JP2020043224A - 磁気装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得る。【解決手段】一実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、強磁性を有する第1構造体と、強磁性を有する第2構造体と、前記第1構造体及び前記第2構造体の間に設けられた第1非磁性体とを含む。前記第1構造体及び前記第2構造体は、前記第1非磁性体を介して反強磁性的に結合されている。前記第1構造体は、第1強磁性窒化物を含む。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、磁気装置に関する。
磁気素子を有する磁気装置が知られている。
高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得る。
一実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、強磁性を有する第1構造体と、強磁性を有する第2構造体と、前記第1構造体及び前記第2構造体の間に設けられた第1非磁性体とを含む。前記第1構造体及び前記第2構造体は、前記第1非磁性体を介して反強磁性的に結合されている。前記第1構造体は、第1強磁性窒化物を含む。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。また、共通する参照符号を有する複数の構成要素を区別する場合、当該共通する参照符号に添え字を付して区別する。なお、複数の構成要素について特に区別を要さない場合、当該複数の構成要素には、共通する参照符号のみが付され、添え字は付さない。
1.第1実施形態
第1実施形態に係る磁気装置について説明する。第1実施形態に係る磁気装置は、例えば磁気抵抗効果(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)を含む。
以下の説明では、磁気装置の一例として、上述の磁気記憶装置について説明する。
第1実施形態に係る磁気装置について説明する。第1実施形態に係る磁気装置は、例えば磁気抵抗効果(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)を含む。
以下の説明では、磁気装置の一例として、上述の磁気記憶装置について説明する。
1.1.構成について
第1実施形態に係る磁気装置の構成について説明する。
第1実施形態に係る磁気装置の構成について説明する。
1.1.1.磁気装置の構成について
図1は、第1実施形態に係る磁気装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、磁気装置1は、メモリセルアレイ11、カレントシンク12、センスアンプ及び書込みドライバ(SA/WD)13、ロウデコーダ14、ページバッファ15、入出力回路16、及び制御部17を備えている。
図1は、第1実施形態に係る磁気装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、磁気装置1は、メモリセルアレイ11、カレントシンク12、センスアンプ及び書込みドライバ(SA/WD)13、ロウデコーダ14、ページバッファ15、入出力回路16、及び制御部17を備えている。
メモリセルアレイ11は、行(row)及び列(column)に対応付けられた複数のメモリセルMCを備えている。そして、例えば、同一行にあるメモリセルMCは、同一のワード線WLに接続され、同一列にあるメモリセルMCの両端は、同一のビット線BL及び同一のソース線/BLに接続される。
カレントシンク12は、ビット線BL及びソース線/BLに接続される。カレントシンク12は、データの書込み及び読出し等の動作において、ビット線BL又はソース線/BLを接地電位とする。
SA/WD13は、ビット線BL及びソース線/BLに接続される。SA/WD13は、ビット線BL及びソース線/BLを介して動作対象のメモリセルMCに電流を供給し、メモリセルMCへのデータの書込みを行う。また、SA/WD13は、ビット線BL及びソース線/BLを介して動作対象のメモリセルMCに電流を供給し、メモリセルMCからのデータの読出しを行う。より具体的には、SA/WD13の書込みドライバが、メモリセルMCへのデータの書込みを行い、SA/WD13のセンスアンプが、メモリセルMCからのデータの読出しを行う。
ロウデコーダ14は、ワード線WLを介してメモリセルアレイ11と接続される。ロウデコーダ14は、メモリセルアレイ11のロウ方向を指定するロウアドレスをデコードする。そして、デコード結果に応じてワード線WLを選択し、選択されたワード線WLにデータの書込み及び読出し等の動作に必要な電圧を印加する。
ページバッファ15は、メモリセルアレイ11内に書込まれるデータ、及びメモリセルアレイ11から読出されたデータを、ページと呼ばれるデータ単位で一時的に保持する。
入出力回路16は、磁気装置1の外部から受信した各種信号を制御部17及びページバッファ15へと送信し、制御部17及びページバッファ15からの各種情報を磁気装置1の外部へと送信する。
制御部17は、カレントシンク12、SA/WD13、ロウデコーダ14、ページバッファ15、及び入出力回路16と接続される。制御部17は、入出力回路16が磁気装置1の外部から受信した各種信号に従い、カレントシンク12、SA/WD13、ロウデコーダ14、及びページバッファ15を制御する。
1.1.2.メモリセルの構成について
第1実施形態に係る磁気装置のメモリセルの構成について図2を用いて説明する。以下の説明では、半導体基板20に平行な面をxy平面として定義し、当該xy平面に垂直な軸をz軸として定義する。x軸及びy軸は、xy平面内で互いに直交する軸として定義される。図2は、第1実施形態に係る磁気装置1のメモリセルMCをxz平面で切った場合の断面図の一例を示している。
第1実施形態に係る磁気装置のメモリセルの構成について図2を用いて説明する。以下の説明では、半導体基板20に平行な面をxy平面として定義し、当該xy平面に垂直な軸をz軸として定義する。x軸及びy軸は、xy平面内で互いに直交する軸として定義される。図2は、第1実施形態に係る磁気装置1のメモリセルMCをxz平面で切った場合の断面図の一例を示している。
