JP2012174709A - Magnetic tunnel junction element and magnetic random access memory - Google Patents

Magnetic tunnel junction element and magnetic random access memory Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MTJ element capable of not only reducing writing current but also having a large MR ratio.SOLUTION: A magnetic tunnel junction element comprises a magnetization free layer, a magnetization fixed layer, a tunnel barrier layer arranged between the magnetization free layer and the magnetization fixed layer. The magnetization free layer includes a perpendicular magnetization free layer, an in-plane magnetization free layer arranged between the perpendicular magnetization free layer and the tunnel barrier layer, and a nonmagnetic intermediate layer arranged between the perpendicular magnetization free layer and the in-plane magnetization free layer. An easy magnetization direction of the perpendicular magnetization free layer is perpendicular to a film plane and an easy magnetization direction of the in-plane magnetization free layer is parallel to the film plane, and magnetization of the perpendicular magnetization free layer is directed in an in-plane direction by exchange coupling with the in-plane magnetization free layer via the nonmagnetic intermediate layer.

Description

本発明は、トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetic tunnel junction element and a magnetic random access memory in which a tunnel barrier layer is sandwiched between a magnetization free layer and a magnetization fixed layer.

トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子をメモリセルに用いたスピントランスファートルク型磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）が注目されている。面内磁化膜を用いたＭＴＪ素子において、磁化自由層における垂直方向の反磁界Ｈｄが、磁化方向を反転させる反転電流増大の１つの要因になっている。   A spin transfer torque type magnetic random access memory (STT-MRAM) using a magnetic tunnel junction (MTJ) element in which a tunnel barrier layer is sandwiched between a magnetization free layer and a magnetization fixed layer as a memory cell has attracted attention. In an MTJ element using an in-plane magnetization film, the demagnetizing field Hd in the perpendicular direction in the magnetization free layer is one factor in increasing the reversal current that reverses the magnetization direction.

垂直磁気異方性を有する膜と、面内磁気異方性を有する膜とを接触させた２層構造の磁化自由層を用いることにより、書き込み電流の低減を図ることができるとの報告がなされている。   It has been reported that the write current can be reduced by using a magnetization free layer having a two-layer structure in which a film having perpendicular magnetic anisotropy and a film having in-plane magnetic anisotropy are in contact with each other. ing.

Luqiao Liu et al., “Reduction of the spin-torque critical current by partially canceling the free layer demagnetization field”, Applied Physics Lerrets 94, 122508 (2009)Luqiao Liu et al., “Reduction of the spin-torque critical current by partially canceling the free layer demagnetization field”, Applied Physics Lerrets 94, 122508 (2009) Takahiro Moriyama et al., “Tunnel magnetoresistance and spin torque switching in MgO-based magnetic tunnel junctions with a Co/Ni multilayer electrode”, Applied Physics Letters 97, 072513 (2010)Takahiro Moriyama et al., “Tunnel magnetoresistance and spin torque switching in MgO-based magnetic tunnel junctions with a Co / Ni multilayer electrode”, Applied Physics Letters 97, 072513 (2010)

書込み電流の低減のみならず、大きなＭＲ比を有するＭＴＪ素子の開発が望まれている。   It is desired to develop an MTJ element having a large MR ratio as well as a reduction in write current.

本発明の一観点によると、
磁化自由層と、
磁化固定層と、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層と
を有し、
前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いている磁気トンネル接合素子が提供される。 According to one aspect of the invention,
A magnetization free layer;
A magnetization fixed layer;
A tunnel barrier layer disposed between the magnetization free layer and the magnetization fixed layer;
The magnetization free layer includes a perpendicular magnetization free layer, an in-plane magnetization free layer disposed between the perpendicular magnetization free layer and the tunnel barrier layer, and between the perpendicular magnetization free layer and the in-plane magnetization free layer. An easy magnetization direction of the perpendicular magnetization free layer is perpendicular to the film surface, and an easy magnetization direction of the in-plane magnetization free layer is parallel to the film surface, The magnetization of the perpendicular magnetization free layer is exchange-coupled with the in-plane magnetization free layer via the nonmagnetic intermediate layer, thereby providing a magnetic tunnel junction element facing in the in-plane direction.

垂直磁化自由層と面内磁化自由層とを組み合わせることにより、磁化自由層の垂直方向の反磁界を小さくすることができる。これにより、反転電流を低減させることが可能になる。非磁性中間層を配置することにより、大きなＭＲ比を得ることができる。   By combining the perpendicular magnetization free layer and the in-plane magnetization free layer, the demagnetizing field in the perpendicular direction of the magnetization free layer can be reduced. As a result, the inversion current can be reduced. By arranging the nonmagnetic intermediate layer, a large MR ratio can be obtained.

実施例１によるＭＴＪ素子の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an MTJ element according to Example 1. FIG. （２Ａ）及び（２Ｂ）は、それぞれＣｏＦｅＢ単層の磁化自由層、及び実施例１の構造を有する磁化自由層の磁化特性を示すグラフである。(2A) and (2B) are graphs showing the magnetization characteristics of the magnetization free layer of the CoFeB single layer and the magnetization free layer having the structure of Example 1, respectively. 実施例１によるＭＴＪ素子の非磁性中間層のＲｕ膜の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the Ru film of the nonmagnetic intermediate layer of the MTJ element according to Example 1 and the MR ratio. 実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer and the MR ratio of the MTJ element according to Example 1; 実施例１によるＭＴＪ素子の非磁性中間層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the nonmagnetic intermediate layer of the MTJ element according to Example 1 and the MR ratio. 実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer and the MR ratio of the MTJ element according to Example 1; 実施例１によるＭＴＪ素子の垂直磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the perpendicular magnetization free layer of the MTJ element according to Example 1 and the MR ratio. 実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer and the MR ratio of the MTJ element according to Example 1; 実施例１によるＭＴＪ素子の垂直磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of the perpendicular magnetization free layer of the MTJ element according to Example 1 and the MR ratio. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの等価回路図である。6 is an equivalent circuit diagram of an STT-MRAM according to Embodiment 2. FIG. 実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造途中段階における断面図である。12 is a cross-sectional view of an STT-MRAM according to Example 2 in the middle of manufacture. FIG.

