JP2011129933A - 垂直磁気トンネル接合構造体並びにそれを含む磁性素子、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直磁気トンネル接合構造体並びにそれを含む磁性素子、及びその製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明の垂直磁気トンネル接合は、上部磁性層及び下部磁性層のうちいずれか１層の磁性層に自由層を含み、トンネリング層と自由層との間に、分極強化層と交換遮断層とが積層されており、該交換遮断層は、非晶質の非磁性層であり、該分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であり、該非晶質非磁性層は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層、チタン・ベース非晶質合金層、パラジウム・ベース非晶質合金層、アルミニウム・ベース非晶質合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であり、また該非晶質非磁性層は、全体的には非晶質であるが、局所的にはナノ結晶構造を有するものでありうる。
【選択図】図３
【解決手段】本発明の垂直磁気トンネル接合は、上部磁性層及び下部磁性層のうちいずれか１層の磁性層に自由層を含み、トンネリング層と自由層との間に、分極強化層と交換遮断層とが積層されており、該交換遮断層は、非晶質の非磁性層であり、該分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であり、該非晶質非磁性層は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層、チタン・ベース非晶質合金層、パラジウム・ベース非晶質合金層、アルミニウム・ベース非晶質合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であり、また該非晶質非磁性層は、全体的には非晶質であるが、局所的にはナノ結晶構造を有するものでありうる。
【選択図】図３
Description
本発明は、磁性素子に係り、特に、垂直磁気トンネル接合構造体並びにそれを含む磁性素子、及びその製造方法に関する。
ＭＲＡＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）は、不揮発性を有し、高速動作が可能であり、高集積を期待することができる次世代不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）現象を利用してデータを書き込む。
既存の磁場（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を用いることによって情報を保存する一般的なＭＲＡＭの場合、サイズ縮小（ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）に困難がある。
最近紹介されているスピン電流（ｓｐｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）のスピン移行トルク（ＳＴＴ：ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）によって情報を保存するＳＴＴ−ＭＲＡＭの場合、サイズ縮小の困難を解決できると評価されている。
しかし、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁性層は、小サイズであるために、磁性層は、熱的揺動（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）現象を引き起こすことがある。
磁性層の熱的安定性は、ＫｕＶ／ＫＢＴに比例する。従って、磁気異方性エネルギーＫｕ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が大きいほど、そして体積Ｖが大きいほど熱的に安定する。
これにより、５０ｎｍ以下のセルサイズを有する高集積ＭＲＡＭでは、大きな磁気異方性エネルギー（ｈｉｇｈ Ｋｕ）を有する垂直磁気異方性（ＰＭＡ：ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）物質が使われる。
