetization fixed layer 31. Can be used. Furthermore, transition metal elements such as Nb, Zr, Gd, Ta, Ti, Mo, Mn, and Cu, and light elements such as Si, B, and C can also be included. Alternatively, the ferromagnetic layer of the memory layer 17 may be configured by directly stacking a plurality of films of different materials (not via a nonmagnetic layer), such as a CoFe / NiFe / CoFe stacked film.

さらに、本実施の形態において、トンネル絶縁層１６を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。
このようにＭＲ比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。 Furthermore, in this embodiment, when the tunnel insulating layer 16 is a magnesium oxide layer, the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be increased.
By increasing the MR ratio in this way, the efficiency of spin injection can be improved, and the current density required for reversing the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 can be reduced.

本実施の形態の記憶素子１は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、磁化固定層３１の強磁性層１５までの各層を積層形成した後、その上にトンネル絶縁層１６を形成する。トンネル絶縁層１６は、金属膜を成膜してから酸化する方法や、酸化膜を直接成膜する方法により、形成することができる。
次に、トンネル絶縁層１６までの各層を、図２に示した楕円形にパターニングする。
その上に記憶層１７となる強磁性層を成膜し、この強磁性層をトンネル絶縁層１６より大きい面積の平面パターンとなるようにパターニングして、記憶層１７を形成する。 The memory element 1 of the present embodiment can be manufactured as follows, for example.
First, the layers up to the ferromagnetic layer 15 of the magnetization fixed layer 31 are stacked and then the tunnel insulating layer 16 is formed thereon. The tunnel insulating layer 16 can be formed by a method of oxidizing after forming a metal film, or a method of directly forming an oxide film.
Next, each layer up to the tunnel insulating layer 16 is patterned into an ellipse shown in FIG.
A ferromagnetic layer to be the memory layer 17 is formed thereon, and this ferromagnetic layer is patterned so as to have a plane pattern larger in area than the tunnel insulating layer 16 to form the memory layer 17.

上述の本実施の形態の記憶素子１の構成によれば、記憶層１７をトンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１よりも大きい面積の平面パターンに形成したことにより、記憶層１７が大きい保磁力を有している。これにより、記憶層１７の熱安定性を大きくすることができる。
記憶層１７の熱安定性を大きくすることにより、記憶素子１に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子１を安定して動作させることができる。 According to the configuration of the storage element 1 of this embodiment described above, the storage layer 17 is formed in a planar pattern having a larger area than the tunnel insulating layer 16 and the magnetization fixed layer 31, so that the storage layer 17 has a large coercive force. Have. Thereby, the thermal stability of the memory layer 17 can be increased.
By increasing the thermal stability of the memory layer 17, it is possible to expand the operation region in which information is recorded by passing a current to the memory element 1, and a wide operating margin is ensured. Can be operated stably.

一方、トンネル絶縁層１６が相対的に面積の小さいパターンであるため、電流は記憶層１７のトンネル絶縁層１６に対応する中央部のみに流れることになる。
そのため、記憶層１７の中央部で電流密度が高くなり、反転電流密度以上になると記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転する際の起点を形成することができ、外周部は中央部の磁化反転動作に引きずられて記憶層１７の磁化Ｍ１全体が反転するので、記憶層１７の外周部には電流を流すことなく、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
これにより、磁化反転に必要な電流量（反転電流）を抑制することができる。そして、例えば、トンネル絶縁層が記憶層と同じ平面パターンに形成され、記憶層の平面パターンの面積が同じである構成と比較して、反転電流を低減することができる。 On the other hand, since the tunnel insulating layer 16 has a relatively small pattern, the current flows only in the central portion of the storage layer 17 corresponding to the tunnel insulating layer 16.
For this reason, the current density becomes high at the central portion of the storage layer 17, and when it becomes equal to or higher than the reversal current density, a starting point for reversing the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 can be formed. Since the entire magnetization M1 of the storage layer 17 is reversed by the operation, the direction of the magnetization M1 of the storage layer 17 can be reversed without flowing current to the outer peripheral portion of the storage layer 17.
Thereby, the amount of current (reversal current) necessary for magnetization reversal can be suppressed. For example, the inversion current can be reduced as compared with the configuration in which the tunnel insulating layer is formed in the same planar pattern as the storage layer and the area of the planar pattern of the storage layer is the same.

