JP5214691B2 - 磁気メモリ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第1および第2の電極とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直でかつ可変となる磁化を有する第1磁性層と、前記第1磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ膜面に略垂直でかつ不変となる磁化を有する第2磁性層を備え、前記第1磁性層は、第1領域と、前記第1領域の外側に前記第1領域を取り囲むように設けられ前記第1領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第2領域とを含み、前記第2磁性層は、第3領域と、前記第3領域の外側に前記第3領域を取り囲むように設けられ前記第3領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第4領域とを含む、ことを特徴とする。
まず、第1実施形態による磁気メモリ(以下、MRAMとも云う)を説明する。第1実施形態のMRAMは少なくとも1個のメモリセルを有している。なお、MRAMがメモリセルを複数個有している場合には、複数のメモリセルは、マトリクス状に配列される。メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子を備えており、この磁気抵抗効果素子を図1に示す。図1は、第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子10の断面図である。磁気抵抗効果素子10は、下部電極を含む結晶配向用下地層11と、この結晶配向用下地層11上に設けられた記録層12と、記録層12上に設けられたトンネルバリア層13と、トンネルバリア層13上に設けられた参照層14と、上部電極18とが積層された積層構造を有する。本実施形態では、結晶配向用下地層11が下部電極および引き出し線を兼ねた1つの層となっている例を示しているが、勿論、下地層と下部電極とを別々に積層してもよいし、下地層と下部電極を1つの層として引き出し線を別に積層してもよい。また、上部電極18は、ハードマスク層としての機能を兼ねている。
第1実施形態の第2変形例に用いられる磁気抵抗効果素子を図3に示す。この第2変形例に係る磁気抵抗効果素子10Bは、図1に示す第1実施形態において、参照層14と上部電極18との間に、バイアス層16を設けた構成となっている。バイアス層16は、参照層14と反対向きに固定された垂直磁化を有する層であり、参照層14から記録層12に及ぼす漏れ磁界の影響を打ち消し、外部磁界がほぼ0の状態でのスイッチングを可能とする働きを持つ。なお、図3に示すように、バイアス層16は、内側に形成された磁気的かつ電気的に活性な中央領域16aと、この中央領域16aを取り囲むように形成されてN(窒素)またはO(酸素)等の不純物が導入され、中央領域16aよりも磁気的かつ電気的に不活性な不純物領域16bとを有している。
また、本実施形態の第3変形例に係る磁気抵抗効果素子を図4に示す。この第3変形例に係る磁気抵抗効果素子10Cは、図1に示す第1実施形態において、記録層12およびトンネルバリア層13の側面と、参照層14の側面の一部が緩いテーパ角を持つように形成されている。
本実施形態の第4変形例による磁気抵抗効果素子を図5に示す。この第4変形例に係る磁気抵抗効果素子10Dは、図4に示す第3変形例に係る磁気抵抗効果素子10Cにおいて、図2に示す第1変形例と同様に、記録層12の中央領域12aの直径φSeffを、参照層14の中央領域14aの直径φReffよりも小さくなるようにした構成を有している。このような構成としたことの利点を以下に説明する。
本実施形態の第5変形例による磁気抵抗効果素子を図7に示す。この第5変形例による磁気抵抗効果素子10Eは、図2に示す第1変形例において、参照層14、上部電極18の側面が垂直からやや傾いた形状を持つように形成されている。前述したように、一般に磁性体金属のドライエッチングにおいては、通常のRIEでは、良好な異方性エッチングは出来ないため、このような垂直からやや傾いた形状となる場合が多い。このような構造においても、記録層12及び参照層14の一部にNまたはO等の不純物が導入された不純物領域12b及び14bが形成されており、記録層12の直径φSstは記録層12の磁気的かつ電気的に活性な中央領域12aの直径φSeffより大きく、参照層14の直径φRstは参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReffよりも大きい。但し、この第5変形例のように、垂直からやや傾いた形状では、参照層の直径φRst、及び参照層14の磁気的かつ電気的に活性な領域の直径φReffは一意には決まらない。そこで、本変形例においては、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、参照層14の直径φRstは参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReffよりも大きい場合に、参照層14の直径φRstは参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReffよりも大きいと定義する。このようにすることで、前述したような本実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
