기억 소자 및 메모리 document_id A220623029332

본 발명은, 강자성층의 자화 상태를 정보로서 기억하는 기억층과, 자화의 방향이 고정된 자화 고정층으로 이루어지고, 막 면에 수직의 방향으로 전류를 흘려서, 스핀 편극한 전자를 주입함으로써 기억층의 자화의 방향을 변화시키는 기억 소자 및 이 기억 소자를 구비한 메모리에 관한 것으로서, 불휘발 메모리에 적용하기에 바람직한 것이다. 컴퓨터 등의 정보 기기에서는, 랜덤 액세스 메모리로서, 동작이 고속이고, 고정밀도의 DRAM이 널리 사용되고 있다. 그러나, DRAM은 전원을 끊으면 정보가 소멸되는 휘발성 메모리이기 때문에, 정보가 소멸되지 않는 불휘발의 메모리가 요망되고 있다. 그리고, 불휘발 메모리의 후보로서, 자성체의 자화로 정보를 기록하는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)가 주목받아, 개발이 진행되고 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조). MRAM은, 거의 직교하는 2종류의 어드레스 배선(워드선, 비트선)에 각각 전류를 흘려서, 각 어드레스 배선으로부터 발생하는 전류 자장에 의해, 어드레스 배선의 교점에 있는 자기 기억 소자의 자성층의 자화를 반전하여 정보의 기록을 행하는 것이다. 또한, 정보의 판독에는, 자기 기억 소자의 기억층의 자화의 방향에 따라 저항이 변화하는, 소위 자기 저항 효과(MR 효과)도 이용한다. 일반적인 MRAM의 모식도(사시도)를, 도 17에 도시한다. 실리콘 기판 등의 반도체 기판(110)의 소자 분리층(102)에 의해 분리된 부분에, 각 메모리 셀을 선택하기 위한 선택용 트랜지스터를 구성하는, 드레인 영역(108), 소스 영역(107), 및 게이트 전극(101)이, 각각 형성되어 있다. 또한, 게이트 전극(101)의 상방에는, 도면 중 전후 방향으로 연장하는 워드선(105)이 형성되어 있다. 드레인 영역(108)은, 도면 중 좌우의 선택용 트랜지스터에 공통으로 형성되어 있고, 이 드레인 영역(108)에는, 배선(109)이 접속되어 있다. 그리고, 워드선(105)과, 상방에 배치된, 도면 중 좌우 방향으로 연장되는 비트선(106)의 사이에, 자화의 방향이 반전하는 기억층을 갖는 자기 기억 소자(103)가 배치되어 있다. 이 자기 기억 소자(103)는, 예를 들면 자기 터널 접합 소자(MTJ 소자)에 의해 구성된다. 또한, 자기 기억 소자(103)는, 수평 방향의 바이패스선(111) 및 상하 방향의 컨택트층(104)을 개재하여, 소스 영역(107)에 전기적으로 접속되어 있다. 워드선(105) 및 비트선(106)에 각각 전류를 흘림으로써, 전류 자계를 자기 기억 소자(103)에 인가하고, 이에 따라 자기 기억 소자(103)의 기억층의 자화의 방향을 반전시켜서, 정보의 기록을 행할 수 있다. 그리고, MRAM 등의 자기 메모리에서, 기억한 정보를 안정되게 유지하기 위해서는, 정보를 기록하는 자성층(기억층)이, 일정한 보자력을 갖고 있는 것이 필요하다. 한편, 기록된 정보를 재기입하기 위해서는, 어드레스 배선에 어느 정도의 전류를 흘려야한다. 그런데, MRAM을 구성하는 소자의 미세화에 수반하여, 어드레스 배선도 가늘게 되기 때문에, 충전한 전류를 흘릴 수 없게 된다. 따라서, 더 적은 전류로 자화 반전이 가능한 구성으로서, 스핀 주입에 의한 자화 반전을 이용하는 구성의 메모리가 주목받고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 스핀 주입에 의한 자화 반전이란, 자성체 속을 통과하여 스핀 편극한 전자를, 다른 자성체에 주입함으로써, 다른 자성체에서 자화 반전을 일으키게 하는 것이다. 예를 들면, 거대 자기 저항 효과 소자(GMR 소자)나 자기 터널 접합 소자(MTJ 소자)에 대하여, 그 막 면에 수직의 방향으로 전류를 흘림으로써, 이들 소자의 적어도 일부의 자성층의 자화의 방향을 반전시킬 수 있다. 