JP2008244482A - Ｍｒａｍデバイスおよびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】より高いスピン角運動量の移動効率が得られるＭＲＡＭデバイスを提供する。
【解決手段】ＭＴＪ構造１００は、ワード線とビット線との交差点においてそれらの間に配置されている。ＭＴＪ構造１００は、基体１の上に、反強磁性層２、ピンド層３、非磁性層４、リファレンス層５、トンネルバリア層６、フリー層７、非磁性層８、ドライブ層９、非磁性層１０、ピンド層１１、反強磁性層１２が順に積層されたものである。フリー層７は、トンネルバリア層６の側から順に、第１強磁性層７６、第１非磁性導電層７５、第２強磁性層７４、第２非磁性導電層７２、第３強磁性層７０を備える。第２強磁性層７４は、第１強磁性層７６と強磁性的に交換結合すると共に、第３強磁性層７０と反強磁性的に交換結合している。
【選択図】図２
【解決手段】ＭＴＪ構造１００は、ワード線とビット線との交差点においてそれらの間に配置されている。ＭＴＪ構造１００は、基体１の上に、反強磁性層２、ピンド層３、非磁性層４、リファレンス層５、トンネルバリア層６、フリー層７、非磁性層８、ドライブ層９、非磁性層１０、ピンド層１１、反強磁性層１２が順に積層されたものである。フリー層７は、トンネルバリア層６の側から順に、第１強磁性層７６、第１非磁性導電層７５、第２強磁性層７４、第２非磁性導電層７２、第３強磁性層７０を備える。第２強磁性層７４は、第１強磁性層７６と強磁性的に交換結合すると共に、第３強磁性層７０と反強磁性的に交換結合している。
【選択図】図２
Description
本発明は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction ）素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memry）デバイスおよびその形成方法に関する。
従来のＭＴＪ素子は、非常に薄い誘電体層（トンネルバリア層）と、このトンネルバリア層を膜面に垂直な方向に（上下に）挟む２つの強磁性層とを含む一種の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子である。２つの磁性層は、互いに平行または逆平行の磁気モーメントを有し、それらの磁気モーメントの相対方向がトンネルバリア層を通過するスピン偏極電子の流れを制御することとなる。注入された電子は、上部強磁性層を通る際、上部強磁性層の磁気モーメントとの相互作用によりスピン偏極される。大部分の電子は上部強磁性層の磁気モーメントの方向に偏極され、残りの電子は反対方向に偏極される。そのように偏極された電子が、介在するトンネルバリア層をトンネリングして下部強磁性層へ移動する確率は、トンネリングした電子が占有できる下部強磁性層の状態の有効性（availability）に依存している。すなわち、その数（トンネリングする電子の数）は下部強磁性層の磁化方向に依存している。その結果、トンネリングの確率はスピンに依存したものであり、電流の大きさ（トンネリング確率×トンネルバリア層に影響する電子の数）は、トンネルバリア層の上下に形成された強磁性層の磁化の相対方向に依存する。したがって、ＭＴＪ素子を流れる電流の大きさは、磁気モーメントの相対方向（例えば、互いに平行な状態、および互いに逆平行な状態）により変化するので、ＭＴＪ素子は複数の状態をとるレジスタといえる。一般的な素子構造（スピンフィルター）では、一方の強磁性層は、反強磁性層との交換結合により磁気モーメントが一方向に固定されるピンド層であり、他方の強磁性層は、磁気モーメントが自由に動くフリー層である。そのような素子は、２つの状態を持つレジスタである。フリー層の磁気モーメントの方向は、トンネル電流が大きいとピンド層の方向と平行の方向に切り替えられ、トンネル電流が小さいと、ピンド層の方向と逆平行の方向に切り替えられる。フリー層の磁気モーメントのスイッチング（書込）は、ＭＴＪ素子に隣接する導線を流れる電流によって誘導される外部磁界（の付与）によって達成される。
図４は、直交するワード線ＷＬおよびビット線ＢＬの間に形成されるＭＴＪ素子２００を備えた一般的なＭＲＡＭデバイスを模式的に示している。ＭＴＪ素子は、その水平断面（平面形状）が楕円形をなしている。このような形状により、フリー層において磁気異方性が発生し、スイッチング磁界が消滅したのちにおいても、フリー層における磁気モーメントを熱的に安定して固定位置に維持するように補助することとなる。一組のワード線およびビット線のそれぞれを流れる電流によって誘導される合成磁界の大きさは、３０×２５０／π［Ａ／ｍ］〜６０×２５０／π［Ａ／ｍ］（約３０Ｏｅ〜６０Ｏｅ）である。図４に示したように、ワード線を流れる電流によって誘導される磁界は、ＭＴＪ素子の磁化困難軸方向に沿って生じ、ビット線を流れる電流によって誘導される磁界は、ＭＴＪ素子の磁化容易軸方向に沿って生じる。
導線によって外部に発生された磁界を使用して磁気モーメントの向きのスイッチング（反転）を行う場合には、ＭＴＪ素子の寸法をある程度小さくする必要があり、それに伴って導線の幅も小さくなる。通線の幅が小さくなると、スイッチング磁界を発生させるのに必要な電流が増え、消費電力が大幅に増える。
