JP4065486B2

JP4065486B2 - Method for manufacturing magnetoresistive film

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Publication number: JP4065486B2
Application number: JP2001369769A
Authority: JP
Inventors: 貴司池田
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Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP2003174214A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜に関し、特に、磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減された磁気抵抗効果膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体メモリである半導体メモリは、情報機器に多く用いられており、ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）、ＦｅＲＡＭ（強誘電体ランダム・アクセス・メモリ）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）など、その種類も様々である。これら半導体メモリの特性は一長一短であり、現在の情報機器において要求される仕様のすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、ＤＲＡＭは、記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、揮発性であり電源を切るとその保持している情報は消えてしまう。一方、フラッシュＥＥＰＲＯＭは、不揮発性ではあるが、情報の消去に要する時間が長く、情報の高速処理には不向きである。
【０００３】
上記のような半導体メモリの現状に対して、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ；磁気ランダム・アクセス・メモリ）は、不揮発性であって、書き込み時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力などの点において、多くの情報機器から求められる仕様をすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto-Resistance）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告においてＭＲＡＭとしての実現性が実証されている。
【０００４】
ＭＲＡＭの素子として用いられる磁気抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介してその両側に磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁性層として良く用いられる材料として、ＣｕやＡｌ₂Ｏ₃が挙げられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕなどのような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto-Resistance）膜といい、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜という。一般に、ＴＭＲ膜は、ＧＭＲ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示す。
【０００５】
図１２（ａ），（ｂ）は、非磁性層を介して面内磁化膜である２つの磁性層が積層した構成を有する磁気抵抗効果膜を示しており、各磁性層での磁化の方向が矢印で示されている。図１２（ａ）に示すように２つの磁性層の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電気抵抗（一方の磁性層と他方の磁性層の間の電気抵抗）は相対的に小さく、図１２（ｂ）に示すように磁化方向が反平行であると、電気抵抗は相対的に大きくなる。したがって、上記の性質を利用することで、情報の読み出しが可能である。例えば非磁性層１２の図示上部に位置する磁性層１３をメモリ層、下部に位置する磁性層１１を検出層とし、メモリ層（磁性層１３）の磁化方向が右向きの場合を『１』、左向きの場合を『０』とする。
【０００６】
図１３（ａ）に示すように両磁性層１１，１３の磁化方向がともに図示右向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図１３（ｂ）に示すように検出層１１の磁化方向が図示右向きでかつメモリ層１３の磁化方向が図示左向きであると電気抵抗は相対的に大きい。同様に、図１３（ｃ）に示すように検出層１１の磁化方向が左向きでかつメモリ層１３の磁化方向が右向きであると電気抵抗は相対的に大きく、図１３（ｄ）に示すように両磁性層１１，１３の磁化方向が左向きの場合には電気抵抗は相対的に小さい。つまり、検出層１１の磁化方向が右向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『０』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ、『１』が記録されていることになる。あるいは、検出層１１の磁化方向が左向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ、『０』が記録されていることになる。
【０００７】
そこで、検出層１１の保磁力が相対的に大きくメモリ層１３の保磁力が相対的に小さくなるように各磁性層１１，１３の組成を選択し、検出層１１を一方向に磁化した上で、検出層１１の磁化反転が起こらない程度の磁化をメモリ層１３に加えてメモリ層１３の磁化の方向を変化させることにより、磁気抵抗効果膜に情報を記録することが可能になり、また、磁気抵抗効果膜の電気抵抗を検出することによって、記録された情報を読み出しを行なえることになる。
【０００８】
ＭＲＡＭの記録密度を高くするために磁気抵抗効果膜の素子サイズを小さくしていくと、磁性層として面内磁化膜を使用したＭＲＡＭでは、反磁界あるいは素子端面の磁化のカーリングといった影響から、情報を保持できなくなるという問題が生じる。この問題を回避するためには、例えば磁性層の形状を長方形にすることが挙げられるが、この方法では素子サイズが小さくできないために記録密度の向上があまり期待できない。
【０００９】
そこで、本出願人は、既に、例えば特開平１１−２１３６５０号公報で述べているように、垂直磁化膜を用いることにより上記問題を回避しようとすることを提案した。垂直磁化膜を利用した場合には、素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。
【００１０】
垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜では、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様に、２つの磁性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、磁化方向が反平行であると電気抵抗は相対的に大きくなる。非磁性層２２の上部に位置する磁性層２３をメモリ層、下部に位置する磁性層２１を検出層とし、メモリ層２３の磁化方向が上向きの場合を『１』、下向きの場合を『０』とする。図１４（ａ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化方向が上向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図１４（ｃ）に示すように検出層２１の磁化方向が下向きでかつメモリ層２３の磁化方向が上向きであると電気抵抗は相対的に大きくなる。同様に、図１４（ｂ）に示すように検出層２１の磁化方向が上向きでかつメモリ層２３の磁化方向が下向きであると電気抵抗は相対的に大きくなり、図１４（ｄ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化方向が下向きの場合には電気抵抗は相対的に小さくなる。つまり、検出層２１の磁化方向が上向きに固定されている場合には、電気抵抗が相対的に大きければメモリ層２３には『０』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ『１』が記録されていることになる。あるいは、検出層２１の磁化方向が下向きに固定されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きければメモリ層２３には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さければ『０』が記録されていることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、磁気抵抗効果膜は少なくとも２つの磁性体が数Åから数ｎｍの薄い非磁性膜を介して積層された構造を有しており、それぞれの磁性体から発生する磁界により両方の磁性体は相互に静磁結合している。例えば垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜では、図１４の（ａ）の磁化状態から（ｃ）の状態にする場合や図１４の（ｄ）の状態から（ｂ）の状態にする場合のように両方の磁性体の磁化方向を平行状態から反平行状態へするときには、メモリ層２３から発生する磁界が検出層２１の磁化反転を妨げるように働くので、検出層２１の単層のときの磁化反転磁界よりも大きな外部印加磁界を要する。逆に、図１４の（ｃ）の磁化状態から（ａ）の状態にする場合や図１４の（ｂ）の状態から（ｄ）の状態にする場合のように両方の磁性体の磁化方向を反平行状態から平行状態へするときには、メモリ層２３から発生する磁界が検出層２１の磁化反転を助けるように働くので、検出層２１の単層のときの磁化反転磁界よりも小さな外部印加磁界で反転可能となる。
【００１２】
ＭＲＡＭに対してデータを記録する（書き込む）手段としては、ＭＲＡＭの近傍に導線を配置しこの導線に電流を流しその電流によって発生する磁界を利用することが、一般的に考えられている。この構成では、ＭＲＡＭに印加される磁界の大きさは導線を流れる電流の大きさに比例するが、導線に流すことができる電流密度には限界があること、また電源容量等の制約から、各磁性体の磁化反転磁界はできるだけ小さいことが好ましい。ところが上述したように、従来の磁気抵抗効果膜の場合、磁性体の磁化方向が平行状態から反平行状態になるときに比較的大きな磁界が必要になってしまうという解決すべき課題がある。
【００１３】
本発明は、この点に鑑みてなされたものであって、垂直磁化を示す磁性体を用いた磁気抵抗効果膜であって磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減された磁気抵抗効果膜の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜は、垂直磁化を示す第１の磁性体と、非磁性導体膜と、垂直磁化を示す第２の磁性体と、非磁性誘電体膜と、垂直磁化を示す第３の磁性体とがこの順で積層した構造を有し、第１の磁性体の磁化と第３の磁性体の磁化とが相互に反平行であり、第１の磁性体及び第３の磁性体に比べ第２の磁性体は相対的に小さな磁化反転磁界を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜は、典型的には、膜面垂直方向に電流を流した場合にスピントンネル効果を示すものであって、このように構成することにより、この磁気抵抗効果膜では、第１の磁性体が第２の磁性体に及ぼす静磁結合力と第３の磁性体が第２の磁性体に及ぼす静磁結合力とを調整して、第２の磁性体の磁化方向を第１の方向から第２の方向に向けるのに要する外部印加磁界の大きさと第２の方向から第１の方向に向けるのに要する外部印加磁界の大きさとの差を小さくすることができる。
【００１６】
本発明においては、第１の磁性体から第２の磁性体に及ぼされる静磁結合力の大きさと、第３の磁性体から第２の磁性体に及ぼされる静磁結合力の大きさが実質的に等しくなるようにすることが好ましい。
【００１７】
また本発明においては、第１の磁性体と非磁性導体膜との界面、第２の磁性体と非磁性導体膜との界面、第２の磁性体と非磁性誘電体膜との界面、および第３の磁性体と非磁性誘電体膜の界面の少なくとも１箇所の界面にスピン分極率の大きい磁性体を形成することが好ましい。この場合、磁気抵抗効果膜の膜厚方向に関して、第２の磁性体に対して対称となるように複数のスピン分極率の大きい磁性体が形成されるようにするとさらに好ましい。このようなスピン分極率の大きい磁性体としては、例えば、ＦｅとＣｏとの合金からなるものが挙げられる。
【００１８】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜においては、第１の磁性体と第３の磁性体とが同一の組成を有するようにしてもよい。また、第１の磁性体と第３の磁性体の形状および大きさが同じであり、かつ非磁性導体膜と非磁性誘電体膜の膜厚が等しいようにしてもよい。
【００１９】
このような本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜において、非磁性誘電体膜は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃から構成される。また、第１の磁性体、第２の磁性体および第３の磁性体は、例えば、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｔｂの中から選ばれる１種類以上の希土類金属元素とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる１種類以上の遷移金属元素を主成分とするものである。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果膜の製造方法は、上述した磁気抵抗効果膜を製造する際に、一方向に磁界を印加しながら第１の磁性体及び第３の磁性体の一方の磁性体を形成し、さらに、この一方の磁性体を形成する際に印加した磁界方向と反対方向に磁界を印加しながら、第１の磁性体及び第３の磁性体の他方の磁性体を形成することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果膜の構成を示す模式断面図である。図示される磁気抵抗効果膜は、垂直磁化膜である第１の磁性体１１１と、垂直磁化膜である第２の磁性体１１２と、垂直磁化膜である第３の磁性体１１３とがこの順で設けられ、かつ、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２との間に非磁性であって電気伝導性を有する非磁性導体膜１１４を配置し、第２の磁性体１１２と第３の磁性体１１３との間に非磁性の誘電体からなる非磁性誘電体膜１１５を配置したものである。ここで、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向は、相互に反平行となっている。この場合、図１の（ａ）に示すように第１の磁性体１１１の磁化が上向きで第３の磁性体１１３の磁化が下向きになっていてもよいし、あるいは、図１の（ｂ）に示すように第１の磁性体１１１の磁化が下向きで第３の磁性体１１３の磁化が上向きになっていてもよい。図１においては第２の磁性体１１２の磁化の方向が記載されていないが、第２の磁性体１１２の磁化の方向は、この垂直磁気効果膜に書き込まれるデータに応じて図示上向きあるいは下向きとなる。
【００２４】
このように第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３との磁化方向が反平行であるようにすると、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２との間に働く静磁結合力に対して、第３の磁性体１１３と第２の磁性体１１２との間に働く静磁結合力は打ち消しあう方向に働くため、第２の磁性体１１２の磁化方向を上向きから下向きに反転させる場合でも、その逆に反転させる場合でも、同じ大きさの磁界で第２の磁性体１１２の磁化方向を反転させることが可能となる。