ＰＭＡ物質を利用してＭＴＪ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造体を製作する場合、ＰＭＡ物質のスピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）値が水平磁気異方性（ＩＭＡ：ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）物質、例えば、ＣｏＦｅＢより低い。従って、ＰＭＡ物質／トンネリング膜（ｔｕｎｎｅｌ ｂａｒｒｉｅｒ）／ＰＭＡ物質の構造体では、実質的に大きなＴＭＲを期待し難いことが知られている。
このために、ＰＭＡ物質の大きな磁気異方性エネルギー（ｈｉｇｈ Ｋｕ）を利用しつつ、大きなＴＭＲを確保するために、分極強化層（ＰＥＬ：ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｌａｙｅｒ）をＰＭＡ物質層とトンネリング膜との間に挿入する技術が最近紹介されている。
本発明の一実施形態は、ＰＭＡ物質層を含むＭＴＪ構造体を提供することである。
本発明の一実施形態は、かようなＭＴＪ構造体を含む磁性素子を提供することである。
本発明の一実施形態は、かようなＭＴＪ構造体及び磁性素子の製造方法を提供することである。
本発明の一実施形態によるＭＴＪ構造体は、上部磁性層及び下部磁性層のうちいずれか１層の磁性層に自由層を含み、トンネリング層と自由層との間に、分極強化層（ＰＥＬ）と交換遮断層（ＥＢＬ）とが積層されている。前記交換遮断層は、非晶質の非磁性層でありうる。
前記分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方（ｂｃｃ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金層、またはそれらの複合層でありうる。
前記非晶質非磁性層は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層、チタン・ベース非晶質合金層、パラジウム・ベース非晶質合金層、アルミニウム・ベース非晶質合金層、またはそれらの複合層でありうる。また、前記非晶質非磁性層は、全体的には非晶質であるが、局所的には、ナノ結晶構造を有するものでありうる。
前記上部磁性層及び下部磁性層のうち、前記自由層を含まない磁性層は、前記トンネリング層と接触する他の分極強化層を含むことができる。
本発明の一実施形態による磁性素子は、スイッチング素子と、これに連結されて情報を保存するストレージ・ノードを含む磁気メモリ素子であり、前記ストレージ・ノードは、少なくとも前記交換遮断層を含む垂直ＭＴＪ構造体でありうる。
本発明の他の実施形態による磁性素子は、ＭＴＪ構造体を磁気ヘッドに含むＭＰＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｃｋｅｔ ｍｅｍｏｒｙ）であり、前記ＭＴＪ構造体は、少なくとも前記交換遮断層を含む垂直ＭＴＪ構造体でありうる。
本発明のさらに他の実施形態による磁性素子は、ＭＴＪ構造体を利用して論理演算を行う磁性論理素子（ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）であり、前記ＭＴＪ構造体は、少なくとも前記交換遮断層を含む垂直ＭＴＪ構造体でありうる。
本発明の一実施形態による垂直ＭＴＪ構造体の製造方法は、下部層上に下部磁性層を形成する段階、前記下部磁性層上に、トンネリング層を形成する段階、及び前記トンネリング層上に、上部磁性層を形成する段階を含み、前記下部磁性層を形成する段階と、前記上部磁性層を形成する段階とのうちいずれか１つの段階は、スピン分極電流によって磁化方向が変わり、垂直磁気異方性を示す自由層を形成する段階を含み、前記トンネリング層と前記自由層との間に、分極強化層（ＰＥＬ）と交換遮断層（ＥＢＬ）とを積層する。
かような製造方法において、前記自由層を含まない磁性層を形成する段階で、前記トンネリング層と接触する他の分極強化層を形成できる。
前記交換遮断層は、非晶質非磁性層から形成されうる。
前記分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ合金層、またはそれらの複合層から形成されうる。
本発明の一実施形態によるＭＴＪ構造体を利用すれば、スイッチング時間を短縮させることができる。すなわち、ＭＴＪ構造体のスピン・トルク・スイッチング（ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が速くなる。また、ＭＴＪ構造体の状態反転に必要なスピン電流を減らすことができる。これにより、該ＭＴＪ構造体を含む磁性素子、例えば、磁気メモリ素子の動作速度を速め、動作に必要な電流は、減らすことができる。併せて、分極強化層を具備することで、大きなＴＭＲを得ることができる。
