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【発明の名称】 磁気記憶素子
【発明者】 【氏名】鹿野 博司
【住所又は居所】東京都品川区北品川６丁目７番３５号 ソニー株式会社内
【要約】 【課題】磁気記憶装置（例えばＭＲＡＭ）において、信頼性を低下させることなく書き込み電流を低減することにより、エレクトロマイグレーションによる断線を防いで、信頼性の向上を図る。

【解決手段】電流磁界により磁界反転を生じさせることにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用いたもので、書き込みを行うための磁界を発生させる書き込み線（ビット書き込み線１１、ワード書き込み線２１）が、非磁性導体からなる導電体層１２、２２と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層１３、２３との複合構造を有する磁気記憶素子において、磁性体層１３、２３は導電体層１２、２２の４倍以上の比抵抗を有するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電流磁界により磁界反転を生じさせることにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用いたもので、書き込みを行うための磁界を発生させる書き込み線が、非磁性導体からなる導電体層と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層との複合構造を有する磁気記憶素子において、前記磁性体層は前記導電体層の４倍以上の比抵抗を有することを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】 前記磁性体層は、鉄、コバルトおよびニッケルのうちの１種からなる、もしくはこれらのうちの少なくとも２種以上からなる合金であって、ホウ素、炭素、アルミニウム、シリコン、リン、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステンおよびイットリウムのうちの少なくとも１種以上の元素を０．５at％以上含むことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】 前記磁性体層は、アモルファス磁性体からなることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項４】 前記磁性体層は、窒化物、酸化物もしくは酸化窒化物のグラニュラー磁性体からなることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記憶素子に関し、詳しくは書き込み線に特徴を有する磁気記憶素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メッキの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要に成ってきている。
【０００３】不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等があげられる。しかしながら、フラッシュメモリは書き込み速度がμｓのオーダーと遅いという課題がある。一方、ＦＲＡＭは、書き換え可能回数が少ないという課題を有している。
【０００４】上記課題を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wanget al., IEEE Trans. Magn.33 (1997),4498に記載されているような、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）と呼ばれる磁気メモリであり、近年のＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）材料の特性向上により、注目を集めるようになってきている。
【０００５】ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録を行うために、十分な書き換え可能回数が得られる。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、すでにナノ秒台で動作することが確認されている。
【０００６】ＭＲＡＭでは、素子アレイのうち、特定のビットに情報を記録するために、アレイを縦横に横切るビット書き込み線とワード書き込み線とを設け、その交差領域に位置する素子のみを、アステロイド特性を使用して選択書き込みを行う方法（例えば特開平１０−１１６４９０号公報参照）が知られている。
