JP2009194393A - 磁気抵抗素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に下部電極膜を形成する工程と、下部電極膜上に、磁化の向きが固着された磁化固着層となる第1磁性層と、トンネルバリア層と、磁化の向きが可変の磁化自由層となる第2磁性層との積層構造を有する積層膜を形成する工程と、積層膜上に第1上部電極膜を形成する工程と、第1上部電極膜をパターニングし、第1上部電極を形成する工程と、第1上部電極をマスクとして積層膜の第2磁性層までをパターニングする工程と、第1上部電極を覆うように絶縁膜を形成する工程と、第1上部電極の上面を露出させる工程と、第1上部電極を覆うように第2上部電極膜を形成する工程と、第2上部電極膜をパターニングし、第2上部電極を形成する工程と、第2上部電極をマスクとして下部電極膜までを自己整合的に加工する工程と、を備えている。
【選択図】図14
Description
本発明の第1実施形態による磁気抵抗素子を説明する前に、第1実施形態の磁気抵抗素子を発明するに至った経緯を説明する。
なお、グラフg1は、電子を磁化固着層から磁化自由層へ注入した際の、磁化自由層の磁化の向きが磁化固着層に対して平行→反平行に変化するときのスイッチング磁界をプロットしたものであり、グラフg2は、磁化自由層の磁化の向きが反平行→平行に変化するときのスイッチング磁界をプロットしたものである。また、グラフg3は、磁化自由層から磁化固着層へ電子を注入した場合の、磁化自由層の磁化の向きが平行→反平行に変化するときのスイッチング磁界をプロットしたものであり、グラフg4は、磁化自由層の磁化の向きが反平行→平行に変化するときのスイッチング磁界をプロットしたものである。
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリを図8乃至図13を参照して説明する。
本実施形態に磁気メモリは、図8に示すようにマトリクス状に配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、磁気抵抗素子1Aと、選択トランジスタ20と、列毎に設けられたビット線BLおよびソース線SLと、行毎に設けられたワード線WLとを備えている。磁気抵抗素子1の一端は対応する列のビット線BLに接続され、他端は同じメモリセルの選択トランジスタ20のドレインに接続される。選択トランジスタ20のゲートは対応する行のワード線WLに接続される。また、同一列の隣接する2組のメモリセルの選択トランジスタ20のソースが共通に接続されて、対応する列のソース線SLに接続される。
磁化自由層10から上部電極14までの積層膜は、下部電極2から第1トンネルバリア層8までの積層膜よりも膜面面積が小さくなるように構成されている。また、上部電極14は、対応するビット線BLに接続されている。また、本実施形態においては、図10に示すように、磁化自由層10とプラグ45とのそれぞれの中心を結ぶ線は、ビット線BLまたは磁化固着層6の長軸方向に平行となっている。
これらの制限から、書き込み電圧は0.4V以上で設計する必要がある。
log(Ra)= 4.18×d−2.09
すなわち、 Ra=104.18×d−2.09
が得られる。ここで、二つのトンネル接合の面積が同じ場合、抵抗比はRaの比となる。
第1トンネルバリア層8の膜厚をd1、第2トンネルバリア層12の膜厚をd2とすると、
104.18×d1−2.09/104.18×d2−2.09=1/4
となる。すなわち、
104.18×(d1−d2)=1/4
となり、
d1−d2≒0.14
が得られる。
本実施形態に係る磁気抵抗素子1Aは、第1実施形態と同様に、磁化自由層の両側にトンネルバリア層を備える構成を有しているので、正負どちらの電流方向においても磁化自由層にトンネルバリア層を介して、高エネルギーの電子を注入することが可能となり、磁化反転の際の反転電流をより低減することができる。
磁化固着層6と下部電極2に流れる電流磁界が磁化自由層10の磁化反転を助けることができる。例えば、図13に示すような構成にすることにより、ビット線BLに正の電圧を印加し、ビット線BLから電流を、磁気抵抗素子1Aを介してプラグ45に流すと、図13の矢印に示す方向に主に電流が流れる。この電流によって下部電極2上に生じる磁界の向きは、矢印の方向となる。元々スピン角運動量移動による反転を引き起こす力は、基本的に磁気抵抗素子内で無秩序な方向の力であるため、効率が悪いことが知られている。したがって、上記矢印の方向の磁界によって磁化自由層10の磁化の方向と90度直交する磁界の成分が生じ、この成分によって磁化自由層10の磁化方向と90度直交する磁界をアシストすることで、反転する際の方向が揃い、反転電流を下げることが可能となる。ここで重要なことは磁化自由層10の磁化の方向と90度直交する磁界をアシストすることである。図13に示すように磁気抵抗素子の中心(図13では、磁化自由層10の中心)と下部のトランジスタにつなぐためのプラグ45の中心とを結ぶ線を、磁化固着層の磁化の方向に対して傾ける角度は、本発明者達の実験によれば、0度〜45度が好ましかった。上記のように作製した磁気抵抗素子は、反転電流が低減し、バラツキも少なく、メモリとして良好に動作させることができた。