図2に示すように、メモリセルMCは、半導体基板20上に設けられ、選択トランジスタ21及び磁気抵抗効果素子22を含む。選択トランジスタ21は、磁気抵抗効果素子22へのデータ書込み及び読出し時において、電流の供給及び停止を制御するスイッチとして機能する。磁気抵抗効果素子22は、積層された複数の膜を含む。磁気抵抗効果素子22は、当該膜面に垂直な方向に電流が流れることで、その抵抗値が低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わり得る。磁気抵抗効果素子22は、この抵抗状態の変化によってデータが書込まれるように構成されており、書込まれたデータを不揮発に保持し、抵抗状態が読出され得るように構成されている記憶素子として機能する。
選択トランジスタ21は、ワード線WLとして機能する配線層23に接続されたゲートと、当該ゲートのx方向に沿う両端において半導体基板20の表面に設けられた1対のソース領域又はドレイン領域24とを含む。選択トランジスタ21のうち、半導体基板20内に含まれる領域は、活性領域ともいう。活性領域は、例えば、他のメモリセルMCの活性領域と電気的に接続されないように、図示しない素子分離領域(STI:Shallow trench isolation)によって互いに絶縁される。
配線層23は、半導体基板20上の絶縁層25を介してy方向に沿って設けられ、例えば、y方向に沿って並ぶ他のメモリセルMCの選択トランジスタ21(図示せず)のゲートに共通接続される。配線層23は、例えばx方向に並ぶ。
選択トランジスタ21の一端は、ソース領域又はドレイン領域24上に設けられるコンタクトプラグ26を介して磁気抵抗効果素子22の下面に接続される。磁気抵抗効果素子22の上面にはコンタクトプラグ27が設けられる。磁気抵抗効果素子22は、コンタクトプラグ27を介してビット線BLとして機能する配線層28に接続される。配線層28は、x方向に延び、例えばx方向に並ぶ他のメモリセルMCの磁気抵抗効果素子22(図示せず)の上面に共通接続される。
選択トランジスタ21の他端は、ソース領域又はドレイン領域24上に設けられるコンタクトプラグ29を介してソース線/BLとして機能する配線層30に接続される。配線層30は、x方向に延び、例えばx方向に並ぶ他のメモリセルMCの選択トランジスタ21(図示せず)の他端に共通接続される。
配線層28及び30は、例えばy方向に並ぶ。配線層28は、例えば配線層30の上方に位置する。なお、図2では省略されているが、配線層28及び30は、互いに物理的及び電気的な干渉を避けて配置される。選択トランジスタ21、磁気抵抗効果素子22、配線層23、28、及び30、並びにコンタクトプラグ26、27、及び29は、層間絶縁膜31によって被覆される。
なお、磁気抵抗効果素子22に対してx方向又はy方向に沿って並ぶ他の磁気抵抗効果素子22(図示せず)は、例えば同一の階層上に設けられる。すなわち、メモリセルアレイ11内において、複数の磁気抵抗効果素子22は、例えば半導体基板20の広がる方向に沿って並ぶ。
1.1.3.磁気抵抗効果素子について
第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成について図3を用いて説明する。図3は、第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子について、xy平面に垂直な平面で切った断面の一例を示す模式図である。
第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成について図3を用いて説明する。図3は、第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子について、xy平面に垂直な平面で切った断面の一例を示す模式図である。
図3に示すように、磁気抵抗効果素子22は、例えば、下地層(Under layer)として機能する非磁性層110と、記憶層(Storage layer)として機能する強磁性層120と、トンネルバリア層(Tunnel barrier layer)として機能する非磁性層130と、参照層(Reference layer)として機能する強磁性層140と、反強磁性スペーサー(Antiferromagnetic spacer)として機能する非磁性層150と、シフトキャンセル層(Shift cancelling layer)として機能する強磁性層160と、キャップ層(Capping layer)として機能する非磁性層170とを含む。図3以降の図では、非磁性層110、強磁性層120、非磁性層130、強磁性層140、非磁性層150、強磁性層160、及び非磁性層170はそれぞれ、「UL」、「SL」、「TB」、「RL」、「AFS」、「SCL」、及び「CAP」とも示される。
磁気抵抗効果素子22では、例えば、半導体基板20側から非磁性層(UL)110、強磁性層(SL)120、非磁性層(TB)130、強磁性層(RL)140、非磁性層(AFS)150、強磁性層(SCL)160、及び非磁性層(CAP)170の順に、z軸方向に複数の膜が積層されている。磁気抵抗効果素子22は、強磁性層(SL)120、強磁性層(RL)140、及び強磁性層(SCL)160の磁化方向(magnetization orientation)がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型MTJ素子である。
非磁性層(UL)110は、導電性を有する非磁性体の層であり、例えば酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO)、窒化マグネシウム(MgN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化シリコン(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、窒化クロム(CrN)、窒化モリブデン(MoN)、窒化チタン(TiN)、及び窒化バナジウム(VN)等の酸素化合物又は窒素化合物の少なくともいずれか1つを含む。また、非磁性層(UL)110は、上述の酸素化合物又は窒素化合物の混合物を含んでもよい。つまり、非磁性層(UL)110は、2種類の元素からなる二元化合物に限らず、3種類の元素からなる三元化合物、例えば、窒化チタンアルミニウム(AlTiN)等を含んでもよい。酸素化合物又は窒素化合物は、それらに接する磁性層のダンピング定数の上昇を抑制し、書き込み電流を低減させる効果が得られる。さらに高融点金属の酸素化合物又は窒素化合物を用いることで、下地層材料の磁性層への拡散を抑制できMR比の劣化を防ぐことができる。ここで高融点金属とは、鉄(Fe)、コバルト(Co)より融点が高い材料であり、例えば、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タングステン(W)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、及びバナジウム(V)である。