以下、本発明の一実施形態による磁気トンネル接合（ＭＴＪ）並びにそれを含む磁性素子、及びその製造方法について、添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚みは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。
まず、本発明の一実施形態による垂直ＭＴＪ構造体について説明する。
その前に、図１及び図２について述べる。
図１は、分極強化層（ＰＥＬ）と垂直磁気異方性（ＰＭＡ）物質との交換相互作用（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）と、スイッチング時間（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ）との関係を示している。
図１で横軸は、スピン電流密度Ｊｅを示し、縦軸は、スイッチング時間ｔＳＷを示している。
図１で第１グラフ群Ｇ１は、（ａ）垂直ＭＴＪ構造体の分極強化層とＰＭＡ物質との交換相互作用Ａｅｘが所定の値である場合における、（ｂ）垂直ＭＴＪ構造体の磁化方向が固定された磁性層の磁化方向と、スピン電流によって磁化方向が自由に変化しうる自由層の磁化方向とが、反平行から平行に反転されるときのスイッチング時間を示している。第２グラフ群Ｇ２は、前記所定の交換相互作用で、前記磁化方向が固定された磁性層と前記自由層との磁化方向が、平行から反平行に反転されるときのスイッチング時間を示している。
第１グラフ群Ｇ１及び第２グラフ群Ｇ２で、第１グラフ（△）は、交換相互作用が０．８Ａｅｘである場合におけるスピン電流密度によるスイッチング時間を示し、第２グラフ（◇）は、交換相互作用が０．４Ａｅｘである場合における第３グラフ（□）は、交換相互作用が０．２Ａｅｘである場合における、第４グラフ（○）は、交換相互作用が０．１Ａｅｘである場合における、スピン電流密度によるスイッチング時間を示している。
図１を参照すれば、分極強化層とＰＭＡ物質層との交換相互作用の強さ、すなわち交換フィールド（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｆｉｅｌｄ）の強さが大きくなるほど、スピン・トルク（ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）によるスイッチング時間が長くなるということが分かる。これは、交換相互作用Ａｅｘの強さが弱いほど、垂直ＭＴＪ構造体で、スピン・トルクによるスイッチングがさらに良好に起こることを意味する。前記垂直ＭＴＪ構造体は、ＰＭＡ物質層を含むＭＴＪ構造体を意味する。
図２は、ＰＭＡ物質層／分極強化層／トンネリング膜／分極強化層／ＰＭＡ物質層の構造で、分極強化層の飽和磁化Ｍｓによるスピン・トルク・スイッチング特性を示している。
図２で横軸は、スピン電流密度Ｊｅを示し、縦軸は、スイッチング時間ｔＳＷを示している。
図２で第１グラフ群Ｇ１１は、垂直ＭＴＪ構造体の分極強化層のＭｓが所定の値であるとき、垂直ＭＴＪ構造体の磁化方向が固定された磁性層の磁化方向と、スピン電流によって磁化方向が自由に変化しうる自由層の磁化方向とが、反平行から平行に反転されるときのスイッチング時間を示している。また、第２グラフ群Ｇ２２は、前記所定のＭｓ値で、前記磁化方向が固定された磁性層と前記自由層との磁化方向が、平行から反平行に反転されるときのスイッチング時間を示している。
第１グラフ群Ｇ１１及び第２グラフ群Ｇ２２で、第１グラフ（△）は、分極強化層のＭｓ値が６００ｅｍｕ／ｃｍ３である場合における、スピン電流密度によるスイッチング時間を示し、第２グラフ（◇）は、分極強化層のＭｓ値が８００ｅｍｕ／ｃｍ３である場合における、第３グラフ（□）は、分極強化層のＭｓ値が１，０００ｅｍｕ／ｃｍ３である場合における、スピン電流密度によるスイッチング時間を示している。
図２を参照すれば、分極強化層のＭｓ値が大きくなるほど、スピン・トルク・スイッチングが速くなることが分かる。従って、Ｍｓ値の大きな分極強化層が、スピン・トルク・スイッチングに対してさらに有利であることが分かる。
図１及び図２の結果を参照すれば、Ｍｓ値が大きな分極強化層を使用し、かような分極強化層とＰＭＡ物質層との交換相互作用を減らすことができる垂直ＭＴＪ構造体で、スピン・トルク・スイッチングがさらに良好に起こるものと見られる。
図３は、図１及び図２の結果を基に形成したものであり、本発明の一実施形態による垂直ＭＴＪ構造体を示している。
