JP2005150746A - フリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合セル及びそれを含む磁気ram - Google Patents

フリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合セル及びそれを含む磁気ram Download PDF

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Abstract

【課題】 磁気モーメントの低いフリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合セル及びそれを含む磁気RAMを提供する。
【解決手段】 下部電極及び下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含み、上部磁性膜は厚さが5nm以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするMTJセル。ここで、MTJセルの縦横比は2以下であり、フリー磁性膜の磁気モーメントは800×103A/m(800emu/cm3)以下である。
【選択図】 図6

Description

本発明は半導体メモリ素子に係り、より詳細には磁気モーメントの低いフリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合(Magnetic Tunneling Junction;以下、MTJ)セル及びこれを含む磁気RAM(Magnetic Random Access Memory:以下、MRAM)に関する。
MRAMはトランジスタ及びデータが保存されるMTJセルで構成される。MTJセルは上下に積層された磁性膜の磁気分極方向によってその抵抗比(Magnetoresistance:以下、MR比)が変わる。MRAMはMTJセルのこのような特性を利用してデータを記録するメモリ素子である。
MRAMからデータを正確に再生するためにMRAMのセンシングマージンはできるだけ大きいことが望ましい。前記センシングマージンは大体MTJセルのMR比により決定される。
MTJセルのMR比を大きくするためにはMTJセルの安定性及び均一性が確保される必要がある。このようにするためには、MTJセルのトンネリング酸化膜の厚さが均一でなければならないので、その製造工程上の安定性がまず確立される必要がある。
さらに、MRAMでは選択性が確保されなければならない。つまり、いずれか一つのMTJセルを選択する過程で、それに隣接した他のMTJセルの影響を受けてはならない。ところが、現在まで知られたMRAM(以下、従来のMRAM)の場合、MTJセルにデータを記録する過程やデータを再生する過程でエッジピンニングとボルテックスピンニングのような異常現象が現れることが報告されている。
このような現象により、MRAMにデータを記録する過程(以下、データ記録過程)及びMRAMからデータを再生する過程(以下、データ再生過程)で、さらに大きいスイッチングフィールド(スイッチング磁界)が要求される。そして、前記データ記録過程及びデータ再生過程でフェールビットが現れる恐れがある。前記フェールビットの発生は正常なスイッチングフィールドでMTJセルがスイッチングされないからである。
図1は、従来のMTJセルのデータ記録過程及びデータ再生過程でフリー磁性膜に現れるエッジピンニングを示す。図2は、このようなエッジピンニングによる磁気履歴特性の変化を示す。
図3は、従来のMTJセルのデータ記録過程及びデータ再生過程でフリー磁性膜に現れるボルテックスピンニングを示す。そして図4は、このようなボルテックスピンニングによる磁気履歴特性の変化を示す。
図2及び図4で、参照図形■は磁場を印加した時の磁気履歴特性を表し、○は前記印加された磁場を除去した時の磁気履歴特性を表す。
図5は、従来のMRAMに対する前記データ記録過程で、フリー磁性膜が10Å(1nm)のコバルト鉄(CoFe)と30Å(3nm)のニッケル鉄(NiFe)とよりなる(CoFe/NiFe)MTJセルのスイッチング分布を示す。図5で参照符号C1、C2、C3及びC4は、正常なスイッチングフィールドでスイッチングされていないMTJセル(フェールビット)の比率を表す。
図5を参照すると、正常なスイッチングフィールドでスイッチングされていないMTJセルは、正常なスイッチングフィールドの範囲をはるかに超過するスイッチングフィールドでスイッチングされるか(C1、C2、C4)、または正常なスイッチングフィールドよりはるかに小さなスイッチングフィールドでスイッチングされる(C3)ことが分かる。
一方、従来のMRAMの場合、MTJセルの磁性膜、特にフリー磁性膜(CoFe/NiFe)の厚さを薄くする方法によりその集積度を高められる。ところが、前記フリー磁性膜の厚さが薄くなると、フリー磁性膜の磁気モーメントの熱的安定性が顕著に低下することがある。これはMTJセルが熱的に不安定であることを意味する。
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであり、集積度を高めるために薄いフリー磁性膜を具備するが、エッジピンニングやボルテックスピンニングに起因するキンクの発生がなく、かつ熱的に安定したMRAMのMTJセルを提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、このようなMTJセルを含むMRAMを提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために、本発明は下部電極及び前記下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含み、前記上部磁性膜は厚さが5nm以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするMTJセルを提供する。