【００２５】
第１の磁性体１１１、第２の磁性体１１２及び第３の磁性体１１３として用いられる垂直磁化膜としては、貴金属−遷移金属等の人工格子膜や、ＣｏＣｒあるいは希土類金属−遷移金属の人工格子膜や、それらの合金が挙げられる。これらの垂直磁化膜の中で希土類金属−遷移金属合金は、磁化曲線の角型比を１にすることが容易でありかつ作成も容易であるので、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜のための磁性体として好ましい。希土類金属−遷移金属合金における希土類金属としてはＧｄ、Ｄｙ、Ｔｂから選ばれる１つ以上の元素が、遷移金属としてはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる１つ以上の元素が好適に用いられる。特に、小さな磁化反転磁界が求められる第２の磁性体１１２に用いられる希土類金属としては、Ｇｄが好ましい。
【００２６】
非磁性導体膜１１４にはさまざまな材料が使用可能であり、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｌなどの多くの材料が使用可能である。また、非磁性誘電体膜１１５には、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などが使用可能であるが、大きな磁気抵抗変化を得られることからＡｌ₂Ｏ₃が好適に用いられる。ここで示した磁気抵抗効果膜は、膜面垂直方向に電流を流し、非磁性誘電体膜１１５中を電子がスピン依存トンネリングすることによって生じる磁気抵抗を利用してこの磁気抵抗効果膜に記録された情報を読み出すものであるが、磁気抵抗変化は、非磁性導体膜１１４と磁性体１１１，１１２との界面や各磁性体１１１〜１１３中で起こるスピン依存散乱によっても生じる。しかしながらスピン依存散乱による磁気抵抗変化は、スピン依存トンネリングによる磁気抵抗変化に比べると著しく小さいので、この磁気抵抗効果膜で観察される磁気抵抗変化はスピン依存トンネリングによるものと考えてよく、スピン依存散乱による磁気抵抗変化は無視できる。
【００２７】
ところで、希土類金属−遷移金属合金を用いた磁気抵抗効果膜は、遷移金属のみを用いた磁気抵抗効果膜に比べると、磁気抵抗変化率が小さい。これは、非磁性誘電体膜との界面にある希土類金属が大きなスピン分極率を持たないことが原因であると考えられる。そこで特開2000-306374号公報で提案されているように、希土類金属と遷移金属からなる磁性体にスピン分極率が大きな磁性体（高スピン分極率磁性体）を交換結合させ、磁気抵抗変化率を大きくすることが考えられる。スピン分極率の大きな磁性体としては、ＦｅやＣｏ、あるいはこれらの合金等の遷移金属が挙げられるが、特にＦｅＣｏ合金は大きなスピン分極率を持つので好ましい。ただし遷移金属薄膜は垂直磁化を示さないので、垂直磁化膜と交換結合させることにより磁化を膜面垂直方向に向けるなどの対策が必要である。このような膜構成は、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜においても使用可能である。以下、本発明に基づく磁気抵抗効果膜であってこのように高スピン分極率磁性体が薄層として介在する磁気抵抗効果膜について説明する。
【００２８】
図２に示した磁気抵抗効果膜は、図１に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性誘電体膜１１５と第３の磁性体１１３との間に高スピン分極率磁性体１２０を配置したものである。一方、図３に示した磁気抵抗効果膜は、図１に示す磁気抵抗効果膜において、第２の磁性体１１２と非磁性誘電体膜１１５の間に高スピン分極率磁性体１１９を配置したものである。このように高スピン分極率磁性体は、非磁性誘電体膜１１５と磁性体１１２，１１３とのいずれかの界面に配置することができる。さらには、図４に示すように、非磁性誘電体膜１１５の上下両面に高スピン分極率磁性体１１９，１２０を設けることができ、このように両面に高スピン分極率磁性体を配置することにより、より大きな磁気抵抗変化を得ることが可能である。
【００２９】
ところでＦｅ、ＣｏあるいはＦｅＣｏ合金は、比較的大きな磁化を持つ。したがって、上記のように非磁性誘電体膜界面に高スピン分極率磁性体を設ける場合には、これらの磁性体が第２の磁性体１１２に及ぼす静磁結合力を無視することができない。この問題を解決する方法として、非磁性誘電体膜に接して配置された高スピン分極率磁性体に関して第２の磁性体に対して対称な位置にさらに高スピン分極率磁性体を形成し、第２の磁性体に対して相互に対称な位置に配置されたこれら両方の高スピン分極率磁性体から互いに逆方向の静磁結合力が第２の磁性体１１２に作用するようにし、見かけ上、第２の磁性体１１２には静磁結合力が働いていないようにすることが可能である。以下、このように第２の磁性体１１２に対して対称の位置に高スピン分極率磁性体を配置した磁気抵抗効果膜について説明する。
【００３０】
図５に示す磁気抵抗効果膜は、図２に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第１の磁性体１１１との間に高スピン分極率磁性体１１７を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１７，１２０は第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。図６に示す磁気抵抗効果膜は、図３に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第２の磁性体１１２との間に高スピン分極率磁性体１１８を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１８，１１９は第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。さらに、図７に示す磁気抵抗効果素子は、図４に示す磁気抵抗効果膜において、非磁性導体膜１１４と第１の磁性体１１１との間に高スピン分極率磁性体１１７を配置し、さらに、非磁性導体膜１１４と第２の磁性体１１２との間に高スピン分極率磁性体１１８を配置したものであり、高スピン分極率磁性体１１７，１１８と高スピン分極率磁性体１２０，１１９とは、第２の磁性体１１２に関して相互に対称の位置に存在することになる。
【００３１】
本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜では、第１の磁性体１１１と第２の磁性体１１２の静磁結合力と、第３の磁性体１１３と第２の磁性体１１２の静磁結合力とを逆向きでほぼ同じ大きさにすること求められるが、これは、磁気抵抗効果膜の温度が変化してもそのバランスが崩れないことが好ましい。そのような特性は、例えば、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３を全く同じように形成することで容易に実現できる。つまり同じ組成の磁性体であれば磁化の温度変化は同じであるので、それぞれの磁性体１１１，１１３と第２の磁性体１１２との静磁結合力は、温度が変化してもそのバランスは崩れない。
【００３２】
また、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果膜をメモリ素子とし、この磁気抵抗効果膜（メモリ素子）に対して情報を記録する手段と、磁気抵抗効果膜に記録された情報を読み出す手段を備えることによって、書き込み時に必要な電流が少なくて消費電力が小さなメモリを構成することが可能である。ここで、情報を記録する手段としては、配線に電流を流すことで生じる磁界が好適に用いられ、記録された情報を読み出す手段には、メモリ素子に一定電流を流したときのこのメモリ素子の両端の電圧を検出する回路が好適に用いられる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の製造方法に係る磁気抵抗効果素子について、実施例に基づいてさらに詳しく説明する。
【００３４】
（実施例１）
図１に示した構成を有する磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハ（シリコン基板）を用い、成膜容器中で、この基板上に、第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ₂₀（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₈₀膜をスパッタ法により成膜し、さらにＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５において欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ₂Ｏ₃の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、第２の磁性体１１２として膜厚３０ｎｍのＧｄ₂₁（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₇₉膜、非磁性導体膜１１４として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ膜、さらに第１の磁性体１１１として３０ｎｍの膜厚のＴｂ₂₀（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₈₀膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。ただし、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の成膜中には基板に対して垂直方向に磁界を印加しながら行い、これらの磁性体１１１，１１３が所定方向に磁化するようにした。すなわち、第１の磁性体１１１の成膜中に印加した磁界の方向と第３の磁性体１１３の成膜中に印加した磁界の方向は相互に反平行であって、その印加磁界の大きさは、第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さな値とした。このように成膜中に磁界を印加することによって、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向を相互に反平行とすることが可能であった。
【００３５】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、１００ｎｍの膜厚のＡｌ₂Ｏ₃膜をスパッタ法によって成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ₂Ｏ₃膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ₂Ｏ₃膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００３６】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ₂Ｏ₃膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。ただし、印加する磁界の大きさは、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さく、両磁性体１１１，１１３の磁化方向は固定され、第２の磁性体１１２の磁化方向のみ変化し得る大きさとした。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさと上がるときの外部印加磁界の大きさとの差はほとんど観察されなかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていることが分かった。
【００３７】
（実施例２）
図７に示した構成を有する磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハ（シリコン基板）を用い、成膜容器中で、この基板上に、第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ₂₀（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₈₀膜、高スピン分極率磁性体１２０として１ｎｍの膜厚のＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜をスパッタ法により順次成膜し、さらにＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５において欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ₂Ｏ₃の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、高スピン分極率磁性体１１９として１ｎｍの膜厚のＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜、第２の磁性体１１２として膜厚５０ｎｍのＧｄ₂₁（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₇₉膜、高スピン分極率磁性体１１８として１ｎｍのＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜、非磁性導電体膜１１４として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ膜、高スピン分極率磁性体１１７として１ｎｍの膜厚のＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜、さらに第１の磁性体１１１として３０ｎｍの膜厚のＴｂ₂₀（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₈₀膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。
【００３８】
この際、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の成膜中には基板に対して垂直方向に磁界を印加しながら行い、これらの磁性体１１１，１１３が所定方向に磁化するようにした。すなわち、第１の磁性体１１１の成膜中に印加した磁界の方向と第３の磁性体１１３の成膜中に印加した磁界の方向は相互に反平行であって、その印加磁界の大きさは、第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さな値とした。このように成膜中に磁界を印加することによって、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化方向を相互に反平行とすることが可能であった。また、高スピン分極率磁性体１２０は第３の磁性体１１３と、高スピン分極率磁性体１１７は第１の磁性体１１１と、さらに高スピン分極率磁性体１１８，１１９と第２の磁性体１１２とそれぞれ交換結合しており、各高スピン分極率磁性体１１７〜１２０の磁化は膜面垂直方向に向いている。ここで、高スピン分極率磁性体１１９，１２０は高い磁気抵抗変化率を得るために形成されるものであるが、高スピン分極率磁性体１１７，１１８は、静磁結合力を調整するための磁性体層であり、スピン分極率に影響を与えるものではない。
【００３９】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、１２０ｎｍの膜厚のＡｌ₂Ｏ₃膜をスパッタ法により成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ₂Ｏ₃膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ₂Ｏ₃膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００４０】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ₂Ｏ₃膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。ただし、印加する磁界の大きさは、第１の磁性体１１１と第３の磁性体１１３の磁化反転磁界よりも小さく、両磁性体１１１，１１３の磁化方向は固定され、第２の磁性体１１２の磁化方向のみ変化し得る大きさとした。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさと上がるときの外部印加磁界の大きさとの差はほとんど観察されなかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていることが分かった。