図１に、実施例１によるＭＴＪ素子の概略断面図を示す。基板１０の上に、下部電極１１が形成されている。下部電極１１には、例えばＴａが用いられる。下部電極１１の一部の領域上に、バッファ層１２、磁化自由層１７、トンネルバリア層１８、磁化固定層（磁化ピンド層）１９、反強磁性層（磁化ピニング層）２０、上部電極２１、及び接続層２２が、この順番に積層されている。磁化自由層１７は、非磁性中間層１４を垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とで挟んだ積層構造を有する。面内磁化自由層１５がトンネルバリア層１８に接触している。すなわち、垂直磁化自由層１３とトンネルバリア層１８との間に面内磁化自由層１５が配置されている。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an MTJ element according to the first embodiment. A lower electrode 11 is formed on the substrate 10. For example, Ta is used for the lower electrode 11. The buffer layer 12, the magnetization free layer 17, the tunnel barrier layer 18, the magnetization fixed layer (magnetization pinned layer) 19, the antiferromagnetic layer (magnetization pinning layer) 20, the upper electrode 21, And the connection layer 22 is laminated | stacked in this order. The magnetization free layer 17 has a laminated structure in which the nonmagnetic intermediate layer 14 is sandwiched between the perpendicular magnetization free layer 13 and the in-plane magnetization free layer 15. The in-plane magnetization free layer 15 is in contact with the tunnel barrier layer 18. That is, the in-plane magnetization free layer 15 is disposed between the perpendicular magnetization free layer 13 and the tunnel barrier layer 18.

バッファ層１２は、その上に配置される垂直磁化自由層１３の結晶品質を高め、垂直磁化自由層１３の磁化容易方向を膜面に対して垂直な方向に向ける機能を持つ。バッファ層１２には、例えばＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ等が用いられ、その厚さは、例えば２ｎｍ〜１０ｎｍである。   The buffer layer 12 has a function of improving the crystal quality of the perpendicular magnetization free layer 13 disposed thereon and directing the easy magnetization direction of the perpendicular magnetization free layer 13 in a direction perpendicular to the film surface. For example, Ru, Pt, Rh, Pd, Cu or the like is used for the buffer layer 12, and the thickness thereof is, for example, 2 nm to 10 nm.

垂直磁化自由層１３には、磁化容易方向が膜面に対して垂直である強磁性材料が用いられる。このような材料として、例えば、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ等が挙げられる。また、垂直磁気異方性膜１３を多層膜構造としてもよい。多層膜構造の例として、Ｆｅ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｆｅ層とＰｄ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｄ層との交互積層構造、及びＣｏ層とＮｉ層との交互積層構造が挙げられる。   The perpendicular magnetization free layer 13 is made of a ferromagnetic material whose easy magnetization direction is perpendicular to the film surface. Examples of such a material include CoPt, FePt, CoPd, and FePd. The perpendicular magnetic anisotropic film 13 may have a multilayer structure. Examples of the multilayer film structure include an alternately laminated structure of Fe layer and Pt layer, an alternately laminated structure of Fe layer and Pd layer, an alternately laminated structure of Co layer and Pt layer, and an alternately laminated structure of Co layer and Pd layer. , And an alternately laminated structure of Co layers and Ni layers.

非磁性中間層１４は、その上に形成される面内磁化自由層１５の結晶品質を高める機能を有する。非磁性中間層１４には、例えば厚さ０．１ｎｍ〜０．４ｎｍのＴａ膜が用いられる。なお、非磁性中間層１４を、Ｔａ膜とＲｕ膜との２層構造にしてもよい。この構造では、厚さ１ｎｍ以下のＲｕ膜が、垂直磁化自由層１３とＴａ膜との間に配置される。   The nonmagnetic intermediate layer 14 has a function of improving the crystal quality of the in-plane magnetization free layer 15 formed thereon. For the nonmagnetic intermediate layer 14, for example, a Ta film having a thickness of 0.1 nm to 0.4 nm is used. The nonmagnetic intermediate layer 14 may have a two-layer structure of a Ta film and a Ru film. In this structure, a Ru film having a thickness of 1 nm or less is disposed between the perpendicular magnetization free layer 13 and the Ta film.

面内磁化自由層１５には、磁化容易方向が面内方向を向く強磁性材料が用いられる。このような磁性材料として、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅＢ、ＦｅＢ等が挙げられる。ＭＴＪ素子をＳＴＴ−ＭＲＡＭに適用したときの反転電流（書込み電流）及び情報保持能力（リテンション）は、面内磁化自由層１５の膜厚に依存する。面内磁化自由層１５にＣｏ２５Ｆｅ５９Ｂ１６を用いる場合、その厚さを１．１ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内とすることが好ましい。なお、非磁性中間層１４がＴａ膜のみで形成されている場合には、面内磁化自由層１５の厚さを、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内とすることが好ましい。   The in-plane magnetization free layer 15 is made of a ferromagnetic material whose easy magnetization direction is in the in-plane direction. Examples of such a magnetic material include CoFe, NiFe, CoNiFe, CoFeB, NiFeB, CoNiFeB, and FeB. The reversal current (write current) and the information retention capability (retention) when the MTJ element is applied to the STT-MRAM depend on the film thickness of the in-plane magnetization free layer 15. When Co25Fe59B16 is used for the in-plane magnetization free layer 15, the thickness thereof is preferably in the range of 1.1 nm to 1.2 nm. In the case where the nonmagnetic intermediate layer 14 is formed of only a Ta film, the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 is preferably in the range of 0.5 nm to 1.2 nm.

垂直磁化自由層１３に接触させて、面内磁化自由層１５を形成すると、面内磁化自由層１５が、垂直磁化自由層１３の結晶格子の影響を受けて、（１１０）配向した体心立方格子構造をとりやすくなる。ＭＲ比を大きくするためには、面内磁化自由層１５を、（００１）配向した体心立方格子構造にすることが好ましい。非磁性中間層１４を配置することにより、面内磁化自由層１５を、（００１）配向した体心立方格子構造にすることができる。   When the in-plane magnetization free layer 15 is formed in contact with the perpendicular magnetization free layer 13, the in-plane magnetization free layer 15 is influenced by the crystal lattice of the perpendicular magnetization free layer 13 and is (110) oriented body-centered cubic. It becomes easy to take a lattice structure. In order to increase the MR ratio, it is preferable that the in-plane magnetization free layer 15 has a (001) -oriented body-centered cubic lattice structure. By disposing the nonmagnetic intermediate layer 14, the in-plane magnetization free layer 15 can have a (001) -oriented body-centered cubic lattice structure.