強磁性層(SL)120は、導電性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性体を含む層であり、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。より具体的には、例えば、強磁性層(SL)120は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含んでもよい。また、強磁性層(SL)120は、ボロン(B)、リン(P)、炭素(C)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、ハフニウム(Hf)、タングステン(W)、及びチタン(Ti)の少なくともいずれか1つを不純物として更に含んでいてもよい。強磁性層(SL)120は、半導体基板20側、強磁性層(RL)140側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性層(SL)120の磁化方向は、強磁性層(RL)140と比較して容易に反転するように設定される。
非磁性層(TB)130は、非磁性体を含む層であり、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO)、及びLSMO(Lanthanum-strontium-manganese oxide)の少なくともいずれか1つを含む。非磁性層(TB)130は、隣り合う強磁性層(SL)120及び強磁性層(RL)140の結晶化処理において、強磁性層(SL)120及び強磁性層(RL)140との界面から結晶質の膜を成長させるための核となるシード材としても機能する。結晶化処理の詳細については、後述する。
強磁性層(RL)140は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層(RL)140の磁化方向は、固定されており、強磁性層(SL)120側又は強磁性層(SCL)160側のいずれかを向く(図3の例では、強磁性層(SCL)160側を向いている)。なお、「磁化方向が固定されている」とは、強磁性層(SL)120の磁化方向を反転させ得る大きさの電流によって、磁化方向が変化しないことを意味する。強磁性層(SL)120、非磁性層(TB)130、及び強磁性層(RL)140は、非磁性層(TB)130がトンネルバリア層として機能することにより、磁気トンネル接合を構成している。
また、強磁性層(RL)140は、界面参照層(Interface reference layer)として機能する強磁性層141、作用層(Function layer)として機能する非磁性層142と、強磁性窒化物層(Ferromagnetic nitride layer)143と、作用層(Function layer)として機能する非磁性層144と、主参照層(Main reference layer)として機能する強磁性層145とを含む。強磁性層(RL)140では、例えば、半導体基板20側から強磁性層141、非磁性層142、強磁性窒化物層143、非磁性層144、及び強磁性層145の順に、z軸方向に複数の膜が積層されている。図3以降の図では、強磁性層141、非磁性層142、強磁性窒化物層143、非磁性層144、及び強磁性層145はそれぞれ、「IRL」、「FL1」、「FNL1」、「FL2」、及び「MRL」とも示される。
強磁性層(IRL)141は、強磁性層(SL)120と同様、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。より具体的には、例えば、強磁性層(IRL)141は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含んでもよい。また、強磁性層(IRL)141は、強磁性層(SL)120と同様、上述した不純物の少なくとも1つを更に含んでいてもよい。
非磁性層(FL1)142は、非磁性の膜であり、例えば、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、及びプラチナ(Pt)の少なくともいずれか1つを含む。非磁性層(FL1)142は、強磁性層(IRL)141と強磁性窒化物層(FNL1)143との間の結晶構造の違いをキャンセルし、強磁性層(IRL)141及び強磁性窒化物層(FNL1)143の配向性を向上させる役割を果たす。
強磁性窒化物層(FNL1)143は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性窒化物層(FNL1)143は、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)といった強磁性体から選択される少なくとも1つの元素の窒素化合物、例えば、窒化鉄、窒化コバルト、及び窒化ニッケルを含む。
強磁性窒化物は、共有結合を有しており、導電性及び磁気モーメントを維持しながら、良好な耐熱性を有し、拡散バリアとして機能する。すなわち、強磁性層(IRL)141等の結晶化処理等の際に熱を加えられても、強磁性窒化物層(FNL1)143内の強磁性窒化物は拡散しにくい。その結果、例えば強磁性層(IRL)141及び強磁性層(MRL)145内の強磁性体は、拡散によって強磁性窒化物層(FNL1)143内に浸入しにくい。さらにこれと関連して、強磁性層(IRL)141及び強磁性層(MRL)145内の強磁性体が強磁性層(IRL)141及び強磁性層(MRL)145の外部へ拡散することが抑制される。