【００４１】
（実施例３）
Ｓｉウエハ上にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例２で用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレイを構成した。メモリ素子への情報の記録は、導線に電流を流しそれにより発生する磁界によって行われる。記録磁界印加用の電気回路を図８に、読み出し回路を図９に示す。図８及び図９は、Ｓｉウエハを上から見た図に対応し、磁気抵抗効果膜での磁化方向は、紙面に垂直な方向となる。実際には、図８及び図９に示す構成は、多層配線技術によってメモリセルアレイ内に重畳するように形成されるものである。
【００４２】
選択したメモリ素子（磁気抵抗効果膜）の磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明する。
【００４３】
図８に示すように、メモリセルアレイには９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むように、行方向に伸びる第１の書き込み線３１１〜３１４が設けられている。これらの書き込み線３１１〜３１４の図示左端は共通に接続し、図示右端には、それぞれ、これら書き込み線３１１〜３１４を電源４１１に接続するためのトランジスタ２１１〜２１４と、配線３００に接続するためのトランジスタ２１５〜２１８とが設けられている。メモリ素子の各列を挟むように、列方向に伸びる第２の書き込み線３２１〜３２４が設けられている。これらの書き込み線３２１〜３２４の図示上端は共通に接続し、図示下端には、書き込み線３２１〜３２４をそれぞれ接地するためのトランジスタ２１９〜２２２と、配線３００にそれぞれ接続するためのトランジスタ２２３〜２２６が設けられている。
【００４４】
ここで例えば、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を選択的に反転させる場合、トランジスタ２１２，２１７，２２５，２２０を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を流れ、それらの周りに磁界を誘起する。この状態では、磁気抵抗効果膜１０５にのみ４本の書き込み線から同方向の磁界が印加され、他の磁気抵抗効果膜には、同方向の磁界は２本の書き込み線からしか印加されないか、さらには逆方向の磁界が印加されて実効的に磁界が相殺されるかして、磁気抵抗効果膜１０５ほどには磁界が印加されないことになる。そこで、４本の書き込み線から同方向に磁界が印加されたときの合成磁界がメモリ素子（磁気抵抗効果膜）の磁性膜の磁化反転磁界よりもわずかに大きくなるように調整しておけば、選択的に磁気抵抗効果膜１０５の磁化のみ反転させることが可能である。また、ここで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１０５に印加する場合は、トランジスタ２１３，２１６，２２４，２２１を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を上述とは逆の方向に流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の磁界が印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることになる。
【００４５】
次に読み出し時の動作を説明する。図９に示すように、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接地するためのトランジスタ２３１〜２３９が形成されている。ビット線３３１〜３３３は行ごとに設けられており、ビット線３３１〜３３３の図示右端には、それぞれ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線を電源４１２に接続するためのトランジスタ２４０〜２４２が設けられている。ビット線３３１は磁気抵抗効果膜１０１〜１０３の他端に接続し、ビット線３３２は磁気抵抗効果膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線３３３は磁気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット線３３１〜３３３の図示左端は共通接続されて、これらビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセンスアンプ５００に接続している。さらに、ワード線３４１〜３４３が列ごとに設けられており、ワード線３４１はトランジスタ２３１，２３４，２３７のゲートに接続し、ワード線３４２はトランジスタ２３２，２３５，２３８のゲートに接続し、ワード線３４３はトランジスタ２３３，２３６，２３９のゲートに接続している。
【００４６】
ここで、例えば、磁気抵抗効果膜１０５に記録された情報を読み出すことを考える。この場合、トランジスタ２３５，２４１を導通状態とする。すると、電源４１２、固定抵抗１５０及び磁気抵抗効果膜１０５が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変化するとそれにしたがって磁気抵抗効果膜にかかる電圧は異なる。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出すことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情報を読み出すことができる。
【００４７】
図１０は、このようなメモリ素子の１つ分の周辺部分の立体構造を模式的に示している。ここでは、図８及び図９における磁気抵抗効果膜１０５の近傍が示されている。例えば、ｐ型Ｓｉ基板１６１に２つのｎ型拡散領域１６２，１６３が形成されており、これらの間に絶縁層３２３を介してワード線（ゲート電極）３４２が形成されている。コンタクトプラグ３５１を介してｎ型拡散領域１６２に接地線３５６を接続し、コンタクトプラグ３５２，３５３，３５４，３５７とローカル配線３５８とを介してｎ型拡散領域１６３に磁気抵抗効果膜１０５を接続する。磁気抵抗効果膜１０５は、さらに、コンタクトプラグ３５５を介してビット線３３２に接続されている。磁気抵抗効果膜１０５の横には、磁界を発生させるための書き込み線３２２，３２３が配されている。
【００４８】
（実施例４）
Ｓｉウエハ上にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例２で用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレイを構成した。このようなメモリセルアレイを含むこのメモリの回路構成を図１１に示す。このメモリでは、情報の記録は、所望のメモリ素子に面内磁界と垂直磁界を印加して行われる。ここで面内磁界は、ビット線に電流を流して発生させる。実施例３のメモリセルアレイでは、情報の書き込みのための回路と読み出しのための回路が電気的には分離していたのに対し、この実施例４に示すメモリセルアレイでは、書き込みのための回路と読み出しのための回路とがビット線を共有している。
【００４９】
情報の記録を行うための構成として、図１１に示すように、メモリセルアレイには９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むように、列方向に伸びる書き込み線６１１〜６１４が設けられている。これらの書き込み線６１１〜６１４の図示上端は共通に接続し、図示下端には、それぞれ、これら書き込み線６１１〜６１４を電源４１１に接続するためのトランジスタ５１１〜５１４と、配線６００に接続するためのトランジスタ５１５〜５１８とが設けられている。
【００５０】
また、情報の読み出しを行うための構成として、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接地するためのトランジスタ５３１〜５３９が形成されている。ビット線６３１〜６３３は行ごとに設けられており、ビット線６３１〜６３３の図示右端には、それぞれ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線６３１〜６３３を電源４１２に接続するためのトランジスタ５４０〜５４２と、これらビット線６３１〜６３３を配線６００に接続するためのトランジスタ５２１〜５２３が設けられている。ビット線６３１は磁気抵抗効果膜１０１〜１０３の他端に接続し、ビット線６３２は磁気抵抗効果膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線６３３は磁気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット線６３１〜６３３の図示左端は共通接続されるとともに、トランジスタ５５１を介してこれらビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセンスアンプ５００に接続し、またトランジスタ６２４を介して接地電位に接続している。さらに、ワード線６４１〜６４３が列ごとに設けられており、ワード線６４１はトランジスタ５３１，５３４，５３７のゲートに接続し、ワード線６４２はトランジスタ５３２，５３５，５３８のゲートに接続し、ワード線６４３はトランジスタ５３３，５３６，５３９のゲートに接続している。
【００５１】
選択したメモリ素子の磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明する。例えば、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を選択的に反転させる場合、トランジスタ５１２，５１７，５２２，５２４を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き込み線６１２，６１３を流れ、磁気抵抗効果膜１０５の膜面に対して垂直な方向に磁界が印加される。さらに、ビット線６３２にも電流が流れ、これによって発生する磁界は磁気抵抗効果膜１０５の膜面に対して面内方向に印加される。したがって磁気抵抗効果膜１０５には膜面内方向の磁界と比較的大きな膜面垂直方向の磁界とが印加されるので、磁気抵抗効果膜１０５の磁化を反転することが可能である。その他の磁気抵抗効果膜１０１〜１０４，１０６〜１０９については、磁気抵抗効果膜１０５に印加されるほどの磁界は印加されないので、その磁化方向が反転しないようにすることができる。結局、電流の大きさを適切に定めることによって、磁気抵抗効果膜１０５のみ磁化を反転させることが可能となる。また、ここで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１０５に印加する場合は、トランジスタ５１３，５１６，５２２，５２４を導通状態にし、その他のトランジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流がビット線６３２を流れて磁気抵抗効果膜１０５に対して膜面内方向に磁界が印加されるとともに、書き込み線６１３，６１２を上述とは逆の方向に電流が流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の膜面垂直方向の磁界が印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることになる。
【００５２】
次に読み出し時の動作を説明する。例えば、磁気抵抗効果膜１０５に記録された情報を読み出すものとする。この場合、トランジスタ５３５，５４１を導通状態にする。すると電源４１２、固定抵抗１５０および磁気抵抗効果膜１０５が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変化するとそれにしたがって、磁気抵抗効果膜にかかる電圧は変化する。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出すことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情報を読み出すことができる。
【００５３】
（比較例）
図４に示す磁気抵抗効果膜において第１の磁性層を設けない構成の磁気抵抗効果膜を作成した。基板としてＳｉウエハを用い、成膜容器中で、この基板上に第３の磁性体１１３として３０ｎｍの膜厚のＴｂ₂₀（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₈₀膜、高スピン分極磁性体１２０として膜厚１ｎｍのＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀をスパッタ法により順次成膜し、さらにＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを用いて１．５ｎｍの膜厚の非磁性誘電体膜１１５をスパッタ法により成膜した。得られた膜を酸素雰囲気中でプラズマ酸化し、非磁性誘電体膜１１５中で欠損している酸素原子を補うことで非磁性誘電体膜１１５をＡｌ₂Ｏ₃の組成にした後、再び十分に真空引きを行い、高スピン分極磁性体１１９として膜厚１ｎｍのＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜、第２の磁性体１１２として膜厚５０ｎｍのＧｄ₂₁（Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀）₇₉膜、保護膜として２ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により順次形成した。この際、第３の磁性体１１３の成膜は、基板に対して垂直方向に第３の磁性体の保磁力よりも小さな磁界を印加しながら行った。また、高スピン分極率磁性体１２０は第３の磁性体１１３と、高スピン分極率磁性体１１９は第２の磁性体１１２とそれぞれ交換結合しており、各高スピン分極率磁性体１１９，１２０の磁化は膜面垂直方向に向いている。ここで高スピン分極率磁性体１１９，１２０は、高い磁気抵抗変化率を得るために形成されるものである。
【００５４】
次に、このようにして得られた多層膜の上部に０．５μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分の多層膜を除去した。エッチング後、９０ｎｍの膜厚のＡｌ₂Ｏ₃膜をスパッタ法により成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ₂Ｏ₃膜を除去し、上部電極とＳｉウエハとの間の電気絶縁を行うための絶縁膜を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極をＡｌ膜により作成し、上部電極に覆われていない部分のＡｌ₂Ｏ₃膜を一部除去して測定回路を接続するための電極パットとして、比較例の磁気抵抗効果膜を完成させた。
【００５５】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極（Ｓｉウエハ）との間に定電流電源を接続して非磁性誘電体膜１１５のＡｌ₂Ｏ₃膜を電子がトンネルするように一定電流を流し、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加してその大きさと方向を変えることにより、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。この測定結果によると、磁気抵抗効果膜にかかる電圧が下がるときの外部印加磁界の大きさは、上がるときの外部印加磁界の大きさよりも約１．５ｋＡ／ｍ小さかった。すなわちこの磁気抵抗効果膜では磁化反転に要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象が軽減されていないことが分かった。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、磁気抵抗効果膜において、メモリ層として機能する第２の磁性体の磁化の方向を反転するのに要する外部印加磁界の大きさが磁化反転方向によって異なる現象を軽減できるという効果がある。その結果、このような磁気抵抗効果膜を用いることにより、情報の書き込みに際して必要な電流を小さくでき、消費電力を抑えることができるメモリを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果膜の構成を示す模式断面図である。