このように、磁化反転に必要な電流量を低減しても、前述したように熱安定性を充分に確保することが可能となるため、記憶層１７の磁化Ｍ１を反転させる際に記憶素子１に流す電流量を低減して、記憶素子１に情報の記録を行う際の消費電力を低減することが可能になる。
これにより、本実施の形態の記憶素子１によりメモリセルを構成した、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。 Thus, even if the amount of current required for the magnetization reversal is reduced, it is possible to sufficiently secure the thermal stability as described above. Therefore, when the magnetization M1 of the storage layer 17 is reversed, the storage element 1 Thus, it is possible to reduce the amount of current flowing through the storage element 1 and reduce power consumption when information is recorded in the storage element 1.
As a result, it is possible to reduce the power consumption of the entire memory in which the memory cell is configured by the memory element 1 of the present embodiment.

また、記憶層１７の周辺部は、パターニングの際にメモリセル毎にばらつきを生じることがあり、記憶層１７とトンネル絶縁層１６と磁化固定層３１とを同一の平面パターンとした構成では、周辺部のばらつきにより、メモリセル毎に、保磁力や電流量の閾値にばらつきを生じることがあった。
これに対して、本実施の形態では、記憶層１７の中央部に電流が集中するため、外周部の加工歪や加工むら、磁性材料劣化による、ばらつきの影響を受けにくくすることができる。 Further, the peripheral portion of the storage layer 17 may vary for each memory cell during patterning. In the configuration in which the storage layer 17, the tunnel insulating layer 16, and the magnetization fixed layer 31 are the same plane pattern, Due to the variation in the portion, the threshold value of the coercive force and the current amount may vary for each memory cell.
On the other hand, in the present embodiment, since the current concentrates in the central portion of the storage layer 17, it is possible to make it less susceptible to variations due to processing distortion and processing unevenness in the outer peripheral portion and deterioration of the magnetic material.

上述の実施の形態では、記憶層１７をトンネル絶縁層（中間層）１６と相似形ではない平面パターンとしたが、中間層と相似形で面積の大きい平面パターンとしてもよい。 In the above-described embodiment, the storage layer 17 is a planar pattern that is not similar to the tunnel insulating layer (intermediate layer) 16, but may be a planar pattern that is similar to the intermediate layer and has a large area.

また、中間層が記憶層の中央部に対向するように配置することが望ましいが、中間層が記憶層の一方の側に寄って形成されていても、本発明の作用効果が得られる。 Further, although it is desirable to arrange the intermediate layer so as to face the central portion of the storage layer, the effects of the present invention can be obtained even if the intermediate layer is formed close to one side of the storage layer.

さらにまた、記憶層と、中間層及び磁化固定層との上下関係を上述の実施の形態とは逆にして、記憶層を下層側に、磁化固定層を上層側にしても構わない。 Furthermore, the vertical relationship between the storage layer, the intermediate layer, and the magnetization fixed layer may be reversed from that of the above-described embodiment, and the storage layer may be on the lower layer side and the magnetization fixed layer may be on the upper layer side.

このように磁化固定層を上層側にした構成（トップスピンタイプ）に本発明を適用した場合には、例えば、次のようにして、記憶素子を製造する。
まず、強磁性層をパターニングして記憶層を形成する。
その後、中間層及び磁化固定層を順次成膜する。
そして、これら中間層及び磁化固定層を、エッチング等により、記憶層よりも面積の小さい平面パターンに、パターニングする。
なお、中間層のみを記憶層よりも小さい面積にパターニングする場合には、化学的エッチングの条件を考慮する。 When the present invention is applied to a configuration (top spin type) in which the magnetization fixed layer is on the upper layer side as described above, for example, a memory element is manufactured as follows.
First, the ferromagnetic layer is patterned to form a memory layer.
Thereafter, an intermediate layer and a magnetization fixed layer are sequentially formed.
Then, the intermediate layer and the magnetization fixed layer are patterned into a plane pattern having a smaller area than the storage layer by etching or the like.
In the case where only the intermediate layer is patterned to have an area smaller than that of the memory layer, the conditions for chemical etching are taken into consideration.

上述した実施の形態の記憶素子１によりメモリセルを構成して、このメモリセルを多数配置することにより、メモリ（記憶装置）を構成することができる。
互いに交差する２種類の配線を備えて、これら２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子１を配置して、これら２種類の配線を通じて記憶素子１に積層方向の電流を流すようにメモリを構成する。
具体的なメモリの構成としては、例えば、図４に示したメモリの構成と同様に、選択用トランジスタ、ワード線、ビット線を備えた構成とすればよい。 A memory (storage device) can be configured by configuring a memory cell by the storage element 1 of the above-described embodiment and arranging a large number of the memory cells.
Provided with two types of wirings that intersect each other, the storage element 1 is arranged near the intersection of these two types of wirings and between the two types of wirings, and current in the stacking direction is supplied to the storage element 1 through these two types of wiring Configure the memory to flow.
As a specific memory configuration, for example, a configuration including a selection transistor, a word line, and a bit line may be used as in the memory configuration shown in FIG.