【０００７】次に、一般的なＭＲＡＭを、図３のＭＲＡＭの一部を簡略化した拡大斜視図によって説明する。なお、図３では、簡略化のため、読み出し回路部分は省略した。
【０００８】図３に示すように、このＭＲＡＭの回路では９個のメモリセルが示されており、相互に交差するビット書き込み線１０１、１０２、１０３およびワード書き込み線１０４、１０５、１０６を有する。それらの書き込み線の交点には、ＴＭＲ（ＴＭＲはTunnel Magnetic Resistanceの略）材料などで構成されている磁気抵抗効果素子１１１〜１１９が配置されている。ＴＭＲ素子は、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはそれらのうちの少なくとも２種以上の合金からなる磁性体を有する情報記憶層を含み、書き込み線に流す書き込み電流により発生する磁界によって、情報記憶層の磁化方向を変化させることにより、情報の書き込みを行う。各書き込み線は、一般にアルミニウムもしくは銅もしくはこれらの合金のような導電性物質（金属）で形成されている。各書き込み線は、化学的もしくは物理的に堆積された導電性物質（金属）を選択的にエッチングすることで形成される。
【０００９】上記図３によって説明したＭＲＡＭの原理回路を図４の回路図によって説明する。
【００１０】図４に示すように、このＭＲＡＭの回路では６個のメモリセルが示されており、図３に対応する相互に交差するワード書き込み線１０４、１０５、１０６、およびビット書き込み線１０１、１０２を有する。これらの書き込み線の交点には、記憶素子となるＴＭＲ素子１１１、１１２、１１４、１１５、１１７、１１８が配置され、さらに読み出しの際に素子選択を行うもので各記憶素子に対応して電界効果トランジスタ１２１、１２２、１２４、１２５、１２７、１２８が接続されている。さらに電界効果トランジスタ１２１、１２４、１２７にはセンス線１３１が接続され、電界効果トランジスタ１２２、１２５、１２８にはセンス線１３２が接続されている。
【００１１】上記センス線１３１はセンスアンプ１３３に接続され、センス線１３２はセンスアンプ１３４に接続され、それぞれ素子に記憶された情報を検出する。また、ビット書き込み線１０１の両端には、書き込み線用双方向性電流源１４１、１４２が接続、ビット書き込み線１０２の両端には、書き込み線用双方向性電流源１４３、１４４が接続されている。さらにワード書き込み線１０４には、ワード書き込み線用双方向性電流源１５１が接続され、ワード書き込み線１０５には、ワード書き込み線用双方向性電流源１５２が接続され、ワード書き込み線１０６には、ワード書き込み線用双方向性電流源１５３が接続されている。
【００１２】前記図３および図４に対応するＭＲＡＭの単一セルの断面構成を、図５の概略構成断面図によって説明する。
【００１３】図５に示すように、半導体基板２１１上に、ゲート領域２１２、ソース領域２１３、ドレイン領域２１４よりなる電界効果型トランジスタ２１５が配置され、その上部にワード書き込み線２２１、ＴＭＲ素子層２３１、ビット書き込み線２４１が配置されている。また、ドレイン領域２１４にはプラグ２１６を介してセンスライン２５１が接続されている。
【００１４】次に、メモリセルに使用するＴＭＲ膜の構成を図６の概略構成斜視図によって説明する。
【００１５】図６に示すように、ＴＭＲ膜３１０は、磁化が比較的容易に回転する記憶層３１１と磁化固定層とを含む。磁化固定層は、第１の磁化固定層３１３と第２の磁化固定層３１５との二つの磁化固定層を有し、その間には、これらの磁性体層が反強磁性的に結合するような導体層３１４が配置されている。この導体層３１４の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等が使用できる。
【００１６】第２の磁化固定層３１５は反強磁性体層３１６と接して形成されていて、第２の磁化固定層３１５と反強磁性体層３１６との層間に働く交換相互作用によって、第２の磁化固定層３１５は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。反強磁性体層３１６の材料としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）などのマンガン合金、コバルトやニッケル等の酸化物などが使用できる。
【００１７】また、記憶層３１１と第１の磁化固定層３１３との間にはアルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化層、もしくは窒化物からなる絶縁体によるトンネルバリア層３１２が配置されており、記憶層３１１と主に第１の磁化固定層３１３との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。上記トンネルバリア層３１２以外の上記各膜は主にスパッタリング法により形成され、トンネルバリア層３１２はスパッタリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。