また、窒化鉄などの結晶構造は、例えば、PHYSICAL RWVIEW B 84, 245310 (2011)に開示されているように、鉄の体心立方格子(BCC:Body Centered Cubic)の結晶構造から窒素濃度が高くなるにつれて垂直方向に延びて体心正方格子(BCT:Body Centered Tetragonal)の結晶構造となっていく。これによって、高い垂直磁気異方性(PMA:Perpendicular Magnetic Anisotropy)が発生する。
非磁性層(FL2)144は、非磁性の膜であり、例えば、プラチナ(Pt)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、及びルテニウム(Ru)の少なくともいずれか1つを含む。非磁性層(FL2)144は、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性層(MRL)145の結晶構造の配向性を向上させる役割を果たす。
強磁性層(MRL)145は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層(MRL)145は、例えば、強磁性層(SL)120及び強磁性層(IRL)141と同様に、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。より具体的には、例えば、強磁性層(MRL)145は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含んでいてもよい。また、強磁性層(MRL)145は、強磁性層(SL)120、及び強磁性層(IRL)141と同様、上述した不純物の少なくとも1つを更に含んでいてもよい。
強磁性層(IRL)141、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性層(MRL)145は、互いに強磁性的に結合することによって、互いに平行な磁化方向となる。このため、強磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、強磁性窒化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、及び強磁性層(MRL)145を含む強磁性層(RL)140は、大きな垂直磁化を有する1つの強磁性の構造体とみなすことができる。
非磁性層(AFS)150は、非磁性の膜であり、例えば、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、及びオスミウム(Os)の少なくともいずれか1つを含む。非磁性層(AFS)150は、強磁性層(RL)140と強磁性層(SCL)160とを反強磁性的に結合させる役割を果たす。
強磁性層(SCL)160は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層(SCL)160は、主シフトキャンセル層(Main shift cancelling layer)として機能する強磁性層161と、作用層(Function layer)として機能する非磁性層162と、強磁性窒化物層(Ferromagnetic nitride layer)163とを含む。強磁性層(SCL)160では、例えば、半導体基板20側から強磁性層161、非磁性層162、及び強磁性窒化物層163の順に、z軸方向に複数の膜が積層されている。図3以降の図では、強磁性層161、非磁性層162、及び強磁性窒化物層163はそれぞれ、「MSCL」、「FL3」、及び「FNL2」とも示される。
強磁性層(MSCL)161は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層であり、非磁性層(AFS)150によって、強磁性層(MRL)145と反強磁性的に結合される。このため、強磁性層(MSCL)161の磁化方向は、強磁性層(MRL)145の磁化方向と反平行な方向(図3の例では、強磁性層(RL)140側)に固定される。強磁性層(MSCL)161の磁化方向を反転させるために必要な磁界の大きさは、例えば、強磁性層(RL)140よりも大きな値が設定される。
強磁性層(MSCL)161は、例えば、強磁性層(MRL)145と同様、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。より具体的には、例えば、強磁性層(MSCL)161は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含んでいてもよい。また、強磁性層(MSCL)161は、強磁性層(MRL)145と同様、上述した不純物の少なくとも1つを更に含んでいてもよい。
非磁性層(FL3)162は、非磁性の膜であり、例えば、プラチナ(Pt)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、及びルテニウム(Ru)の少なくともいずれか1つを含む。非磁性層(FL3)162は、強磁性層(MSCL)161及び強磁性窒化物層(FNL2)163の配向性を向上させる役割を果たす。
強磁性窒化物層(FNL2)163は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性窒化物層(FNL2)163は、強磁性窒化物層(FNL1)143と同様、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)といった強磁性体から選択される少なくとも1つの元素の窒素化合物、例えば、窒化鉄、窒化コバルト、及び窒化ニッケルを含む。
強磁性窒化物は、共有結合を有しており、導電性及び磁気モーメントを維持しながら、良好な耐熱性を有し、拡散バリアとして機能する。すなわち、強磁性窒化物層(FNL2)163は、熱が加えられても、強磁性窒化物層(FNL2)163内の強磁性窒化物は拡散しにくい。その結果、強磁性層(SCL)160の組成物の非磁性層(CAP)170への拡散及び非磁性層(CAP)170の組成物の強磁性層(SCL)160への拡散が抑制される。
強磁性層(MSCL)161と強磁性窒化物層(FNL2)163とは、互いに強磁性的に結合することによって、互いに平行な磁化方向となる。このため、強磁性層(MSCL)161、非磁性層(FL3)162、及び強磁性窒化物層(FNL2)163を含む強磁性層(SCL)160は、大きな垂直磁化を有する1つの強磁性の構造体とみなすことができる。強磁性層(SCL)160からの漏れ磁場は、強磁性層(RL)140からの漏れ磁場が強磁性層(SL)120の磁化方向に与える影響を低減させる。