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリを、図14乃至図17(b)を参照して説明する。本実施形態の磁気メモリは、第2実施形態の磁気メモリと基本的な構成が同じであるため、変更した部分のみ説明する。大きく変更した部分は二点である。第1の点は、磁気抵抗素子の第2トンネルバリア層12の材料としてMgOを用いたこと、第2の点は、磁気抵抗素子の微細化を行ったことである。
本実施形態での研磨レートはSiO2でおおよそ、20nm/分であるため、おおよそ1.5分研磨することで、上部電極14の上面を露出することができた(図14(b)参照)。
本発明の第4実施形態の磁気抵抗素子を、図18を参照して説明する。第1乃至第3実施形態に係る磁気抵抗素子は、磁化固着層6および磁化自由層10の磁化の方向は、膜面に平行であった。これに対して本実施形態の磁気抵抗素子は、磁化固着層6Aおよび磁化自由層10Aとして、磁化の方向を膜面に対して垂直な方向へ磁化させたいわゆる垂直磁化材料を用いた構成となっている。したがって、本実施形態の磁気抵抗素子は、下部電極2と、磁化固着層6Aと、第1トンネルバリア層8と、磁化自由層10Aと、第2トンネルバリア層13と、上部電極14を備えており、第1乃至第3実施形態に係る磁気抵抗素子とは反強磁性層を備えていない点で異なっている。
次に、本発明の第5実施形態による磁気抵抗素子を説明する。本実施形態の磁気抵抗素子は、第4実施形態の磁気抵抗素子とは、磁化固着層6Aおよび磁化自由層10Aの垂直磁化材料が異なっている。本実施形態の磁気抵抗素子は以下の構成となっている。選択トランジスタ等を形成した基板上に、下部電極として膜厚が10nmのTa層と、TbCoFe系合金からなる膜厚が10nmの磁化固着層と、界面層として膜厚1nmのCo層と、第1トンネルバリア層として膜厚が0.7nmのMgO層、磁化自由層として膜厚が1nmのCo層および膜厚が3nmのTbCoFe層との積層膜と、第2トンネルバリア層として膜厚0.6nmのMgO層と、を堆積し、続いて、キャップ層兼上部電極として膜厚が80nmのTi層を積層し、以降は第4実施形態例と同様に磁気抵抗素子を完成させた。
次に、本発明の第6実施形態による磁気抵抗素子を説明する。本実施形態の磁気抵抗素子は、スピントルクを発生する第1トンネルバリア層の面積を大きくした構成となっている。磁化自由層(記憶層)にCoFe(B)やNiFe等の軟磁性材料を用いたスピン注入型の磁気抵抗素子の場合、スイッチング電流は、磁気抵抗素子の熱擾乱耐性を表す熱擾乱指数に比例する。したがって、磁気抵抗素子に必要な熱擾乱指数が決まると電流がおのずと決まる。
この後、磁化固着層6の磁化の向きを固着し、磁化固着層6と、第1トンネルバリア層との界面のCoFe層の結晶性を向上させるため、磁界中において360℃でアニールを行った。
次に、本発明の第7実施形態による磁気抵抗素子を図22(a)乃至図23(c)を参照して説明する。
1A 磁気抵抗素子
1B 磁気抵抗素子
2 下部電極
4 反強磁性層
6 磁化固着層
8 第1トンネルバリア層
10 磁化自由層(記憶層)
12 第2トンネルバリア層
13 第2トンネルバリア層
14 上部電極
Claims (1)
- 基板上に下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に、磁化の向きが固着された磁化固着層となる第1磁性層と、トンネルバリア層と、磁化の向きが可変の磁化自由層となる第2磁性層との積層構造を有する積層膜を形成する工程と、
前記積層膜上に第1上部電極膜を形成する工程と、
前記第1上部電極膜をパターニングし、第1上部電極を形成する工程と、
前記第1上部電極をマスクとして前記積層膜の前記第2磁性層までをパターニングする工程と、
前記第1上部電極を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
前記第1上部電極の上面を露出させる工程と、
前記第1上部電極を覆うように第2上部電極膜を形成する工程と、
前記第2上部電極膜をパターニングし、第2上部電極を形成する工程と、
前記第2上部電極をマスクとして前記下部電極膜までを自己整合的に加工する工程と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
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