【図２】磁気抵抗効果膜の膜構成の一例を示す模式断面図である。
【図３】磁気抵抗効果膜の膜構成の別の例を示す模式断面図である。
【図４】磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図５】磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図６】磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図７】磁気抵抗効果膜の膜構成のさらに別の例を示す模式断面図である。
【図８】実施例３において用いられた情報を記録するために印加する磁界を発生させるための回路を示す回路図である。
【図９】実施例３において用いられた記録された情報を読み出すための回路を示す回路図である。
【図１０】実施例３において形成されるメモリ素子を模式的に示した断面図である。
【図１１】実施例４におけるメモリの構成を示す回路図である。
【図１２】（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
【図１３】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図であって、（ａ）および（ｃ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【図１４】垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図であって、（ａ）および（ｃ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１１，２１磁性層（検出層）
１２，２２非磁性層
１３，２３磁性層（メモリ層）
１０１〜１０９磁気抵抗効果膜
１１１第１の磁性体
１１２第２の磁性体
１１３第３の磁性体
１１４非磁性導体膜
１１４非磁性誘電体膜
１１７〜１２０高スピン分極率磁性体
１２３絶縁膜
１５０固定抵抗
１６１ｐ型Ｓｉ基板
１６２，１６３ｎ型拡散領域
２１１〜２２６，２３１〜２４２，５１１〜５１８，５２１〜５２４，５３１〜５４２，５５１トランジスタ
３００，６００配線
３１１〜３１４，３２１〜３２４，６１１〜６１４書き込み線
３３１〜３３３，６３１〜６３３ビット線
３４１〜３４３，６４１〜６４３ワード線（ゲート電極）
３５１〜３５５、３５７コンタクトプラグ
３５６接地線
３５８ローカル配線
４１１，４１２電源
５００センスアンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive film using a magnetic material exhibiting perpendicular magnetization, and in particular, a magnetoresistive film in which the phenomenon that the magnitude of an externally applied magnetic field required for magnetization reversal differs depending on the magnetization reversal direction is reduced. Manufacturing method About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor memories, which are solid-state memories, have been widely used in information equipment, such as DRAM (dynamic random access memory), FeRAM (ferroelectric random access memory), and flash EEPROM (electrically erasable programmable). Read-only memory) and the like. These semiconductor memories have advantages and disadvantages, and there is no memory that satisfies all of the specifications required for current information equipment. For example, a DRAM has a high recording density and a large number of rewritable times, but is volatile and loses its stored information when the power is turned off. On the other hand, the flash EEPROM is non-volatile, but it takes a long time to erase information and is not suitable for high-speed information processing.
[0003]
In contrast to the current state of the semiconductor memory as described above, a memory using a magnetoresistive effect (MRAM; magnetic random access memory) is nonvolatile, and has a writing time, a reading time, a recording density, a rewritable number of times, In terms of power consumption and the like, it is promising as a memory that satisfies all specifications required by many information devices. In particular, an MRAM using the spin-dependent tunneling magnetoresistance (TMR) effect is advantageous for high recording density or high-speed reading because a large read signal can be obtained. Feasibility has been demonstrated.
[0004]
The basic structure of a magnetoresistive effect film used as an element of an MRAM is a sandwich structure in which a magnetic layer is formed adjacent to each other via a nonmagnetic layer. Cu and Al are commonly used as nonmagnetic layers. ₂ O _Three Is mentioned. A magnetoresistive film having a nonmagnetic layer made of a conductor such as Cu is called a giant magnetoresistive (GMR) film. ₂ O _Three A film using an insulator such as the above is called a spin-dependent tunnel magnetoresistive (TMR) film. In general, the TMR film exhibits a greater magnetoresistance effect than the GMR film.
[0005]
FIGS. 12A and 12B show magnetoresistive films having a configuration in which two magnetic layers, which are in-plane magnetization films, are stacked via a nonmagnetic layer, and the direction of magnetization in each magnetic layer. Is indicated by an arrow. When the magnetization directions of the two magnetic layers are parallel as shown in FIG. 12A, the electrical resistance of the magnetoresistive film (the electrical resistance between one magnetic layer and the other magnetic layer) is relatively small. As shown in FIG. 12B, when the magnetization directions are antiparallel, the electric resistance becomes relatively large. Therefore, information can be read by using the above property. For example, when the magnetic layer 13 located at the upper part of the nonmagnetic layer 12 is a memory layer, the magnetic layer 11 located at the lower part is a detection layer, and the magnetization direction of the memory layer (magnetic layer 13) is rightward, "1", leftward In the case of “0”.
[0006]
As shown in FIG. 13A, when the magnetization directions of both magnetic layers 11 and 13 are rightward in the drawing, the electric resistance of the magnetoresistive film is relatively small, and the detection layer 11 is shown in FIG. 13B. When the magnetization direction is rightward in the figure and the magnetization direction of the memory layer 13 is leftward in the figure, the electric resistance is relatively large. Similarly, when the magnetization direction of the detection layer 11 is leftward and the magnetization direction of the memory layer 13 is rightward as shown in FIG. 13C, the electric resistance is relatively large, as shown in FIG. When the magnetization directions of both magnetic layers 11 and 13 are leftward, the electric resistance is relatively small. That is, in the case where the magnetization direction of the detection layer 11 is fixed to the right, if the electric resistance is relatively large, “0” is recorded in the memory layer 13 and the electric resistance is relative. If it is small, “1” is recorded. Alternatively, in the case where the magnetization direction of the detection layer 11 is fixed to the left, if the electric resistance is relatively large, “1” is recorded in the memory layer 13 and the electric resistance is relative. If it is small, “0” is recorded.
[0007]
Therefore, the composition of each of the magnetic layers 11 and 13 is selected so that the coercive force of the detection layer 11 is relatively large and the coercivity of the memory layer 13 is relatively small, and the detection layer 11 is magnetized in one direction. It is possible to record information on the magnetoresistive film by changing the direction of magnetization of the memory layer 13 by applying magnetization to the memory layer 13 to such a degree that magnetization reversal of the detection layer 11 does not occur. By detecting the electrical resistance of the magnetoresistive film, the recorded information can be read out.
[0008]
When the element size of the magnetoresistive film is reduced in order to increase the recording density of the MRAM, the information in the MRAM using the in-plane magnetization film as the magnetic layer is affected by the demagnetizing field or the curling of the magnetization of the element end face. There arises a problem that it becomes impossible to hold. In order to avoid this problem, for example, the shape of the magnetic layer can be rectangular, but this method cannot be expected to improve the recording density because the element size cannot be reduced.
