JP2015133478A - 磁性多層スタック - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗デバイスのための改良された磁性多層スタックを提供する。
【解決手段】磁性多層スタック２００は、ＣｏＦｅＢＮの第１磁性層１１０とＣｏＦｅＢを含む第２磁性層１３０との間に挟まれた非磁性層１２０を含む複合軟質層６００を含む。第１磁性層１１０は、垂直磁気異方性を有する。第２磁性層１３０は、ＣｏＦｅＢ、あるいはＣｏＦｅＢとＣｏまたはＦｅとの組み合わせからなり、垂直磁気異方性を有する。非磁性層１２０はＴａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせのいずれかを含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、磁気抵抗デバイス用の磁性多層スタックおよび磁性多層スタックを含む磁気抵抗デバイスに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、従来の半導体メモリに代わるものとして浮上している。スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）やダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）と比較して、ＭＲＡＭは不揮発性の長所を有する。情報を蓄積するために使用されるフラッシュメモリに比較して、ＭＲＡＭは実質的に無限の書き込み耐性の長所を有する。ＭＲＡＭデバイスは、更に、短い読み出し時間および書き込み時間の長所を有しても良い。フラッシュメモリと競争するために、チップ中のＭＲＡＭセルの密度の増加が望まれ、これは、可能な限りＭＲＡＭセルを小さくすることを含む。更に、ＳＲＡＭおよびＤＲＡＭと競争するために、密度を妥協することなしに、ＭＲＡＭセルの動作速度を上げることが望まれる。更に、熱安定性で妥協することなく、ＭＲＡＭセルのための低電流スイッチングを達成することも望まれる。

ＭＲＡＭのためのメモリ素子は、大きな磁気抵抗（ＧＭＲ）スピン値（ＳＶ）を含んでも良い。ＧＭＲ−ＳＶは、非磁性金属スペーサ（またはバリア）層により分離された２つの強磁性体層を含んでも良い。

しかしながら、ＧＭＲ−ＳＶ用よりも大きな磁気抵抗（ＭＲ）信号が、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスで見出された。このデバイスでは、磁気スペーサ（またはバリア）層の代わりに、強磁性体層（即ち、軟磁性層または自由層と、硬磁性層または固定層）の間に、スペーサ層またはバリア層として絶縁性層を使用することにより、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）が起きる。ＭＴＪデバイスは、ＭＲＡＭデバイスで使用でき、２つの残留状態の間の金属磁気抵抗の差が、デジタルビット０と１を表すのに用いられる。

スピントルクトランスファＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、磁場切り換えＭＲＡＭ（field-switchable MRAM）デバイスに比較して非常に小さいサイズに小型化できる。垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有する磁性層を持つＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスは、従来の面内磁化層を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスに比べて多くの長所、例えば改良された熱安定性、拡張性、および低減されたスピントランスファトルク（ＳＴＴ）スイッチング電流を有する。

ＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスは、一般には、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を含み、この素子は、（固定磁性層とピンニング層を含む）強磁性硬質層と、強磁性軟質層（またはしばしば「自由層」とも呼ばれる）との間に挟まれたトンネルスペーサ（またはバリア層）を含む。硬質層（hard layer）の磁化方向は固定され、一方、軟質層（soft layer）の磁化方向は、デバイスに駆動電流を流すことにより変えることができ、この駆動電流は、硬質層の磁化により分極される。硬質層と軟質層との磁化方向が平行の場合、ＭＴＪ素子は低抵抗である。硬質層と軟質層との磁化方向が逆平行の場合、ＭＴＪ素子は高抵抗である。底部で固定されたＭＴＪスタックでは、底部強誘電体層は硬質層に関連し、上部強誘電体層は軟質層に関連する。上部に固定されたＭＴＪスタックでは、底部強磁性体層は軟質層に関連し、上部強誘電体層は硬質層に関連する。

垂直形状のＳＴＴ−ＭＲＡＭにとっては、一方がＣｏ／ＰｄまたはＣｏ／ＰｔまたはＣｏｐ／Ｎｉで、他方がＦｅＰｔまたはＣｏＰｔの多層のような、高いＰＭＡを有する材料の化学的秩序相（Ｌ１０相）が、潜在的な候補と考えられる。それらの材料は主に、ＭＲＡＭデバイスのＭＴＪスタック中の硬質層として、即ち、デバイスの動作中にその磁気方向を保持し続ける磁性層として使用されるのが好ましい。ＭＴＪスタック中での、それらの軟質層（または自由層または貯蔵層）としての使用は疑わしい。軟質層は、ＭＴＪ系デバイスの動作中に磁気分極が替わるための磁性層を含む。