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが800emu/cm3(800×103A/m)以下の磁性膜、または順次に積層されたCoFe膜及びNiFe膜である。
前記MTJセルの縦横比(Aspect Ratio:以下、AR)は2以下である。
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが400emu/cm3(400×103A/m)より小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが600emu/cm3(600×103A/m)より小さな非晶質遷移金属化合物膜及びFeTb膜のうちいずれか一つである。
前記フリー磁性膜は前記トンネリング膜との間に、前記フリー磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに具備する。
前記下部磁性膜は順次に積層されたピンニング膜及びSAF(Synthetic Anti Ferromagnetic)膜を含む。
前記他の技術的課題を達成するために、本発明はトランジスタと、前記トランジスタに連結されたMTJセルと、前記トランジスタ及び前記MTJセルを取り囲む層間絶縁膜と、を含むMRAMにおいて、前記MTJセルのARは2以下であることを特徴とするMRAMを提供する。
前記MTJセルは厚さが5nm以下のフリー磁性膜を含む。
前記フリー磁性膜に関する特徴は前記MTJセルと関連して記述した通りである。
本発明を利用すれば、MTJセルにエッジピンニング及びボルテックスピンニングのような異常スイッチング現象が現れることを防止でき、スイッチングフィールドの強度を低減できる。
本発明によるMRAMのMTJセルを利用する場合、フリー磁性膜の厚さを薄くして集積度を高めながらも熱的安定性を確保でき、キンクの発生がなくなる。また、フリー磁性膜の磁気モーメントが小さいため、スイッチングフィールドの強度を低減すことができる。
本発明の実施例によるMTJセル及びこれを含むMRAMを添付した図面を参照して詳細に説明する。説明の目的のため、層や領域の厚さは誇張して図示している。
図6を参照すると、本発明の実施形態によるMTJセル(以下、本発明のMTJセル)はスイッチング素子、例えばトランジスタと連結されるパッド導電層10(以下、下部電極)を具備する。下部電極10は、例えばタンタル(Ta)電極、チタンナイトライド(TiN)電極である。本発明のMTJセルはまた下部電極10上に順次に積層されたシード膜12、ピンニング膜14、ピンド膜(Pinned layer)16、トンネリング膜18、フリー磁性膜20及びキャッピング膜22を具備する。キャッピング膜22上に上部電極(図示せず)が積層されている。シード膜12は、例えば非晶質金属膜、ルテニウム(Ru)膜またはニッケル鉄(NiFe)膜である。ピンニング膜14は、反強磁性膜、例えばイリジウムマンガン(IrMn)膜、白金マンガン(PtMn)膜である。ピンド膜16は単一膜でも、複数の物質膜を含んでいてもよい。ピンド膜16が複数の物質膜を含む場合、ピンド膜16は図8に図示したように、順次に積層された第1ピンド膜16a、中間膜16b及び第2ピンド膜16cを含むSAF膜である。この場合、第1ピンド膜16aは反強磁性膜、例えばコバルト鉄膜であり、中間膜16bは金属膜、例えばルテニウム膜である。そして第2ピンド膜16cは反強磁性膜、例えばコバルト鉄膜である。
例えば、トンネリング膜18は所定厚さの酸化膜、例えば15Å(1.5nm)程度のアルミニウム酸化膜(AlOX)である。フリー磁性膜20は所定の厚さで所定の磁気モーメントを持つ物質膜、例えば厚さが5nm以下であり磁気モーメントが800emu/cm3(800×103A/m)以下の非晶質物質膜である。前記磁気モーメントが800emu/cm3(800×103A/m)以下の非晶質物質膜は、第1非晶質化合物膜または第2非晶質化合物膜に分けられる。前記第1非晶質化合物膜は、例えば磁気モーメントが400emu/cm3(400×103A/m)より小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜であることが望ましいが、他の物質膜でもよい。そして前記第2非晶質化合物膜は、例えば、磁気モーメントが600emu/cm3(600×103A/m)より小さな非晶質遷移金属化合物膜であることが望ましいが、他の物質膜でもよい。前記非晶質希土類電気金属化合物膜は、例えばコバルトテルビウム(CoTb)膜である。また、前記非晶質遷移金属化合物膜は、例えばコバルトジルコニウム化合物(CoZrX)膜である。ここで、“X”は、例えばテルビウム(Tb)、ニオビウム(Nb)である。
非晶質化合物膜以外では、フリー磁性膜20として鉄テルビウム(FeTb)膜が用いられる。また、上記の厚さを満足する条件で、コバルト鉄膜及びニッケル鉄膜を含む物質膜が用いられる。後者の場合、例えば、フリー磁性膜20は3Å(0.3nm)のCoFe膜と30Å(3nm)のNiFe膜とが積層された膜であり、5Å(0.5nm)のCoFe膜と30Å(3nm)のNiFe膜とが積層された膜である。
一方、このようなフリー磁性膜20は単一膜であるが、MR比の増加を考慮すると、図7及び図8に図示したように二重膜であることが望ましい。
具体的には、図7に示すように、フリー磁性膜20は順次に積層された第1及び第2磁性膜20a、20bを含む。第1磁性膜20aはフリー磁性膜20のMR比を増加させるためのフィルタリング膜であって、分極率の大きい強磁性膜、例えばコバルト鉄膜である。第2磁性膜20bは、前記磁気モーメントが800emu/cm3(800×103A/m)以下の非晶質物質膜である。フリー磁性膜20が第1及び第2磁性膜20a、20bで構成された場合にも全体厚さは5nm以下であることが望ましい。
フリー磁性膜20上に積層されたキャッピング膜22はエッチング工程でフリー磁性膜20を保護するための膜であって、例えばルテニウム膜である。
