JP5104753B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料のいずれかで形成されている。
8b)が設けられることが一層に好適である。
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されている。
基板(31)の上方に第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)を被覆する複合材料膜(33)を形成する工程と、
前記複合材料膜(33)をエッチバックして、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の側面に複合材料領域(17〜20、27〜30)を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)及び前記複合材料領域(17〜20、27〜30)を被覆する第1強磁性膜(34)を形成する工程と、
前記第1強磁性膜(34)を被覆する絶縁膜(35)を形成する工程と、
前記絶縁膜(35)を被覆する第2強磁性膜(36)を形成する工程と、
前記第2強磁性膜(36)の上方に、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の間に位置するマスク(39)を形成する工程と、
前記第1強磁性膜(34)、前記絶縁膜(35)及び前記第2強磁性膜(36)を、前記絶縁膜(35)及び前記第2強磁性膜(36)のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第1強磁性膜(34)のうち前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程とを具備する。
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されている。
2:トンネルバリア層
3:磁化固定層
4:反強磁性層
5:コンタクト層
6:ビア
7:配線
8:磁化反転領域
9、10:スピン偏極電流注入領域
11、13:ビア
12、14:配線
15:下部電極
16:上部電極
17、18、27、28:複合強磁性体領域
19、20、29、30:複合非磁性体領域
21:強磁性結晶粒
22:非磁性粒界部
23:強磁性結晶粒
24:非磁性粒界部
25:強磁性結晶粒
26:強磁性−非磁性複合結晶粒
31:基板
32:絶縁層
33:複合強磁性体膜
34:強磁性膜
35:絶縁膜
36:強磁性膜
37:反強磁性膜
38:金属導電膜
39:マスク
41:ビア
42:配線
図1Aは、本発明の第1の実施形態のMRAMのメモリセル100の構成を示す断面図であり、図1Bは、メモリセル100の構成を示す平面図である。図1Aに示されているように、メモリセル100は、順次に積層された磁気記録層1と、トンネルバリア層2と、磁化固定層3と、反強磁性層4と、コンタクト層5とを備えている。
rO2/Ar=[O2]/[Ar],
によって定義されるパラメータである。
上述の複合強磁性材料で磁化反転領域8を構成することの一つの問題は、複合強磁性材料が本質的に結晶性に劣るため、磁化反転領域8とトンネルバリア層2と磁化固定層3とで構成される磁気トンネル接合のMR比が小さくなることである。これは、読み出し動作時のSN比を低下させるために好ましくない。第2の実施形態では、磁気トンネル接合のMR比を向上させるための技術が提供される。
図9Aは、本発明の第3の実施形態のメモリセル100Dの構成を示す断面図である。本実施形態では、磁化反転領域8がNiFeのような金属強磁性体で形成される一方、磁化反転領域8と、スピン偏極電流注入領域9、10との間に、複合強磁性体領域17、18が設けられる。複合強磁性体領域17、18は、第1の実施形態で説明されている複合
強磁性材料で形成される。
形成をより高精度に行うことができるので好適である。
9が設けられ、更に、スピン偏極電流注入領域10の、磁化反転領域8と反対側の端に複合非磁性体領域30が設けられる。
Claims (11)
- 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記磁化反転領域の少なくとも一部は、
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料
のいずれかで形成され、
前記磁化反転領域は、
前記スピン偏極電流注入領域に前記面内方向において隣接し、且つ、前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部と、
を備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記磁化反転領域の少なくとも一部は、
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料
のいずれかで形成され、
前記磁化反転領域は、
前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部と、
を備え、
前記複合強磁性部は、前記金属強磁性部と前記スピン偏極電流注入領域の間に設けられていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記トンネルバリア層の少なくとも一部は、前記金属強磁性部に直接に接合されている
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記磁化反転領域は、更に、
前記金属強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記金属強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部を備えている
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記金属強磁性材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及びガドリウム(Gd)からなる群から選択された1種の金属、又は前記群から選択された2以上の元素の合金からなる強磁性材料が使用され、
前記非磁性材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、及びランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2種以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 - 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、スピン偏極電流注入領域と、前記磁化反転領域と前記スピン偏極電流注入領域との間に設けられた複合材料領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、を具備し、
前記スピン偏極電流注入領域は、前記複合材料領域を介して前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用され、
前記複合材料領域は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記第1材料は、強磁性材料であり、前記第2材料は、非磁性材料であることを特徴とする請求項6に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及びガドリウム(Gd)からなる群から選択された金属、又は前記群から選択された2以上の元素の合金からなる金属強磁性材料が使用され、
前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、及びランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項7に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記第1材料及び前記第2材料の両方が、非磁性材料であることを特徴とする請求項6に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1材料として、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、オスミウム(Os)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、及びアンチモン(Sb)からなる群から選択された元素の材料、又は前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用され、
前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項9に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 - 基板の上方に第1及び第2スピン偏極電流注入領域を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域を被覆する複合材料膜を形成する工程と、
前記複合材料膜をエッチバックして、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の側面に複合材料領域を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域及び前記複合材料領域を被覆する第1強磁性膜を形成する工程と、
前記第1強磁性膜を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を被覆する第2強磁性膜を形成する工程と、
前記第2強磁性膜の上方に、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の間に位置するようにマスクを形成する工程と、
前記第1強磁性膜、前記絶縁膜及び前記第2強磁性膜を、前記絶縁膜及び前記第2強磁性膜のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第1強磁性膜のうち前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程と、
とを具備し、
前記複合材料膜は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
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