デバイス作製の容易さ、合理的な高い異方性、低いスイッチング電流、および比較的高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）のために、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのための潜在的なＭＴＪの候補は、ＰＭＡを有するＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ系ＭＴＪであり、ＭＴＪは、ＣｏＦｅＢを含む軟質層（または自由層または貯蔵層）、硬質層、および硬質層と軟質層との間に挟まれたＭｇＯのトンネルバリア（またはスペーサ層）を含む。報告された材料の異方性は、約３５ｎｍのデバイス直径を支持でき、これは主に約１．３ｎｍの最大膜厚と、約０．２５ｅｒｇ／ｃｍ^２の最大実効異方性（Ｋｅｆｆ．ｔ）により制限される。

しかしながら、磁性材料の磁気特性を改良する必要があり、特に磁気抵抗デバイスの性能を改良する必要があり、特にＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスのスイッチング電流の低減につながる減衰定数の低減が必要である。

本記載の目的は、磁気抵抗デバイスのための改良された磁性多層スタックを提供することである。更なる目的は、改良された磁気抵抗デバイスを提供することである。これは、従来技術に比較して、より大きな膜厚、低減された磁気モーメント、および改良された異方性を有する磁性多層スタック中に複合軟質（または自由または貯蔵）層を提供することにより達成される。

第１の形態では、磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタックが開示され、磁性多層スタックは複合軟質層を含み、複合軟質層は、垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン−窒化物（ＣｏＦｅＢＮ）を含む第１磁性層と、垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）またはコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）とコバルト（Ｃｏ）または鉄（Ｆｅ）との組み合わせを含む第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒ、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む非磁性層と、を含む。

第１の形態の具体例では、磁性多層スタックは、更に第２磁性層に近いスタックの一方側にトンネルバリア層を含み、トンネルバリア層は、非磁性材料または絶縁体材料を含む。

第１の形態の具体例では、磁性多層スタックは、更に第１磁性層に近いスタックの一方側にスペーサ層を含み、スペーサ層は、非磁性材料または絶縁体材料を含む。

第１の形態の具体例では、絶縁体材料は、マグネシウム酸化物、マグネシウムチタン酸化物、マグネシウムアルミニウム酸化物、またはアルミニウム酸化物を含むグループから選択される酸化物を含む。磁性多層構造としてのこの長所は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）中で使用されて提供される。更に、多層スタックは、ダブルバリア磁気トンネル接合（ＭＴＪ）中で使用され、例えば、ＭＴＪデバイス中のトンネル電流の改良されたスピントルクスイッチングと改良された異方性を可能にする。

第１の形態の具体例では、非磁性金属材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、またはＲｕのいずれかを含む。磁性多層構造としての長所は、ＧＭＲデバイス、特に読み取りヘッドセンサへの応用に使用されることで提供される。

第１の形態の具体例では、磁性多層スタックは、更に、トンネルバリア層の近くの一方側に硬質層を含む。トンネルバリア層は、このように、硬質層と、複合軟質層の第２磁性層との間に挟まれる。

第１の形態にかかる具体例では、硬質層は、磁性層（例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢ、またはそれらの組み合わせ）と非磁性材料（例えばＰｔまたはＰｄ）の層との二重層またはＣｏ／Ｎｉの二重層を含み、または化学的秩序の１０層中での、垂直磁気異方性を有するＦｅＰｔまたはＣｏＰｔの合金形成を含む。

第１の形態の具合例では、コバルト−鉄−ボロン−窒化物中のボロンの濃度は、１０〜３０原子パーセントの範囲である。

第１の形態の具体例では、第１磁性層および／または第２磁性層は、０．６〜２ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第１の形態の具体例では、非磁性層は、０．２〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第１の形態の具体例では、トンネルバリア層は、０．８〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第１の形態の具体例では、スペーサ層は、０．４〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第１の形態の具体例では、スペーサ層は、トンネルバリア層より小さい有効膜厚を有する。スペーサ層の面積抵抗（resistance-area product: RA）はトンネルバリア層の面積抵抗（ＲＡ）より低くなるべきである。