垂直磁化自由層１３が非磁性中間層１４を介して面内磁化自由層１５と交換結合することにより、垂直磁化自由層１３の磁化方向が面内方向を向く。これにより、磁化自由層１７は、全体として面内方向の磁気異方性を有する強磁性膜として機能する。磁化自由層１７にスピン偏極した電子を注入し、スピントランスファートルクの作用によって磁化方向を反転させるための電流（反転電流）の大きさは、磁化自由層１７の垂直方向の反磁界に依存する。面内磁化自由層１５と垂直磁化自由層１３とを組み合わせることにより、磁化自由層１７の垂直方向の反磁界を低減させることができる。これにより、反転電流を小さくすることが可能になる。   When the perpendicular magnetization free layer 13 is exchange-coupled to the in-plane magnetization free layer 15 via the nonmagnetic intermediate layer 14, the magnetization direction of the perpendicular magnetization free layer 13 faces the in-plane direction. Thereby, the magnetization free layer 17 functions as a ferromagnetic film having magnetic anisotropy in the in-plane direction as a whole. The magnitude of the current (inversion current) for injecting spin-polarized electrons into the magnetization free layer 17 and reversing the magnetization direction by the action of the spin transfer torque depends on the demagnetizing field in the perpendicular direction of the magnetization free layer 17. . By combining the in-plane magnetization free layer 15 and the perpendicular magnetization free layer 13, the demagnetizing field in the perpendicular direction of the magnetization free layer 17 can be reduced. As a result, the inversion current can be reduced.

垂直磁化自由層１３が厚くなりすぎると、その本来の垂直磁気異方性が支配的になってしまい、磁化が面内方向を向きにくくなる。また、反転電流は、磁化自由層１７の体積に依存する。垂直磁化自由層１３が厚くなると、磁化自由層１７の体積が大きくなり、反転電流を低減させる効果が減殺されてしまう。逆に、垂直磁化自由層１３が薄すぎると、垂直方向の反磁界を低減させるという十分な効果が得られない。   If the perpendicular magnetization free layer 13 becomes too thick, its original perpendicular magnetic anisotropy becomes dominant, and the magnetization becomes difficult to face in the in-plane direction. The reversal current depends on the volume of the magnetization free layer 17. When the perpendicular magnetization free layer 13 becomes thick, the volume of the magnetization free layer 17 increases and the effect of reducing the reversal current is diminished. Conversely, if the perpendicular magnetization free layer 13 is too thin, a sufficient effect of reducing the demagnetizing field in the vertical direction cannot be obtained.

一例として、垂直磁化自由層１３にＣｏＰｔを用いる場合には、その厚さを０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にすることが好ましい。また、垂直磁化自由層１３を、Ｃｏ膜とＮｉ膜との交互積層構造とする場合には、Ｃｏ膜の厚さを０．２ｎｍ、Ｎｉ膜の厚さを０．４ｎｍとし、繰返し回数を２回とすることが好ましい。   As an example, when CoPt is used for the perpendicular magnetization free layer 13, the thickness thereof is preferably in the range of 0.5 nm to 1.5 nm. Further, when the perpendicular magnetization free layer 13 has an alternately laminated structure of a Co film and a Ni film, the thickness of the Co film is 0.2 nm, the thickness of the Ni film is 0.4 nm, and the number of repetitions is 2. It is preferable to set the time.

トンネルバリア層１８は、磁化自由層１７と磁化固定層１９との間で、量子トンネル効果によって電子が移動する厚さに設定される。トンネルバリア層１８の材料及び厚さは、素子抵抗ＲＡを決める一因になる。一例として、トンネルバリア層１８にＭｇＯを用いる場合、その厚さは１ｎｍに設定される。ＭｇＯ以外に、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＨｆＯ等の酸化物を用いてもよい。   The tunnel barrier layer 18 is set to a thickness at which electrons move between the magnetization free layer 17 and the magnetization fixed layer 19 by the quantum tunnel effect. The material and thickness of the tunnel barrier layer 18 contribute to the element resistance RA. As an example, when MgO is used for the tunnel barrier layer 18, the thickness is set to 1 nm. In addition to MgO, oxides such as AlO, ZnO, and HfO may be used.

磁化固定層１９は、例えば、トンネルバリア層１８側から順番に、厚さ２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さ０．７ｎｍのＲｕ層、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層が積層された積層フェリ構造を有する。   The magnetization fixed layer 19 is, for example, in order from the tunnel barrier layer 18 side, a CoFeB layer having a thickness of 2.5 nm, a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm, a Ru layer having a thickness of 0.7 nm, and a CoFe layer having a thickness of 3 nm. It has a laminated ferri structure in which layers are laminated.

反強磁性層２０には、反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等が用いられる。一例として、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ層が用いられる。反強磁性層２０は、磁化固定層１９と交換結合することにより、磁化固定層１９の磁化方向を、面内の一方向に固定する。   The antiferromagnetic layer 20 is made of an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn. As an example, a PtMn layer having a thickness of 15 nm is used. The antiferromagnetic layer 20 fixes the magnetization direction of the magnetization fixed layer 19 in one direction in the plane by exchange coupling with the magnetization fixed layer 19.

上部電極２１には、例えば厚さ５ｎｍのＲｕ層が用いられる。接続層２２には、例えば厚さ１００ｎｍのＴａ層が用いられる。接続層２２は、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をパターニングするときのハードマスクとして用いられる。   For the upper electrode 21, for example, a Ru layer having a thickness of 5 nm is used. For the connection layer 22, for example, a Ta layer having a thickness of 100 nm is used. The connection layer 22 is used as a hard mask when the layers from the upper electrode 21 to the buffer layer 12 are patterned.

磁化自由層１７の磁化方向が、磁化固定層１９の磁化方向と平行になっている状態（平行状態）が、ＭＴＪ素子の低抵抗状態に対応し、反平行になっている状態（反平行状態）が、高抵抗状態に対応する。   The state where the magnetization direction of the magnetization free layer 17 is parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 19 (parallel state) corresponds to the low resistance state of the MTJ element and is antiparallel (antiparallel state). ) Corresponds to the high resistance state.

図２Ａ及び図２Ｂに、膜面に垂直な方向の磁化特性の測定結果を示す。図２Ａは、厚さ１．３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の磁化特性を示し、図２Ｂは、実施例１による磁化自由層１７の磁化特性を示す。作製した試料の垂直磁化自由層は、厚さ０．２ｎｍのＣｏ膜と厚さ０．６ｎｍのＮｉ膜との交互積層構造を有し、積層の繰返し回数は２である。非磁性中間層１４は、厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．２ｎｍのＴａ膜との２層構造を有する。面内磁化自由層１５は、厚さ０．８ｎｍのＣｏＦｅＢ膜である。   2A and 2B show the measurement results of the magnetization characteristics in the direction perpendicular to the film surface. FIG. 2A shows the magnetization characteristics of the CoFeB film having a thickness of 1.3 nm, and FIG. 2B shows the magnetization characteristics of the magnetization free layer 17 according to the first embodiment. The perpendicular magnetization free layer of the manufactured sample has an alternate laminated structure of a Co film having a thickness of 0.2 nm and a Ni film having a thickness of 0.6 nm, and the number of repetitions of lamination is 2. The nonmagnetic intermediate layer 14 has a two-layer structure of a Ru film having a thickness of 0.4 nm and a Ta film having a thickness of 0.2 nm. The in-plane magnetization free layer 15 is a CoFeB film having a thickness of 0.8 nm.