そこでSlonczewskiは、スピントランスファー素子といわれる新しいタイプの磁気素子を提案している（例えば特許文献１参照）。Slonczewskiの磁気素子によれば、外部スイッチング磁場が必要とする過剰な消費電力に付随するいくつかの問題はある程度解決されているように思われる。スピントランスファー素子は、フリー層の磁気モーメントがスピン偏極電流そのものによってスイッチング（反転）する点を除き、上記した従来のＭＴＪ素子と共通したいくつかの動作上の特徴を有している。このスピントランスファー素子では、ピンド層のような、一定方向に向いた磁気モーメントを有する第１の磁性層を通過するスピン偏極していない伝導電子は、第１の磁性層における偏極した束縛電子との量子力学的交換作用により、選択的に偏極する。そのような偏極は、第１の磁性層を通る伝導電子と同様に、第１の磁性層の表面において反射する伝導電子に対しても起こりうるものである。そのような偏極した伝導電子の流れ（stream）が、第１の磁性層に続いて、フリー層のような偏極方向が固定されていない第２の磁性層を通過する際、偏極電子は第２の磁性層における束縛電子に対するトルクを発生する。もし、そのトルクが十分な大きさであれば、第２の磁性層における束縛電子の偏極方向を反転することが可能であり、結果として、第２の磁性層の磁気モーメントが反転する。第２の磁性層の磁気モーメントが磁化容易軸方向であれば、必要とされるトルクが最小となり、磁気モーメントの反転が容易になされる。磁気モーメントを反転させるにあたり、ＭＴＪ素子に隣接する導線から誘導磁界を発生させるのに必要となる電流に比べ、ＭＴＪ素子の内部に流す電流のほうが小さくて済む。
W.H.Rippardらの最近の実験データによれば、磁気励起の源である磁気モーメントの移動および磁気モーメントの切り替えが確認されている（例えば非特許文献１参照）。これらの実験データは、非特許文献２および非特許文献３の理論予測を裏付けている。非特許文献３では、スピン偏極された直流電流からのスピン移動により起こるフリー磁気層の磁化におけるネットトルクΓが、以下の式（１）によって表されることを示している。
Γ＝ｓ・ｎmＸ（ｎsＸｎm） …（１）
ここで、ｓはスピン角運動量のデポジッションレート（移動効率）を表し、ｎsは電流の初期のスピン方向における単位ベクトルを表し、ｎmはフリー層の磁化方向における単位ベクトルを表し、Ｘはベクトルの外積を表している。式によれば、ネットトルクΓは、ｎsがｎmに直交している時に最大となる。
Γ＝ｓ・ｎmＸ（ｎsＸｎm） …（１）
ここで、ｓはスピン角運動量のデポジッションレート（移動効率）を表し、ｎsは電流の初期のスピン方向における単位ベクトルを表し、ｎmはフリー層の磁化方向における単位ベクトルを表し、Ｘはベクトルの外積を表している。式によれば、ネットトルクΓは、ｎsがｎmに直交している時に最大となる。
Huaiらによる特許文献２には、スピントランスファー効果を利用したスピントランスファー素子が開示されている（図５参照）。このスピントランスファー素子は、下地層１０１、第１反強磁性ピンニング層１０２、第１ピンド１０３、第１非磁性スペーサ層１０４、リファレンス層１０５、トンネルバリア層１０６、フリー層（ストレージ層）１０７、非磁性層１０８、ドライブ層１０９、第２非磁性スペーサ層１１０、第２ピンド層１１１および第２ピンド層１１１を固定する第２反強磁性ピンニング層１１２を有している。矢印１５０，１２０，１３０，１４０，１６０は、それぞれ、第１ピンド強磁性層１０３、リファレンス層１０５、フリー層１０７、ドライブ層１０９、第２ピンド層１１１における磁気モーメントの方向を例示している。フリー層１０７における両方向の矢印１３０は、このフリー層１０７の磁気モーメントがどちらの方向をもとり得ることを示している。
図５を参照すると、電流が下から上に（下地層１０１から第２反強磁性ピンニング層１１２へ向かうように）流れる際、伝導電子は上から下に（第２反強磁性ピンニング層１１２から下地層１０１へ向かうように）移動し、フリー層１０７より先にドライブ層１０９を通ることがわかる。したがって、電流密度が臨界値を超えると、スピントランスファートルクによりフリー層１０７の磁化方向がドライブ層１０９の磁化方向（矢印１４０の方向）に切り替わる。反対に、電流が上から下へ流れる際には、伝導電子がフリー層１０７より先にリファレンス層１０５を通るため、フリー層１０７の磁化方向がリファレンス層１０５の磁化方向（矢印１２０の方向）に切り替わる。
図５に示した従来の一般的なスピントランスファー素子では、トンネルバリア層１０６が酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）からなり、非磁性層１０８が厚みの薄い銅層からなる。図５において、フリー層１０７から第２反強磁性ピンニング層１１２に至る部分はスピンバルブ構造であり、第１反強磁性ピンニング層１０２からフリー層１０７に至る部分はＭＴＪ構造である。したがって、伝導電子のうち、大部分の偏極電子は透過により、残りの偏極電子は反射によりフリー層１０７に影響を与える。その結果、必要とされるスピントランスファー電流を低減するために、２つのスピントルクがフリー層１０７に対し同時に作用することとなる。
スピントランスファー効果の利用は、他の従来例においても見受けられる。例えば、Redon らは、スピントランスファーを利用した磁気的な切り替えを提案している（例えば特許文献３参照）。Huaiらは、サイズの小さなセルにおいても熱的摂動（thermal perturbation）がなく、磁気モーメントの反転が可能であり、かつ、反転した磁気モーメントの方向を維持するための熱安定層を含むスピントランスファーデバイスを開示している（例えば特許文献４参照）。
図５に示した構造のスピントランスファー素子では、トンネルバリア層１０６が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、フリー層１０７がＣｏＦｅＢからなる場合に、抵抗変化率ＤＲ／Ｒの値が非常に低くなるという問題がある。ここで、ＤＲは最大抵抗値と最小抵抗値との差を表し、Ｒは最小抵抗値を表す。非磁性層１０８が銅（Ｃｕ）よりなる場合も、それがＣｏＦｅＢよりなるフリー層１０７の上に直接形成されるため抵抗変化率ＤＲ／Ｒが低下し、スピン角運動量のデポジッションレートｓ（上述した式１参照）が低下するという問題がある。