（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、記憶素子の試料を作製し、記憶層が中間層よりも大きい面積である本発明の記憶素子の構成が、記憶層と中間層とが同じ形状・面積を持つ従来構造に対して、優れたスピン注入磁化反転特性を有することを確かめた。
まず、厚さ０．５７５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ２μｍの熱酸化膜を形成し、その上に図１に示した構成の記憶素子１を形成した。
具体的には、図１に示した構成の記憶素子１において、各層の材料及び膜厚を、下地膜１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２を膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、強磁性層１５を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、積層フェリ構造の磁化固定層３１を構成する非磁性層１４を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、トンネル絶縁層１６を膜厚０．８ｎｍの酸化マグネシウム膜、記憶層１７を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、キャップ層１８を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定し、また下地膜１１と反強磁性層１２との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０（原子％）、ＣｏＦｅＢ膜の組成はＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（原子％）とした。 (Example)
Here, in the configuration of the memory element of the present invention, a material of each layer is specifically selected to prepare a sample of the memory element, and the memory layer of the present invention has a larger area than the intermediate layer. It was confirmed that the device configuration has excellent spin-injection magnetization reversal characteristics compared to the conventional structure in which the memory layer and the intermediate layer have the same shape and area.
First, a thermal oxide film having a thickness of 2 μm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.575 mm, and the memory element 1 having the configuration shown in FIG. 1 was formed thereon.
Specifically, in the memory element 1 having the configuration shown in FIG. 1, the material and thickness of each layer are as follows: the base film 11 is a Ta film with a thickness of 3 nm, the antiferromagnetic layer 12 is a PtMn film with a thickness of 20 nm, and the magnetization The ferromagnetic layer 13 constituting the fixed layer 31 is a CoFe film having a thickness of 2 nm, the ferromagnetic layer 15 is a CoFe film having a thickness of 2.5 nm, and the nonmagnetic layer 14 constituting the magnetization fixed layer 31 having a laminated ferrimagnetic structure is formed. A 0.8 nm Ru film, a tunnel insulating layer 16 as a 0.8 nm thick magnesium oxide film, a memory layer 17 as a 3 nm thick CoFeB film, and a cap layer 18 as a 5 nm thick Ta film are selected. A Cu film (not shown) having a film thickness of 100 nm (to be a word line described later) was provided between 11 and the antiferromagnetic layer 12 to form each layer.
In the above film configuration, the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%), and the composition of the CoFeB film was Co40Fe40B20 (atomic%).

酸化マグネシウム膜から成るトンネル絶縁層１６以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム膜（ＭｇＯ）から成るトンネル絶縁層１６は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子１の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３５０℃・４時間の熱処理を行い、ＭｇＯ／強磁性層の結晶構造・界面制御と反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。 Each layer other than the tunnel insulating layer 16 made of a magnesium oxide film was formed using a DC magnetron sputtering method.
The tunnel insulating layer 16 made of a magnesium oxide film (MgO) was formed using an RF magnetron sputtering method.
Further, after each layer of the memory element 1 is formed, heat treatment is performed in a magnetic field heat treatment furnace at 10 kOe · 350 ° C. for 4 hours to control the crystal structure / interface of the MgO / ferromagnetic layer and PtMn of the antiferromagnetic layer 12. The film was subjected to ordered heat treatment.

図３Ａに記憶層１７の平面パターンを示すように、記憶層１７が中間層（トンネル絶縁層）１６の平面パターンと相似形であり、中間層１６の平面パターンよりも大きい面積である構成として、断面構造（膜構成）は図１に示した記憶素子１と同様にして、記憶素子を作製し、これを実施例１の試料とした。
この実施例１の試料について、寸法を測定することにより、記憶層／中間層の面積比を求めると、１．６であった。 As shown in FIG. 3A, the storage layer 17 has a configuration similar to the plane pattern of the intermediate layer (tunnel insulating layer) 16 and has a larger area than the plane pattern of the intermediate layer 16. A cross-sectional structure (film configuration) was made in the same manner as the memory element 1 shown in FIG.
For the sample of Example 1, the area ratio of the memory layer / intermediate layer was determined to be 1.6 by measuring the dimensions.