図２Ａ及び図２Ｂの横軸は、垂直方向の外部磁界の強さを、単位「Ｏｅ」で表し、縦軸は垂直方向の磁化の大きさを、単位「１０−３ ｅｍｕ」で表す。 2A and 2B, the horizontal axis represents the strength of the external magnetic field in the vertical direction in the unit “Oe”, and the vertical axis represents the magnitude of the magnetization in the vertical direction in the unit “10 −3 emu”.

厚さ１．３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の垂直方向の反磁界は、約４４００Ｏｅである。これに対し、実施例１の構造の磁化自由層１７の垂直方向の反磁界は約１７５０Ｏｅである。このように、実施例１の構造を採用することにより、単層の面内磁化自由層に比べて、垂直方向の反磁界を低減させることができる。   The demagnetizing field in the vertical direction of the CoFeB film having a thickness of 1.3 nm is about 4400 Oe. On the other hand, the perpendicular demagnetizing field of the magnetization free layer 17 having the structure of the first embodiment is about 1750 Oe. Thus, by adopting the structure of Example 1, the demagnetizing field in the vertical direction can be reduced as compared with the single-layer in-plane magnetization free layer.

また、厚さ１．３ｎｍの単層のＣｏＦｅＢ層を磁化自由層に用いたＭＴＪ素子の反転電流は、約４ＭＡ／ｃｍ２（実測値）であった。これに対し、図２Ｂに示した試料の反転電流は、約１．５ＭＡ／ｃｍ２（試料の磁化量と反磁界による計算値）であった。このように、実施例１による磁化自由層１７を採用することにより、反転電流を低減させることが可能になる。 The reversal current of the MTJ element using a single CoFeB layer having a thickness of 1.3 nm as the magnetization free layer was about 4 MA / cm 2 (measured value). In contrast, the reversal current of the sample shown in FIG. 2B was about 1.5 MA / cm 2 (calculated value based on the amount of magnetization of the sample and the demagnetizing field). Thus, by employing the magnetization free layer 17 according to the first embodiment, it is possible to reduce the reversal current.

図１に示した積層構造を有する複数の評価用試料を作製し、ＭＲ比を測定した。以下、評価結果について説明する。   A plurality of evaluation samples having the laminated structure shown in FIG. 1 were prepared, and the MR ratio was measured. Hereinafter, the evaluation results will be described.

図３に、非磁性中間層１４の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の構造は下記の通りである。
・バッファ層１２：厚さ４ｎｍのＰｔ膜
・垂直磁化自由層１３：（厚さ０．３ｎｍのＣｏ膜／厚さ０．６ｎｍのＮｉ膜）×２
・非磁性中間層１４：厚さ０．２ｎｍ〜０．８ｎｍのＲｕ膜と、厚さ０ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・トンネルバリア層１８：厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ膜
・磁化固定層１９：厚さ０．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、厚さ０．７５ｎｍのＲｕ膜、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ膜
・反強磁性層２０：厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ膜
・上部電極２１：厚さ５ｎｍＲｕ膜
・接続層２２：厚さ１００ｎｍのＴａ膜
ここで、垂直磁化自由層１３の構造を示す「×２」は、Ｃｏ膜とＮｉ膜との積層の繰返し回数が２回であることを意味する。 FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 and the MR ratio. The structure of the prepared sample for evaluation is as follows.
Buffer layer 12: Pt film with a thickness of 4 nm Vertical magnetization free layer 13: (Co film with a thickness of 0.3 nm / Ni film with a thickness of 0.6 nm) × 2
Nonmagnetic intermediate layer 14: Ru film having a thickness of 0.2 nm to 0.8 nm and a Ta film having a thickness of 0 nm to 0.2 nm. In-plane magnetization free layer 15: CoFeB film having a thickness of 1.0 nm Tunnel barrier layer 18: MgO film having a thickness of 1.0 nm Magnetization fixed layer 19: CoFeB film having a thickness of 0.2 nm, CoFe film having a thickness of 0.5 nm, Ru film having a thickness of 0.75 nm, and a thickness 3 nm CoFe film, antiferromagnetic layer 20: 15 nm thick PtMn film, upper electrode 21: 5 nm thick Ru film, connection layer 22: 100 nm thick Ta film Here, the structure of the perpendicular magnetization free layer 13 is shown. “× 2” means that the number of repetitions of the lamination of the Co film and the Ni film is two.

図３の横軸は、非磁性中間層１４のＲｕ膜の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４のＴａ膜の厚さが０ｎｍ、０．１ｎｍ、及び０．２ｎｍの試料を示す。「Ｔａ膜の厚さが０ｎｍ」の試料は、非磁性中間層１４をＲｕ膜のみで構成した試料であることを意味する。   The horizontal axis in FIG. 3 represents the thickness of the Ru film of the nonmagnetic intermediate layer 14 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. The square symbol, triangle symbol, and circle symbol in the figure indicate samples with the Ta film thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 being 0 nm, 0.1 nm, and 0.2 nm, respectively. A sample having a “Ta film thickness of 0 nm” means that the nonmagnetic intermediate layer 14 is composed only of a Ru film.

非磁性中間層１４としてＴａ膜を配置した試料（三角記号、丸記号）のＭＲ比は、Ｔａを配置していない試料（四角記号）のＭＲ比よりも大きいことがわかる。   It can be seen that the MR ratio of the sample (triangle symbol, circle symbol) in which the Ta film is arranged as the nonmagnetic intermediate layer 14 is larger than the MR ratio of the sample (square symbol) in which no Ta is arranged.