非磁性層(CAP)170は、導電性を有する非磁性体の層であり、例えば、プラチナ(Pt)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ルテニウム(Ru)の少なくともいずれか1つを含む。
第1実施形態では、このような磁気抵抗効果素子22に書込み電流を流し、この書込み電流によって強磁性層(SL)120の磁化方向を制御するスピン注入書込み方式が適用され得る。磁気抵抗効果素子22は、強磁性層(SL)120及び強磁性層(RL)140の磁化方向の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかを取ることができる。
磁気抵抗効果素子22に、図3における矢印a1の方向、即ち強磁性層(SL)120から強磁性層(RL)140に向かう書込み電流を流すと、強磁性層(SL)120及び強磁性層(RL)140の磁化方向の相対関係は、平行になる。この平行状態の場合、磁気抵抗効果素子22の抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子22は低抵抗状態に設定される。この低抵抗状態は、「P(Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“0”の状態と規定される。
磁気抵抗効果素子22に図3における矢印a2の方向、即ち強磁性層(RL)140から強磁性層(SL)120に向かう書込み電流を流すと、強磁性層(SL)120及び強磁性層(RL)140の磁化方向の相対関係は、反平行になる。この反平行状態の場合、磁気抵抗効果素子22の抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子22は高抵抗状態に設定される。この高抵抗状態は、「AP(Anti-Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“1”の状態と規定される。
1.2.磁気抵抗効果素子の製造方法について
第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。以下の説明では、磁気抵抗効果素子22内の各構成要素のうち、強磁性層(RL)140(参照層RL)の製造方法について説明するものとし、その他の構成要素については、その説明を省略する。
第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。以下の説明では、磁気抵抗効果素子22内の各構成要素のうち、強磁性層(RL)140(参照層RL)の製造方法について説明するものとし、その他の構成要素については、その説明を省略する。
図4、図5及び図6は、第1実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図である。図4〜図6では、強磁性層(RL)140内の強磁性層(IRL)141がアニーリング処理によってアモルファス状態から結晶状態となる過程及び強磁性層(MRL)145の強磁性体の拡散の様子が示される。なお、非磁性層(TB)130より下層に積層されている非磁性層(UL)110及び強磁性層(SL)120と、非磁性層(AFS)150より上層に積層される強磁性層(SCL)160及び非磁性層(CAP)170とについては、簡単のため、図示を省略している。
図4に示すように、非磁性層(TB)130、強磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、強磁性窒化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、強磁性層(MRL)145、及び非磁性層(AFS)150がこの順に積層される。非磁性層(TB)130は、例えば、立方晶(Cubical crystal)又は正方晶(Tetragonal crystal)の結晶構造を有する。また、強磁性層(IRL)141は、不純物を含むアモルファス状態の層として積層される。強磁性窒化物層(FNL1)143は、強磁性体である例えば鉄と、窒素とを混合して成膜することで作成される。
なお、図4〜図6では、便宜的に、強磁性層(IRL)141内の強磁性体が「白丸」で表され、強磁性層(MRL)145内の強磁性体が「黒丸」で表される。
図5に示すように、図4において積層された各層に対して、アニーリング処理が行われる。具体的には、外部から熱が加えられることにより、強磁性層(IRL)141が非晶質から結晶質へ変換される。ここで、非磁性層(TB)130は、強磁性層(IRL)141の結晶構造の配向を制御する役割を果たす。すなわち、強磁性層(IRL)141は、非磁性層(TB)130をシードとして結晶構造を成長させる(結晶化処理)。これにより、強磁性層(IRL)141は、非磁性層(TB)130の結晶面と同じ結晶面に配向される。
強磁性層(IRL)141の結晶構造が形成されることに伴い、強磁性層(IRL)141内に含まれる不純物が、拡散され除去される。この拡散は、不純物だけでなく、強磁性層(IRL)141内の強磁性体についても発生し得る。ここで、強磁性窒化物層(FNL1)143は、強磁性体である例えば鉄と、窒素との共有結合を有している。このため、強磁性窒化物層(FNL1)143は、良好な耐熱性を有する。強磁性窒化物層(FNL1)143については、アニーリング処理において高温(300〜400℃)となっても、その内部の強磁性窒化物の外部への拡散は抑制され、また、外部からその内部への強磁性体の拡散も抑制される。これに伴って、図5に示すように、強磁性窒化物層(FNL1)143は、強磁性層(IRL)141内の強磁性体が強磁性窒化物層(FNL1)143の内部及びその先の層へ拡散することを抑制することができる。同様に、強磁性層(MRL)145内の強磁性体が強磁性窒化物層(FNL1)143の内部及びその先の層へ拡散することを抑制することができる。すなわち、強磁性層(IRL)141内の強磁性体と強磁性層(MRL)145内の強磁性体との相互拡散を抑制することができる。この他、強磁性層(RL)140内の物質の拡散は、強磁性窒化物層(FNL1)143が存在することによって、それがない場合と比較して全体として抑制される。