図３を参照すれば、第１ＭＴＪ構造体Ｃ１は、順次に積層された下部磁性層Ｌ１、トンネリング層３４及び上部磁性層Ｕ１を含む。下部磁性層Ｌ１は、シード層２０、並びにその上に順次に積層されたピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）層２２、ピンド（ｐｉｎｎｅｄ）層２４及び第１分極強化層３２を含むことができる。ピニング層２２とピンド層２４は、ＰＭＡ物質層でありうる。第１分極強化層３２によって、スピン電流は、スピン特性を失わずに上部磁性層Ｕ１に伝達されうる。トンネリング層３４は、例えば、ＭｇＯ層またはアルミニウム酸化物層（例えば、Ａｌ２Ｏ３）でありうる。上部磁性層Ｕ１は、トンネリング層３４上に形成された第２分極強化層３６、並びにその上に順次に積層された交換遮断層（ＥＢＬ：ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）３８、ＰＭＡ物質の自由層（ｆｒｅｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）４０及びキャッピング層４２を含むことができる。第２分極強化層３６は、第１分極強化層３２と同じ物質でありうる。第２分極強化層３６によって、スピン電流による自由層４０のスピン分極率を上げることができ、それにより、ＴＭＲが大きくなりうる。また、第２分極強化層３６は、大きなＭｓ値を有する。従って、図２で説明したように、スピン・トルクによるスイッチングが速くなりうる。交換遮断層３８は、自由層４０と第２分極強化層３６との交換相互作用Ａｅｘを遮断したり減少させる。すなわち、交換遮断層３８は、自由層４０と第２分極強化層３６との交換フィールドを遮断したり、またはその強さを弱める。従って、図１で説明したとおり、スピン・トルクによる自由層４０のスイッチングは、さらに速くなりうる。自由層４０と第２分極強化層３６との交換相互作用が遮断されたり減少する場合、自由層４０による第２分極強化層３６の磁化拘束力が消えたり弱まるために、交換遮断層３８が存在しないときより小さな値のスピン分極電流を使用しても、第２分極強化層３６の垂直磁化状態を反転させることができ、結局、自由層４０の磁化状態を反転させることができる。自由層４０の磁化状態は、情報を意味するので、交換遮断層３８が存在することによって、情報を書き込むため、あるいはスピン・トルク・スイッチングのためのスピン分極電流を減らすことができる。キャッピング層４２は、自由層４０あるいは第１ＭＴＪ構造体Ｃ１の表面を保護するための保護膜でありうる。
自由層４０は、ＰＭＡ物質層でありうる。例えば、自由層４０は、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔのようにＬ１０構造（Ｌ１０ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の結晶化された構造（ｏｒｄｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する物質層でありうる。自由層４０はまた、Ｃｏ／Ｐｔ層、Ｃｏ／Ｎｉ層またはＣｏ／Ｐｄ層のような、多層システム（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）あるいは多層の積層構造を有する物質層でもありうる。Ｃｏ／Ｐｔ層は、Ｃｏ層とＰｔ層とが順次に積層された物質層を意味し、Ｃｏ／Ｎｉ層並びにＣｏ／Ｐｄ層も同様である。自由層４０はまた、Ｔｂ、Ｇｄのような希土類（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ）と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのような遷移金属とを含む合金層でもありうる。自由層４０として使われるかようなＰＭＡ物質は、約１０６〜１０８ｅｍｕ／ｃｃほどの十分なＫｕ値を有している。ピニング層２２及び／またはピンド層２４は、自由層４０と同じ物質でありうる。
第２分極強化層３６は、Ｍｓの大きなＦｅ層、体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ合金層、またはそれらの複合層でありうる。第２分極強化層３６は、自由層４０のストレイ・フィールド（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）によって、そして自由層４０と第２分極強化層３６との交換フィールドによって垂直磁化を示す。従って、第２分極強化層３６は、前記ストレイ・フィールドまたは前記交換フィールドによって垂直磁化されうるほどの厚みを有することができる。第２分極強化層３６の厚みは、熱処理温度及び時間に依存し、自由層４０として使われるＰＭＡ物質の異方性定数、Ｍｓまたは厚みによって変わりうる。第２分極強化層３６の厚みは、０．３〜３ｎｍほどであるが、この範囲に限定されるものではない。
第２分極強化層３６がＦｅ系合金層であるとき、第２分極強化層３６は、例えば、鉄（Ｆｅ）を含有し、１０％以下で、バナジウム（Ｖ）やモリブデン（Ｍｏ）などを含有し、Ｍｓを制御できる合金層（例えば、ＦｅＶ層、ＦｅＭｏ層など）であり、ＦｅＣｏ層やＦｅＮｉ層でもありうる。