スペーサ層とトンネルバリア層の双方は、例えばＭｇＯのような同じ材料を含んでも良い。

第１の形態の具体例では、第２磁性層と非磁性層は同じ膜厚を有する。

また、底部電極と上部電極との間に挟まれた、第１の形態の具体例のいずれかの磁性多層スタックを含む磁気抵抗デバイスが開示される。

第２の形態では、磁気抵抗デバイスが開示され、この磁気抵抗デバイスは、上部シード層を含む底部電極と、シード層の上の、軟質層または硬質層である第１磁気構造と、第１磁気構造の上の、非磁性金属材料または絶縁体材料を含むトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上の、第１磁気構造が複合軟質層の場合には硬質層で、第１磁気構造が硬質層の場合には軟質層である第２磁気構造と、第２磁気構造の上の上部電極とを含み、第１磁気構造または第２磁気構造の軟質層は、垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン−窒化物（ＣｏＦｅＢＮ）を含む第１磁気層と、垂直異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）またはＣｏまたはＦｅまたはそれらの組み合わせを含み、トンネルバリア層の近くに配置された第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒ、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む非磁性層とを含むことを特徴とする。

第２の形態の具体例では、磁気抵抗デバイスは、更に、第１磁性層に近いスペーサ層を含み、スペーサ層は、非磁性金属材料または絶縁体材料を含む。

第２の形態の具体例では、絶縁体材料は、マグネシウム酸化物、マグネシウムチタン酸化物、マグネシウムアルミニウム酸化物、またはアルミニウム酸化物からなるグループから選択される酸化物を含む。磁性多層構造としてのこの長所は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）中で使用されて提供される。更に、多層スタックは、ダブルバリア磁気トンネル接合（ＭＴＪ）中で使用され、例えば、ＭＴＪデバイス中のトンネル電流の改良されたスイッチングを可能にする。

第２の形態の具体例では、スペーサ層と接触した他の硬質層を備える。スペーサ層は、このように、他の硬質層と第１磁性層との間に挟まれる。デュアルＭＴＪスタックを備えることも長所である。

第２の形態の具体例では、非磁性金属材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、またはＲｕのいずれかを含んでも良い。磁性多層構造としての長所は、ＧＭＲデバイス、特に読み取りヘッドセンサへの応用に使用されることで提供される。

第２の形態の具体例では、硬質層は、磁性層（例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢ、またはそれらの組み合わせ）と非磁性材料（例えばＰｔまたはＰｄ）の二重層またはＣｏ／Ｎｉまたは垂直磁気異方性を有するＦｅＰｔまたはＣｏＰｔの合金形状を含む。

第２の形態の具体例では、コバルト−鉄−ボロン−窒化物中のボロン濃度は、１０〜３０原子パーセントの範囲である。

第２の形態の具体例では、第１磁性層および／または第２磁性層は、０．６〜２ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第２の形態の具体例では、非磁性層は、０．２〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第２の形態の具体例では、トンネルバリア層は、０．８〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

第２の形態の具体例では、他のトンネルバリア層は、０．４〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

具体例では、第１磁性層１１０、第２磁性層１３０、および非磁性層１２０は、同じ膜厚を有する。

第１磁性層と第２磁性層および非磁性層の組み合わせは、磁性多層スタックの有効膜厚をより大きくし、ＰＭＡを改良するという長所を有する。それゆえに、改良されたＰＭＡが得られ、一方で、磁性層の膜厚の増加による増加した面内異方性と関連する問題を緩和できる。

第１磁性層と第２磁性層および非磁性層の組み合わせは、磁性多層スタックの有効膜厚をより大きくし、ＰＭＡを犠牲にすることなく、多層スタックの熱安定性と異方性を改良するという長所を有する。

本開示の更なる特徴と長所は、添付の請求項および以下の記載を学ぶことで明らかになるであろう。当業者は、本開示の範囲から離れることなく、以下に記載された具体例以外の具体例を形成するために、本記載の異なる特徴を組み合わせても良いことを理解するであろう。

本開示の上記形態は、本開示の具体例を示す添付された図面を参照して、より詳細に記載される。

本開示の具体例にかかる複合軟質層を示す。 本開示の具体例にかかる磁気抵抗デバイスを示す。 本開示の具体例にかかる磁性多層スタックを示す。 本開示の具体例にかかる磁性多層スタックの、適用された磁界に対してプロットされた正規化された磁気モーメントを示す。 本開示の具体例にかかる磁気抵抗デバイスを示す。 本開示の具体例にかかるデュアルＭＴＪ磁気抵抗デバイスを示す。