그리고, 스핀 주입에 의한 자화 반전은, 소자가 미세화되더라도, 전류를 증가시키지 않고 자화 반전을 실현할 수 있는 이점을 갖고 있다. 전술한 스핀 주입에 의한 자화 반전을 이용하는 구성의 메모리의 모식도를 도 15 및 도 16에 도시한다. 도 15는 사시도이고, 도 16은 단면도이다. 실리콘 기판 등의 반도체 기체(60)의 소자 분리층(52)에 의해 분리된 부분에, 각 메모리 셀을 선택하기 위한 선택용 트랜지스터를 구성하는, 드레인 영역(58), 소스 영역(57), 및 게이트 전극(51)이, 각각 형성되어 있다. 이 중, 게이트 전극(51)은, 도 15 중 전후 방향으로 연장되는 워드선을 겸하고 있다. 드레인 영역(58)은, 도 15 중 좌우의 선택용 트랜지스터에 공통으로 형성되어 있고, 이 드레인 영역(58)에는, 배선(59)이 접속되어 있다. 그리고, 소스 영역(57)과, 상방에 배치된, 도 15 중 좌우 방향으로 연장되는 비트선(56)과의 사이에, 스핀 주입에 의해 자화의 방향이 반전하는 기억층을 갖는 기억 소자(53)가 배치되어 있다. 이 기억 소자(53)는, 예를 들면 자기 터널 접합 소자(MTJ 소자)에 의해 구성된다. 도면 중 참조 부호 61 및 62는 자성층을 나타내고 있고, 2층의 자성층(61, 62) 중, 한 쪽의 자성층을 자화의 방향이 고정된 자화 고정층으로 하고, 다른 쪽의 자성층을 자화의 방향이 변화하는 자화 자유층, 즉 기억층으로 한다. 또한, 기억 소자(53)는, 비트선(56)과, 소스 영역(57)에, 각각 상하의 컨택트층(54)을 개재하여 접속되어 있다. 이에 따라, 기억 소자(53)에 전류를 흘려서, 스핀 주입에 의해 기억층의 자화의 방향을 반전시킬 수 있다. 이와 같은 스핀 주입에 의한 자화 반전을 이용하는 구성의 메모리의 경우, 도 17에 도시한 일반적인 MRAM과 비교하여, 디바이스 구조를 단순화할 수 있다고 하는 특징도 갖고 있다. 또한, 스핀 주입에 의한 자화 반전을 이용함으로써, 외부 자계에 의해 자화 반전을 행하는 일반적인 MRAM과 비교하여, 소자의 미세화가 진행되어도, 기입의 전류가 증대하지 않는다고 하는 이점이 있다. 그런데, MRAM의 경우는, 기억 소자와 별도로 기입 배선(워드선이나 비트선)을 형성하여, 기입 배선에 전류를 흘려서 발생하는 전류 자계에 의해, 정보의 기입(기록)을 행하고 있다. 그 때문에, 기입 배선에, 기입에 필요하게 되는 전류량을 충분히 흘릴 수 있다. 한편, 스핀 주입에 의한 자화 반전을 이용하는 구성의 메모리에서는, 기억 소자에 흘리는 전류에 의해 스핀 주입을 행하여, 기억층의 자화의 방향을 반전시킬 필요가 있다. 그리고, 이와 같이 기억 소자에 직접 전류를 흘려서 정보의 기입(기록)을 행하기 때문에, 기입을 행하는 메모리 셀을 선택하기 위해서, 기억 소자를 선택 트랜지스터와 접속하여 메모리 셀을 구성한다. 이 경우, 기억 소자에 흐르는 전류는, 선택 트랜지스터에 흘리는 것이 가능한 전류(선택 트랜지스터의 포화 전류)의 크기에 제한된다. 이 때문에, 선택 트랜지스터의 포화 전류 이하의 전류로 기입을 행할 필요가 있고, 스핀 주입의 효율을 개선하여, 기억 소자에 흘리는 전류를 저감할 필요가 있다. 또한, 판독 신호를 크게 하기 위해서는, 큰 자기 저항 변화율을 확보할 필요가 있고, 그를 위해서는 기억층의 양측에 접하고 있는 중간층을 터널 절연층(터널 배리어층)으로 한 기억 소자의 구성으로 하는 것이 효과적이다. 이와 같이 중간층으로서 터널 절연층을 이용한 경우에는, 터널 절연층이 절연 파괴하는 것을 방지하기 위해서, 기억 소자에 흘리는 전류량에 제한이 생긴다. 이 관점으로부터도, 스핀 주입 시의 전류를 억제할 필요가 있다. 따라서, 스핀 주입에 의해 기억층의 자화의 방향을 반전시키는 구성의 기억 소자에서는, 스핀 주입 효율을 개선하여, 필요로 하는 전류를 줄일 필요가 있다.