第２分極強化層３６がＣｏＦｅＢ系非晶質合金層であるとき、第２分極強化層３６は、例えば、Ｆｅが豊富な（Ｆｅ ｒｉｃｈ）ＣｏＦｅＢ層（Ｆｅ：４０％以上、Ｂ：１０−３０％）、またはＣｏが豊富な（Ｃｏ ｒｉｃｈ）ＦｅＣｏＢ層（Ｃｏ：４０％以上、Ｂ：１０−３０％）でありうる。
第２分極強化層３６がＬ２１型ホイスラ合金層であるとき、第２分極強化層３６は、例えば、Ｃｏ２ＭｎＳｉ層、Ｃｏ２ＳｉＡｌ層、Ｃｏ２Ｃｒ（１−ｘ）ＦｅｘＡｌ層またはＣｏ２ＦｅＡｌ（１−ｘ）Ｓｉｘ層でありうる。
前述の第２分極強化層３６の物質層は、第１分極強化層３２の物質層としても使われる。このとき、第１分極強化層３２及び第２分極強化層３６は、同じ物質層でもあり、異なる物質層でもありうる。例えば、第１分極強化層３２及び第２分極強化層３６は、いずれもＦｅ系合金層であり、第１分極強化層３２は、Ｆｅ系合金層である一方、第２分極強化層３６は、ＣｏＦｅＢ系合金層でもありうる。
第１ＭＴＪ構造体Ｃ１にスピン分極電流が印加されれば、Ｋｕが小さく、Ｍｓが大きな第２分極強化層３６がまず励起されてスイッチングされつつ、自由層４０のスイッチングを手伝い、その結果、スピン分極電流密度Ｊｃを下げることができる。
第２分極強化層３６のＫｕが小さいために、さらに小さなスピン分極電流で第２分極強化層３６を励起させるためには、Ｍｓが大きく、自由層４０と第２分極強化層３６と交換フィールドが小さいことが有利である。自由層４０と第２分極強化層３６との間に備わった交換遮断層３８は、自由層４０と第２分極強化層３６との交換フィールドを遮断したり減らす役割を行うので、自由層４０のスイッチングに必要なスピン分極電流密度をさらに下げることができる。
交換遮断層３８は、０．２ｎｍ〜１ｎｍほどの厚みを有する非磁性層でありうる。交換遮断層３８として使われる物質層は、第２分極強化層３６として使われる物質層によって変わりうる。例えば、第２分極強化層３６が非晶質のＣｏＦｅＢ系合金層であるとき、交換遮断層３８は、非晶質の非磁性層でありうる。このとき、交換遮断層３８は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層（Ｚｒ ｂａｓｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｌａｙｅｒ）、チタン・ベース非晶質合金層（Ｔｉ ｂａｓｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｌａｙｅｒ）、パラジウム・ベース非晶質合金層（Ｐｄｂａｓｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｌａｙｅｒ）またはアルミニウム・ベース非晶質合金層（Ａｌ ｂａｓｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｌａｙｅｒ）でありうる。前記ジルコニウム・ベース非晶質合金層は、例えば、Ｚｒ−Ｔｉ−Ａｌ−ＴＭ層またはＺｒ−Ａｌ−ＴＭ層でありうる。ここで「ＴＭ」は、遷移金属（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ）を示す。前記チタン・ベース非晶質合金層は、例えば、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｂｅ−Ｚｒ層またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ層でありうる。前記パラジウム・ベース非晶質合金層は、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ層またはＰｄ−Ｃｕ−Ｂ−Ｓｉ層でありうる。前記アルミニウム・ベース非晶質合金層は、例えば、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｅ層またはＡｌ−Ｖ−Ｆｅ層でありうる。
また、第２分極強化層３６が非晶質のＦｅＣｏＢ系合金層であるとき、交換遮断層３８として使われうる非晶質の非磁性層は、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層でありうる。かような層は、全体的には非晶質であるが、局所的には、ナノ結晶構造を有することができる。
一方、第２分極強化層３６がＦｅ系合金層であるとき、交換遮断層３８は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層を使用する非晶質非磁性層でありうる。
図４は、本発明の他の実施形態による第２ＭＴＪ構造体Ｃ２を示す。