本開示は、添付された図面を参照しながら、これ以降でより全体を記載する。図面では、本開示のここで言及された具体例が示される。しかしながら、この開示は、多くの異なる形態で具体化でき、ここで記載された具体例に限定するように解釈すべきではない。それらの具体例は、むしろ徹底や完全のために、そして開示の範囲を当業者に全体的に伝達するために提供される。

本開示および添付の図面は、上部が固定された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを考慮して記載される。逆のスタック、即ち底部が固定されたＭＴＪスタックを形成するように、適切な層を入れ替え可能なことは、当業者にとって明確である。「垂直磁気異方性（ＰＭＡ）」の文言は、磁界が主に層に対して垂直に配置される、即ち層の面法線に平行であると理解される。ＰＭＡは、層の表面により、即ち磁性材料の界面効果により誘起される。磁性材料のより厚い、言い換えればバルクのような層では、面内異方性が層中の支配的な磁気方向であり、即ち磁界は層に対して主に平行に配置されることに注意すべきである。このように、磁性層の膜厚が増加した場合に、通常、面内異方性はＰＭＡに打ち勝つ。

磁気抵抗デバイスの性能を向上するために、例えばデバイスの密度を上げて寸法を小さくするために、改良された磁性多層スタックが必要である。これを得るための１つの方法は、多層スタックの垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を増加させることである。

本開示の第１の形態によれば、ＣｏＦｅＢの単層が使用される従来型の軟質層を改良するために、複合軟質層を含む磁性多層スタックが提供される。磁性多層（複合）スタックは、非磁性層で分離された少なくとも２つの磁性層を含む。第１磁性層は、コバルト−鉄−ボロン−窒化物を含む。第１磁性層は、垂直磁気異方性を有する。第２磁性層は、ＣｏＦｅＢ、あるいはＣｏＦｅＢとＣｏまたはＦｅとの組み合わせからなり、この第２磁性層は垂直磁気異方性を有する。挟まれた非磁性層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＣｒＲｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせのいずれかを含む。第１磁性層１１０と第２磁性層１３０は、また分析層とも呼ばれる。

図１は、模式的にそのような複合軟質層６００を示し、複合軟質層６００は、第１の形態にかかる第１磁性層１１０と第２磁性層１３０との間に挟まれた非磁性層１２０を含む。

このように、磁性多層スタック６００は、例えばＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢＮ複合構造を含んでも良い。ＣｏＦｅＢを含む磁性層を用いることにより、磁性層のＰＭＡが改良される。非磁性Ｔａ層は、ＣｏＦｅＢＮからボロンを吸収し、これにより、磁性多層構造の形成中に行われる任意のアニール工程中に、ＣｏＦｅＢＮ中のボロン成分を低減する。結果として、磁性層のＰＭＡが改良される。コバルト−鉄−ボロン−窒化物中のボロン濃度は、ＰＭＡを改良するのに有利な１０〜３０原子パーセントの範囲内である。スタックで使用されるそれぞれの層の膜厚を調整することにより、スタックの特徴が、例えば必要なスペックに合うように、最適化される。

ＰＭＡは層の表面により誘起され、即ち、磁性材料の表面効果により誘起される。磁性材料のより厚い（バルクのような）層または構造では、面内異方性が層中の支配的な磁気方向であり、即ち磁界は層に対して主に平行に配置されることに注意すべきである。この具体例にかかる磁性層１１０は、物理的な膜厚が１．１ｎｍである。この膜厚は、磁性層１１０において、ＰＭＡが面内異方性より大きくなることを確実にする。

ＣｏＦｅＢを含む第１磁性層１１０と、ＣｏＦｅＢもしくはＣｏＦｅＢとＣｏまたはＦｅとの組み合わせを含む第２磁性層１３０との間に非磁性層１３０を導入することにより、２つの磁性層１１０、１３０が磁気的に結合される。非磁性層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＣｒＲｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせのいずれか含み、またはいずれかからなる。この形態では、コバルト−鉄−ボロン−窒化物を含む第１磁性層１１０は、絶縁性のトンネルバリア層（例えばＭｇＯ層）から離れて配置されるのが好ましい。２つの磁性層１１０、１３０の間に非磁性層１２０を挿入することにより、面内異方性に関連する問題を軽減しつつ、複合構造６００の有効膜厚を増加させることができる。