[0009]
Therefore, the present applicant has already proposed to avoid the above problem by using a perpendicular magnetization film as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-213650. When the perpendicular magnetization film is used, the demagnetizing field does not increase even if the element size is reduced, so that a magnetoresistive film having a size smaller than that of the MRAM using the in-plane magnetization film can be realized.
[0010]
In the magnetoresistive effect film using the perpendicular magnetization film, similarly to the magnetoresistive effect film using the in-plane magnetization film, if the magnetization directions of the two magnetic layers are parallel, the electric resistance of the magnetoresistive effect film is relatively When it is small and the magnetization direction is antiparallel, the electric resistance becomes relatively large. The magnetic layer 23 located above the nonmagnetic layer 22 is a memory layer, and the magnetic layer 21 located below is a detection layer. The memory layer 23 has a magnetization direction of “1” and the downward direction of “1”. And When the magnetization directions of both magnetic layers 21 and 23 are upward as shown in FIG. 14 (a), the electric resistance of the magnetoresistive film is relatively small, and the magnetization of the detection layer 21 is shown in FIG. 14 (c). When the direction is downward and the magnetization direction of the memory layer 23 is upward, the electrical resistance becomes relatively large. Similarly, when the magnetization direction of the detection layer 21 is upward and the magnetization direction of the memory layer 23 is downward as shown in FIG. 14B, the electrical resistance becomes relatively large, as shown in FIG. On the other hand, when the magnetization directions of both magnetic layers 21 and 23 are downward, the electric resistance becomes relatively small. That is, when the magnetization direction of the detection layer 21 is fixed upward, if the electric resistance is relatively large, “0” is recorded in the memory layer 23 and the electric resistance is relatively low. If it is smaller, “1” is recorded. Alternatively, in the case where the magnetization direction of the detection layer 21 is fixed downward, if the electric resistance is relatively large, “1” is recorded in the memory layer 23, and the electric resistance is relative. If it is smaller, “0” is recorded.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the magnetoresistive film has a structure in which at least two magnetic bodies are stacked via a thin nonmagnetic film having a thickness of several to several nanometers. The magnetic bodies are magnetostatically coupled to each other. For example, in the case of a magnetoresistive film using a magnetic material exhibiting perpendicular magnetization, the magnetization state shown in FIG. 14 (a) is changed to the state (c), or the state shown in FIG. 14 (d) is changed to the state (b). When the magnetization directions of both magnetic materials are changed from the parallel state to the anti-parallel state as in the case where the detection layer 21 is made, the magnetic field generated from the memory layer 23 works to prevent the magnetization reversal of the detection layer 21. In this case, an externally applied magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field is required. On the other hand, the magnetization directions of both the magnetic bodies are changed from the magnetization state of FIG. 14C to the state of (a) or from the state of FIG. 14B to the state of (d). When changing from the anti-parallel state to the parallel state, the magnetic field generated from the memory layer 23 works to assist the magnetization reversal of the detection layer 21, so that the external applied magnetic field is smaller than the magnetization reversal magnetic field when the detection layer 21 is a single layer. It can be reversed.
[0012]
As a means for recording (writing) data in the MRAM, it is generally considered that a conducting wire is arranged in the vicinity of the MRAM, a current is passed through the conducting wire, and a magnetic field generated by the current is used. In this configuration, the magnitude of the magnetic field applied to the MRAM is proportional to the magnitude of the current flowing through the conductor, but there is a limit to the current density that can be passed through the conductor, and due to restrictions such as power supply capacity, The magnetization reversal field of the magnetic material is preferably as small as possible. However, as described above, in the case of the conventional magnetoresistive film, there is a problem to be solved that a relatively large magnetic field is required when the magnetization direction of the magnetic material changes from the parallel state to the antiparallel state.
[0013]
The present invention has been made in view of this point, and is a magnetoresistive film using a magnetic material exhibiting perpendicular magnetization, and has a phenomenon in which the magnitude of an externally applied magnetic field required for magnetization reversal differs depending on the magnetization reversal direction. Reduced magnetoresistance effect film Manufacturing method The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Of the present invention According to the manufacturing method The magnetoresistive film includes a first magnetic body that exhibits perpendicular magnetization, a nonmagnetic conductor film, a second magnetic body that exhibits perpendicular magnetization, a nonmagnetic dielectric film, and a third magnetic body that exhibits perpendicular magnetization. Are stacked in this order, and the magnetization of the first magnetic body and the magnetization of the third magnetic body are anti-parallel to each other, compared to the first magnetic body and the third magnetic body. The second magnetic body has a relatively small magnetization reversal magnetic field.
[0015]
Of the present invention According to the manufacturing method The magnetoresistive film typically exhibits a spin tunnel effect when a current is passed in the direction perpendicular to the film surface. With this configuration, the magnetoresistive film has the first effect. The magnetization direction of the second magnetic body is adjusted by adjusting the magnetostatic coupling force that the magnetic body exerts on the second magnetic body and the magnetostatic coupling force that the third magnetic body exerts on the second magnetic body. The difference between the magnitude of the externally applied magnetic field required for turning from the direction to the second direction and the magnitude of the externally applied magnetic field required for turning from the second direction to the first direction can be reduced.
[0016]
In the present invention, the magnitude of the magnetostatic coupling force exerted from the first magnetic body to the second magnetic body and the magnitude of the magnetostatic coupling force exerted from the third magnetic body to the second magnetic body are substantially equal. It is preferable to make them equal.
[0017]
In the present invention, the interface between the first magnetic body and the nonmagnetic conductor film, the interface between the second magnetic body and the nonmagnetic conductor film, the interface between the second magnetic body and the nonmagnetic dielectric film, and It is preferable to form a magnetic material having a high spin polarizability at at least one interface of the interface between the third magnetic material and the nonmagnetic dielectric film. In this case, it is more preferable to form a plurality of magnetic bodies having a high spin polarizability so as to be symmetric with respect to the second magnetic body with respect to the film thickness direction of the magnetoresistive film. Examples of such a magnetic material having a high spin polarizability include those made of an alloy of Fe and Co.
[0018]
Of the present invention According to the manufacturing method For magnetoresistive film Oh In this case, the first magnetic body and the third magnetic body may have the same composition. The first magnetic body and the third magnetic body may have the same shape and size, and the nonmagnetic conductor film and the nonmagnetic dielectric film may have the same film thickness.
[0019]
Of the present invention According to the manufacturing method In the magnetoresistive effect film, the nonmagnetic dielectric film is, for example, Al. ₂ O _Three Consists of Further, the first magnetic body, the second magnetic body, and the third magnetic body are, for example, one selected from one or more rare earth metal elements selected from Gd, Dy, and Tb, and Fe, Co, and Ni. It has a transition metal element as a main component.
[0020]
According to the method of manufacturing a magnetoresistive film of the present invention, when the magnetoresistive film described above is manufactured, one of the first magnetic body and the third magnetic body is formed while applying a magnetic field in one direction. Further, the other magnetic body of the first magnetic body and the third magnetic body is formed while applying a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field applied when forming the one magnetic body. And
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a magnetoresistive film according to an embodiment of the present invention. The illustrated magnetoresistive film includes a first magnetic body 111 that is a perpendicular magnetization film, a second magnetic body 112 that is a perpendicular magnetization film, and a third magnetic body 113 that is a perpendicular magnetization film in this order. A nonmagnetic conductor film 114 that is nonmagnetic and has electrical conductivity is disposed between the first magnetic body 111 and the second magnetic body 112, and the second magnetic body 112 and the second magnetic body 112 3 is a nonmagnetic dielectric film 115 made of a nonmagnetic dielectric material. Here, the magnetization directions of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 are antiparallel to each other. In this case, as shown in FIG. 1A, the magnetization of the first magnetic body 111 may be upward and the magnetization of the third magnetic body 113 may be downward, or FIG. As shown, the magnetization of the first magnetic body 111 may be downward and the magnetization of the third magnetic body 113 may be upward. In FIG. 1, the direction of magnetization of the second magnetic body 112 is not shown, but the direction of magnetization of the second magnetic body 112 may be upward or downward depending on the data written to the perpendicular magnetic effect film. Become.
[0024]
As described above, when the magnetization directions of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 are antiparallel, the magnetostatic coupling acting between the first magnetic body 111 and the second magnetic body 112. Since the magnetostatic coupling force acting between the third magnetic body 113 and the second magnetic body 112 acts against the force in a direction that cancels out, the magnetization direction of the second magnetic body 112 is reversed from upward to downward. In both cases, the magnetization direction of the second magnetic body 112 can be reversed with the same magnetic field.
[0025]
As the perpendicular magnetization film used as the first magnetic body 111, the second magnetic body 112, and the third magnetic body 113, an artificial lattice film such as a noble metal-transition metal, an artificial lattice of CoCr or a rare earth metal-transition metal, or the like. Examples thereof include films and alloys thereof. Among these perpendicularly magnetized films, the rare earth metal-transition metal alloy can easily make the squareness ratio of the magnetization curve to 1 and can be easily created. Therefore, it is preferable as a magnetic material. In the rare earth metal-transition metal alloy, one or more elements selected from Gd, Dy, and Tb are preferably used as the rare earth metal, and one or more elements selected from Co, Fe, and Ni are preferably used as the transition metal. In particular, Gd is preferable as the rare earth metal used for the second magnetic body 112 that requires a small magnetization switching magnetic field.
[0026]
Various materials can be used for the nonmagnetic conductor film 114, for example, many materials such as Pt, Au, Ag, Ru, Zn, Si, In, Sn, Pb, Ta, Ti, W, Cu, and Al. Can be used. In addition, the nonmagnetic dielectric film 115 includes SiO. ₂ , Al ₂ O _Three Etc. can be used, but since a large change in magnetoresistance can be obtained, Al ₂ O _Three Are preferably used. The magnetoresistive effect film shown here is recorded on the magnetoresistive effect film by utilizing the magnetoresistance generated by passing current in the direction perpendicular to the film surface and spin-dependent tunneling of electrons in the nonmagnetic dielectric film 115. However, the change in magnetoresistance also occurs due to the spin-dependent scattering that occurs in the interface between the nonmagnetic conductor film 114 and the magnetic bodies 111 and 112 and in each of the magnetic bodies 111 to 113. However, since the magnetoresistance change due to spin-dependent scattering is significantly smaller than the magnetoresistance change due to spin-dependent tunneling, it can be considered that the magnetoresistance change observed in this magnetoresistive film is due to spin-dependent tunneling. The change in magnetoresistance due to is negligible.