次に、図３Ｂに記憶層１７の平面パターンを示すように、記憶層１７が中間層（トンネル絶縁層）１６の平面パターンから、長軸方向にのみ突出した部分１７Ｂを有する構成として、断面構造（膜構成）は図１に示した記憶素子１と同様にして、記憶素子を作製し、これを実施例２の試料とした。中間層１６以下の各層の平面パターンは、形状・寸法とも、実施例１と同じとした。
この実施例２の試料について、記憶層／中間層の面積比は、１．４であった。 Next, as shown in FIG. 3B, the storage layer 17 has a cross-sectional structure in which the storage layer 17 has a portion 17 </ b> B protruding only in the major axis direction from the planar pattern of the intermediate layer (tunnel insulating layer) 16. A (film structure) was prepared in the same manner as the memory element 1 shown in FIG. The planar pattern of each layer below the intermediate layer 16 was the same as in Example 1 in both shape and dimensions.
For the sample of Example 2, the area ratio of the memory layer / intermediate layer was 1.4.

また、記憶層の平面パターンを中間層と同一の平面パターンとした、従来の構成の記憶素子を作製し、これを従来例の試料とした。中間層１６以下の各層の平面パターンは、形状・寸法とも、実施例１及び実施例２と同じとした。この従来例では、面積比は１．０となる。 In addition, a memory element having a conventional configuration in which the plane pattern of the memory layer was the same plane pattern as that of the intermediate layer was produced and used as a sample of the conventional example. The planar pattern of each layer below the intermediate layer 16 was the same as that of Example 1 and Example 2 in both shape and dimensions. In this conventional example, the area ratio is 1.0.

なお、それぞれの試料において、図示しないが、記憶素子の下地層１１側にワード線を接続し、キャップ層１８側にビット線を接続した。 In each sample, although not shown, a word line was connected to the base layer 11 side of the memory element, and a bit line was connected to the cap layer 18 side.

従来例及び各実施例の試料について、以下のように、反転電流値及び熱安定性の指標Δの値を測定した。 For the samples of the conventional example and each example, the reversal current value and the value of the thermal stability index Δ were measured as follows.

（反転電流値の測定）
記憶素子に、１μｓから１００ｍｓのパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。記憶素子の抵抗値を測定する際には、温度を室温２５℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が１０ｍＶとなるように調節した。
さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶層の磁化が反転する反転電流値を求めた。
そして、記憶素子間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子を２０個程度作製して、上述の測定を行い、反転電流値の平均値をとった。 (Reverse current value measurement)
A current having a pulse width of 1 μs to 100 ms was passed through the memory element, and then the resistance value of the memory element was measured. When measuring the resistance value of the memory element, the temperature was set to room temperature 25 ° C. and the bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal was adjusted to 10 mV.
Further, the amount of current passed through the memory element was changed to obtain the reversal current value at which the magnetization of the memory layer was reversed.
Then, in order to take into account the variation between the storage elements, about 20 storage elements having the same configuration were produced, the above-described measurement was performed, and the average value of the reversal current values was taken.

ここで、便宜上、ワード線からビット線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ⁺と記し、ビット線からワード線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ⁻と記す。ワード線からビット線に電流を流す場合には、平行状態から反平行状態に反転し、ビット線からワード線に電流を流す場合には、反平行状態から平行状態に反転する。各パルス幅におけるＩｃ値を横軸パルス幅でプロットし、１ｎｓのパルス幅に外装した値をＩｃ_０値とした。
そして、Ｉｃ⁺及びＩｃ⁻からそれぞれ得られたＩｃ_０値の絶対値の平均値を求め、これを各試料の反転電流値とした。 Here, for convenience, an inversion current value when current flows from the word line to the bit line is denoted as Ic ^+, and an inversion current value when current flows from the bit line to the word line is denoted as Ic ⁻ . When current flows from the word line to the bit line, it is inverted from the parallel state to the antiparallel state, and when current is passed from the bit line to the word line, it is inverted from the antiparallel state to the parallel state. The Ic value at each pulse width was plotted with the horizontal axis pulse width, and the value covered with a pulse width of 1 ns was defined as Ic ₀ value.
Then, an average value of absolute values of Ic ₀ values obtained from Ic ⁺ and Ic ⁻ was obtained, and this was used as the reversal current value of each sample.

（熱安定性の指標Δの測定）
各パルス幅で測定された電流値Ｉｃ及び上述の方法により算出されたＩｃ_０の値から、下記の式３に従い、熱安定性の指標Δを導出した。式３中のτ₀値は、スピン自転周波数の逆数で、通常１ｎｓとする。 (Measurement of thermal stability index Δ)
A thermal stability index Δ was derived from the current value Ic measured at each pulse width and the value of Ic ₀ calculated by the above-described method according to the following Equation 3. The τ ₀ value in Equation 3 is the reciprocal of the spin rotation frequency and is usually 1 ns.