図３の第１ＭＴＪ構造体Ｃ１がピンド層２４を基準とするとき、ピンド層２４が自由層４０の下に存在するボトム・ピンド層を有する構造であるならば、図４の第２ＭＴＪ構造体Ｃ２は、ピンド層２４が自由層４０の上に存在するトップ・ピンド層を有する構造である。図４の説明で、図３で説明した部材については、同じ参照符号を使用し、それに係る説明は省略する。
図４を参照すれば、第２ＭＴＪ構造体Ｃ２は、順次に積層された下部磁性層Ｌ１１、トンネリング層３４及び上部磁性層Ｕ１１を含む。下部磁性層Ｌ１１は、シード層４６、並びにその上に順次に積層された自由層４０、交換遮断層３８及び第２分極強化層３６を含む。シード層４６は、自由層４０の成長に適した物質層でありうる。シード層４６は、図３のシード層２０と同一であり、又は、異なっていてもよい。上部磁性層Ｕ１１は、第１分極強化層３２、並びにその上に順次に積層されたピンド層２４、ピニング層２２及びキャッピング層４２を含む。
以下において、本発明の一実施形態による垂直ＭＴＪ構造体を含む磁性素子について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による垂直ＭＴＪ構造体を含む磁気メモリ素子（ＭＲＡＭ）を示している。
図５を参照すれば、基板５０上に、第１不純物領域５２及び第２不純物領域５４、並びにゲート５６を有するトランジスタが存在する。基板５０は、Ｐ型またはＮ型のシリコン基板を始めとして、半導体トランジスタが形成されうるあらゆる基板でありうる。前記トランジスタは、スイッチング素子の一例に過ぎない。従って、前記トランジスタの代わりに、ダイオードが備わりもする。第１不純物領域５２及び第２不純物領域５４は、基板５０と反対になるタイプの不純物がドーピングされた領域でありうる。第１不純物領域５２及び第２不純物領域５４のうち一つは、ソース領域であり、残りは、ドレイン領域でありうる。ゲート５６は、第１不純物領域５２及び第２不純物領域５４間の基板５０上に存在する。ゲート５６は、ゲート絶縁膜やゲート電極などを含むことができる。基板５０上に、前記トランジスタを覆う層間絶縁層５８が存在する。層間絶縁層５８に、第２不純物領域５４が露出されるコンタクトホール６０が形成されており、コンタクトホール６０は、導電性プラグ６２で充填されている。層間絶縁層５８上に、導電性プラグ６２の上部面を覆う垂直ＭＴＪ構造体６４が存在する。該ＭＴＪ構造体６４は、データが保存されるストレージ・ノードでありうる。ＭＴＪ構造体６４は、図３の第１ＭＴＪ構造体Ｃ１または図４の第２ＭＴＪ構造体Ｃ２でありうる。導電性プラグ６２とＭＴＪ構造体６４との間に、他の導電性部材がさらに備わりうる。
本発明の実施形態によるＭＴＪ構造体は、図５の磁気メモリ素子以外に、ＭＴＪ構造体を必要とする他の磁性素子にも適用されうる。例えば、本発明の実施形態によるＭＴＪ構造体は、垂直磁気記録ヘッドにも適用されうる。本発明の実施形態によるＭＴＪ構造体は、図６に図示されているように、ＭＰＭの磁区壁移動記録媒体１１０にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを読み取るための磁気ヘッド１１２に適用されもする。図６で参照符号１１４は、磁区壁を示し、垂直の矢印は、記録媒体１１０の各ドメインの垂直磁気分極、すなわち、各ドメインに書き込まれたデータを示す。また、ＭＴＪ構造体を利用して論理演算を行う磁性論理素子のＭＴＪ構造体に、図３または図４のＭＴＪ構造体を適用できる。
以下において、本発明の一実施形態によるＭＴＪ構造体を含む磁気メモリ素子の製造方法について、図７及び図８を参照しつつ説明する。
図７を参照すれば、図５のトランジスタを覆う層間絶縁層５８上に、導電性プラグ６２の上部面を覆うＭＴＪ層７０を形成する。ＭＴＪ層７０の層構成は、図３の第１ＭＴＪ構造体Ｃ１または図４の第２ＭＴＪ構造体Ｃ２と同一でありうる。従って、ＭＴＪ層７０に係る詳細な説明は省略する。次に、ＭＴＪ層７０の選択された領域上に、マスク８０を形成する。マスク８０は、感光膜パターンでありうる。マスク８０は、導電性プラグ６０を覆う。マスク８０は、ＭＴＪ構造体が形成される領域を限定する。マスク８０を形成した後、マスク８０周囲のＭＴＪ層７０をエッチングする。エッチングは、層間絶縁層５８が露出されるまで実施できる。かようなエッチングにより、図８に図示されているように、層間絶縁層５８上に、ＭＴＪ構造体７０ａが形成される。ＭＴＪ構造体７０ａは、図３の第１ＭＴＪ構造体Ｃ１または図４の第２ＭＴＪ構造体Ｃ２でありうる。前記エッチング後、マスク８０を除去する。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。よって、本発明の範囲は、説明され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って定められるものである。