従来のＭＲＡＭ素子において、ＣｏＦｅＢを使用することは周知である。Deakによる特許文献５は、非晶質ＣｏＦｅＢと、タンタル（Ｔａ）からなる薄膜に覆われた非晶質ＣｏＦｅＢとを備えたフリー層を開示している。また、Slaughterらによる特許文献６は、ルテニウム（Ｒｕ）またはロジウム（Ｒｈ）からなる層が挿入されたＣｏＦｅＢ層の積層体により構成されるフリー層を開示している。
臨界スピントランスファー電流が低いと、フリー層１０７の磁気モーメントも小さくし、磁化方向の反転を行うための低いエネルギー障壁を形成する必要があるので、ＭＲＡＭセルのサイズが微小になった際に、熱的に不安定（熱エネルギーの移動による磁化の変動）になるという問題がある。また、ドメイン構造によっても必要な安定性を得ることができない。ナノメータサイズにまでパターンニングされた従来の単層強磁性フリー層では、熱的に安定する条件を満たすことが不可能である。熱的に安定する条件は、以下の式（２）で表される。
Ｅ／ｋBＴ＞４０ …（２）
ここで、Ｅは磁化反転のエネルギー障壁を表し、Ｔは室温を表し、ｋBはボルツマン定数を表す。シンセティック強磁性フリー層は、ルテニウムなどからなる非磁性スペーサ層により分離された強磁性層を２つ備えたものであり、これら２つの強磁性層の磁化方向が互いに逆平行なため、上記の式（２）の条件を満たすことが可能である。したがって、ほぼ零の磁気モーメント有し、熱変動に耐えられるほぼ零の減磁場（demagnetization field）を示す。
Ｅ／ｋBＴ＞４０ …（２）
ここで、Ｅは磁化反転のエネルギー障壁を表し、Ｔは室温を表し、ｋBはボルツマン定数を表す。シンセティック強磁性フリー層は、ルテニウムなどからなる非磁性スペーサ層により分離された強磁性層を２つ備えたものであり、これら２つの強磁性層の磁化方向が互いに逆平行なため、上記の式（２）の条件を満たすことが可能である。したがって、ほぼ零の磁気モーメント有し、熱変動に耐えられるほぼ零の減磁場（demagnetization field）を示す。
上記のように、スピントランスファー効果を利用したデバイスについては、様々な検討がなされている。しかしながら最近、ＭＲＡＭデバイスに対するさらなる高性能化が求められるようになっている。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、抵抗変化率ＤＲ／Ｒが著しく向上した、スピントランスファー効果を利用したＭＲＡＭデバイスを提供することにある。
本発明の第２の目的は、より高いスピン角運動量の移動効率が得られるＭＲＡＭデバイスを提供することにある。
本発明の第３の目的は、臨界スピントランスファー電流密度を低減することができるＭＲＡＭデバイスを提供することにある。
本発明の第４の目的は、熱的に安定し、より小さな寸法のＭＲＡＭデバイスを提供することにある。
上記した本発明の第１〜第４の目的は、以下の構成を有する本発明のＭＲＡＭデバイスによって達成することができる。具体的には、基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第３の非磁性導電層、ドライブ層が順に積層されたＭＴＪ構造を設けるようにしたものである。フリー層は、第１の強磁性層と第１の非磁性導電層と第２の強磁性層と第２の非磁性導電層と第３の強磁性層とが順に積層された積層体であり、このうち第１の強磁性層、第１の非磁性導電層および第２の強磁性層は、第１および第２の強磁性層が第１の非磁性導電層を介して磁気的に交換結合したシンセティック交換結合積層体を構成し、第１および第２の強磁性層は積層面内において互いに同方向の磁化方向を有している。また、第２の強磁性層は、第２の非磁性導電層を介して第３の強磁性層と磁気的に交換結合し、かつ、積層面内において第３の強磁性層の磁化方向と逆方向の磁化方向を有している。このようなＭＴＪ構造に対して積層方向に伝導電子を流し、その伝導電子のスピン角運動量の移動を利用してフリー層の磁化方向、すなわち、第１から第３の強磁性層における磁化方向のスイッチングを行う。このような交換結合した複数の強磁性層を含むフリー層では、伝導電子のスピン磁気モーメントと相互に作用し、偏極電子が透過および反射する際にスピン角運動量の移動が生じる。本発明のフリー層では、第１〜第３の強磁性層が相互に強固に交換結合しているので、スピン角運動量の移動が効率的に行われる。よって、フリー層の磁気モーメントの反転に必要な電流の大きさを最小にすることができる。
本発明のＭＲＡＭデバイスでは、第１から第３の強磁性層における磁化方向のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線をさらに備えるとよい。
また、本発明のＭＲＡＭデバイスでは、第１の強磁性層がトンネルバリア層の上に形成され、ＣｏＦｅＢからなり、第１の非磁性導電層がタンタル、ハフニウムまたはジルコニウムからなり、第２の強磁性層がＣｏＦｅからなり、第２の非磁性導電層がルテニウムからなり、第３の強磁性層がＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢからなるようにするとよい。また、第１の強磁性層が１ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚みを有し、第１の非磁性導電層が０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有し、第２の強磁性層が０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有し、第２の非磁性導電層が０．８ｎｍの厚みを有し、第３の強磁性層が１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有するようにするとよい。特に、第１の非磁性導電層の厚みは０．４ｎｍ未満であることが望ましい。