図４に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層１４及び面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・非磁性中間層１４：厚さ０ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ０．８ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図４の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ、０．１ｎｍ、及び０．２ｎｍの試料を示す。「非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ」の試料においては、垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とが直接接触している。 FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 and the MR ratio. The structures of the nonmagnetic intermediate layer 14 and the in-plane magnetization free layer 15 of the produced evaluation sample are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Nonmagnetic intermediate layer 14: Ta film having a thickness of 0 nm to 0.2 nm In-plane magnetization free layer 15: CoFeB film having a thickness of 0.8 nm to 1.4 nm The horizontal axis of FIG. The thickness is expressed in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. Square symbols, triangle symbols, and circle symbols in the figure indicate samples in which the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 is 0 nm, 0.1 nm, and 0.2 nm, respectively. In the sample with “the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 is 0 nm”, the perpendicular magnetization free layer 13 and the in-plane magnetization free layer 15 are in direct contact with each other.

Ｔａの非磁性中間層１４を配置した試料のＭＲ比は、非磁性中間層１４を配置していない試料のＭＲ比よりも大きいことがわかる。なお、面内磁化自由層１５の厚さが０．８ｎｍの試料においては、Ｔａの非磁性中間層１４を挿入する効果が小さいことがわかる。   It can be seen that the MR ratio of the sample in which the Ta nonmagnetic intermediate layer 14 is arranged is larger than the MR ratio of the sample in which the nonmagnetic intermediate layer 14 is not arranged. It is understood that the effect of inserting the Ta nonmagnetic intermediate layer 14 is small in the sample having the in-plane magnetization free layer 15 having a thickness of 0.8 nm.

図５に、Ｔａの非磁性中間層１４の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層１４及び面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・非磁性中間層１４：厚さ０ｎｍ〜０．４ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図５の横軸は、非磁性中間層１４の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ面内磁化自由層１５の厚さが１．０ｎｍ、１．２ｎｍの試料を示す。「非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ」の試料においては、垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とが直接接触している。非磁性中間層１４の厚さが０．１ｎｍ〜０．４ｎｍの範囲内で、非磁性中間層１４を配置しない場合に比べて大きなＭＲ比が得られることが確認された。 FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the Ta nonmagnetic intermediate layer 14 and the MR ratio. The structures of the nonmagnetic intermediate layer 14 and the in-plane magnetization free layer 15 of the produced evaluation sample are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Nonmagnetic intermediate layer 14: Ta film having a thickness of 0 nm to 0.4 nm In-plane magnetization free layer 15: CoFeB film having a thickness of 1.0 nm to 1.2 nm The horizontal axis of FIG. The thickness is expressed in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. The triangle symbol and the circle symbol in the figure indicate samples in which the in-plane magnetization free layer 15 has a thickness of 1.0 nm and 1.2 nm, respectively. In the sample with “the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 is 0 nm”, the perpendicular magnetization free layer 13 and the in-plane magnetization free layer 15 are in direct contact with each other. It was confirmed that a larger MR ratio can be obtained when the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 14 is in the range of 0.1 nm to 0.4 nm as compared with the case where the nonmagnetic intermediate layer 14 is not disposed.

図３〜図５に示した評価結果からわかるように、非磁性中間層１４としてＴａ膜を配置することにより、ＭＲ比を改善することが可能である。   As can be seen from the evaluation results shown in FIGS. 3 to 5, the MR ratio can be improved by disposing a Ta film as the nonmagnetic intermediate layer 14.

図６に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料のバッファ層１２、垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・バッファ層１２：厚さ７ｎｍのＲｕ膜
・垂直磁化自由層１３：厚さ１．２ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ０．７ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図６の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面内磁化自由層１５の厚さが０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内で、十分大きなＭＲ比が得られている。 FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 and the MR ratio. The structures of the buffer layer 12, the perpendicular magnetization free layer 13, the nonmagnetic intermediate layer 14, and the in-plane magnetization free layer 15 of the fabricated sample for evaluation are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Buffer layer 12: Ru film with a thickness of 7 nm Vertical magnetization free layer 13: CoPt film with a thickness of 1.2 nm Nonmagnetic intermediate layer 14: Ta film with a thickness of 0.2 nm In-plane magnetization free layer 15: Thickness CoFeB film having a thickness of 0.7 nm to 1.2 nm The horizontal axis in FIG. 6 represents the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. A sufficiently large MR ratio is obtained when the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 is within a range of 0.7 nm to 1.2 nm.

図７に、垂直磁化自由層１３の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図６の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ１．０ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図７の横軸は、垂直磁化自由層１３の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれＴａの非磁性中間層１４の厚さが０．１ｎｍ、０．２ｎｍの試料を示す。垂直磁化自由層１３の厚さが１．０ｎｍ〜１．４ｎｍの範囲内で、十分大きなＭＲ比が得られている。 FIG. 7 shows the relationship between the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 and the MR ratio. The structures of the perpendicular magnetization free layer 13, the nonmagnetic intermediate layer 14, and the in-plane magnetization free layer 15 of the produced evaluation sample are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Vertical magnetization free layer 13: CoPt film with a thickness of 1.0 nm to 1.4 nm Nonmagnetic intermediate layer 14: Ta film with a thickness of 0.1 nm to 0.2 nm In-plane magnetization free layer 15: Thickness 7 nm CoFeB Film The horizontal axis of FIG. 7 represents the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. The triangle symbol and the circle symbol in the figure indicate samples in which the thickness of the Ta nonmagnetic intermediate layer 14 is 0.1 nm and 0.2 nm, respectively. A sufficiently large MR ratio is obtained when the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 is in the range of 1.0 nm to 1.4 nm.

図８に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図７の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ０．８ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図８の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面内磁化自由層１５の厚さが１．０ｎｍの試料では、厚さが１．１ｎｍ〜１．２ｎｍの試料に比べて、ＭＲ比が著しく低いことがわかる。これは、面内磁化自由層１５と垂直磁化自由層１３との交換相互作用により、面内磁化自由層１５の磁化が垂直方向を向いてしまったためであると考えられる。 FIG. 8 shows the relationship between the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 and the MR ratio. The structures of the perpendicular magnetization free layer 13, the nonmagnetic intermediate layer 14, and the in-plane magnetization free layer 15 of the produced evaluation sample are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Vertical magnetization free layer 13: CoPt film with a thickness of 0.8 nm Nonmagnetic intermediate layer 14: Lamination of Ru film with a thickness of 0.4 nm and Ta film with a thickness of 0.2 nm In-plane magnetization free layer 15: CoFeB Film of Thickness 1.0 nm to 1.2 nm The horizontal axis of FIG. 8 represents the thickness of the in-plane magnetization free layer 15 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. It can be seen that the MR ratio of the sample with the in-plane magnetization free layer 15 of 1.0 nm is significantly lower than that of the sample with a thickness of 1.1 nm to 1.2 nm. This is considered to be because the magnetization of the in-plane magnetization free layer 15 is oriented in the perpendicular direction due to the exchange interaction between the in-plane magnetization free layer 15 and the perpendicular magnetization free layer 13.

