JP2009194251A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】固定層における磁化方向のばらつきを調整することができる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】第１の固定層１１上には第１のスペーサ層１２が形成され、スペーサ層１２上には自由層１３が形成されている。自由層１３上にはスペーサ層１４が形成され、スペーサ層１４上には固定層１５が形成されている。さらに、固定層１１下にはスペーサ層１６が形成され、スペーサ層１６下には固定層１１における磁化方向を調整する調整用の固定層１７が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁気抵抗効果素子に関するものであり、例えばトンネル磁気抵抗効果素子を含むメモリセルを備えた磁気記憶装置に使用されるものである。

強磁性体/絶縁体/強磁性体のサンドイッチ構造で構成されるトンネル磁気抵抗効果(ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistance effect)素子（あるいは磁気トンネル接合(ＭＴＪ:Magnetic tunnel junction)素子）を記憶素子として用いた磁気記憶装置(ＭＲＡＭ:Magnetoresistive Random Access Memory)への応用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは一つの強磁性体層のスピンを固定し(固定層あるいはピン層)、もう一つの強磁性体層のスピンを制御する(自由層あるいはフリー層)ことによってサンドイッチ構造間の抵抗を変化させ、メモリとして利用するものである。

磁気記憶装置（ＭＲＡＭ）では、書き込み電流と読み出し電流の信号比が小さく、書き込みと読み出し動作が同じである。このため、読み出し時に、リードディスターブにより読み出し電流によって書き込みが行われてしまう誤書き込みを生じるなど問題がある。この対策として、読み出し電流及び書き込み電流のばらつきを数％に制御しなければならず、読み出し電流及び書き込み電流のばらつきを低減するためには磁気抵抗効果素子の固定層における磁化方向のばらつきを低減する必要が生じている。
特開２００２−３５３４１８号公報

本発明は、固定層における磁化方向のばらつきを調整することができる磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様の磁気抵抗効果素子は、強磁性体からなる第１の固定層と、前記第１の固定層上に形成された絶縁体からなる第１のスペーサ層と、前記第１のスペーサ層上に形成された強磁性体からなる自由層と、前記自由層上に形成された非磁性体からなる第２のスペーサ層と、前記第２のスペーサ層上に形成された強磁性体からなる第２の固定層と、前記第１の固定層下に形成された非磁性体からなる第３のスペーサ層と、前記第３のスペーサ層下に形成された強磁性体からなる第３の固定層とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、固定層における磁化方向のばらつきを調整することができる磁気抵抗効果素子を提供することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子について説明する。図１は、第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。

この第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子は、第１の固定層（ピン層）１１上に第１のスペーサ層（トンネル絶縁膜）１２を介して自由層（フリー層）１３が形成された構造において、自由層１３上に第２のスペーサ層１４を介して第２の固定層１５が形成され、さらに第１の固定層１１下に第３のスペーサ層１６を介して第３の固定層（調整用ピン層）１７が形成された構造を有している。第３の固定層１７は、第１の固定層１１における磁化方向を調整する調整用固定層である。固定層１１、１５、１７、及び自由層１３は強磁性体から形成されている。スペーサ層１２、１４、１６は非磁性体から形成されている。

詳述すると、固定層１７上にはスペーサ層１６が形成され、スペーサ層１６上には固定層１１が形成されている。固定層１１上にはスペーサ層１２が形成され、スペーサ層１２上には自由層１３が形成されている。さらに、自由層１３上にはスペーサ層１４が形成され、スペーサ層１４上には固定層１５が形成されている。

このような構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子は以下のような動作原理を有する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、スピン注入時、注入される電子スピンの向きは、注入される先の固定層におけるスピンの向きと同じ向きのスピンが注入される傾向にある。よって、垂直型スピン注入法において自由層１３を書き換えるとき、下向きにスピンを反転させる場合は、図２（ａ）に示すように、固定層１５側から（上側から）電子を流し、固定層１５に存在するスピン、この場合は下向きのスピンを自由層１３に注入する。一方、上向きにスピンを反転させる場合は、図２（ｂ）に示すように、（下側から）電子を流し、固定層１５に存在するスピン、この場合は上向きのスピンを自由層１３に注入する。

ここで、トンネル磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭでは、書き込み時及び読み出し時における電流経路が同じであり、これらの動作マージンが少なく、ディスターブ不良を起こしやすい欠点がある。このため、固定層１１における磁化方向のばらつきを低減する必要がある。

しかし、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、加工ダメージ等により固定層１１における磁化方向がばらつき、このばらつきが問題となっている。

本発明の実施形態は、固定層１１における磁化方向のばらつきを低減することを目的としている。その方法は、自由層１３への書き込み動作を、固定層１１にそのまま適用する方法である。すなわち、図３（ｂ）に示すように、固定層１１にスピン注入を行うことにより、固定層１１におけるスピンの向き（磁化の向き）を調整する方法である。固定層１１におけるスピンが上側を向いている場合、下向きスピンを注入すれば、より垂直性が崩れる方向になり、逆に固定層１１におけるスピンの向きと同じ方向のスピン（上向きスピン）を注入すれば、磁化の異方性を強める方向に向かう。すなわち、固定層１１における磁化方向のばらつきを低減することができる。

固定層１５側から（上側から）スピンを注入する場合、自由層１３への書き込み時と全く同じ方法で固定層１１のスピンに影響を与える強さのスピン注入を行うことが可能である。しかし、従来のデュアル構造では、逆向きに固定層における磁化の違法性を強める効果は達成できない。よって、第１実施形態では、図１に示したように固定層１１下に、スペーサ層１６と、固定層１１を調整するための固定層１７を備える構造とする。これにより、固定層１１にも、上下両方向のスピンが注入可能となり、固定層１１における磁化方向のばらつきの調整が可能となる。

