JP2009253303A - Mtj素子およびその形成方法、stt−ramの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MTJ素子11は、下部電極10の側から、下部積層体111と上部積層体112とを順に備える。下部積層体111は、シード層51、リファレンス層33、トンネルバリア層34を順に含むものである。上部積層体112は、積層面に沿った占有面積が下部積層体111よりも小さく、フリー層40、キャップ層38、ハードマスク39を順に含むものである。リファレンス層33は、非磁性金属からなる挿入層33Cと、磁性層33Aとから構成される2層構造を有する。磁性層33Aは、積層面内における磁化容易軸(X軸方向)に沿って固定された磁化方向を有する自己ピンド層である。フリー層40は、下部強磁性層35と、NCC層36と、上部強磁性層37とが順に積層された複合体である。
【選択図】図2
Description
(a)フリー層の磁化およびそのスイッチング動作が十分に(適切に)制御されていること。
(b)十分に制御され、大きな交換磁場および高い熱安定性を有するピンド層の磁化が十分に(適切に)制御されていること。
(c)トンネルバリア層が十分な品質および完全性(integrity)を有すること。
接合抵抗Rと形成面積Aとの積で表される面積抵抗RAの特定値や、高い破壊電圧Vbなどによって特徴づけられる良好なバリア特性を得るためには、反強磁性ピンニング層やピンド層における平滑かつ緻密な結晶成長によって促進される、ピンホールの無い均質なトンネルバリア層が必要である。磁化容易軸方向および磁化困難軸方向の双方における寸法が1μm以下の(すなわち、形成面積Aが1μm2 以下の)MTJ素子においては、そのRA値は、比較的小さく(例えば2000Ω×μm2 未満)とすべきである。さもないと、接合抵抗Rが大きくなりすぎてしまうため、そのMTJ素子と接続されるトランジスタとの整合性(トランジスタの比抵抗のマッチング)に支障を来すからである
(eは電子電荷、αはギルバート減衰係数、Msはフリー層の飽和磁化、tFはフリー層の膜厚、Haは外部磁場、Hkは異方性磁場、2・π・Msはフリー層の減磁場、hはプランク定数、ηはスピン偏極率である。)
一方の側の強磁性層では磁化が固定されているので、他方の側の磁化は、以下の式(2)で表される面内トルク(in-plane)Tを受けることとなる。
(hはプランク定数、PL はトンネル偏極因子、J0 は電流密度、eは電子電荷、θはトンネルバリア層を挟む強磁性層の磁化の相対角である。)
(Vは磁気ボリュームであり、それは熱の安定性を示す関数(Ku・V/kb・T)に関連するものである。そして、それは熱的に誘導された変動に対する磁化の安定性を支配するものである。Kuは、磁気異方性エネルギーであり、kbはボルツマン定数である。
図1は、本発明における第1の実施の形態としての、スピントランスファートルク(STT)を利用したランダムアクセスメモリ(STT−RAM)を構成するメモリセル1の断面構成を表す概略図である。
次に、本発明における第2の実施の形態としてのSTT−RAMについて説明する。このSTT−RAMは、MTJ素子11の代わりに図8に示したMTJ素子11Aを採用したことを除き、上記第1の実施の形態におけるSTT−RAMと同様の構造を有している。以下、図8を参照して、MTJ素子11Aについて説明する。図8は、MTJ素子11Aの断面構成を表している。
次に、図9を参照して、本発明における第3の実施の形態としてのSTT−RAMに用いられるMTJ素子11Bについて説明する。図9は、MTJ素子11Bの断面構成を表している。
次に、図10を参照して、本発明における第3の実施の形態としてのSTT−RAMに用いられるMTJ素子11Cについて説明する。図10は、MTJ素子11Cの断面構成を表している。
下部電極:「Ta\Ru(20nm厚)\α−Ta(10nm厚)」
シード層:「NiCr(4.5nm厚)」
AFM層:「MnPt(15nm厚)」
SyAFピンド層:「Co75 Fe25 (2.3nm厚)\Ru7.5 (0.75nm厚)\Co40 Fe40 B20 (1.5nm厚)\Co75 Fe25 (0.6nm厚)」
トンネルバリア層:「MgO(NOX)」
フリー層:「CoFeB(1.4nm厚)\FeSiO(1.0nm厚)\CoFeB(0.6nm厚)」
キャップ層:「Ru(厚みは表1に記載)」
ハードマスク:「Ta(3nm厚)\Ru(10nm厚)」
Claims (27)
- 基体上に、
前記基体の側から順にシード層、複合リファレンス磁性層、トンネルバリア層を有する第1の積層体と、
前記第1の積層体の側から順に、複合フリー層、ルテニウム(Ru)からなるキャップ層、ハードマスクを有し、積層面に沿った占有面積が前記第1の積層体よりも小さな第2の積層体と
を備え、