本実施形態の第6変形例による磁気抵抗効果素子を図8に示す。この第6変形例による磁気抵抗効果素子10Fは、図2に示す第1変形例において、記録層12、トンネルバリア13、参照層14、上部電極18の側面が垂直からやや傾いた形状を持つように形成されている。この第6変形例は、図7に示す第5変形例において、ドライエッチングを記録層14まで進めた形状となっている。この第6変形例も、図7に示す第5変形例の場合と同様に参照層14の直径φRst、参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReff、記録層12の直径φSst、及び記録層12の磁気的かつ電気的に活性な中央領域12aの直径φReff、は一意には決まらない。この場合についても、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、参照層14の直径φRstが参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReffよりも大きい場合に、参照層14の直径φRstは参照層14の磁気的かつ電気的に活性な中央領域14aの直径φReffよりも大きいと定義する。また、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、記録層12の直径φSstは記録層12の磁気的かつ電気的に活性な中央領域12aの直径φSeffより大きい場合に記録層12の直径φSstは記録層12の磁気的かつ電気的に活性な中央領域12aの直径φSeffよりも大きいと定義する。このようにすることで、前述したような本実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
以上説明したように、本実施形態およびその変形例によれば、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性の劣化を抑制し、また磁気抵抗効果素子を高歩留まりで作製することができる。
次に、第2実施形態による磁気メモリ(MRAM)の製造方法について図9(a)乃至図12(b)を参照して説明する。この実施形態の製造方法によって製造されるMRAMは、図1に示す磁気抵抗効果素子10を記憶素子として有する第1実施形態のMRAMである。
次に、第3実施形態による磁気メモリ(MRAM)について図13乃至図13を参照して説明する。
11 下地層
12 記録層
12a 中央領域
12b 不純物領域
13 トンネルバリア層
14 参照層
14a 中央領域
14b 不純物領域
18 ハードマスク層
Claims (8)
- 少なくとも1個のメモリセルを備える磁気メモリであって、
前記メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第1および第2の電極と、前記磁気抵抗効果素子を覆う絶縁膜とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直でかつ可変となる磁化を有する第1磁性層と、前記第1磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ膜面に略垂直でかつ不変となる磁化を有する第2磁性層を備え、
前記第1磁性層は、第1領域と、前記第1領域の外側に前記第1領域を取り囲むように設けられ前記第1領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第2領域とを含み、
前記第2磁性層は、第3領域と、前記第3領域の外側に前記第3領域を取り囲むように設けられ前記第3領域よりも垂直磁気異方性エネルギーが小さい第4領域とを含み、
前記第1磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第2磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第1磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズは、前記第2磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズよりも大きい
ことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第2領域は前記第1領域に含まれる元素と、前記元素と異なる他の元素とを含み、
前記第4領域は前記第3領域に含まれる元素と、前記他の元素とを含むことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ。 - 前記第1領域の直径は、前記第3領域の直径以下であることを特徴とする請求項1または2記載の磁気メモリ。
- 前記他の元素は、N、He、F、O、Si、B、C、Zr、Tb、Tiのうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 前記第2磁性層の前記トンネルバリア層と反対側に、磁化の向きが膜面に垂直でかつ前記第2磁性層の磁化と反対となる第3磁性層を更に備えていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気メモリ。
- 基板上に、磁化の向きが膜面に略垂直でかつ可変である第1磁性層と、前記第1磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ磁化の向きが膜面に略垂直でかつ不変の第2磁性層とを有する積層膜を形成する工程と、
前記積層膜上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層および前記第2磁性層の少なくとも一部をパターニングする工程と、
前記パターニングにより露出した面に不純物を導入する工程であって、前記第1磁性層に不純物が導入されて形成される不純物領域の膜厚方向の平均サイズが、前記第2磁性層に不純物が導入されて形成される不純物領域の膜厚方向の平均サイズよりも大きくなるように、前記不純物を導入する前記工程と、
前記第1磁性層、前記トンネルバリア層および前記第2磁性層を覆う絶縁膜を形成する工程と
を備えていることを特徴とする磁気メモリの製造方法。 - 前記パターニングする工程は、イオンビームエッチングを用いて行うことを特徴とする請求項6記載の磁気メモリの製造方法。
- 前記不純物は、N、He、F、O、Si、B、C、Zr、Tb、Tiのうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項6または7記載の磁気メモリの製造方法。
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