【００１８】上記構成のメモリセルでは、磁気抵抗効果によるトンネル電流の変化を検出して情報を読み出すが、その効果は記憶層と磁化固定層との相対磁化方向に依存する。
【００１９】以上のように、ＭＲＡＭのアレイでは、ビット書き込み線およびワード書き込み線からなる格子の交点にメモリセルが配置されている。ＭＲＡＭの場合、ワード書き込み線とビット書き込み線とを使用することで、アステロイド磁化反転特性を利用し、選択的に個々のメモリセルに書き込むことが一般的である。
【００２０】単一の記憶領域における合成磁化は、それに印加された容易軸方向磁界ＨEAと困難軸方向磁界ＨHA とのベクトル合成によって決まる。ビット書き込み線を流れる電流はセルに容易軸方向の磁界（ＨEA ）を印加し、ワード書き込み線を流れる電流はセルに困難軸方向の磁界（ＨHA ）を印加する。
【００２１】図７に示すアステロイド曲線は、印加された容易軸方向磁界ＨEA および困難軸方向磁界ＨHA による記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。アステロイド曲線外部に相当する合成磁界ベクトルが発生すると、磁界反転が生じる。アステロイド曲線内部の合成磁界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反転させることはない。また、電流を流しているワード線およびビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線もしくはビット線単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界ＨK 以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁界が斜線で示す部分４０１にある場合のみ、選択されたセルを選択書き込みが可能となる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記書き込み線には、アルミニウムや銅のような半導体装置に通常使用されている導電体薄膜が用いられ、例えば反転磁界２０Ｏｅの素子に０．２５μｍ線幅の書きこみ線で書き込むためには、約２ｍＡの電流が必要であった。書き込み線の厚さが線幅と同等の場合、その際の電流密度は３．２ＭＡ／ｃｍ2 となり、エレクトロマイグレーションによる断線限界値に近くなる。
【００２３】原理上、被記録領域の保磁力を小さくすることにより書き込み電流を減少させることができるが、外部の磁気的な攪乱によって情報記録素子の信頼性が低下するため、この手法には限界がある。そのため、ＭＲＡＭにおいては書き込み電流を低減することが重要な課題となっている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するためになされた磁気記憶素子である。
【００２５】本発明の磁気記憶素子は、電流磁界により磁界反転を生じさせることにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用いたもので、書き込みを行うための磁界を発生させる書き込み線が、非磁性導体からなる導電体層と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層との複合構造を有する磁気記憶素子において、前記磁性体層は前記導電体層の４倍以上の比抵抗を有するものである。
【００２６】上記磁気記憶素子では、書き込みを行うための磁界を発生させる書き込み線が、非磁性導体からなる導電体層と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層との複合構造を有し、磁性体層が導電体層の４倍以上の比抵抗を有することから、書き込みにおける電流使用効率の低下を抑えることができるので、書き込み時の電流を低減することが可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】本発明の磁気記憶素子に係る一実施の形態を、図１の要部を示す概略構成斜視図によって説明する。
【００２８】図１に示すように、本実施の形態の磁気記憶素子（ＭＲＡＭ）は、電流磁界により磁界反転を生じさせることにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用いたものであり、相互に交差するビット書き込み線１１とワード書き込み線２１とを有し、上記ビット書き込み線１１とワード書き込み線２１との交点には、磁気抵抗効果素子３１が配置されている。