ここで、保持力の強さは、調整用の固定層１７＞ＴＭＲ用の固定層１１＞自由層１３となっている。また、スペーサ層１６は交換結合によりシンセティックフリー層構造を取らないように、Ｒｕ等の交換結合値が高いものは使用しない。Ｃｕ等の交換結合値が低いものを使用することにより、シンセティックフリー層とは異なり、図１に示したように、スペーサ層１６の上下で、磁化方向が同じ向きの固定層１１、１７が形成できる。

交換接合の高い材料としては、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ等が挙げられる。また、交換接合が低い材料としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕなどが挙げられる。この交換結合値としては、“Magnetitude of the antiferromagnetic exchange-coupling strength JO (erg/cm2)”が挙げられる。前述した磁化方向のばらつきの調整は固定層に対して行うため、製品出荷時もしくは製品使用時に定期的に行うことにより効果を発揮できる。

第１実施形態によれば、固定層における磁化方向のばらつきを調整することができる磁気抵抗効果素子を提供できる。これにより、磁気抵抗効果素子を有するＭＲＡＭにおける読み出し電流及び書き込み電流のばらつきを低減でき、動作マージンを確保することができる。

［第２実施形態］
次に、この発明の第２実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子について説明する。前記第１実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。

図４は、第２実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。

固定層１５上にはスペーサ層１４が形成され、このスペーサ層１４上には自由層１３が形成されている。自由層１３上にはスペーサ層（トンネル絶縁膜）１２が形成され、このスペーサ層１２上にはＴＭＲ用の固定層１１が形成されている。さらに、固定層１１上にはスペーサ層１６が形成され、このスペーサ層１６上には固定層１７が形成されている。

前述した第１実施形態において、固定層１５及び調整用の固定層１７の保持力が両方とも、ＴＭＲ用の固定層１１より大きい場合、固定層１５を形成する磁場中性膜の磁場および成膜温度により、ＴＭＲ用の固定層１１のスピンの向き（磁化の向き）がばらつく可能性がある。これに対して、第２実施形態では、ＴＭＲ用の固定層１１とその上の調整用の固定層１７のスピンの向きが同じであることから、加工が容易であるという利点がある。その他の構成及び効果については第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
次に、この発明の第３実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子について説明する。前記第１実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。

図５は、第３実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。

第１実施形態では、固定層１５及び調整用の固定層１７における磁化方向が膜面に対して垂直な方向である垂直磁化であったが、この第３実施形態では固定層２１及び調整用の固定層２２における磁化方向が面内磁化となっている。

固定層２２上にはスペーサ層１６が形成され、このスペーサ層１６上にはＴＭＲ用の固定層１１が形成されている。固定層１１上にはスペーサ層（トンネル絶縁膜）１２が形成され、このスペーサ層１２上には自由層１３が形成されている。さらに、自由層１３上にはスペーサ層１４が形成され、このスペーサ層１４上には固定層２１が形成されている。

このような構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子では、ＴＭＲ用の固定層１１に働くトルク成分が角度を持つため、固定層１１における磁化方向の調整成分が大きくなる効果がある。その他の構成及び効果については第１実施形態と同様である。

［第４実施形態］
次に、この発明の第４実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子について説明する。前記第１実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。

図６は、第４実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。

固定層１１上にはスペーサ層（トンネル絶縁膜）１２が形成され、このスペーサ層１２上には自由層１３が形成されている。自由層１３上にはスペーサ層１４が形成され、このスペーサ層１４上には固定層１５が形成されている。

第４実施形態の磁気抵抗効果素子は、調整用の固定層を有せず、デュアル構造を有している。そして、前述した書き込み方法により、自由層における磁化方向のばらつきを調整し、ＭＲ（MagnetoResistance）等の値をコントロールする。動作は以下のようになる。書き込み時に一方向の書き込み動作だけでなく、最初の書き込み動作を行い、次に読み出し動作を行い、次にその値から所望の値になるまで、上下から電流を流し、フィードバックする動作を行い、ベリファイ的な動作を行う。これにより、書き込み動作を、毎書き込み時に行う必要が生じるが、ばらつき低減効果を得ることができる。

また、前述した各実施形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。

本発明の第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。 第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子におけるスピン注入時を示す図である。 第１実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子におけるスピン注入時を示す図である。 本発明の第２実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。 本発明の第３実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。 本発明の第４実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１…第１の固定層（ピン層）、１２…第１のスペーサ層（トンネル絶縁膜）、１３…自由層（フリー層）、１４…第２のスペーサ層、１５…第２の固定層、１６…第３のスペーサ層、１７…第３の固定層（調整用ピン層）、２１，２２…固定層。

Claims (5)

1. 強磁性体からなる第１の固定層と、
   前記第１の固定層上に形成された絶縁体からなる第１のスペーサ層と、
   前記第１のスペーサ層上に形成された強磁性体からなる自由層と、
   前記自由層上に形成された非磁性体からなる第２のスペーサ層と、
   前記第２のスペーサ層上に形成された強磁性体からなる第２の固定層と、
   前記第１の固定層下に形成された非磁性体からなる第３のスペーサ層と、
   前記第３のスペーサ層下に形成された強磁性体からなる第３の固定層と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第３のスペーサ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕのうちの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１の固定層の保持力は、第２の固定層及び第３の固定層の保持力より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１の固定層における磁化の向きと前記第３の固定層における磁化の向きとが同じであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第２の固定層と前記第３の固定層との間に流す電流により、前記第１の固定層における磁化の向きを調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。

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