[0027]
By the way, the magnetoresistive effect film using the rare earth metal-transition metal alloy has a smaller magnetoresistance change rate than the magnetoresistive effect film using only the transition metal. This is presumably because the rare earth metal at the interface with the nonmagnetic dielectric film does not have a large spin polarizability. Therefore, as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-306374, a magnetic material having a high spin polarizability (high spin polarizability magnetic material) is exchange-coupled to a magnetic material made of a rare earth metal and a transition metal, and the magnetoresistance change rate It is conceivable to increase Examples of the magnetic material having a large spin polarizability include transition metals such as Fe, Co, and alloys thereof. In particular, an FeCo alloy is preferable because it has a large spin polarizability. However, since the transition metal thin film does not exhibit perpendicular magnetization, it is necessary to take measures such as directing the magnetization in the direction perpendicular to the film surface by exchange coupling with the perpendicular magnetization film. Such a film configuration is According to the manufacturing method It can also be used in a magnetoresistive film. Hereinafter, a magnetoresistive film based on the present invention and having such a high spin polarizability magnetic material as a thin layer will be described.
[0028]
The magnetoresistive film shown in FIG. 2 is obtained by disposing a high spin polarizability magnetic body 120 between the nonmagnetic dielectric film 115 and the third magnetic body 113 in the magnetoresistive film shown in FIG. is there. On the other hand, the magnetoresistive film shown in FIG. 3 is obtained by disposing a high spin polarizability magnetic body 119 between the second magnetic body 112 and the nonmagnetic dielectric film 115 in the magnetoresistive film shown in FIG. It is. As described above, the high spin polarizability magnetic material can be disposed at any interface between the nonmagnetic dielectric film 115 and the magnetic materials 112 and 113. Furthermore, as shown in FIG. 4, high spin polarizability magnetic bodies 119 and 120 can be provided on both upper and lower surfaces of the nonmagnetic dielectric film 115, and thus high spin polarizability magnetic bodies are disposed on both sides. Thus, it is possible to obtain a larger change in magnetoresistance.
[0029]
By the way, Fe, Co or FeCo alloy has a relatively large magnetization. Therefore, when a high spin polarizability magnetic material is provided at the nonmagnetic dielectric film interface as described above, the magnetostatic coupling force exerted on the second magnetic material 112 by these magnetic materials cannot be ignored. As a method for solving this problem, a high spin polarizability magnetic material is formed at a position symmetrical to the second magnetic material with respect to the high spin polarizability magnetic material arranged in contact with the nonmagnetic dielectric film, The magnetostatic coupling forces in opposite directions act on the second magnetic body 112 from both of these high spin polarizability magnetic bodies arranged at positions symmetrical to each other with respect to the two magnetic bodies. It is possible to prevent a magnetostatic coupling force from acting on the second magnetic body 112. Hereinafter, the magnetoresistive film in which the high spin polarizability magnetic material is arranged at a position symmetrical to the second magnetic material 112 will be described.
[0030]
The magnetoresistive film shown in FIG. 5 is obtained by disposing a high spin polarizability magnetic body 117 between the nonmagnetic conductor film 114 and the first magnetic body 111 in the magnetoresistive film shown in FIG. The high spin polarizability magnetic bodies 117 and 120 exist at positions symmetrical to each other with respect to the second magnetic body 112. The magnetoresistive film shown in FIG. 6 is obtained by disposing a high spin polarizability magnetic body 118 between the nonmagnetic conductor film 114 and the second magnetic body 112 in the magnetoresistive film shown in FIG. The high spin polarizability magnetic bodies 118 and 119 exist at positions symmetrical to each other with respect to the second magnetic body 112. Further, in the magnetoresistive effect element shown in FIG. 7, a high spin polarizability magnetic body 117 is disposed between the nonmagnetic conductor film 114 and the first magnetic body 111 in the magnetoresistive effect film shown in FIG. The high spin polarizability magnetic body 118 is disposed between the nonmagnetic conductor film 114 and the second magnetic body 112, and the high spin polarizability magnetic bodies 117 and 118 and the high spin polarizability magnetic bodies 120 and 119 are provided. Means that the second magnetic body 112 is located symmetrically with respect to the second magnetic body 112.
[0031]
Of the present invention According to the manufacturing method In the magnetoresistive effect film, the magnetostatic coupling force of the first magnetic body 111 and the second magnetic body 112 and the magnetostatic coupling force of the third magnetic body 113 and the second magnetic body 112 are almost opposite to each other. Although it is calculated | required to make it the same magnitude | size, it is preferable that the balance is not destroyed even if the temperature of a magnetoresistive effect film changes. Such characteristics can be easily realized by, for example, forming the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 in exactly the same way. That is, since the temperature change of magnetization is the same if the magnetic materials have the same composition, the magnetostatic coupling force between the magnetic materials 111 and 113 and the second magnetic material 112 is balanced even if the temperature changes. It will not collapse.
[0032]
In addition, the present invention According to the manufacturing method A magnetoresistive film is used as a memory element, and a current required for writing is provided by means for recording information on the magnetoresistive film (memory element) and means for reading information recorded on the magnetoresistive film. It is possible to configure a memory with low power consumption and low power consumption. Here, as a means for recording information, a magnetic field generated by flowing a current through the wiring is preferably used. As a means for reading out recorded information, the memory element of this memory element when a constant current is passed through the memory element is used. A circuit for detecting the voltage at both ends is preferably used.
[0033]
【Example】
Next, the present invention According to the manufacturing method The magnetoresistive effect element will be described in more detail based on examples.
[0034]
Example 1
A magnetoresistive film having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. A Si wafer (silicon substrate) is used as a substrate, and a Tb having a thickness of 30 nm is formed on the substrate as a third magnetic body 113 in the film formation container. ₂₀ (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₈₀ A film is formed by sputtering, and further Al ₂ O _Three A nonmagnetic dielectric film 115 having a thickness of 1.5 nm was formed by sputtering using a target. The obtained film is subjected to plasma oxidation in an oxygen atmosphere, and oxygen atoms missing in the nonmagnetic dielectric film 115 are compensated to make the nonmagnetic dielectric film 115 Al. ₂ O _Three Then, a sufficient vacuum was drawn again to form a Gd film with a thickness of 30 nm as the second magnetic body 112. _{twenty one} (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₇₉ The film, an Al film with a thickness of 1.5 nm as the nonmagnetic conductor film 114, and a Tb with a thickness of 30 nm as the first magnetic body 111 ₂₀ (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₈₀ A 2 nm Pt film was sequentially formed by sputtering as a film and a protective film. However, the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 are formed while a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate so that these magnetic bodies 111 and 113 are magnetized in a predetermined direction. did. That is, the direction of the magnetic field applied during film formation of the first magnetic body 111 and the direction of the magnetic field applied during film formation of the third magnetic body 113 are antiparallel to each other, and the magnitude of the applied magnetic field. Is a value smaller than the magnetization reversal field of the third magnetic body 113. Thus, by applying a magnetic field during film formation, the magnetization directions of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 can be made antiparallel to each other.
[0035]
Next, a 0.5 μm square resist film was formed on the multilayer film thus obtained, and the part of the multilayer film not covered with the resist was removed by dry etching. After etching, 100 nm thick Al ₂ O _Three A film is formed by sputtering, and the resist and Al on the resist are further formed. ₂ O _Three The film was removed, and an insulating film for electrical insulation between the upper electrode and the Si wafer was formed. After that, the upper electrode is made of an Al film by the lift-off method, and the portion of the Al not covered by the upper electrode ₂ O _Three A magnetoresistive film was completed as an electrode pad for connecting a measurement circuit by removing a part of the film.
[0036]
A constant current power source is connected between the upper electrode and the lower electrode (Si wafer) of the magnetoresistive effect film, and the Al of the nonmagnetic dielectric film 115 is ₂ O _Three By changing the magnitude and direction of the magnetoresistive film by applying a constant current so that electrons tunnel through the film and applying a magnetic field in the direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film (magnetoresistance curve) ) Was measured. However, the magnitude of the magnetic field to be applied is smaller than the magnetization reversal fields of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113, the magnetization directions of both the magnetic bodies 111 and 113 are fixed, and the second magnetic body 112 is fixed. The size is such that only the magnetization direction can be changed. According to this measurement result, almost no difference was observed between the magnitude of the externally applied magnetic field when the voltage applied to the magnetoresistive film was lowered and the magnitude of the externally applied magnetic field when it was raised. That is, in this magnetoresistive effect film, it was found that the phenomenon that the magnitude of the externally applied magnetic field required for magnetization reversal differs depending on the magnetization reversal direction.
[0037]
(Example 2)
A magnetoresistive film having the configuration shown in FIG. 7 was prepared. A Si wafer (silicon substrate) is used as a substrate, and a Tb having a thickness of 30 nm is formed on the substrate as a third magnetic body 113 in the film formation container. ₂₀ (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₈₀ As a high spin polarizability magnetic body 120, Fe with a film thickness of 1 nm ₆₀ Co ₄₀ The film is sequentially formed by sputtering, and further Al ₂ O _Three A nonmagnetic dielectric film 115 having a thickness of 1.5 nm was formed by sputtering using a target. The obtained film is subjected to plasma oxidation in an oxygen atmosphere, and oxygen atoms missing in the nonmagnetic dielectric film 115 are compensated to make the nonmagnetic dielectric film 115 Al. ₂ O _Three Then, a sufficient vacuum was drawn again to obtain a high spin polarizability magnetic body 119 with a 1 nm-thickness Fe film. ₆₀ Co ₄₀ Gd with a film thickness of 50 nm as the film, the second magnetic body 112 _{twenty one} (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₇₉ As a film, high spin polarizability magnetic material 118, 1 nm of Fe ₆₀ Co ₄₀ Film, Al film with a thickness of 1.5 nm as the nonmagnetic conductor film 114, and Fe film with a thickness of 1 nm as the high spin polarizability magnetic body 117 ₆₀ Co ₄₀ Tb having a thickness of 30 nm as the first magnetic body 111 ₂₀ (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₈₀ A 2 nm Pt film was sequentially formed by sputtering as a film and a protective film.
