JP2009111396A - 磁気トンネル接合素子、mram、stt−ram、mramの製造方法、stt−ramの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MTJ素子8は、AFM層11と、SyAFピンド層12と、マグネシウム層を自然酸化処理してなる結晶質のMgOを有するトンネルバリア層13と、フリー層14とを含む。フリー層14は、鉄もしくはFe (100-X)Bx(0<x≦5)からなる単層構造、または、Fe\CoFeB\Feの積層構造を有する。これにより、ギルバート減衰定数が減少し、伝導電子に対してスピン偏極がより強く促される。その結果、臨界電流密度が低減され、動作上の信頼性が向上する。抵抗のばらつきが小さくなるので、リードマージンを大きくすることができる。
【選択図】図2
Description
S. Tehrani et al. in "Progress and Outlook for MRAM Technology", IEEE Trans. on Magn., Vol. 35, pp. 2814-2189 (1999)
(a)十分に制御されたフリー層の磁化およびそのスイッチング動作、
(b)十分に制御され、比較的大きな交換磁場を有し、かつ、高い熱安定性を有するピンド層の磁化、
(c)トンネルバリア層における十分な品質、完全性(integrity)
接合抵抗Rと形成面積Aとの積で表される面積抵抗RAの特定値や、高い破壊電圧Vbなどによって特徴づけられる良好なバリア特性を得るためには、反強磁性ピンニング層やピンド層における平滑かつ緻密な結晶成長によって促進される、ピンホールの無い均質なトンネルバリア層が必要である。磁化容易軸方向および磁化困難軸方向の双方における寸法が1μm以下の(すなわち、形成面積Aが1μm2 以下の)MTJ素子においては、そのRA値は、比較的小さく(例えば2000Ω×μm2 未満)とすべきである。さもないと、接合抵抗Rが大きくなりすぎてしまうため、そのMTJ素子と接続されるトランジスタとの整合性(トランジスタの比抵抗のマッチング)に支障を来すからである。
"MRAM becomes standard product at Freescale", EE Times, 9/24/2004 "230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions", Appl. Phys. Lett., 86, 092502 (2005).
J. Sloneczewski in "Current-driven excitation of magnetic multilayers", J. Magn. Materials V 159, L1-L7 (1996)
J. Slaughter et al. in "High speed toggle MRAM with MgO-based tunnel junctions", IEEE IEDM, p. 35.7.1-3 (2005)
J. C. Slonczewski, J. Magn. Mater. 159 (1996) LI
(eは電子電荷、αはギルバート減衰係数、Msはフリー層の飽和磁化、tFはフリー層の膜厚、Haは外部磁場、Hkは異方性磁界、2・π・Msはフリー層の減磁場、hはプランク定数、ηはスピン偏極率である。)
(Vは磁気ボリュームであり、それは熱の安定性を示す関数(Ku・V/kb・T)に関連するものである。そして、それは熱的に誘導された変動に対する磁化の安定性を支配するものである。Kuは、磁気異方性エネルギーであり、kbはボルツマン定数である。
M. Hosomi et al. in "A novel non-volatile memory with spin torque transfer magnetization switching: Spin-RAM", 2005 IEDM, paper 19-1 J. Hayakawa et al. entitled "Current-driven magnetization switching in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions", Japn. J. Appl. Phys. V44, p.1267 (2005) Y. Huai et al., "Spin transfer switching current reduction in magnetic tunnel junction based dual spin filter structures", Appl. Phys. Lett. V 87, p.222510(2005)
図1は、本発明における第1の実施の形態としての、スピントランスファートルク(STT)を利用したランダムアクセスメモリ(STT−RAM)を構成するメモリセル1の断面構成を表す概略図である。
次に、本発明における第2の実施の形態としての磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)について説明する。このMRAMは、MTJ素子8の代わりに図4に示したMTJ素子8Aを採用したことを除き、上記第1の実施の形態におけるSTT−RAMと同様の構造を有している。以下、図4を参照して、本実施の形態のMRAMに搭載されるMTJ素子8Aについて説明する。図4は、MTJ素子8Aの断面構成を表している。