図９に、垂直磁化自由層１３の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図７の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ０．８ｎｍ〜２．２ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図９の横軸は、垂直磁化自由層１３の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４のＴａ膜の厚さが０．１ｎｍ、０．２ｎｍの試料を示す。垂直磁化自由層１３の厚さが０．８ｎｍ〜２．２ｎｍの範囲内で、大きなＭＲ比が得られている。 FIG. 9 shows the relationship between the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 and the MR ratio. The structures of the perpendicular magnetization free layer 13, the nonmagnetic intermediate layer 14, and the in-plane magnetization free layer 15 of the produced evaluation sample are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample used in the measurement of FIG.
Vertical magnetization free layer 13: CoPt film with a thickness of 0.8 nm to 2.2 nm Nonmagnetic intermediate layer 14: Lamination of a Ru film with a thickness of 0.4 nm and a Ta film with a thickness of 0.1 nm to 0.2 nm In-plane magnetization free layer 15: CoFeB film having a thickness of 1.1 nm The horizontal axis of FIG. 9 represents the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. To express. The triangle symbol and the circle symbol in the figure indicate samples in which the thickness of the Ta film of the nonmagnetic intermediate layer 14 is 0.1 nm and 0.2 nm, respectively. A large MR ratio is obtained when the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 is in the range of 0.8 nm to 2.2 nm.

なお、垂直磁化自由層１３の厚さを１．０ｎｍ以下の範囲で、ＭＲ比がより大きくなっている。これは、垂直磁化自由層１３が面内磁化自由層１５と交換結合することにより、その磁化が面内方向を向きやすいためであると考えられる。また、垂直磁化自由層１３を厚くしすぎると、磁化自由層１７の合計の体積が大きくなることにより、反転電流が大きくなってしまう。反転電流の増大を抑制するために、垂直磁化自由層１３の厚さを１．５ｎｍ以下にすることが好ましい。   Note that the MR ratio is larger when the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 is 1.0 nm or less. This is presumably because the perpendicular magnetization free layer 13 is exchange-coupled to the in-plane magnetization free layer 15 so that the magnetization tends to face the in-plane direction. On the other hand, if the perpendicular magnetization free layer 13 is too thick, the total volume of the magnetization free layer 17 is increased, and the reversal current is increased. In order to suppress an increase in reversal current, the thickness of the perpendicular magnetization free layer 13 is preferably 1.5 nm or less.

図１０Ａ〜図１０Ｆを参照して、実施例１によるＭＴＪ素子の製造方法について説明する。   With reference to FIGS. 10A to 10F, a method for manufacturing an MTJ element according to Example 1 will be described.

図１０Ａに示すように、基板１０の上に、下部電極１１から接続層２２までの各層を、スパッタリングにより形成する。基板１０内に、下地電極１１に接続される導電プラグ１０Ａが埋め込まれている。接続層２２を形成した後、磁場中で熱処理を行うことにより、反強磁性層２０に反強磁性を出現させる。この熱処理時に、面内磁化自由層１５が結晶化する。   As shown in FIG. 10A, each layer from the lower electrode 11 to the connection layer 22 is formed on the substrate 10 by sputtering. A conductive plug 10 </ b> A connected to the base electrode 11 is embedded in the substrate 10. After the connection layer 22 is formed, antiferromagnetism appears in the antiferromagnetic layer 20 by performing heat treatment in a magnetic field. During this heat treatment, the in-plane magnetization free layer 15 is crystallized.

図１０Ｂに示すように、ＭＴＪ積層構造を配置すべき領域に接続層２２が残るように、接続層２２をパターニングする。接続層２２のパターニングには、例えばエッチングマスクとして酸化シリコン膜を用い、エッチングガスとしてＣｌ２ガスを用いる。接続層２２をパターニングした後、エッチングマスクとして使用した酸化シリコン膜は除去する。パターニングされた接続層２２の平面形状は、例えば長方形または楕円形である。平面視において、パターニングされた接続層２２は、導電プラグ１０Ａと重ならない。 As shown in FIG. 10B, the connection layer 22 is patterned so that the connection layer 22 remains in the region where the MTJ multilayer structure is to be disposed. For patterning the connection layer 22, for example, a silicon oxide film is used as an etching mask, and a Cl 2 gas is used as an etching gas. After the connection layer 22 is patterned, the silicon oxide film used as an etching mask is removed. The planar shape of the patterned connection layer 22 is, for example, a rectangle or an ellipse. In a plan view, the patterned connection layer 22 does not overlap the conductive plug 10A.

図１０Ｃに示すように、パターニングされた接続層２２をエッチングマスクとして用い、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をエッチングする。このエッチングには、ＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングが適用される。ＣＯとＮＨ３との流量比は、例えば１：１０とし、エッチングチャンバ内の圧力は、例えば１０Ｐａとする。なお、エッチングガスとしてメタノールガスを用いることもできる。 As shown in FIG. 10C, each layer from the upper electrode 21 to the buffer layer 12 is etched using the patterned connection layer 22 as an etching mask. For this etching, reactive ion etching using a mixed gas of CO and NH 3 is applied. The flow rate ratio between CO and NH 3 is, for example, 1:10, and the pressure in the etching chamber is, for example, 10 Pa. Note that methanol gas can also be used as an etching gas.

Ｔａからなる下部電極１１が露出すると、下部電極１１の表面が酸化され、タンタル酸化物層が形成される。タンタル酸化物層がエッチングストッパとして作用するため、下部電極１１はエッチングされない。ここまでの工程で、バッファ層１２から接続層２２まで各層を含む積層構造体３０が形成される。   When the lower electrode 11 made of Ta is exposed, the surface of the lower electrode 11 is oxidized, and a tantalum oxide layer is formed. Since the tantalum oxide layer acts as an etching stopper, the lower electrode 11 is not etched. Through the steps so far, the laminated structure 30 including the layers from the buffer layer 12 to the connection layer 22 is formed.