前記複合リファレンス磁性層は、積層面内における磁化容易軸に沿って固定された磁化方向を有する磁性層と、前記磁性層の減衰定数を高める挿入層とを含み、
前記複合フリー層は、第1の強磁性(FM1)層とナノ電流路(NCC)層と第2の強磁性(FM2)層とを順に含み、
前記ナノ電流路層は、鉄(Fe),ニッケル(Ni),コバルト(Co)もしくは硼素(B)の粒子を含むケイ素酸化物またはケイ素窒化物であり、
前記第1の強磁性層および第2の強磁性層は、前記磁性層よりも低い減衰定数を有すると共に前記複合リファレンス磁性層よりも薄い厚みを有する
MTJ素子。 - 前記下部電極は、タンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層とタンタル(Ta)層との3層構造、もしくは単層のタンタル層からなり、前記第1の積層体と同一の形状を有する
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記複合リファレンス磁性層における挿入層は、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)からなり、
前記複合リファレンス磁性層における磁性層は、前記トンネルバリア層と接しており、コバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金からなる
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記複合リファレンス磁性層は、前記挿入層を一対の前記磁性層によって挟むようにした3層構造を有し、
前記一対の磁性層は、いずれもコバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体、またはそれらの合金からなり、
前記挿入層は、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)からなる
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記複合リファレンス磁性層は、一対の前記磁性層と、その間に結合層と前記挿入層とが順に設けられた4層構造を有し、
前記一対の磁性層は、いずれもコバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金からなり、
前記挿入層は、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)からなり、
前記結合層は、ルテニウム(Ru),ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)からなる非磁性層である
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記ナノ電流路層は、FeSiOまたはFeSiNからなり、
前記磁性層は、CoFeB,CoFe,FeBまたは鉄(Fe)からなる
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記第1の積層体は、前記第2の積層体の4倍以上9倍以下の占有面積を有し、
前記複合リファレンス磁性層における磁性層は、前記第1の強磁性層および第2の強磁性層の合計の厚みの2倍以上の厚みを有する
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記キャップ層は、0.5nm(5Å)以上1.5nm(15Å)以下の厚みを有し、
前記ハードマスクは、タンタル(Ta),窒化タンタル(TaN),チタン(Ti)または窒化チタン(TiN)からなる
請求項1記載のMTJ素子。 - 前記第2の積層体の端面は、保護膜によって覆われている請求項1記載のMTJ素子。
- 基体の上に、
前記基体の側から順にシード層、複合シンセティック反強磁性(SyAF)リファレンス層、トンネルバリア層を有する第1の積層体と、
前記第1の積層体の側から順に、複合フリー層、ルテニウム(Ru)からなるキャップ層、ハードマスクを有する第2の積層体と
を備え、
前記第1の積層体における積層面に沿った占有面積は、前記第2の積層体における積層面に沿った占有面積の9倍以下であり、
前記複合シンセティック反強磁性リファレンス層は、第1および第2のピンド層と、結合層と、前記第1および第2のピンド層のうちの少なくとも一方における減衰定数を高める挿入層とを含み、
前記第1のピンド層は、前記トンネルバリア層と接すると共に積層面内における磁化容易軸に沿って固定された磁化方向を有し、
前記複合フリー層は、第1の強磁性(FM1)層とナノ電流路(NCC)層と第2の強磁性(FM2)層とを順に含み、
前記ナノ電流路層は、鉄(Fe),ニッケル(Ni),コバルト(Co)もしくは硼素(B)の酸化物または窒化物であり、