本実験例では、上記第2の実施の形態の記載に基づいて、図3に示したMTJ素子8Aに対応するサンプルを作製し、特性評価を行った。各実験例は、以下の共通の構造を有している。
シード層10:「NiCr(4.5nm厚)」
AFM層11:「MnPt(15nm厚)」
SyAFピンド層30:「Co75 Fe25 (2.3nm厚)\Ru7.5 (0.75nm厚)\Co60 Fe20 B20 (2.1nm厚)」
トンネルバリア層31:「MgO(ROX)」
フリー層14:表1に記載
キャップ層15:表1に記載
本実験例では、上記第1の実施の形態の記載に基づいて、図2,図3に示したMTJ素子8に対応するサンプルを作製し、特性評価を行った。各実験例は、以下の共通の構造を有している。
シード層10:「NiCr(4.5nm厚)」
AFM層11:「MnPt(15nm厚)」
SyAFピンド層12:「Co75 Fe25 (2.3nm厚)\Ru7.5 (0.75nm厚)\Co60 Fe20 B20 (1.5nm厚)−Co75 Fe25 B25 (0.6nm厚)」
トンネルバリア層11:「MgO(NOX)」
フリー層14:表2に記載
キャップ層15:「Ta(3.0nm厚)\Ru(10.0nm厚) 」
Claims (20)
- 基体上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に第1の強磁性層(AP2層)と結合層と第2の強磁性層(AP1層)とが順に積層された構造を有するピンド層と、
前記第2の強磁性層の上に設けられ、結晶質の酸化マグネシウム(MgO)を有するトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に設けられ、鉄(Fe)もしくはFe (100-X)Bx(0<x≦5)からなる単層構造、または、前記トンネルバリア層の側から第1の鉄(Fe)層とコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)層と第2の鉄(Fe)層とが順に積層されてなる積層構造を有するフリー層と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記反強磁性層は、マンガン白金合金(MnPt)からなり、
前記基体と、前記反強磁性層との間にニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層を含み、
前記フリー層の上に、タンタル(Ta)からなる単層構造、タンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層との2層構造、またはニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層とタンタル層とルテニウム層との3層構造のいずれかを有するキャップ層を含む
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記フリー層が鉄からなる単層構造である場合、2.1nm以上2.5nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記フリー層が、前記第1の鉄層と前記CoFeB層と前記第2の鉄層との積層構造からなる場合、
前記第1の鉄層は、0.3nm以上0.5nm以下であり、
前記CoFeB層は、1.0nm以上1.2nm以下であり、
前記第2の鉄層は、0.5nm以上0.6nm以下である
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁気トンネル接合素子を備え、
前記第1の強磁性層(AP2層)がコバルト鉄合金(CoFe)からなり、
前記第2の強磁性層(AP1層)がコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)からなる
ことを特徴とするMRAM。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁気トンネル接合素子を備え、
前記第1の強磁性層(AP2層)がコバルト鉄合金(CoFe)からなり、
前記第2の強磁性層(AP1層)がコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)からなる
ことを特徴とするSTT−RAM。 - 基体上に、シード層と、反強磁性層と、前記反強磁性層の側から順に第1の強磁性層(AP2層)と結合層と第2の強磁性層(AP1層)とを有するピンド層とを順に形成する工程と、
前記第2の強磁性層の上に、マグネシウム(Mg)をラジカル酸化(ROX)処理することによって得られる結晶質の酸化マグネシウム(MgO)を有するトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に、鉄(Fe)もしくはFe (100-X)Bx(0<x≦5)を用いて単層構造のフリー層を形成し、または、第1の鉄(Fe)層とコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)層と第2の鉄(Fe)層とを順に積層することで多層構造のフリー層を形成する工程と、
前記フリー層の上に、キャップ層を形成する工程と
を含むことを特徴とするMRAMの製造方法。 - 前記第1の強磁性層(AP2層)をコバルト鉄合金(CoFe)によって形成し、
前記結合層をルテニウム(Ru)によって形成し、