次いで、前記本発明のMTJセルの特性について説明する。
図9は、5Å(0.5nm)のCoFe膜及び30Å(3nm)のNiFe膜で構成されたフリー磁性膜を含む本発明のMTJセルよりなるアレイでのフェールビットの発生程度を示す。
図9と従来例を示す図5とを比較すると、本発明のMTJセルよりなるアレイでのフェールビットの発生程度がかなり低いことが分かる。これは、本発明のMTJセルの大部分は正常にスイッチングされることを意味する。
図10及び図11は、それぞれ従来のMTJセル及び本発明のMTJセルの磁気抵抗特性曲線を示す。図10で参照符号P1、P2はボルテックスピンニングに起因した磁気抵抗特性曲線の歪曲された部分を表し、P3はエッジピンニングに起因した磁気抵抗特性曲線の歪曲された部分を表す。
図10と図11とを比較すると、図11には図10に現れる歪曲された部分P1、P2、P3が全く現れないことが分かる。このような結果は、本発明のMTJセルではエッジピンニングやボルテックスピンニングに起因したキンクの発生がないということを示す。
図12ないし図14は、MTJセルのARとフリー磁性膜の厚さとMTJセルのキンクとの相関関係を示す。図12ないし図14で参照符号A1はキンクのない領域であり、A2はキンクが存在する領域を表す。
まず、図12を参照すると、MTJセルのARが1である時、フリー磁性膜の厚さが5nm程度で、フリー磁性膜の磁気モーメント(Ms)が800emu/cm3(800×103A/m)程度であれば、MTJセルではキンクの発生がないということが分かる。そして、フリー磁性膜の厚さが、例えば3nm以下まで薄くなると、フリー磁性膜の磁気モーメント(Ms)が1000emu/cm3(1000×103A/m)より大きい場合であっても、MTJセルではキンクの発生がないことが分かる。
このような傾向は、MTJセルのARが1.5である時、キンクが発生しない領域とそうでない領域とを示す図13の場合にもそのまま当てはまる。
図14は、MTJセルのARが2である時、MTJセルにおいてキンクが発生しない条件を示す。
図14を参照すると、フリー磁性膜の厚さが5nmより大きい場合、MTJセルではキンクが発生する可能性があるということが分かる。
図12ないし図14に図示された結果から、図6ないし図8に図示したMTJセルでキンクが発生しないためには、フリー磁性膜20が前述した厚さ及び磁気モーメントを持つ物質膜であることが望ましく、MTJセルのARは2以下であることが望ましいということが分かる。
一方、本発明の実施例によるMRAM(以下、本発明のMRAM)は基板上に形成された通常のトランジスタ、例えば電界効果トランジスタ(Field Effect Transitor:FET)と、このトランジスタに連結された図6、図7または図8に図示したMTJセルと、これらを取り囲む層間絶縁膜とを含む。また、MTJセルは、データを記録する際に使われるデータラインを含んでもよい。
MTJセルは前述した通りであり、その他の要素は公知であるため、本発明のMRAMの構成についてさらなる説明は省略する。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態として解釈されなければならない。例えば、当業者であれば前述したようなフリー磁性膜の厚さ及び磁気モーメントを満足しながらも前述した物質膜以外の物質膜でフリー磁性膜を形成することも可能である。また、フリー磁性膜を3重膜で形成することもできる。したがって、本発明の範囲は前述した実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められなければならない。
本発明はコンピュータの記憶装置、各種デジタル製品(例、デジタルカメラ、カムコーダ、携帯電話、PDA、GPS、デジタルTV、冷蔵庫、MP3、光ディスクプレーヤーなど)に利用できる。
従来のMRAMにデータを記録する過程でMTJセルのフリー磁性膜に発生するエッジピニングを示す図面である。 図1に図示されたエッジピンニングによるMTJセルの磁気履歴特性の変化を示すグラフである。 従来のMRAMにデータを記録する過程でMTJセルのフリー磁性膜に発生するボルテックスピンニングを示す図面である。 図3に図示されたボルテックスピンニングによるMTJセルの磁気履歴特性の変化を示すグラフである。 従来のMRAMに対するデータ記録過程でMTJセルのスイッチング分布を示す分布図である。 本発明の実施例によるMRAMのMTJセルの断面図である。 図6に図示したMTJセルでフリー磁性膜が二つの磁性膜を含む場合を示す断面図である。 図6に図示したMTJセルでフリー磁性膜が二つの磁性膜を含み、ピンド膜がSAF膜よりなる場合を示す断面図である。 本発明のMRAMにデータを記録する過程でMTJセルのスイッチング分布を示す分布図である。 従来のMTJセルに対する磁気抵抗特性を示すグラフである。 本発明のMTJセルに対する磁気抵抗特性を示すグラフである。 MTJセルのARとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないMTJセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。 MTJセルのARとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないMTJセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。 MTJセルのARとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないMTJセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。
符号の説明
10 パッド導電層(下部電極)
12 シード膜
14 ピンニング膜
16 ピンド膜
18 トンネリング膜
20 フリー磁性膜
22 キャッピング膜