さらに、本発明のＭＲＡＭデバイスでは、リファレンス層およびドライブ層を、ＣｏＦｅＢによって１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成してもよい。あるいは、リファレンス層およびドライブ層を、鉄、ニッケル、コバルトおよびボロンを含む軟磁性合金からなる第１および第２の層と、それら第１の層と第２の層との間に設けられ、ルテニウム、ロジウム、またはクロムからなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層としてもよい。その場合、第１および第２の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化方向を有することとする。
さらに、本発明のＭＲＡＭデバイスでは、ドライブ層を、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢからなる複数の層によって構成された多層積層構造を有するようにしてもよい。
さらに、本発明のＭＲＡＭデバイスでは、第３の非磁性導電層をクロムまたは銅によって１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成するとよい。また、反強磁性ピンニング層を、白金マンガン合金、イリジウムマンガン合金、鉄マンガン合金または酸化ニッケルによって構成するとよい。
本発明のＭＲＡＭデバイスおよびその形成方法によれば、基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第３の非磁性導電層、ピンドドライブ層を順に積層したＭＴＪ素子を設け、フリー層を、３つの強磁性層が非磁性導電層を介して互いに強磁性的または反強磁性的に交換結合した５層構造としたので、積層方向に伝導電子を流すことでスピン角運動量の移動が効率的に行われ、フリー層の磁気モーメントの反転操作を効率よく行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、互いに直交するワード線ＷＬおよびビット線ＢＬの交差点においてそれらの間に形成されるＭＴＪ構造１００を備えた本実施の形態のＭＲＡＭデバイスを模式的に示している。ＭＴＪ構造１００は、その水平断面（平面形状）が楕円形をなしている。このような形状により、フリー層（後出）において磁気異方性が発生し、スイッチング磁界が消滅したのちにおいても、フリー層における磁気モーメントを熱的に安定して固定位置に維持するように補助することとなる。
図２は、ＭＴＪ構造１００の断面構成を表している。ＭＴＪ構造１００は、基体１の上に、マンガン白金合金（ＭｎＰｔ）、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）または酸化ニッケル（ＮｉＯ）などの反強磁性材料よりなる反強磁性（ピンニング）層２と、交換結合メカニズムにより反強磁性層２に固定されたピンド層３と、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）またはクロム（Ｃｒ）からなり、結合層として機能する非磁性（スペーサ）層４と、交換結合によりピンド層３に固定されたリファレンス層５とが順に積層されている。
ここで、ピンド層３、非磁性層４およびリファレンス層５は交換結合構造３４５を構成している。ピンド層３は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）またはコバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などからなり、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する。非磁性層４は、例えばルテニウム（Ｒｕ）からなり、０．８ｎｍの厚みを有する。リファレンス層５は、例えばＣｏＦｅＢからなり、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する。ピンド層３の磁化方向５０およびリファレンス層５の磁化方向２０は、互いに逆平行となるように各々固定されている。また、リファレンス層５は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなる第１および第２の層と、これら第１の層と第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層としてもよい。その場合、第１および第２の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化を有することとなる。
リファレンス層５の上には、トンネルバリア層６、フリー層７、非磁性層８、ドライブ層９、非磁性層１０、ピンド層１１、反強磁性層１２が順に積層されている。
トンネルバリア層６は、例えば誘電体である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）によって構成されており、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有している。また、フリー層７は磁気情報の記録されているビットを決定するストレージ層であり、その磁気モーメントの方向（磁化方向３０）はリファレンス層５の磁化方向２０に沿った方向またはその反対方向である。
フリー層７の上には、薄い導電性の非磁性層８が形成されている。非磁性層８は、好ましくはクロム（Ｃｒ）または銅（Ｃｕ）からなり、１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するものである。非磁性層８は、フリー層７およびドライブ層９の間のスペーサ層として機能する。