前記第1の強磁性層および第2の強磁性層は、前記第1および第2のピンド層よりも低い減衰定数を有すると共に前記複合シンセティック反強磁性リファレンス層よりも厚みが薄いものである
MTJ素子。 - 前記下部電極は、タンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層とタンタル(Ta)層との3層構造、もしくは単層のタンタル層からなり、前記第1の積層体と同一の形状を有する
請求項10記載のMTJ素子。 - 前記複合シンセティック反強磁性リファレンス層は、前記挿入層と、前記第2のピンド層と、前記結合層と、前記第1のピンド層とが順に積層された4層構造を有し、
前記第1および第2のピンド層は、コバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金からなり、
前記挿入層は、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)からなり、前記第2のピンド層における減衰定数を高めるものであり、
前記結合層は、ルテニウム(Ru),ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)からなる
請求項10記載のMTJ素子。 - 前記複合シンセティック反強磁性リファレンス層は、前記第2のピンド層と、前記結合層と、前記挿入層と、前記第1のピンド層とが順に積層された4層構造を有し、
前記第1および第2のピンド層は、コバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金からなり、
前記挿入層は、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)からなり、前記第1のピンド層における減衰定数を高めるものであり、
前記結合層は、ルテニウム(Ru),ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)からなる
請求項10記載のMTJ素子。 - 前記ナノ電流路層は、FeSiOまたはFeSiNからなり、
前記第1および第2の強磁性層は、CoFeB,CoFe,FeBまたは鉄(Fe)からなる
請求項10記載のMTJ素子。 - 前記キャップ層は、0.5nm(5Å)以上1.5nm(15Å)以下の厚みを有し、
前記ハードマスクは、タンタル(Ta),窒化タンタル(TaN),チタン(Ti)または窒化チタン(TiN)からなる
請求項10記載のMTJ素子。 - 前記第2の積層体の端面は、保護膜によって覆われている請求項10記載のMTJ素子。
- 基体上に、シード層と、積層面内における磁化容易軸に沿って固定された磁化方向を有する磁性層、および前記磁性層の減衰定数を高める挿入層を含む複合リファレンス層と、トンネルバリア層と、第1の強磁性(FM1)層、鉄(Fe),ニッケル(Ni),コバルト(Co)もしくは硼素(B)の粒子を含むケイ素酸化物またはケイ素窒化物からなるナノ電流路(NCC)層、第2の強磁性(FM2)層を順に含む複合フリー層と、キャップ層と、ハードマスクとを順に積層してMTJ積層体を形成する工程と、
前記複合フリー層、キャップ層およびハードマスクを選択的にパターニングすることにより前記トンネルバリア層を露出させ、上部積層体を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上面ならびに前記上部積層体の端面および上面を覆うように保護膜を形成する工程と、
前記保護膜のうち前記上部積層体の端面を覆う部分を残しつつ、前記トンネルバリア層、複合リファレンス層およびシード層をパターニングすることにより、積層面に沿った占有面積が前記上部積層体よりも大きな下部積層体を形成する工程と
を含むMTJ素子の形成方法。 - 前記下部積層体を、前記上部積層体の4倍以上9倍以下の占有面積を有するように形成すると共に、
前記複合リファレンス磁性層における磁性層を、その厚みが前記第1の強磁性層および第2の強磁性層の合計の厚みの2倍以上となるように形成することにより、前記磁性層が前記複合フリー層よりも大きな保磁力および形状磁気異方性を有するようにする
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記下部積層体を、前記上部積層体と等しい占有面積を有するように、または前記上部積層体の1.2倍以下の占有面積を有するように形成し、
前記複合リファレンス磁性層における磁性層を、その厚みが前記第1の強磁性層および第2の強磁性層の合計の厚みの2倍以上3倍以下となるように形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記トンネルバリア層を、