本発明は、垂直ＭＴＪ構造体が使われるあらゆる電子及び磁性素子に適用されうる。よって、該垂直ＭＴＪ構造体は、垂直ＭＴＪ構造体が使われた素子、例えば、磁気メモリ素子、磁性論理素子などを含むあらゆる製品に使われうる。
２０，４６ シード層
２２ ピニング層
２４ ピンド層
３２ 第１分極強化層
３６ 第２分極強化層
３４ トンネリング層
３８ 交換遮断層
４０ 自由層
４２ キャッピング層
５０ 基板
５２ 第１不純物領域
５４ 第２不純物領域
５６ ゲート
５８ 層間絶縁層
６０ コンタクトホール
６２ 導電性プラグ
６４，７０ａ ＭＴＪ構造体
７０ ＭＴＪ層
８０ マスク
１１０ 記録媒体
１１２ 磁気ヘッド
１１４ 磁区壁
Ｃ１ 第１ＭＴＪ構造体
Ｃ２ 第２ＭＴＪ構造体
Ｌ１，Ｌ１１ 下部磁性層
Ｕ１，Ｕ１１ 上部磁性層
２２ ピニング層
２４ ピンド層
３２ 第１分極強化層
３６ 第２分極強化層
３４ トンネリング層
３８ 交換遮断層
４０ 自由層
４２ キャッピング層
５０ 基板
５２ 第１不純物領域
５４ 第２不純物領域
５６ ゲート
５８ 層間絶縁層
６０ コンタクトホール
６２ 導電性プラグ
６４，７０ａ ＭＴＪ構造体
７０ ＭＴＪ層
８０ マスク
１１０ 記録媒体
１１２ 磁気ヘッド
１１４ 磁区壁
Ｃ１ 第１ＭＴＪ構造体
Ｃ２ 第２ＭＴＪ構造体
Ｌ１，Ｌ１１ 下部磁性層
Ｕ１，Ｕ１１ 上部磁性層
Claims (29)
- 下部磁性層と、
前記下部磁性層上に形成されたトンネリング層と、
前記トンネリング層上に形成された上部磁性層と、を含み、
前記上部磁性層及び下部磁性層のうちいずれか１層の磁性層は、スピン分極電流によって磁化方向が変わり、垂直磁気異方性を示す自由層を含み、
前記トンネリング層と前記自由層との間に、分極強化層と交換遮断層とが積層されている垂直磁気トンネル接合構造体。 - 前記交換遮断層は、非磁性層であることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記交換遮断層の厚みは、０．２ｎｍ〜１ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＣｏＦｅＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記交換遮断層は、非晶質非磁性層であることを特徴とする請求項２に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記非晶質非磁性層は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層、チタン・ベース非晶質合金層、パラジウム・ベース非晶質合金層、アルミニウム・ベース非晶質合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項５に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記非晶質非磁性層は、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層であることを特徴とする請求項５に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記非晶質非磁性層は、局所的にナノ結晶構造を有することを特徴とする請求項５に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記非晶質非磁性層は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層であることを特徴とする請求項５に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記分極強化層は、非晶質のＣｏＦｅＢ系合金層であることを特徴とする請求項６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記分極強化層は、Ｆｅ系合金層であることを特徴とする請求項９に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記ジルコニウム・ベース非晶質合金層は、Ｚｒ−Ｔｉ−Ａｌ−ＴＭ層及びＺｒ−Ａｌ−ＴＭ層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記チタン・ベース非晶質合金層は、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｂｅ−Ｚｒ層及びＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