[0038]
At this time, the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 are formed while a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate so that the magnetic bodies 111 and 113 are magnetized in a predetermined direction. I made it. That is, the direction of the magnetic field applied during film formation of the first magnetic body 111 and the direction of the magnetic field applied during film formation of the third magnetic body 113 are antiparallel to each other, and the magnitude of the applied magnetic field. Is a value smaller than the magnetization reversal field of the third magnetic body 113. Thus, by applying a magnetic field during film formation, the magnetization directions of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113 can be made antiparallel to each other. The high spin polarizability magnetic body 120 is the third magnetic body 113, the high spin polarizability magnetic body 117 is the first magnetic body 111, and the high spin polarizability magnetic bodies 118 and 119 and the second magnetic body. 112, and the magnetizations of the high spin polarizability magnetic bodies 117 to 120 are oriented in the direction perpendicular to the film surface. Here, the high spin polarizability magnetic bodies 119 and 120 are formed in order to obtain a high magnetoresistance change rate, but the high spin polarizability magnetic bodies 117 and 118 are used for adjusting the magnetostatic coupling force. It is a magnetic layer and does not affect the spin polarizability.
[0039]
Next, a 0.5 μm square resist film was formed on the multilayer film thus obtained, and the part of the multilayer film not covered with the resist was removed by dry etching. After etching, Al with a thickness of 120 nm ₂ O _Three A film is formed by sputtering, and the resist and Al on the top ₂ O _Three The film was removed, and an insulating film for electrical insulation between the upper electrode and the Si wafer was formed. After that, the upper electrode is made of an Al film by the lift-off method, and the portion of the Al not covered by the upper electrode ₂ O _Three A magnetoresistive film was completed as an electrode pad for connecting a measurement circuit by removing a part of the film.
[0040]
A constant current power source is connected between the upper electrode and the lower electrode (Si wafer) of the magnetoresistive effect film, and the Al of the nonmagnetic dielectric film 115 is ₂ O _Three By changing the magnitude and direction of the magnetoresistive film by applying a constant current so that electrons tunnel through the film and applying a magnetic field in the direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film (magnetoresistance curve) ) Was measured. However, the magnitude of the magnetic field to be applied is smaller than the magnetization reversal fields of the first magnetic body 111 and the third magnetic body 113, the magnetization directions of both the magnetic bodies 111 and 113 are fixed, and the second magnetic body 112 is fixed. The size is such that only the magnetization direction can be changed. According to this measurement result, almost no difference was observed between the magnitude of the externally applied magnetic field when the voltage applied to the magnetoresistive film was lowered and the magnitude of the externally applied magnetic field when it was raised. That is, in this magnetoresistive effect film, it was found that the phenomenon that the magnitude of the externally applied magnetic field required for magnetization reversal differs depending on the magnetization reversal direction.
[0041]
(Example 3)
After forming a transistor, a wiring layer, etc. on a Si wafer, a magnetoresistive film having the film configuration used in Example 2 is formed, and further processed into nine memory elements in 3 rows and 3 columns, and a memory cell array is formed. Configured. Information is recorded in the memory element by a magnetic field generated by passing a current through the conductor. FIG. 8 shows an electric circuit for applying a recording magnetic field, and FIG. 9 shows a reading circuit. 8 and 9 correspond to views of the Si wafer as viewed from above, and the magnetization direction in the magnetoresistive film is a direction perpendicular to the paper surface. Actually, the configurations shown in FIGS. 8 and 9 are formed so as to overlap in the memory cell array by the multilayer wiring technique.
[0042]
A method for selectively reversing the magnetization of the magnetic film of the selected memory element (magnetoresistance effect film) will be described.
[0043]
As shown in FIG. 8, nine memory elements (magnetoresistance effect films) 101 to 109 are arranged in a 3 × 3 array in the memory cell array, and the first extending in the row direction so as to sandwich each row of memory elements. Write lines 311 to 314 are provided. The left ends of these write lines 311 to 314 are connected in common, and the right ends of the write lines 311 to 314 are connected to transistors 211 to 214 for connecting the write lines 311 to 314 to the power source 411 and to the wiring 300, respectively. Transistors 215 to 218 are provided. Second write lines 321 to 324 extending in the column direction are provided so as to sandwich each column of memory elements. The upper ends of the write lines 321 to 324 in the figure are connected in common, and the lower ends in the figure are connected to transistors 219 to 222 for grounding the write lines 321 to 324 and transistors 223 to 226 for connecting to the wiring 300, respectively. Is provided.
[0044]
Here, for example, when the magnetization of the magnetoresistive film 105 is selectively reversed, the transistors 212, 217, 225, and 220 are turned on, and the other transistors are turned off. In this way, current flows through the write lines 312, 313, 323, 322 and induces a magnetic field around them. In this state, a magnetic field in the same direction is applied only from the four write lines to the magnetoresistive film 105, and a magnetic field in the same direction is applied only from the two write lines to the other magnetoresistive films. Furthermore, a magnetic field in the opposite direction is applied to effectively cancel the magnetic field, so that the magnetic field is not applied as much as the magnetoresistive film 105. Therefore, if the combined magnetic field when the magnetic field is applied in the same direction from the four write lines is adjusted to be slightly larger than the magnetization reversal field of the magnetic film of the memory element (magnetoresistance effect film), Only the magnetization of the magnetoresistive film 105 can be selectively reversed. In addition, when a magnetic field in the reverse direction is applied to the magnetoresistive effect film 105 as described above, the transistors 213, 216, 224, and 221 are turned on, and the other transistors are turned off. As a result, current flows in the write lines 312, 313, 323, and 322 in the opposite direction to the above, and a reverse magnetic field is applied to the magnetoresistive film 105. Accordingly, binary information different from the above is recorded in the magnetoresistive effect film 105.
[0045]
Next, the operation during reading will be described. As shown in FIG. 9, transistors 231 to 239 for grounding the memory elements in series are formed at one ends of the memory elements (magnetoresistance effect films) 101 to 109, respectively. The bit lines 331 to 333 are provided for each row, and transistors 240 to 242 for connecting these bit lines to the power source 412 through the fixed resistor 150 are provided at the right ends of the bit lines 331 to 333 in the figure, respectively. It has been. The bit line 331 is connected to the other end of the magnetoresistive effect films 101 to 103, the bit line 332 is connected to the other end of the magnetoresistive effect films 104 to 106, and the bit line 333 is the other end of the magnetoresistive effect films 107 to 109. Connect to. The left ends of the bit lines 331 to 333 are connected in common and connected to a sense amplifier 500 that amplifies the difference between the potential of these bit lines and the reference voltage Ref. Further, word lines 341 to 343 are provided for each column, the word line 341 is connected to the gates of the transistors 231, 234, and 237, the word line 342 is connected to the gates of the transistors 232, 235, and 238, and the word line 343 is connected to the gates of the transistors 233, 236 and 239.
[0046]
Here, for example, consider reading information recorded on the magnetoresistive film 105. In this case, the transistors 235 and 241 are turned on. As a result, the power supply 412, the fixed resistor 150, and the magnetoresistive film 105 are connected in series. Therefore, the power supply voltage is divided into the respective resistors at a ratio of the resistance value of the fixed resistor 150 and the resistance value of the magnetoresistive effect film 105. Since the power supply voltage is fixed, when the resistance value of the magnetoresistive film changes, the voltage applied to the magnetoresistive film varies accordingly. By reading this voltage value with the sense amplifier 500, information recorded in the magnetoresistive film 105 can be read.
[0047]
FIG. 10 schematically shows the three-dimensional structure of the peripheral portion of one such memory element. Here, the vicinity of the magnetoresistive film 105 in FIGS. 8 and 9 is shown. For example, two n-type diffusion regions 162 and 163 are formed on a p-type Si substrate 161, and a word line (gate electrode) 342 is formed therebetween via an insulating layer 323. The ground line 356 is connected to the n-type diffusion region 162 through the contact plug 351, and the magnetoresistive film 105 is connected to the n-type diffusion region 163 through the contact plugs 352, 353, 354, 357 and the local wiring 358. . The magnetoresistive film 105 is further connected to the bit line 332 via the contact plug 355. Next to the magnetoresistive effect film 105, write lines 322 and 323 for generating a magnetic field are arranged.
[0048]
Example 4
After forming a transistor, a wiring layer, etc. on a Si wafer, a magnetoresistive film having the film configuration used in Example 2 is formed, and further processed into nine memory elements in 3 rows and 3 columns, and a memory cell array is formed. Configured. A circuit configuration of this memory including such a memory cell array is shown in FIG. In this memory, information is recorded by applying an in-plane magnetic field and a vertical magnetic field to a desired memory element. Here, the in-plane magnetic field is generated by passing a current through the bit line. In the memory cell array of the third embodiment, the circuit for writing information and the circuit for reading are electrically separated, whereas in the memory cell array shown in the fourth embodiment, a circuit for writing and A bit line is shared with a circuit for reading.
[0049]
As a configuration for recording information, as shown in FIG. 11, nine memory elements (magnetoresistance effect films) 101 to 109 are arranged in 3 × 3 in the memory cell array, and each row of the memory elements is arranged. Write lines 611 to 614 extending in the column direction are provided so as to be sandwiched. The upper ends of the write lines 611 to 614 are connected in common, and the lower ends of the write lines 611 to 614 are connected to transistors 511 to 514 for connecting the write lines 611 to 614 to the power source 411 and the wiring 600, respectively. Transistors 515 to 518 are provided.