図１０Ｄに示すように、積層構造体３０及び下部電極１１の上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をパターニングすることにより、レジストパターン３３を形成する。レジストパターン３３は、積層構造体３０、及びその周囲の下部電極１１を覆う。平面視において、レジストパターン３３は導電プラグ１０Ａを内包する。レジストパターン３３をエッチングマスクとして、下部電極１１をエッチングする。このエッチングには、例えばエッチングガスとしてＣｌ２を用いた反応性イオンエッチングが適用される。エッチング後、レジストパターン３３を除去する。ここまでの工程で、図１に示したＭＴＪ素子が形成される。パターニングされた下部電極１１は、導電プラグ１０Ａに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 10D, a photoresist film is formed on the laminated structure 30 and the lower electrode 11, and this photoresist film is patterned to form a resist pattern 33. The resist pattern 33 covers the laminated structure 30 and the lower electrode 11 around it. In plan view, the resist pattern 33 includes the conductive plug 10A. The lower electrode 11 is etched using the resist pattern 33 as an etching mask. For this etching, for example, reactive ion etching using Cl 2 as an etching gas is applied. After the etching, the resist pattern 33 is removed. Through the steps so far, the MTJ element shown in FIG. 1 is formed. The patterned lower electrode 11 is electrically connected to the conductive plug 10A.

図１０Ｅに示すように、基板１０、下部電極１１、及び積層構造体３０の上に、層間絶縁膜３５を形成する。層間絶縁膜３５には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁材料が用いられる。層間絶縁膜３５の形成には、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）が適用される。   As illustrated in FIG. 10E, an interlayer insulating film 35 is formed on the substrate 10, the lower electrode 11, and the stacked structure 30. For the interlayer insulating film 35, for example, an insulating material such as silicon nitride or silicon oxide is used. For example, chemical vapor deposition (CVD) is applied to the formation of the interlayer insulating film 35.

図１０Ｆに示すように、層間絶縁膜３５に、接続層２２の上面を露出させるビアホールを形成し、その中に導電プラグ３７を充填する。導電プラグ３７は、接続層２２を介して、ＭＴＪ素子の上部電極２１に電気的に接続される。   As shown in FIG. 10F, a via hole exposing the upper surface of the connection layer 22 is formed in the interlayer insulating film 35, and a conductive plug 37 is filled therein. The conductive plug 37 is electrically connected to the upper electrode 21 of the MTJ element through the connection layer 22.

図１１に、実施例２によるスピントルク注入型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の等価回路図を示す。複数のワード線５３が、図１１の縦方向に延在し、複数のビット線６５が図１１の横方向に延在する。ワード線５３とビット線６５との交差箇所に対応して、メモリセルが配置される。メモリセルは、スイッチング素子５２とＭＴＪ素子６０とを含む。スイッチング素子５２には、例えばＭＯＳトランジスタが用いられる。スイッチング素子５２の制御端子（ＭＯＳトランジスタのゲート電極）が、対応するワード線５３に接続される。ワード線５３に印加される電気信号によって、スイッチング素子５２のオンオフ制御が行われる。スイッチング素子５２の一方の電流端子が接地され、他方の電流端子が、ＭＴＪ素子６０を介して、対応するビット線６５に接続される。   FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram of a spin torque injection type MRAM (STT-MRAM) according to the second embodiment. A plurality of word lines 53 extend in the vertical direction of FIG. 11, and a plurality of bit lines 65 extend in the horizontal direction of FIG. Corresponding to the intersection of the word line 53 and the bit line 65, a memory cell is arranged. The memory cell includes a switching element 52 and an MTJ element 60. For example, a MOS transistor is used as the switching element 52. The control terminal of the switching element 52 (the gate electrode of the MOS transistor) is connected to the corresponding word line 53. On / off control of the switching element 52 is performed by an electrical signal applied to the word line 53. One current terminal of the switching element 52 is grounded, and the other current terminal is connected to the corresponding bit line 65 via the MTJ element 60.

図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して、実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造方法について説明する。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいては、１つのメモリセルに対応する部分の断面図を示している。   A manufacturing method of the STT-MRAM according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 12A to 12C. 12A to 12C show cross-sectional views of a portion corresponding to one memory cell.

図１２Ａに示すように、シリコン等の半導体基板５０の表層部に素子分離絶縁膜５１を形成し、活性領域を画定する。この活性領域に、ＭＯＳトランジスタ５２を形成する。ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電極がワード線５３（図１１）を兼ねる。半導体基板５０及びＭＯＳトランジスタ５２の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５５を、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により堆積させる。堆積後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、層間絶縁膜５５の表面を平坦化する。   As shown in FIG. 12A, an element isolation insulating film 51 is formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate 50 such as silicon to define an active region. In this active region, a MOS transistor 52 is formed. The gate electrode of the MOS transistor 52 also serves as the word line 53 (FIG. 11). An interlayer insulating film 55 made of silicon oxide or the like is deposited on the semiconductor substrate 50 and the MOS transistor 52 by, for example, chemical vapor deposition (CVD). After deposition, the surface of the interlayer insulating film 55 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP).

層間絶縁膜５５にビアホールを形成し、このビアホール内をタングステン等の導電プラグ５６で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５６は、ＭＯＳトランジスタ５２の一方の不純物拡散領域に接続される。   A via hole is formed in the interlayer insulating film 55, and the via hole is filled with a conductive plug 56 such as tungsten. For example, TiN is used as the barrier metal. The conductive plug 56 is connected to one impurity diffusion region of the MOS transistor 52.

層間絶縁膜５５の上に、導電プラグ５６に接続されたグランド配線５７を形成する。層間絶縁膜５５及びグランド配線５７の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５８を、例えばＣＶＤにより堆積させる。堆積後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜５８の表面を平坦化する。   A ground wiring 57 connected to the conductive plug 56 is formed on the interlayer insulating film 55. An interlayer insulating film 58 made of silicon oxide or the like is deposited on the interlayer insulating film 55 and the ground wiring 57 by, for example, CVD. After deposition, the surface of the interlayer insulating film 58 is planarized by CMP.

図１２Ｂに示すように、層間絶縁膜５５、５８にビアホールを形成し、このビアホール内を、タングステン等の導電プラグ５９で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５９は、ＭＯＳトランジスタ５２のもう一方の不純物拡散領域に接続される。   As shown in FIG. 12B, via holes are formed in the interlayer insulating films 55 and 58, and the via holes are filled with a conductive plug 59 such as tungsten. For example, TiN is used as the barrier metal. Conductive plug 59 is connected to the other impurity diffusion region of MOS transistor 52.

層間絶縁膜５８の上に、ＭＴＪ素子６０を形成する。ＭＴＪ素子６０は、図１に示した実施例１の下部電極１１から接続層２２までの積層構造と同一の積層構造を有する。ＭＴＪ素子６０は、実施例１と同じ方法で作製される。下部電極１１は、導電プラグ５９に接続される。   An MTJ element 60 is formed on the interlayer insulating film 58. The MTJ element 60 has the same stacked structure as the stacked structure from the lower electrode 11 to the connection layer 22 of the first embodiment shown in FIG. The MTJ element 60 is manufactured by the same method as in the first embodiment. The lower electrode 11 is connected to the conductive plug 59.