ドライブ層９は、ＣｏＦｅＢなどの強磁性材料よりなり、そこを通る伝導電子を偏極する機構として機能する。そのような偏極電子が非磁性層８を通る際には、非磁性層８が薄いため、その偏極は保たれたままでフリー層８に進む。それぞれの（微小の）スピン角運動量がフリー層７の巨視的な磁気モーメントに変換され、全電流が臨界量を超える場合には、巨視的な量の方向が変更される。偏極電子がフリー層７を透過する際、およびフリー層７で反射する際の双方において変換が起こる。このため、最小限の電流で、スピン角運動量をより効率的に変換することができる。
ドライブ層９は、ＣｏＦｅＢからなる場合、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。また、ドライブ層９は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなる第１および第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層であり、第１および第２の層が交換結合により互いに逆平行の磁化を有するものであってもよい。あるいは、ドライブ層９は、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢからなる複数の層によって構成された多層積層構造としてもよい。
非磁性（結合）層１０は、ルテニウム、ロジウム、またはクロムよりなり、ドライブ層９の磁化方向４０、および反強磁性層１２によって固定されたピンド層１１の磁化方向６０を反強磁性結合させるものである。ピンド層１１および反強磁性層１２は、例えばピンド層３および反強磁性層２と同種の材料によって構成されている。
ここで、図３を参照して、フリー層７の詳細な構造について説明する。フリー層７は、トンネルバリア層６の側から、第１強磁性層７６と第１非磁性導電層７５と第２強磁性層７４と第２非磁性導電層７２と第３強磁性層７０とが順に積層された積層体である。第１強磁性層７６、第１非磁性導電層７５および第２強磁性層７４は、第１強磁性層７６および第２強磁性層７４が第１非磁性導電層７５を介して強磁性的に交換結合したシンセティック交換結合積層体を構成している。第１強磁性層７６および第２強磁性層７４は積層面内において互いに同方向の磁化方向８６，８４を有している。また、第２強磁性層７４は、第２非磁性導電層７２を介して第３強磁性層７０と反強磁性的に交換結合している。第２強磁性層７４の磁化方向８４は、積層面内において第３強磁性層７０の磁化方向８０と逆方向となっている。
トンネルバリア層６の上に形成される第１強磁性層７６は、例えばＣｏＦｅＢからなり、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚みを有する。また、第１非磁性導電層７５は、例えばタンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）またはジルコニウム（Ｚｒ）からなり、０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下（特に好ましくは０．４ｎｍ未満）の厚みを有する。また、第２強磁性層７４は、例えばＣｏＦｅからなり、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有する。また、第２非磁性導電層７２は、例えばルテニウム（Ｒｕ）からなり、０．８ｎｍの厚みを有する。また、第３強磁性層７０は、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢからなり、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有する。フリー層７では、結晶性一軸異方性が形成されているので磁化方向８０，８４，８６が熱的に安定する。
本実施の形態のＭＲＡＭデバイスでは、ビット線ＢＬおよびワード線ＷＬを介してＭＴＪ構造１００に対して積層方向に電流を流すことで書込（フリー層７における第１強磁性層７６，第２強磁性層７４および第３強磁性層７０の各磁化方向８６，８４，８０のスイッチング）を行う。ここでフリー層７では、第１強磁性層７６および第２強磁性層７４が第１非磁性導電層７５を介して強固に交換結合し、第２強磁性層７４および第３強磁性層７０が第２非磁性導電層７２を介して強固に交換結合しているので、積層方向に伝導電子が流れると、スピン角運動量の移動が効率的に行われる。よって、フリー層７の磁気モーメントの反転に必要な電流の大きさを最小にすることができる。特に、ＭｇＯよりなるトンネルバリア層６と共に使用すると、熱的に安定し、抵抗変化率ＤＲ／Ｒおよびスピン角運動量の移動効率が向上する。
また、本実施の形態のＭＲＡＭデバイスでは、フリー層７における第１強磁性層７６，第２強磁性層７４および第３強磁性層７０の各磁化方向８６，８４，８０のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線をさらに別途備えるようにしてもよい。より効率的にフリー層７の磁気モーメントの反転を行うことができる。
本実施の形態のＭＴＪ構造１００における、好適な構成をまとめると以下のようになる。
反強磁性層２：ＭｎＰｔ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＯなど
ピンド層３：ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
非磁性層４：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
リファレンス層５：ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
トンネルバリア層６：ＭｇＯ（厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）
フリー層７：第１強磁性層７６＼第１非磁性導電層７５＼第２強磁性層７４＼第２非磁性導電層７２＼第３強磁性層７０