「磁気的に結合された（magnetically coupled）」の文言は、ここでは、複合構造中の磁性層と追加の磁性層との間の結合の強さが、非磁性層１２０により分離されているにもかかわらず、２つの磁性層１１０、１３０が１つの磁性層として振る舞うほど大きいことを言う、と理解すべきである。このように、ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ複合構造を含む、効果的に厚くした磁性層が得られ、ＰＭＡを犠牲にすることなく、多層スタックの熱安定性および異方性を改良できる。磁性多層スタック（複合構造）のＰＭＡと熱安定性は、このように増加し、一方で、面内異方性に関係する問題は、それぞれの磁性層の体積が十分に小さく保たれることにより低減される。

磁性層１１０、１３０が互いに磁気的に結合された場合、有効膜厚が増加することは注意すべきである。中間の非磁性層１２０の膜厚が十分に薄い場合に、この条件が満たされる。非磁性層１２０の膜厚は、好適には０．２〜２．５ｎｍの範囲であり、これらの膜厚は効率の良い磁気的な結合を提供する。もし非磁性層１２０が薄すぎる場合、アニール後に磁性層１１０、１３０を通って拡散し、磁性層１１０、１３０の間の磁気的な結合の良い影響を低下させる。

他の具体例では、第１磁性層１１０と第２磁性層１３０は、０．６〜２ｎｍの範囲の膜厚を有しても良い。

具体例では、第１磁性層１１０と第２磁性層１３０と非磁性層１２０は、同じ膜厚でも良い。

スタック中の層の数が、磁性材料の熱安定性に影響することに注意すべきである。スタック中の層の数が増えると、磁性材料はより厚くなり、それゆえにより安定になる。

使用されるＣｏＦｅＢＮ材料の組成は、一般には、（Ｃｏ_３３Ｆｅ_６７）_{１００−ｘ−ｙ}Ｂ_ｘＮ_ｙ（ただし１０≦ｘ≦３０および１≦ｙ≦１０）で表される。本開示の具体例では、ＣｏＦｅＢＮは、窒素ガスがスパッタチャンバ中に流された状態で、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ（ただし１０≦ｘ、ｙ≦７０、１０≦ｚ≦３０）をスパッタすることで形成される。窒素の流速は、１ｓｃｃｍと１５ｓｃｃｍとの間で変えても良い。１つの具体例では、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚの組成はＣｏ_２０Ｆｅ_６０Ｂ_２０であり、窒素の流量は、好適には１ｓｃｃｍまたは３ｓｃｃｍである。本開示の他の具体例では、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚの組成はＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０であり、窒素の流量は、好適には１ｓｃｃｍまたは３ｓｃｃｍである。

具体例では、非磁性層１２０は、好適にはタンタルＴａからなる。これは、例えば磁性多層構造を形成する場合に使用されるアニール工程中に、Ｔａ層がＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＮ層からのボロンを吸収して、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＮの中のボロンの量を減らすという事実に起因する。結果として、磁性層１１０のＰＭＡは改良される。

具体例では、多層スタック２００は、複合構造６００の繰り返しを含んでも良い。第１磁性層１１０と第２磁性層１３０とに挟まれた非磁性層１２０を含む複合構造６００を繰り返すことにより、繰り返された磁性層１１０、１３０が磁気的に結合された、より厚い有効膜厚を有する磁性多層スタック６００を形成できる。磁性層の有効膜厚はこれにより増加し、多層スタックの熱安定性およびＰＭＡが改良される。

多層磁性スタック２００は、更に、第２磁性層１３０に近い１つの側面にトンネルバリア層１６０を含み、トンネルバリア層は、非磁性金属材料または絶縁体材料を含む。図２は、そのような形状を模式的に示し、これにより、基板１０００と任意のシード層１００１を含む底部電極５００、および硬質層１００２を示す。具体例にかかる複合軟質層６００は、これにより、底部電極５００とトンネルバリア層１６０との間に挟まれる。ＣｏＦｅＢＮを含む第１磁性層１１０は、第２磁性層１３０よりも、トンネルバリア層１６０から離れて配置されなければならない。磁気トンネル接合スタックのために、トンネルバリア層１６０は、マグネシウム酸化物、マグネシウムチタン酸化物、マグネシウムアルミニウム酸化物、またはアルミニウム酸化物からなるグループから選択される酸化物を含む。例えばジャイアントマグネトレジスタ（ＧＭＲ）スタックでは、トンネルバリア層１６０は、Ｃｕ、Ｃｒ、またはＲｕから選択される非磁性金属材料を含む。