各例について、記憶層の形状と、中間層との面積比と、反転電流値及び熱安定性の指標Δの値の測定結果とを、表１に示す。 For each example, Table 1 shows the shape of the memory layer, the area ratio to the intermediate layer, and the measurement results of the inversion current value and the value of the thermal stability index Δ.

表１より、本発明の実施例は、中間層と相似形とした実施例１も、中間層から長軸方向に張り出させた実施例２も、いずれも従来例よりも熱安定性の指標Δの値が大幅に増大し、メモリの保持能力が向上していることがわかる。 From Table 1, the examples of the present invention are both in the form similar to the intermediate layer, and the example 2 in which the intermediate layer protrudes from the intermediate layer in the long axis direction is an index of thermal stability than the conventional example. It can be seen that the value of Δ is greatly increased, and the retention capability of the memory is improved.

なお、反転電流値は、実施例が従来例よりもやや大きくなっているが、この程度の差では特に問題は生じない。
表１の従来例と実施例１とは、中間層の面積が等しい。これに対して、仮に、従来例と同様の構成で、実施例１と記憶層の面積を等しくすると、熱安定性の指標Δが大きくなるが、反転電流も表１に示した各例の値よりも大幅に大きくなってしまう。
このことから、同じ面積の記憶層、もしくは同じ熱安定性の指標Δが得られる構成で比較すると、実施例のように記憶層の平面パターンの面積を中間層の平面パターンよりも大きくすることにより、反転電流値を低減することができる、とも言える。 The inversion current value is slightly larger in the example than in the conventional example, but there is no particular problem with such a difference.
The conventional example of Table 1 and Example 1 have the same area of the intermediate layer. On the other hand, if the area of the memory layer is made equal to that of Example 1 with the same configuration as that of the conventional example, the thermal stability index Δ increases, but the inversion current is also the value of each example shown in Table 1. Will be much larger than.
From this, when comparing the storage layer with the same area or the configuration in which the same thermal stability index Δ is obtained, the area of the plane pattern of the storage layer is made larger than the plane pattern of the intermediate layer as in the example. It can also be said that the inversion current value can be reduced.

従って、実施例の構成とすることにより、反転電流を低く抑制することと、充分な熱安定性によりメモリの保持能力を向上させることとを、共に実現することができる。 Therefore, by adopting the configuration of the embodiment, it is possible to both reduce the reversal current and improve the retention capability of the memory with sufficient thermal stability.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of one embodiment of this invention. 図１の記憶素子の記憶層を含む要部の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a main part including a storage layer of the storage element of FIG. 1. Ａ、Ｂ本発明の記憶素子の実施例の記憶層の平面パターンを示す図である。A and B are diagrams showing a plane pattern of a storage layer of an embodiment of the storage element of the present invention. スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。It is a schematic block diagram (perspective view) of a memory using magnetization reversal by spin injection. 図４のメモリの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the memory of FIG. 4. 従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the conventional MRAM typically.

符号の説明Explanation of symbols

１記憶素子、１１下地層、１２反強磁性層、１３，１５強磁性層、１４非磁性層、１６トンネル絶縁層、１７記憶層、１８キャップ層、３１磁化固定層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Memory element, 11 Underlayer, 12 Antiferromagnetic layer, 13, 15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic layer, 16 Tunnel insulating layer, 17 Memory layer, 18 Cap layer, 31 Magnetization fixed layer

Claims

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記中間層が、絶縁体から成り、
積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
前記記憶層が、前記中間層よりも、平面パターンの面積が大きく形成されている
ことを特徴とする記憶素子。 It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer for the storage layer,
The intermediate layer is made of an insulator;
By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is changed, and information is recorded on the storage layer.
The memory element, wherein the area of the planar pattern is larger than that of the intermediate layer.

前記中間層が、酸化マグネシウム層であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。 The memory element according to claim 1, wherein the intermediate layer is a magnesium oxide layer.

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線を備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層が、前記中間層よりも、平面パターンの面積が大きく形成されている構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。 A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring crossing each other,
In the storage element, a magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer with respect to the storage layer, the intermediate layer is made of an insulator, and the storage layer is injected by injecting spin-polarized electrons. The direction of magnetization of the recording layer is changed, information is recorded on the storage layer, and the storage layer is configured to have a larger planar pattern area than the intermediate layer,
The storage element is disposed near the intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring,
A memory in which a current in the stacking direction flows in the memory element through the two types of wirings.