JP2009194398A - 磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、基板の上方に形成された第1の強磁性層102と、前記第1の強磁性層の上方に形成された第2の強磁性層104と、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に設けられ、金属酸化物で形成された絶縁層207と、前記絶縁層と前記第2の強磁性層との間に設けられ、前記絶縁層の前記第2の強磁性層側の面に接し、前記金属酸化物を構成する金属元素と同じ金属元素を含有する非磁性金属層208とを具備する。
【選択図】 図3
Description
本発明者等は、本発明の開発の過程において、磁気抵抗効果素子(MTJ素子)のトンネルバリア層について、定電圧ストレス下におけるバリア抵抗のストレス印加時間の依存性について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。
図2は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の記憶セル近傍の構造の断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子とその周囲の構造について説明する。尚、本図は、例えば、磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリのような磁気記憶装置に適用した場合の一部断面図である。
図4は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程における成膜条件を示す。本図において、「MgO上Mg」又は「上Mg」は例えば図3におけるMgからなる金属層208に対応し、「MgO」は例えば図3におけるMgOからなる絶縁層207に対応し、「下Mg」は例えば図3におけるMgからなる金属層206に対応し、「下CoFeB」は例えば図3におけるCo−Fe−Bからなる強磁性層205に対応し、「上CoFeB」は例えば図3におけるCo−Fe−Bからなる強磁性層209に対応している。
図5A乃至図5Cは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法例1の製造工程の断面図を示す。この製造方法例1は、図4の成膜条件(2)を用いたものである。
図6A乃至図6Fは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法例2の製造工程の断面図を示す。この製造方法例2は、図4の成膜条件(8)を用いたものである。
図7A乃至図7Dは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を有する磁気記憶装置の製造工程の断面図を示す。これらの図は、図2の構造の製造工程図に対応する。以下に、上述する磁気抵抗効果素子の成膜工程以降の周辺の製造方法について説明する。
図8A乃至図8Cは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比及び絶縁破壊寿命に対するMgO上Mg膜厚の依存性を説明するための図を示す。ここでは、図5A乃至図5Cに示す製造方法例1を用いてMgOからなる絶縁層207上にMgからなる金属層208を形成した磁気抵抗効果素子100と、参考のために図1(b)に示す参考例2の磁気抵抗効果素子とを用いている。各図において、「MgO上Mg」又は「上Mg」は例えば図3におけるMgからなる金属層208に対応し、「MgO」は例えば図3におけるMgOからなる絶縁層207に対応し、「下Mg」は例えば図3におけるMgからなる金属層206に対応し、「下CoFeB」は例えば図3におけるCo−Fe−Bからなる強磁性層205に対応し、「上CoFeB」は例えば図3におけるCo−Fe−Bからなる強磁性層209に対応している。
図9A及び図9Bは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比及び絶縁破壊寿命に対する成膜条件の依存性を説明するための図を示す。ここでは、図4に示す成膜条件を用いている。本図において、「MgO上Mg」又は「上Mg」は例えば図3におけるMgからなる金属層208に対応し、「MgO」は例えば図3におけるMgOからなる絶縁層207に対応し、「下CoFeB」は例えば図3におけるCo−Fe−Bからなる強磁性層205に対応している。
図10(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMgO上Mgによる効果を説明するための図を示す。
効果1としては、図10(a)に示すように、MgOからなる絶縁層207上にMgからなる金属層208を成膜することにより、成膜後のアニール時にO原子が絶縁層207から強磁性層209へ拡散することに伴って強磁性層209が酸化されることを防止できる。これにより、磁気抵抗比の低下や、伝導電子からのエネルギー放出によるトラップ源の形成が抑制できる。
効果2としては、図10(b)に示すように、Mgからなる金属層208の成膜後のアニール時にMgOからO原子が拡散し、金属層208がMg−rich MgO層に変化すると考えられる。このMg−rich MgO層とは、通常のMgOよりもMgが多く含有された層である。尚、ここでは、金属層208がMgからMg−rich MgO層に変化した例にあげるが、このときも、例えばMgからなる金属層208の膜厚が厚い場合やMgO中の酸素濃度が低い場合等により、Mg−rich MgO層上にMg層を残すこともできる。
上述する磁気抵抗効果素子100は、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子として使用することが可能である。磁気ランダムアクセスメモリでは、上述する磁気抵抗効果素子を備えたメモリセルが複数個設けられ、メモリセルアレイが形成される。
本発明の一実施形態の磁気抵抗効果素子100によれば、例えばMgOからなる絶縁層207上に例えばMgからなる金属層208が設けられている。また、中間層103の最下層(金属層206)の形成前に磁化固着層102の最上層(強磁性層205)の表面を平滑化処理している。また、絶縁層207の表面に酸化雰囲気処理を行った後に、この表面上に金属層208を形成している。
前記第1の強磁性層の上方に形成された第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に設けられ、金属酸化物で形成された絶縁層と、
前記絶縁層と前記第2の強磁性層との間に設けられ、前記絶縁層の前記第2の強磁性層側の面に接し、前記金属酸化物を構成する金属元素と同じ金属元素を含有する第1の非磁性金属層と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
をさらに具備することを特徴とする[1]に記載の磁気抵抗効果素子。
前記第1の強磁性層の上方に金属酸化物で形成された絶縁層を堆積する工程と、
前記絶縁層上に前記金属酸化物を構成する金属元素と同じ金属元素を含有する第1の非磁性金属層を形成する工程と、
前記第1の非磁性金属層上に第2の強磁性層を形成する工程と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
前記[6]乃至[9]のいずれか1つに記載の前記磁気抵抗効果素子の製造方法を用いて前記磁気抵抗効果素子を前記下部配線層上にメモリセルの記憶素子として形成する工程と、
前記磁気抵抗効果素子上に上部配線層を形成する工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
Claims (5)
- 基板の上方に形成された第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層の上方に形成された第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に設けられた第1のMgO層と、
前記第1のMgO層と前記第2の強磁性層との間に設けられ、前記第1のMgO層の前記第2の強磁性層側の面に接し、前記第1のMgO層よりMgが多く含有された第2のMgO層と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第1のMgO層と前記第1の強磁性層との間に設けられ、前記第1のMgO層の前記第1の強磁性層側の面に接し、前記第1のMgO層よりMgが多く含有された第3のMgO層と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第2、第3のMgO層のMg存在比は、前記第1のMgO層のMg存在比の1.001倍以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第2のMgO層の厚さは、0.2nmから2nmであることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記請求項1乃至4のいずれか1項に記載の前記磁気抵抗効果素子を記憶素子として備えたメモリセルを具備することを特徴とする磁気記憶装置。
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