[0050]
As a configuration for reading information, transistors 531 to 539 for grounding the memory elements in series are formed at one ends of the memory elements (magnetoresistance effect films) 101 to 109, respectively. The bit lines 631 to 633 are provided for each row, and transistors 540 to 540 for connecting the bit lines 631 to 633 to the power source 412 through the fixed resistor 150 are respectively provided at the right ends of the bit lines 631 to 633 in the figure. 542 and transistors 521 to 523 for connecting the bit lines 631 to 633 to the wiring 600 are provided. The bit line 631 is connected to the other end of the magnetoresistive effect films 101 to 103, the bit line 632 is connected to the other end of the magnetoresistive effect films 104 to 106, and the bit line 633 is the other end of the magnetoresistive effect films 107 to 109. Connect to. The left ends of the bit lines 631 to 633 are connected in common, and are connected via a transistor 551 to a sense amplifier 500 that amplifies the difference between the potential of these bit lines and the reference voltage Ref, and are connected to a ground potential via a transistor 624. Connected to. Further, word lines 641 to 643 are provided for each column, the word line 641 is connected to the gates of the transistors 531, 534 and 537, the word line 642 is connected to the gates of the transistors 532, 535 and 538, Reference numeral 643 is connected to the gates of the transistors 533, 536 and 539.
[0051]
A method for selectively reversing the magnetization of the magnetic film of the selected memory element will be described. For example, when the magnetization of the magnetoresistive film 105 is selectively reversed, the transistors 512, 517, 522, and 524 are turned on, and the other transistors are turned off. In this way, current flows through the write lines 612 and 613, and a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film 105. Further, a current also flows through the bit line 632, and a magnetic field generated thereby is applied in the in-plane direction with respect to the film surface of the magnetoresistive film 105. Therefore, since a magnetic field in the in-plane direction and a relatively large magnetic field in the direction perpendicular to the film surface are applied to the magnetoresistive effect film 105, the magnetization of the magnetoresistive effect film 105 can be reversed. For the other magnetoresistive films 101 to 104 and 106 to 109, a magnetic field that is applied to the magnetoresistive film 105 is not applied, so that the magnetization direction can be prevented from being reversed. Eventually, the magnetization of only the magnetoresistive effect film 105 can be reversed by appropriately determining the magnitude of the current. In addition, when a magnetic field in the opposite direction to that described above is applied to the magnetoresistive film 105, the transistors 513, 516, 522, and 524 are turned on, and the other transistors are turned off. In this way, a current flows through the bit line 632 and a magnetic field is applied to the magnetoresistive film 105 in the in-plane direction, and a current flows through the write lines 613 and 612 in the opposite direction to the magnetic field. A magnetic field perpendicular to the film surface in the reverse direction is applied to the resistance effect film 105. Accordingly, binary information different from the above is recorded in the magnetoresistive effect film 105.
[0052]
Next, the operation during reading will be described. For example, information recorded on the magnetoresistive film 105 is read. In this case, the transistors 535 and 541 are turned on. Then, a circuit in which the power source 412, the fixed resistor 150, and the magnetoresistive film 105 are connected in series is obtained. Therefore, the power supply voltage is divided into the respective resistors at a ratio of the resistance value of the fixed resistor 150 and the resistance value of the magnetoresistive effect film 105. Since the power supply voltage is fixed, when the resistance value of the magnetoresistive film changes, the voltage applied to the magnetoresistive film changes accordingly. By reading this voltage value with the sense amplifier 500, information recorded in the magnetoresistive film 105 can be read.
[0053]
(Comparative example)
A magnetoresistive film having a structure in which the first magnetic layer is not provided in the magnetoresistive film shown in FIG. A Si wafer is used as a substrate, and a Tb having a thickness of 30 nm is formed on the substrate as a third magnetic body 113 in the film formation container. ₂₀ (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₈₀ 1 nm-thick Fe film as a high spin-polarized magnetic body 120 ₆₀ Co ₄₀ Are sequentially formed by sputtering, and further Al ₂ O _Three A nonmagnetic dielectric film 115 having a thickness of 1.5 nm was formed by sputtering using a target. The obtained film is subjected to plasma oxidation in an oxygen atmosphere, and oxygen atoms missing in the nonmagnetic dielectric film 115 are compensated to make the nonmagnetic dielectric film 115 Al. ₂ O _Three Then, a sufficient vacuum was drawn again to form a high spin-polarized magnetic body 119 with a thickness of 1 nm of Fe. ₆₀ Co ₄₀ Gd with a film thickness of 50 nm as the film, the second magnetic body 112 _{twenty one} (Fe ₆₀ Co ₄₀ ) ₇₉ A 2 nm Pt film was sequentially formed by sputtering as a film and a protective film. At this time, the third magnetic body 113 was formed while applying a magnetic field smaller than the coercive force of the third magnetic body in a direction perpendicular to the substrate. Further, the high spin polarizability magnetic body 120 is exchange coupled with the third magnetic body 113 and the high spin polarizability magnetic body 119 is exchange coupled with the second magnetic body 112, respectively. The magnetization of is oriented in the direction perpendicular to the film surface. Here, the high spin polarizability magnetic bodies 119 and 120 are formed in order to obtain a high magnetoresistance change rate.
[0054]
Next, a 0.5 μm square resist film was formed on the multilayer film thus obtained, and the part of the multilayer film not covered with the resist was removed by dry etching. After etching, 90 nm thick Al ₂ O _Three A film is formed by sputtering, and the resist and Al on the top ₂ O _Three The film was removed, and an insulating film for electrical insulation between the upper electrode and the Si wafer was formed. After that, the upper electrode is made of an Al film by the lift-off method, and the portion of the Al not covered by the upper electrode ₂ O _Three A magnetoresistive film of a comparative example was completed as an electrode pad for connecting a measurement circuit by removing a part of the film.
[0055]
A constant current power source is connected between the upper electrode and the lower electrode (Si wafer) of the magnetoresistive effect film, and the Al of the nonmagnetic dielectric film 115 is ₂ O _Three By changing the magnitude and direction of the magnetoresistive film by applying a constant current so that electrons tunnel through the film and applying a magnetic field in the direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film (magnetoresistance curve) ) Was measured. According to this measurement result, the magnitude of the externally applied magnetic field when the voltage applied to the magnetoresistive film was lowered was about 1.5 kA / m smaller than the magnitude of the externally applied magnetic field when it was raised. That is, in this magnetoresistive film, it has been found that the phenomenon that the magnitude of the externally applied magnetic field required for the magnetization reversal differs depending on the magnetization reversal direction is not reduced.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, the present invention reduces the phenomenon that the magnitude of the externally applied magnetic field required to reverse the magnetization direction of the second magnetic material functioning as the memory layer differs depending on the magnetization reversal direction in the magnetoresistive effect film. There is an effect that can be done. As a result, by using such a magnetoresistive film, it is possible to obtain a memory that can reduce current required for writing information and suppress power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a magnetoresistive film according to an embodiment of the present invention.
[Figure 2] Magnetism It is a schematic cross section which shows an example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
[Fig. 3] Magnetism It is a schematic cross section which shows another example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
[Fig. 4] Magnetism It is a schematic cross section which shows another example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
[Figure 5] Magnetism It is a schematic cross section which shows another example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
[Fig. 6] Magnetism It is a schematic cross section which shows another example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
[Fig. 7] Magnetism It is a schematic cross section which shows another example of the film | membrane structure of a gas resistance effect film | membrane.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a circuit for generating a magnetic field to be applied to record information used in the third embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a circuit for reading recorded information used in the third embodiment.
10 is a cross-sectional view schematically showing a memory element formed in Example 3. FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a configuration of a memory according to a fourth embodiment.
12A is a cross-sectional view schematically showing a state in which the magnetization of the magnetoresistive film is parallel, and FIG. 12B is a cross-sectional view schematically showing a state in which the magnetization of the magnetoresistive film is antiparallel. .
FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining a recording / reproducing principle in a conventional magnetoresistive film using an in-plane magnetization film, and FIGS. 13A and 13C are diagrams for reading recorded information “1”. FIGS. Sectional views schematically showing the magnetization state of FIGS. 4B and 4D are sectional views schematically showing the magnetization state when recording information “0” is read.
FIGS. 14A and 14B are diagrams for explaining a recording / reproducing principle in a magnetoresistive film using a perpendicular magnetization film, and FIGS. 14A and 14C are diagrams illustrating magnetization when a recorded information “1” is read. Sectional views schematically showing the state, (b) and (d) are sectional views schematically showing the state of magnetization when the recorded information “0” is read out.
[Explanation of symbols]
11, 21 Magnetic layer (detection layer)
12, 22 Nonmagnetic layer
13, 23 Magnetic layer (memory layer)
101-109 Magnetoresistive film
111 First magnetic body
112 Second magnetic body
113 Third magnetic body
114 Non-magnetic conductor film
114 Non-magnetic dielectric film
117-120 High spin polarizability magnetic material
123 Insulating film
150 fixed resistance
161 p-type Si substrate
162,163 n-type diffusion region
211-226, 231-242, 511-518, 521-524, 531-542, 551 transistor
300,600 wiring
311 to 314, 321 to 324, 611 to 614
331-333, 631-633 bit lines
341 to 343, 641 to 643 Word lines (gate electrodes)
351-355, 357 Contact plug
356 Grounding wire
358 Local wiring
411, 412 power supply
500 sense amplifier

Claims

A first magnetic body exhibiting perpendicular magnetization, a nonmagnetic conductor film, a second magnetic body exhibiting perpendicular magnetization, a nonmagnetic dielectric film, and a third magnetic body exhibiting perpendicular magnetization are stacked in this order. The magnetization of the first magnetic body and the magnetization of the third magnetic body are antiparallel to each other, and the second magnetic body as compared with the first magnetic body and the third magnetic body. Is a method of manufacturing a magnetoresistive film having a relatively small magnetization reversal field,
One magnetic body of the first magnetic body and the third magnetic body is formed while applying a magnetic field in one direction, and further in a direction opposite to the magnetic field direction applied when forming the one magnetic body. A method of manufacturing a magnetoresistive film, wherein the other magnetic body of the first magnetic body and the third magnetic body is formed while applying a magnetic field.