図6に示すように、アニーリング処理が終了する。強磁性層(IRL)141は、ほとんどの不純物が抜き取られた状態で結晶化が進行する。このとき、強磁性窒化物層(FNL1)143は、強磁性層(IRL)141の内部に含まれる強磁性体がその外部に拡散することを抑制する。一方で、強磁性窒化物層(FNL1)143の存在によって他の物質の拡散が抑制されているため、例えばプラチナ、タンタルなどといった強磁性層(IRL)141にとっての不純物が、強磁性層(IRL)141内に流入することも抑制される。これらの効果によって、強磁性層(IRL)141は、良質に結晶化することができる。なお、強磁性層(IRL)141には、不純物が残らないことが望ましいが、少量の不純物が残っていてもよい。
また強磁性層(MRL)145については、層間反強磁性(SAF:Synthetic antiferromagnetic)結合のためには強磁性層(MRL)145に不純物が混入しないことが望ましい。また、非磁性層(AFS)150の例えばルテニウムが熱によって拡散し、薄膜である非磁性層(AFS)150が強磁性層(MRL)145と同化してしまうことにより、SAF結合が劣化することも避けたい。強磁性窒化物層(FNL1)143の存在によって非磁性層(AFS)150の例えばルテニウムの拡散も抑制される。したがって、強磁性層(MRL)145に不純物が混入することや、非磁性層(AFS)150と強磁性層(MRL)145とが同化してしまうことによるSAF結合の劣化は抑制され得る。これらのように物質の拡散が抑制されることにより、界面磁気異方性等の諸特性が向上し得る。
また、強磁性層(IRL)141及び強磁性層(MRL)145は、強磁性体を含む強磁性窒化物層(FNL1)143を挟んで積層されている。このため、強磁性層(IRL)141、強磁性窒化物層(FNL1)143、及び強磁性層(MRL)145は、この後に行われる着磁工程において互いに磁気結合することができ、全体として1つの強磁性層として振る舞うことができる。すなわち、強磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、強磁性窒化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、及び強磁性層(MRL)145は、1つの強磁性層(RL)140(参照層RL)として振る舞うことができる。これにより、強磁性層(IRL)141のみから構成される場合よりも、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性層(MRL)145の分だけ磁性体の体積が大きい構造の参照層RLを製造することができる。
以上で、参照層RLの製造が終了する。
以上で、参照層RLの製造が終了する。
なお、図示を省略した強磁性層(SCL)160においても、強磁性窒化物層(FNL2)163は、アニーリング処理の際に、強磁性層(SCL)160から非磁性層(CAP)170への物質の拡散、及び非磁性層(CAP)170から強磁性層(SCL)160への物質の拡散を防ぐ機能を有する。また、強磁性窒化物層(FNL2)163は、非磁性層(AFS)150及び強磁性層(SCL)160内の物質の拡散を抑制する。その結果、強磁性層(SCL)160等における界面磁気異方性等の諸特性も向上し得る。
1.3.本実施形態に係る効果について
第1実施形態では、磁気抵抗効果素子22は、非磁性層(AFS)150を介した2つの強磁性層(RL)140及び強磁性層(SCL)160による層間反強磁性(SAF:Synthetic antiferromagnetic)結合を有する。強磁性層(RL)140に、強磁性窒化物層(FNL1)143が設けられ、強磁性層(SCL)160に強磁性窒化物層(FNL2)163が設けられている。これら強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163は、共有結合を有しており、熱的安定性が高い。
第1実施形態では、磁気抵抗効果素子22は、非磁性層(AFS)150を介した2つの強磁性層(RL)140及び強磁性層(SCL)160による層間反強磁性(SAF:Synthetic antiferromagnetic)結合を有する。強磁性層(RL)140に、強磁性窒化物層(FNL1)143が設けられ、強磁性層(SCL)160に強磁性窒化物層(FNL2)163が設けられている。これら強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163は、共有結合を有しており、熱的安定性が高い。
このため、例えばアニーリング処理など、磁気抵抗効果素子22の製造工程において例えば300乃至400℃といった高温で加熱される処理が行われても、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163の強磁性窒化物は拡散し難い。また、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163に物質は浸入しにくい。このように、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163は、拡散バリアとして機能する。強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163が存在することで、磁気抵抗効果素子22の各層を構成する物質は、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163がない場合と比較して、全体的に拡散し難くなる。
その結果、例えば、強磁性層(RL)140内の強磁性層(IRL)141は、良質な結晶質となり得る。これにより、強磁性層(IRL)141と非磁性層(FL1)142との界面異方性が発生し、強磁性層(IRL)141は高い垂直磁気異方性を得ることができる。
同様に、強磁性層(RL)140内の強磁性層(MRL)145及び強磁性層(SCL)160内の強磁性層(MSCL)161も、これらの層から他の層への物質の流出、及びこれらの層への他の層からの物質の流入による、機能の低下が抑制される。例えば、強磁性層(MRL)145のコバルトと非磁性層(FL2)144のプラチナとによって発生する垂直磁気異方性、及び、例えば、強磁性層(MSCL)161のコバルトと非磁性層(FL3)162のプラチナとによって発生する垂直磁気異方性が維持される。このようなコバルトとプラチナとの層に例えば鉄が混入すると垂直磁気異方性が低下することが知られている。本実施形態では、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163の存在によって、鉄を含む物質の拡散が抑制されるため、垂直磁気異方性の低下が抑制される。