非磁性層８：Ｃｒ，Ｃｕ（厚さ１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下）
ドライブ層９：ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
非磁性層１０：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
ピンド層１１：ＣｏＦｅ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
反強磁性層１２：ＭｎＰｔ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＯなど
反強磁性層２：ＭｎＰｔ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＯなど
ピンド層３：ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
非磁性層４：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
リファレンス層５：ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
トンネルバリア層６：ＭｇＯ（厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）
フリー層７：第１強磁性層７６＼第１非磁性導電層７５＼第２強磁性層７４＼第２非磁性導電層７２＼第３強磁性層７０
非磁性層８：Ｃｒ，Ｃｕ（厚さ１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下）
ドライブ層９：ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
非磁性層１０：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
ピンド層１１：ＣｏＦｅ（厚さ１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下）
反強磁性層１２：ＭｎＰｔ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＮｉＯなど
フリー層７の好ましい構造の詳細は、以下の通りである。
第１強磁性層７６：ＣｏＦｅＢ（厚さ１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）
第１非磁性導電層７５：Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒ（厚さ０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下（特に好ましくは０．４ｎｍ未満））
第２強磁性層７４：ＣｏＦｅ（厚さ０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下）
第２非磁性導電層７２：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
第３強磁性層７０：ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ（厚さ１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下）
ここで、厚みの薄い第１非磁性導電層７５が挿入されることで、第１強磁性層７６と第２強磁性層７４との間に非常に強い平行な交換結合が生じる。また、厚みの薄い第２非磁性導電層７２が挿入されることで、第２強磁性層７４と第３強磁性層７０との間に非常に強い逆平行の交換結合が生じる。
第１強磁性層７６：ＣｏＦｅＢ（厚さ１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）
第１非磁性導電層７５：Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒ（厚さ０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下（特に好ましくは０．４ｎｍ未満））
第２強磁性層７４：ＣｏＦｅ（厚さ０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下）
第２非磁性導電層７２：Ｒｕ（厚さ０．８ｎｍ）
第３強磁性層７０：ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ（厚さ１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下）
ここで、厚みの薄い第１非磁性導電層７５が挿入されることで、第１強磁性層７６と第２強磁性層７４との間に非常に強い平行な交換結合が生じる。また、厚みの薄い第２非磁性導電層７２が挿入されることで、第２強磁性層７４と第３強磁性層７０との間に非常に強い逆平行の交換結合が生じる。
続いて、図１〜図３を参照して、本実施の形態のＭＲＡＭデバイスの製造方法について説明する。
まず、予めトランジスタなどを埋設した基板上に、ビット線ＢＬを形成したのち、全体を絶縁層で覆い、平坦化することで基体１を得る。ビット線ＢＬは、例えば銅のめっき浴を用いためっき法により形成する。次いで、ビット線ＢＬの上の所定位置にＭＴＪ構造１００を形成する。
ＭＴＪ構造１００については、まず、例えばスパッタリング法によって、上述した材料よりなる反強磁性層２、ピンド層３、非磁性層４、リファレンス層５を順に形成する。そののち、リファレンス層５の上にマグネシウム層を形成し、これを所定の酸化法により酸化することでＭｇＯからなるトンネルバリア層６を得る。トンネルバリア層６を形成したのち、上述した所定の材料を用いてフリー層７、非磁性層８、ドライブ層９、非磁性層１０、ピンド層１１および反強磁性層１２を順に積層する。そののち、これを所定形状にパターニングし、さらにその周囲に絶縁層を充填することで、ＭＴＪ構造１００が完成する。