【００２９】上記磁気抵抗効果素子３１は、例えばＴＭＲ（ＴＭＲはTunnel Magnetic Resistanceの略）材料などで構成されており、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはそれらのうちの少なくとも２種以上の合金からなる磁性体を有する情報記憶層を含み、ビット書き込み線１１およびワード書き込み線２１に流す書き込み電流により発生する磁界によって、情報記憶層の磁化方向を変化させることにより、情報が書き込まれる。
【００３０】上記ビット書き込み線１１は、非磁性導体からなる導電体層１２と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層１３との複合構造を有し、磁性体層１３は、ビット書き込み線１１の磁気抵抗効果素子３１側とは反対側の面に配置されている。そして、磁性体層１３は導電体層１２の４倍以上の比抵抗を有するものである。
【００３１】また上記ワード書き込み線２１は、非磁性導体からなる導電体層２２と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層２３との複合構造を有し、磁性体層２３は、ワード書き込み線２１の磁気抵抗効果素子３１側とは反対側の面に配置されている。そして、磁性体層２３は導電体層２２の４倍以上の比抵抗を有するものである。
【００３２】上記ビット書き込み線１１は、スパッタリング法、めっき法もしくは化学的気相成長法によりアルミニウム、銅もしくはこれらの合金からなる導電体層１２を成膜した後、スパッタリング法もしくはめっき法によって磁性体層１３を成膜する。その後、イオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより所望のパターンに形成する。上記ワード書き込み線２１は、ビット書き込み線１１とは逆の順番で成膜した後、イオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより所望のパターンに形成する。この例では、ビット書き込み線１１とワード書き込み線２１との両方に２層構造を適用しているが、片方のみでも効果がある。
【００３３】このような書き込み構造とすることで、書き込み時の電流を低減することが可能になる。
【００３４】ところで、上記説明した構造のビット書き込み線１１およびワード書き込み線２１から発生する磁界の大きさは、電流中心と記録素子との間隔にほぼ反比例する。したがって、一定の電流で効率良く磁界を印加しようとする場合、電流中心を素子に近づけるほうが良い。
【００３５】次に、上記磁性体層が導電体層の４倍以上の比抵抗を有するものとする理由を説明する。
【００３６】前記図１に示した構造の磁気メモリ素子では、効率良く書き込みを行うために書き込み効率を９０％以上とする必要がある。図２に示すように、導電体層１２（２２）と磁性体層１３（２３）の厚さをそれぞれ０．１μｍとし、線幅を０．２５μｍ、記録層が導電体層１２（２２）に密着している場合、磁性体層の比抵抗が無限大の場合に対する素子への印加磁界の比を書き込み効率として、この書き込み効率と（磁性体層の比抵抗）／（導電体層の比抵抗）で表す磁性体層と導電体層との比抵抗比との関係から、上記記録構造において、書き込み効率を９０％以下に低下させないためには、磁性体層の比抵抗は導電体層の比抵抗に対しておよそ４倍以上とすることが必要となることがわかる。
【００３７】半導体装置でよく用いられている導電体材料としてアルミニウムがある。バルクのアルミニウムの比抵抗は、２．６５μΩ・ｃｍであり、上記条件を満たすためには、磁性体材料の比抵抗がおよそ１０μΩ・ｃｍ以上でなければならない。磁性体層の比抵抗が導電体層の比抵抗のおよそ９倍以上の２５μΩ・ｃｍ以上にすればさらに望ましい。この場合、書き込みにおける電流使用効率の低下を５％以下に抑えることができる。
【００３８】以上のような理由により、前記図１に示した磁性体層１３（２３）は導電体層１２（２２）の４倍以上の比抵抗を有するものを用いている。
【００３９】本発明に使用できる上記導電体層１２、２２は、アルミニウムの他に、銅もしくは銅とアルミニウムとの合金、タングステンのような導電性物質（金属）で形成することができる。