また、非磁性層(AFS)150に関する拡散も抑制されるので、非磁性層(AFS)150を介した強磁性層(RL)140内の強磁性層(MRL)145及び強磁性層(SCL)160内の強磁性層(MSCL)161の反強磁性結合の低下も抑制される。
また、例えば非磁性層(FL1)142のタンタル等が非磁性層(TB)130に流入することも抑制されるので、タンタル等の非磁性層(TB)130への流入による、MR比の低下も抑制される。
また、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163は、上述のように高い熱的安定性を有し拡散バリアとしての機能を担いつつ、垂直磁気異方性も有している。したがって、それらの存在は、強磁性層(RL)140及び強磁性層(SCL)160の垂直磁気異方性を悪化させない。また、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163は、導電性が良好で、抵抗値が小さい。これにより、磁気抵抗効果素子22に流す書込み電流が過度に大きくなることを抑制することができる。このため、磁気抵抗効果素子22を磁気記憶装置に適用し易くすることができる。
以上のように、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163の存在は、製造プロセスにおいて避けられない加熱によって、磁気抵抗効果素子22における反強磁性結合の結合エネルギーの低下、各層の垂直磁気異方性の低下、抵抗変化率の低下などを抑制し、優れた磁気抵抗効果素子22を実現することに効を奏する。
2.変形例等
上述の第1実施形態で述べた形態に限らず、種々の変形が可能である。
上述の第1実施形態で述べた形態に限らず、種々の変形が可能である。
例えば、図3に示した構造のうち、いくつかの層は省略され得る。例えば、図7に示すように、非磁性層(FL2)144はなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(AFS)150を介した強磁性層(MRL)145及び強磁性層(MSCL)161による反強磁性結合が含まれている。さらに、図8に示すように、強磁性層(MRL)145がなくてもよい。この場合も、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(AFS)150を介した強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性層(MSCL)161による反強磁性結合が含まれている。
さらに、図9に示すように、非磁性層(FL1)142がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(TB)130を挟んで強磁性層(SL)120及び強磁性層(IRL)141が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。さらに、図10に示すように、強磁性層(IRL)141がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(TB)130を挟んで強磁性層(SL)120及び強磁性窒化物層(FNL1)143が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。
また、強磁性窒化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144及び強磁性層(MRL)145は存在するが、非磁性層(FL1)142、又は強磁性層(IRL)141及び非磁性層(FL1)142がない構成も採用され得る。
また、上述の第1実施形態及び各変形例で述べた磁気抵抗効果素子22は、記憶層SLが半導体基板20側に設けられるボトムフリー型である場合について説明したが、参照層RLが半導体基板20側に設けられるトップフリー型であってもよい。
磁気抵抗効果素子22がトップフリー型に構成される場合の一例の模式図を図11に示す。図11に示される磁気抵抗効果素子22は、下地層として機能する非磁性層(UL)110、シフトキャンセル層として機能する強磁性層(SCL)160、反強磁性スペーサーとして機能する非磁性層(AFS)150、参照層として機能する強磁性層(RL)140、トンネルバリア層として機能する非磁性層(TB)130、記憶層として機能する強磁性層(SL)120、及びキャップ層として機能する非磁性層(CAP)170がこの順に積層される。そして、強磁性層(RL)140及び強磁性層(SCL)160に、強磁性窒化物層(FNL1)143及び強磁性窒化物層(FNL2)163がそれぞれ設けられている。
なお、非磁性層(AFS)150の直上には強磁性層(MRL)145が存在する必要があるため、図11に示した構造では、非磁性層(AFS)150から順に、強磁性層(MRL)145−2、非磁性層(FL2)144、強磁性層(MRL)145−1が配置されている。
また、例えば、図11に示した構造のうち、いくつかの層は省略され得る。例えば、図12に示すように、非磁性層(FL2)144及び強磁性層(MRL2)145−2はなくてもよい。この場合も、非磁性層(AFS)150の直上には強磁性層(MRL)145−1が配置されている。さらに、図13に示すように、強磁性層(MRL1)145−1がなくてもよい。この場合も、非磁性層(AFS)150の直上には強磁性窒化物層(FNL1)143が配置されている。さらに、非磁性層(FL1)142がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(TB)130を挟んで強磁性層(SL)120及び強磁性層(IRL)141が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。さらに、強磁性層(IRL)141がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子22には、非磁性層(TB)130を挟んで強磁性層(SL)120及び強磁性窒化物層(FNL1)143が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。