最後に、反強磁性層１２の上面と接するようにワード線ＷＬを形成するなど、所定の工程を経ることでＭＲＡＭデバイスが完成する。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明の主旨を逸脱しない限り可能である。
１…基体、２…反強磁性層、３…ピンド層、４…非磁性層、５…リファレンス層、６…トンネルバリア層、７…フリー層、７０…第３強磁性層、７２…第２非磁性導電層、７４…第２強磁性層、７５…第１非磁性導電層、７６…第１強磁性層、８…非磁性層、９…ドライブ層、１０…非磁性層、１１…ピンド層、１２…反強磁性層、１００…ＭＴＪ構造、BＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線。
Claims (25)
- 基板と、
前記基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第３の非磁性導電層、ドライブ層が順に積層されたＭＴＪ構造と
を備え、
前記フリー層は、第１の強磁性層と第１の非磁性導電層と第２の強磁性層と第２の非磁性導電層と第３の強磁性層とが順に積層された積層体であり、
前記第１の強磁性層、第１の非磁性導電層および第２の強磁性層は、前記第１および第２の強磁性層が前記第１の非磁性導電層を介して磁気的に交換結合したシンセティック交換結合積層体を構成し、前記第１および第２の強磁性層は積層面内において互いに平行な磁化方向を有し、
前記第２の強磁性層は、前記第２の非磁性導電層を介して前記第３の強磁性層と磁気的に交換結合し、かつ、積層面内において前記第３の強磁性層の磁化方向と逆平行な磁化方向を有し、
前記ＭＴＪ構造に対して積層方向に伝導電子を流し、その伝導電子のスピン角運動量の移動を利用して前記第１から第３の強磁性層における磁化方向のスイッチングを行う
ことを特徴とするＭＲＡＭデバイス。 - 前記第１から第３の強磁性層における磁化方向のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。
- 前記第１の強磁性層は前記トンネルバリア層の上に形成され、ＣｏＦｅＢからなり、
前記第１の非磁性導電層は、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）またはジルコニウム（Ｚｒ）からなり、
前記第２の強磁性層は、ＣｏＦｅからなり、
前記第２の非磁性導電層は、ルテニウム（Ｒｕ）からなり、
前記第３の強磁性層は、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢからなる
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記第１の強磁性層は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚みを有し、
前記第１の非磁性導電層は、０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有し、
前記第２の強磁性層は、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有し、
前記第２の非磁性導電層は、０．８ｎｍの厚みを有し、
前記第３の強磁性層は、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項３記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記第１の非磁性導電層の厚みは、０．４ｎｍ未満であることを特徴とする請求項４記載のＭＲＡＭデバイス。
- 前記リファレンス層は、ＣｏＦｅＢからなり、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。
- 前記リファレンス層は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなる第１および第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層であり、
前記第１および第２の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化方向を有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記ドライブ層は、ＣｏＦｅＢからなり、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記ドライブ層は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなる第１および第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層であり、
前記第１および第２の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化方向を有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記ドライブ層は、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢからなる複数の層によって構成された多層積層構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記第３の非磁性導電層はクロム（Ｃｒ）からなり、１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記第３の非磁性導電層は銅（Ｃｕ）からなり、１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - 前記反強磁性ピンニング層は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）または酸化ニッケル（ＮｉＯ）からなる