【００４０】本発明に使用できる磁性体層１３（２３）に用いることができる材料としては、ニッケル鉄合金（例えばパーマロイ）に、タンタル（Ｔａ）やニオブ（Ｎｂ）の添加物を加え、比抵抗を２５μΩ・ｃｍ以上にした材料がある。例えば、スパッタリング法により成膜したタンタルを５at％添加したＮｉ0.8Ｆｅ0.2合金（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）0.95Ｔａ0.05）の比抵抗は１００μΩｃｍであり、十分に使用することができる。また、これらの添加元素を０．５at％以上添加すると、比抵抗は２５μΩ・ｃｍ以上となるため、使用可能となる。また、添加元素としては、上記タンタルやニオブ以外に、ホウ素、炭素、アルミニウム、シリコン、リン、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タングステンおよびイットリウムのうちの少なくとも１種以上の元素を用いることができる。上記膜の成膜方法は、スパッタリング法以外に、電気めっき法、蒸着法等の方法を用いることも可能である。
【００４１】上記パーマロイは、その組成によっては５０μΩ・ｃｍ程度の比抵抗を有するＮｉ0.55Ｆｅ0.45合金のような材料もあり、これも使用することもできる。また、４５パーマロイと呼ばれるＮｉ0.45Ｆｅ0.55合金のような鉄の含有量が多い材料も使用できる。これらの材料は、めっき法、スパッタリング法、蒸着法等の成膜方法により成膜が可能である。
【００４２】その他、一般に１００μΩ・ｃｍ程度の比抵抗を有するアモルファス系磁性材料も適しており、例えば、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＮｂＴａ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣ、ＦｅＣ、ＦｅＢ、ＦｅＮｂＢ、ＦｅＮｂＣ、ＣｏＴａＢ、ＣｏＴａＣ等の材料が使用できる。これらの材料は、めっき法、スパッタリング法、蒸着法等の成膜方法により成膜が可能である。
【００４３】また、鉄やコバルトの合金を基材にした酸化物、窒化物もしくは酸化窒化物も、４０μΩ・ｃｍないし１００μΩ・ｃｍ以上の比抵抗を有するので使用することができる。これらの材料は、ガス中スパッタリングにより成膜することができる。例えば、ＦｅＯ−Ｎ、ＣｏＯ−Ｎ、ＣｏＦｅＮ、ＣｏＦｅＯ、ＣｏＦｅＯ−Ｎなどが使用でき、成膜時に、アルゴンガスに５％〜３０％の酸素ガス、窒素ガス、もしくは酸素と窒素との混合ガスを用いたスパッタリング法、蒸着法等で形成することができる。まためっき法でも成膜が可能である。また、これらの材料にホウ素、炭素等の添加物を１at％〜５at％加えることで、グラニュラー化を促進させ、抵抗をさらに高めることも可能である。
【００４４】上記めっき法は、例えばめっき液にニッケル、鉄、コバルト等の硫酸化物もしくは塩酸化物にバナジウム、クロム等のナトリウム塩、アンモニウム塩を添加しためっき液を用いる。例えば、（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）0.95Ｔａ0.05合金を成膜するめっき液としては、硫酸ニッケルと硫酸鉄の溶液にタンタル酸ナトリウムを添加しためっき液を用いる。めっき液の温度は、室温（例えば２０℃）〜６０℃に設定する。めっき液のｐＨは塩酸により調整し、例えば２．０〜４．０程度に調整する。
【００４５】上記スパッタリング法は、例えばＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、一例として、成膜雰囲気を０．２Ｐａのアルゴン雰囲気とし、投入電力を５００Ｗに設定して成膜を行う。ターゲットには所望の組成の膜が得られるような組成に調合した合金ターゲットを用いる。また、成膜時の基板温度は適宜設定する。
【００４６】また、グラニュラー膜をスパッタリング法によって成膜するには、スパッタリングガスにアルゴンと３０％の酸素もしくは３０％の窒素との混合ガスを用いる。
【００４７】蒸着法による成膜は、所望の組成の膜が得られるような組成に調合した蒸着源を用い、例えば電子ビーム蒸着により成膜する。
【００４８】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の磁気メモリ素子によれば、小さいワード書き込み電流での情報書き込みが可能となるので、書き込み電流を従来よりも低減することができ、磁気記憶素子の消費電力の低減、書き込み線のエレクトロマイグレーション破断の低減による信頼性の向上、書き込み線ドライバ回路の縮小によるチップ面積の縮小化等の効果が得られる。
【出願人】 【識別番号】０００００２１８５
【氏名又は名称】ソニー株式会社
【住所又は居所】東京都品川区北品川６丁目７番３５号
【出願日】 平成１３年８月２０日（２００１．８．２０）
【代理人】 【識別番号】１０００８６２９８
【弁理士】
【氏名又は名称】船橋 國則
【公開番号】 特開２００３−６０１７２（Ｐ２００３−６０１７２Ａ）
【公開日】 平成１５年２月２８日（２００３．２．２８）
【出願番号】 特願２００１−２４８５８３（Ｐ２００１−２４８５８３）