図１２Ｃに示すように、ＭＴＪ素子６０及び層間絶縁膜５８の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜６３を、例えばＣＶＤにより堆積させる。その後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜６３の表面を平坦化する。ＭＴＪ素子６０と重なる位置にビアホールを形成し、このビアホール内を、導電プラグ６４で埋め込む。導電プラグ６４には、例えばＡｌ／ＴｉＮの積層膜が用いられる。   As shown in FIG. 12C, an interlayer insulating film 63 made of silicon oxide or the like is deposited on the MTJ element 60 and the interlayer insulating film 58 by, for example, CVD. Thereafter, the surface of the interlayer insulating film 63 is planarized by CMP. A via hole is formed at a position overlapping with the MTJ element 60, and the via hole is filled with a conductive plug 64. For the conductive plug 64, for example, an Al / TiN laminated film is used.

層間絶縁膜６３の上に、ビット線６５を形成する。ビット線６５は、例えば、厚さ１０ｎｍのＴｉ層、厚さ３０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び厚さ６００ｎｍのＡｌ層がこの順番に堆積した３層構造を有する。ビット線６５は、導電プラグ６４に接続される。   A bit line 65 is formed on the interlayer insulating film 63. For example, the bit line 65 has a three-layer structure in which a Ti layer having a thickness of 10 nm, a NiFe layer having a thickness of 30 nm, and an Al layer having a thickness of 600 nm are sequentially deposited. The bit line 65 is connected to the conductive plug 64.

ビット線６５及び層間絶縁膜６３の上に、必要に応じて上層の配線層及び電極パッドを形成する。   An upper wiring layer and electrode pads are formed on the bit line 65 and the interlayer insulating film 63 as necessary.

実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいては、実施例１によるＭＴＪ素子が用いられている。このため、書き込み電流を低減させ、かつ大きなＭＲ比を得ることができる。   In the STT-MRAM according to the second embodiment, the MTJ element according to the first embodiment is used. For this reason, the write current can be reduced and a large MR ratio can be obtained.

実施例１によるＭＴＪ素子は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの他に、例えばスピントルクオシレータ等に適用することができる。   The MTJ element according to the first embodiment can be applied to, for example, a spin torque oscillator in addition to the STT-MRAM.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

１０ 基板
１０Ａ 導電プラグ
１１ 下部電極
１２ バッファ層
１３ 垂直磁化自由層
１４ 非磁性中間層
１５ 面内磁化自由層
１７ 磁化自由層
１８ トンネルバリア層
１９ 磁化固定層
２０ 反強磁性層
２１ 上部電極
２２ 接続層
３０ 積層構造体
３３ レジストパターン
３５ 層間絶縁膜
３７ 導電プラグ
５０ 半導体基板
５１ 素子分離絶縁膜
５２ スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）
５３ ワード線
５５ 層間絶縁膜
５６ 導電プラグ
５７ グランド配線
５８ 層間絶縁膜
５９ 導電プラグ
６０ ＭＴＪ素子
６３ 層間絶縁膜
６４ 導電プラグ
６５ ビット線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 10A Conductive plug 11 Lower electrode 12 Buffer layer 13 Perpendicular magnetization free layer 14 Nonmagnetic intermediate layer 15 In-plane magnetization free layer 17 Magnetization free layer 18 Tunnel barrier layer 19 Magnetization fixed layer 20 Antiferromagnetic layer 21 Upper electrode 22 Connection layer 30 laminated structure 33 resist pattern 35 interlayer insulating film 37 conductive plug 50 semiconductor substrate 51 element isolation insulating film 52 switching element (MOS transistor)
53 Word line 55 Interlayer insulation film 56 Conductive plug 57 Ground wiring 58 Interlayer insulation film 59 Conductive plug 60 MTJ element 63 Interlayer insulation film 64 Conductive plug 65 Bit line

Claims (5)

磁化自由層と、
磁化固定層と、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層と
を有し、
前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いている磁気トンネル接合素子。 A magnetization free layer;
A magnetization fixed layer;
A tunnel barrier layer disposed between the magnetization free layer and the magnetization fixed layer;
The magnetization free layer includes a perpendicular magnetization free layer, an in-plane magnetization free layer disposed between the perpendicular magnetization free layer and the tunnel barrier layer, and between the perpendicular magnetization free layer and the in-plane magnetization free layer. An easy magnetization direction of the perpendicular magnetization free layer is perpendicular to the film surface, and an easy magnetization direction of the in-plane magnetization free layer is parallel to the film surface, The magnetic tunnel junction element in which the magnetization of the perpendicular magnetization free layer is directed in the in-plane direction by exchange coupling with the in-plane magnetization free layer through the nonmagnetic intermediate layer. 前記非磁性中間層は、厚さ０．１ｎｍ〜０．４ｎｍの範囲内のＴａ層を含む請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction element according to claim 1, wherein the nonmagnetic intermediate layer includes a Ta layer having a thickness in a range of 0.1 nm to 0.4 nm. 前記非磁性中間層は、さらに、前記垂直磁化自由層と前記Ｔａ層との間に配置された厚さ１ｎｍ以下のＲｕ層を含む請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction element according to claim 2, wherein the nonmagnetic intermediate layer further includes a Ru layer having a thickness of 1 nm or less disposed between the perpendicular magnetization free layer and the Ta layer. 前記面内磁化自由層は、（００１）配向した体心立方格子構造を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子。   4. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein the in-plane magnetization free layer has a (001) -oriented body-centered cubic lattice structure. 5. 基板上に形成され、一方向に延在する複数のワード線と、
前記ワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差する箇所に対応して配置されたメモリセルと、
を有し、
前記メモリセルは、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子とスイッチング素子との直列接続を含み、該直列接続の一方の端子は、対応する前記ビット線に接続され、他方の端子は接地され、前記スイッチング素子は、対応する前記ワード線に印加される電気信号によってオンオフ制御される磁気ランダムアクセスメモリ。 A plurality of word lines formed on the substrate and extending in one direction;
A plurality of bit lines extending in a direction crossing the word line;
Memory cells arranged corresponding to the intersections of the word lines and the bit lines;
Have
The memory cell is
5. A serial connection of the magnetic tunnel junction device and the switching device according to claim 1, wherein one terminal of the serial connection is connected to the corresponding bit line, and the other terminal is grounded. And the switching element is controlled to be turned on and off by an electric signal applied to the corresponding word line.
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