前記複合リファレンス層の上に第1のマグネシウム(Mg)層を形成したのち、その第1のマグネシウム層を自然酸化法により酸化して酸化マグネシウム(MgO)層を形成し、さらにその酸化マグネシウム層の上に第2のマグネシウム層を形成することにより得る
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記保護層を、窒化ケイ素により形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記ナノ電流路層を、FeSiOまたはFeSiNを用いて0.8nm(8Å)以上1.5nm(15Å)以下の厚みとなるように形成し、
前記第1および第2の強磁性層を、CoFeB,CoFe,FeBまたは鉄(Fe)を用いて形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記キャップ層を、ルテニウム(Ru)を用いて0.5nm(5Å)以上1.5nm(15Å)以下の厚みとなるように形成し、
前記ハードマスクを、タンタル(Ta),窒化タンタル(TaN),チタン(Ti)または窒化チタン(TiN)を用いて形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記複合リファレンス層における挿入層を、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)を用いて形成し、
前記複合リファレンス層における磁性層を、コバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金を用いて前記トンネルバリア層と接するように形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記複合リファレンス層を、前記挿入層を一対の前記磁性層によって挟むようにした3層構造とし、
前記一対の磁性層を、いずれもコバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金を用いて形成し、
前記挿入層を、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)を用いて形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 前記複合リファレンス磁性層を、一対の前記磁性層と、その間に結合層と前記挿入層とを順に設けるようにした4層構造とし、
前記一対の磁性層を、いずれもコバルト(Co),鉄(Fe),ニッケル(Ni)および硼素(B)の単体またはそれらの合金を用いて形成し、
前記挿入層を、テルビウム(Tb),ガドリニウム(Gd),白金(Pt),パラジウム(Pd),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),オスミウム(Os),ニオブ(Nb),ロジウム(Rh)またはルテニウム(Ru)を用いて形成し、
前記結合層を、ルテニウム(Ru),ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)を用いて形成する
請求項17記載のMTJ素子の形成方法。 - 基板上に下部導線を形成する工程と、
前記下部導線の上に、シード層と、積層面内における磁化容易軸に沿って固定された磁化方向を有する磁性層、および前記磁性層の減衰定数を高める挿入層を含む複合リファレンス層と、トンネルバリア層と、第1の強磁性(FM1)層、鉄(Fe),ニッケル(Ni),コバルト(Co)もしくは硼素(B)の粒子を含むケイ素酸化物またはケイ素窒化物からなるナノ電流路(NCC)層、第2の強磁性(FM2)層を順に含む複合フリー層と、キャップ層と、ハードマスクとを順に積層してMTJ積層体を形成する工程と、
前記複合フリー層、キャップ層およびハードマスクを選択的にパターニングすることにより前記トンネルバリア層を露出させ、上部積層体を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上面ならびに前記上部積層体の端面および上面を覆うように保護膜を形成する工程と、
前記保護膜のうち前記上部積層体の端面を覆う部分を残しつつ、前記トンネルバリア層、複合リファレンス層およびシード層を選択的にパターニングすることにより、積層面に沿った占有面積が前記上部積層体よりも大きな下部積層体を形成する工程と、
前記下部積層体および上部積層体の周囲を埋めるように誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層と前記ハードマスクとが共通平面を形成するように前記誘電体層を平坦化したのち、前記共通平面に沿って延在し、前記ハードマスクの上面と接する上部導線を形成する工程と
を含むSTT−RAMの製造方法。
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