更に、上述の第1実施形態及び変形例では、磁気抵抗効果素子を備える磁気装置の一例として、MTJ素子を備える磁気記憶装置について説明したが、これに限られない。例えば、磁気装置は、センサやメディア等の垂直磁気異方性を有する磁気素子を必要とする他のデバイスを含む。
上述の実施形態ではスイッチング素子として3端子の選択トランジスタを用いた構成で説明しているが、例えば、2端子間スイッチ素子であってもよい。2端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、そのスイッチ素子は”高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。2端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、スイッチ素子は”低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。すなわち、2端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。このスイッチ素子には、例えば、Te、Se及びSからなる群より選択された少なくとも1種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。このスイッチ素子は、他にも、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P、Sbからなる群より選択された少なくとも1種以上の元素を含んでもよい。このような2端子間スイッチ素子は、上述の実施形態のように、2つのコンタクトプラグを介して、磁気抵抗効果素子に接続される。2つのコンタクトプラグのうち、磁気抵抗効果素子側のコンタクトプラグは、例えば、銅を含む。磁気抵抗効果素子と銅を含むコンタクトプラグとの間に、導電層(例えば、タンタルを含む層)が設けられてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…磁気装置、11…メモリセルアレイ、12…カレントシンク、13…センスアンプ及び書込みドライバ、14…ロウデコーダ、15…ページバッファ、16…入出力回路、17…制御部、20…半導体基板、21…選択トランジスタ、22…磁気抵抗効果素子、23,28,30…配線層、24…ソース領域又はドレイン領域、25…絶縁層、26,27,29…コンタクトプラグ、31…層間絶縁膜、110,130,142,144,150,162,170…非磁性層、120,140,141,145,145−1,145−2,160,161…強磁性層、143,163…強磁性窒化物層。
Claims (16)
- 磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、
強磁性を有する第1構造体と、
強磁性を有する第2構造体と、
前記第1構造体及び前記第2構造体の間に設けられた第1非磁性体と
を含み、
前記第1構造体及び前記第2構造体は、前記第1非磁性体を介して反強磁性的に結合され、
前記第1構造体は、第1強磁性窒化物を含む、
磁気装置。 - 前記第1強磁性窒化物は、鉄、コバルト及びニッケルのうち少なくともいずれか1つの窒素化合物を含む、請求項1記載の磁気装置。
- 前記第1非磁性体は、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、及びオスミウムのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項1又は2に記載の磁気装置。
- 前記第2構造体は、前記第1非磁性体に接している第1強磁性体を含む、請求項1乃至3のうち何れか1項に記載の磁気装置。
- 前記第1強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項4に記載の磁気装置。
- 前記磁気抵抗効果素子は、
前記第1構造体に対して前記第1非磁性体の反対側に設けられた第2非磁性体と、
前記第2非磁性体に対して前記第1構造体の反対側に設けられた第2強磁性体と
を更に含む請求項1乃至5のうち何れか1項に記載の磁気装置。 - 前記第1構造体は、前記第2非磁性体と前記第1強磁性窒化物との間に、前記第2非磁性体に接して設けられた、第3強磁性体を更に含む、請求項6に記載の磁気装置。
- 前記第3強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項7に記載の磁気装置。
- 前記第1構造体は、前記第1強磁性窒化物と前記第3強磁性体との間に配置された第3非磁性体を更に含む、請求項7又は8に記載の磁気装置。
- 前記第3非磁性体は、タンタル、モリブデン、タングステン、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、及びプラチナのうち少なくともいずれか1つを含む請求項9に記載の磁気装置。
- 前記第1構造体は、前記第1非磁性体と前記第1強磁性窒化物との間に、前記第1非磁性体に接して設けられた、第4強磁性体を更に含む、請求項1乃至10のうち何れか1項に記載の磁気装置。
- 前記第4強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項11に記載の磁気装置。
- 前記第2構造体は、前記第1強磁性体に対して前記第1非磁性体の反対側に設けられた第2強磁性窒化物を更に含む請求項4又は5に記載の磁気装置。
- 前記第2強磁性窒化物は、鉄、コバルト及びニッケルのうち少なくともいずれか1つの窒素化合物を含む、請求項13記載の磁気装置。
- 前記第2構造体は、前記第1強磁性体と前記第2強磁性窒化物との間に配置された第4非磁性体を更に含む、請求項13又は14に記載の磁気装置。
- 前記第4非磁性体は、プラチナ、タンタル、モリブデン、タングステン、ロジウム、イリジウム、及びルテニウムのうち少なくともいずれか1つを含む請求項15に記載の磁気装置。
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