Claims (15)

  1. 下部電極及び前記下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含むMTJセルにおいて、
    前記上部磁性膜は厚さが5nm以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするMTJセル。
  2. 前記フリー磁性膜は磁気モーメントが800×103A/m以下の磁性膜を備えることを特徴とする請求項1に記載のMTJセル。
  3. 前記MTJセルの縦横比は2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のMTJセル。
  4. 前記フリー磁性膜は磁気モーメントが400×103A/mより小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが600×103A/mより小さな非晶質遷移金属化合物膜及びFeTb膜のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項2に記載のMTJセル。
  5. 前記フリー磁性膜は順次に積層されたCoFe膜及びNiFe膜を含むことを特徴とする請求項1に記載のMTJセル。
  6. 前記フリー磁性膜は前記トンネリング膜との間に、前記磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに具備することを特徴とする請求項2に記載のMTJセル。
  7. 前記フィルタリング膜はCoFe膜であることを特徴とする請求項6に記載のMTJセル。
  8. 前記下部磁性膜は順次に積層されたピンニング膜及びSAF膜を含むことを特徴とする請求項1に記載のMTJセル。
  9. トランジスタと、前記トランジスタに連結されたMTJセルと、前記トランジスタ及び前記MTJセルを取り囲む層間絶縁膜と、を含む磁気RAMにおいて、
    前記MTJセルの縦横比は2以下であることを特徴とする磁気RAM。
  10. 前記MTJセルは厚さが5nm以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とする請求項9に記載の磁気RAM。
  11. 前記フリー磁性膜は磁気モーメントが800×103A/m以下の磁性膜を備えることを特徴とする請求項10に記載の磁気RAM。
  12. 前記フリー磁性膜は磁気モーメントが400×103A/mより小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが600×103A/mより小さな非晶質遷移金属化合物膜及びFeTb膜のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項11に記載の磁気RAM。
  13. 前記フリー磁性膜は順次に積層されたCoFe膜及びNiFe膜を含むことを特徴とする請求項10に記載の磁気RAM。
  14. 前記フリー磁性膜は前記磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の磁気RAM。
  15. 前記フィルタリング膜はCoFe膜であることを特徴とする請求項14に記載の磁気RAM。


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