ことを特徴とする請求項１記載のＭＲＡＭデバイス。 - フリー層を含むＭＴＪ構造を備え、前記ＭＴＪ構造に対してその積層方向に伝導電子を流し、その伝導電子のスピン角運動量の移動を利用して前記フリー層の磁化方向をスイッチングするように構成されたＭＲＡＭデバイスの形成方法であって、
基板を用意する工程と、
前記基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第３の非磁性導電層、ドライブ層を順に積層することで前記ＭＴＪ構造を形成する工程と
を含み、
前記ＭＴＪ構造を形成する工程では、
前記トンネルバリア層の上に、第１の強磁性層と、第１の非磁性導電層と、前記第１の非磁性導電層を介して前記第１の強磁性層と磁気的に交換結合した第２の強磁性層と、第２の非磁性導電層と、前記第２の非磁性導電層を介して前記第２の強磁性層と磁気的に交換結合し第３の強磁性層とを順に積層する
ことを特徴とするＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記ＭＴＪ素子の上面と接するように、前記フリー層の磁化方向のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線を形成する
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - ＣｏＦｅＢを用いて前記第１の強磁性層を形成し、
タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）またはジルコニウム（Ｚｒ）を用いて前記第１の非磁性導電層を形成し、
ＣｏＦｅを用いて前記第２の強磁性層を形成し、
ルテニウム（Ｒｕ）を用いて前記第２の非磁性導電層を形成し、
ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢを用いて前記第３の強磁性層を形成し、
前記第１および第２の強磁性層を、積層面内において互いに平行な磁化方向を有するように形成し、
前記第２および第２の強磁性層を、積層面内において互いに逆平行な磁化方向を有するように形成する
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記第１の強磁性層を、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、
前記第１の非磁性導電層を、０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、
前記第２の強磁性層を、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、
前記第２の非磁性導電層を、０．８ｎｍの厚みとなるように形成し、
前記第３の強磁性層を、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
ことを特徴とする請求項１６記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記第１の非磁性導電層の厚みを、０．４ｎｍ未満とすることを特徴とする請求項１７記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。
- 前記リファレンス層を、ＣｏＦｅＢを用いて、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成することを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。
- 前記リファレンス層を、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなり交換結合により互いに逆平行な磁化方向を有する第１および第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層とする
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、ＣｏＦｅＢを用いて１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびボロン（Ｂ）を含む軟磁性合金からなり交換結合により互いに逆平行な磁化方向を有する第１および第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはクロム（Ｃｒ）からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層とする
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢからなる複数の層によって構成された多層積層構造とする
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記第３の非磁性導電層を、クロム（Ｃｒ）を用いて１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。 - 前記第３の非磁性導電層を、銅（Ｃｕ）を用いて１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
ことを特徴とする請求項１４記載のＭＲＡＭデバイスの形成方法。
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