記パラジウム・ベース非晶質合金層は、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ層及びＰｄ−Ｃｕ−Ｂ−Ｓｉ層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記アルミニウム・ベース非晶質合金層は、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｅ層及びＡｌ−Ｖ−Ｆｅ層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記上部磁性層及び下部磁性層のうち、前記自由層を含まない磁性層は、前記トンネリング層と接触する他の分極強化層を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記トンネリング層と前記自由層との間の分極強化層と、前記他の分極強化層は、同じ物質であるか、あるいは異なる物質であることを特徴とする請求項１６に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- 前記分極強化層は、非晶質のＣｏＦｅＢ系合金層であることを特徴とする請求項７に記載の垂直磁気トンネル接合構造体。
- スイッチング素子と、これに連結されて情報を保存するストレージ・ノードと、を含む磁気メモリ素子において、
前記ストレージ・ノードは、請求項１ないし請求項１８のうち、いずれか１項に記載の垂直磁気トンネル接合構造体である磁気メモリ素子。 - 磁気トンネル接合構造体を磁気ヘッドに含むＭＰＭにおいて、前記磁気トンネル接合は、請求項１ないし請求項１８のうち、いずれか１項に記載の垂直磁気トンネル接合構造体であるＭＰＭ。
- 磁気トンネル接合構造体を利用して論理演算を行う磁性論理素子において、
前記磁気トンネル接合構造体は、請求項１ないし請求項１８のうち、いずれか１項に記載の垂直磁気トンネル接合構造体である磁性論理素子。 - 下部層上に、下部磁性層を形成する段階と、
前記下部磁性層上に、トンネリング層を形成する段階と、
前記トンネリング層上に、上部磁性層を形成する段階と、を含み、
前記下部磁性層を形成する段階と、前記上部磁性層を形成する段階とのうちいずれか１つの段階は、スピン分極電流によって磁化方向が変わり、垂直磁気異方性を示す自由層を形成する段階を含み、
前記トンネリング層と前記自由層との間に、分極強化層と交換遮断層とを積層する垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。 - 前記自由層を含まない磁性層を形成する段階で、前記トンネリング層と接触する他の分極強化層を形成することを特徴とする請求項２２に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記交換遮断層は、非晶質非磁性層から形成することを特徴とする請求項２２に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記分極強化層は、Ｆｅ層、体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ系合金層、ＦｅＣｏＢ系非晶質合金層、Ｌ２１型ホイスラ合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層から形成することを特徴とする請求項２２に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記非晶質非磁性層は、ジルコニウム・ベース非晶質合金層、チタン・ベース非晶質合金層、パラジウム・ベース非晶質合金層、アルミニウム・ベース非晶質合金層及びそれらの複合層のうちいずれか１層であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記非晶質非磁性層は、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記非晶質非磁性層は、局所的にナノ結晶構造を有することを特徴とする請求項２７に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
- 前記非晶質非磁性層は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちいずれか１層、またはそれらの合金層であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直磁気トンネル接合構造体の製造方法。
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