前記第2の強磁性層(AP1層)をコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)によって形成する
ことを特徴とする請求項7記載のMRAMの製造方法。 - 前記トンネルバリア層を形成する工程は、
前記第2の強磁性層の上に、第1のマグネシウム層を形成するステップと、
ラジカル酸化処理によって前記第1のマグネシウム層を酸化マグネシウム層に変化させるステップと、
前記酸化マグネシウム層の上に第2のマグネシウム層を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項7記載のMRAMの製造方法。 - 前記第1のマグネシウム層を、0.8nm以上1.2nm以下の厚みで形成し、
前記第2のマグネシウム層を、0.2nm以上0.4nm以下の厚みで形成し、
前記ラジカル酸化処理を、500ワット以上800ワット以下のRF電力、および0.4SLM以上0.8SLM以下の酸素流量で、80秒以上150秒以下の範囲で行う
ことを特徴とする請求項9記載のMRAMの製造方法。 - 330℃以上360℃以下の温度下で、磁化容易軸方向に沿って5kOe(397.9×103 A/m)以上10kOe(795.8×103 A/m)以下の磁場を印加しつつ、1時間以上5時間以下の範囲で全体のアニール処理をさらに行う
ことを特徴とする請求項9記載のMRAMの製造方法。 - 前記フリー層として、鉄からなる単層構造を2.1nm以上2.5nm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7記載のMRAMの製造方法。
- 前記キャップ層として、
タンタル(Ta)からなる単層構造、
前記フリー層の側から順に積層されたタンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層との2層構造、
前記フリー層の側から順に積層されたニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層とタンタル(Ta)層との2層構造、
または、前記フリー層の側から順に積層されたニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層とタンタル層とルテニウム層との3層構造のいずれかを形成する
ことを特徴とする請求項7記載のMRAMの製造方法。 - 基体上に、シード層と、反強磁性層と、前記反強磁性層の側から順に第1の強磁性層(AP2層)と結合層と第2の強磁性層(AP1層)とを有するピンド層とを順に形成する工程と、
前記第2の強磁性層の上に、自然酸化(NOX)処理によって得られる結晶質の酸化マグネシウム(MgO)を有するトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に、鉄(Fe)もしくはFe (100-X)Bx(0<x≦5)を用いて単層構造のフリー層を形成し、または、第1の鉄(Fe)層とコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)層と第2の鉄(Fe)層とを順に積層することで多層構造のフリー層を形成する工程と、
前記フリー層の上に、キャップ層を形成する工程と
を含むことを特徴とするSTT−RAMの製造方法。 - 前記第1の強磁性層(AP2層)をコバルト鉄合金(CoFe)によって形成し、
前記結合層をルテニウム(Ru)によって形成し、
前記第2の強磁性層(AP1層)をコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)によって形成する
ことを特徴とする請求項14記載のSTT−RAMの製造方法。 - 前記トンネルバリア層を形成する工程は、
前記第2の強磁性層(AP1層)の上に、第1のマグネシウム層を形成するステップと、
自然酸化処理によって前記第1のマグネシウム層を酸化マグネシウム層に変化させるステップと、
前記酸化マグネシウム層の上に第2のマグネシウム層を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項14記載のSTT−RAMの製造方法。 - 前記第1のマグネシウム層を、0.6nm以上0.8nm以下の厚みで形成し、
前記第2のマグネシウム層を、0.3nm以上0.5nm以下の厚みで形成し、
前記自然酸化処理を、1.333×102 Paの雰囲気下、0.1SLM以上1.0SLM以下の酸素流量で、60秒以上100秒以下の範囲で行う
ことを特徴とする請求項14記載のSTT−RAMの製造方法。 - 330℃以上360℃以下の温度下で、磁化容易軸方向に沿って5kOe(=104 ×(250/π)A/m)以上10kOe(=104 ×(250/π)A/m)以下の磁場を印加しつつ、1時間以上5時間以下の範囲で全体のアニール処理をさらに行う
ことを特徴とする請求項14記載のSTT−RAMの製造方法。 - 前記フリー層として、鉄からなる単層構造を2.1nm以上2.5nm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STT−RAMの製造方法。
- 前記第1の鉄層を、0.3nm以上0.5nm以下の厚みとし、
前記CoFeB層を、1.0nm以上1.2nm以下の厚みとし、
前記第2の鉄層を、0.5nm以上0.6nm以下の厚みする
ことを特徴とする請求項14記載のSTT−RAMの製造方法。
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