具体例と図３に模式的に示すように、多層スタック２００は、更に、第１磁性層１１０に近い複合構造６００の他の側面に、スペーサ層１６５を含む。スペーサ層１６５は、非磁性金属材料または絶縁体材料を含む。磁性多層スタック２００は、ダブル磁性トンネル接合（ＤＭＴＪ）の構造を有し、例えば、ＭＴＪデバイス中でトンネル電流のスイッチングを改良する。このスペーサ層１６５は、好適には、トンネルバリア層１６０と同じ材料を含む。しかしながら、スペーサ層１６５の膜厚は、トンネルバリア層１６０の膜厚よりすっと小さくなるべきである。第１磁性層１１０は、このように、スペーサ層１６５の最も近くに配置され、換言すれば、最も薄い層の最も近くに配置される。第１磁性層１１０は、最も低い面積抵抗（ＲＡ）、即ち最も小さい有効膜厚を有するＭｇＯ層の最も近くに配置されるべきであると言われる。ＭｇＯを含むトンネルバリア層とスペーサ層とを用いると、このように、複合軟質層は、２つのＭｇＯ界面を有する。

ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯを含む複合磁性多層スタック２００を提供することは有利である。そのような磁性多層スタックは、貯蔵層として使用できるであろう。この貯蔵層は、ポストアニールの後に、好ましい結晶構造、即ち原子格子マッチングと、高いスピン偏極のようなバンド配列を有し、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）が達成される。しかしながら、より低いギルバート減衰定数（Gilbert damping constant）と、その結果として低いスイッチング電流が、ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯスタックで観察された。改良されたＭＴＪ構造は、これにより提供されても良い。改良されたスピントルクスイッチング電流を有する改良されたＰＭＡを示す２つのＭｇＯ界面を有するそのようなＭＴＪスタックは、更に、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）のような従来のトランジスタとの集積に適しており、これによりＳＴＴ−ＭＲＡＭを集積回路に集積することを可能にする。

ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯでは、主に２つのＭｇＯ界面が、そのようなスタックの全体の界面異方性（interface anisotropy）を改良し、これによりスイッチング電流を低減できることにも注意すべきである。ＣｏＦｅＢＮを含む第１磁性層１１０に対して、これは主に正しい選択であり、これにより磁性スイッチング電流に影響するギルバート減衰定数を低減する。

ＣｏＦｅＢＮ中の窒素Ｎの存在は、界面ＰＭＡを増加させ、磁性層１１０、１３０中の磁性材料として単にＣｏＦｅＢを用いる場合に比較して拡散バリアとして働く。磁性多層スタック６００中のＴａ／ＣｏＦｅＢＮ界面は、また、スタック２００のＰＭＡを改良する。磁性多層スタック６００のために記載された磁性層および非磁性層の代わりの構造は、使用される磁性材料の有効膜厚を増加させ、これによりＰＭＡやバンド配列のような他の重要なパラメータについて妥協することなく、磁性多層スタック６００の熱安定性を大きくできる。

スタック６００中の層の数は、磁性材料の熱安定性に影響する。スタックの数が多くなると、磁性材料は大きくなり、これにより、より安定になる。

高いトンネル確率を提供するために、トンネルバリア材料１６０は、図２、３により示された具体例の中にあり、０．８〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。

図４は、本開示の具体例にかかるＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ複合軟質層６００を含む磁性多層スタック６００について、適用された磁界８０１に対してプロットした、任意単位（ａ．ｕ．）の正規化磁気モーメント８０２のグラフを示す。これは、磁気ヒステリシス（ＭＨ）を示す。プロット８１０は、磁性多層スタックに垂直に配置された適用磁界、即ち層の表面に対して垂直に配置された磁界の場合の、正規化磁気モーメントを示す。プロット８２０は、磁性多層スタック６００の面内に配置された適用磁界の場合の正規化磁気モーメントを示す。データから、この磁性多層スタックは、強いＰＭＡを表すことが示される。強いＰＭＡは、このように、ＣｏＦｅＢＮの層を含む複合軟質層構造６００を使用することにより達成される。この実験では、ＣｏＦｅＢＮ磁性層１１０とＣｏＦｅＢ磁性層１３０の双方は１．１ｎｍの膜厚を有する。約１ｎｍのＴａの薄層が、２つの磁性層１１０、１３０の間に非磁性層１２０として挿入される。磁性多層スタック６００は、約４．５ｋＯｅ（Oersted）の異方性磁場と、０．４２ｅｒｇ／ｃｍ^２の有効異方性Ｋｅｆｆ．ｔを示す。このように、磁性多層スタック６００は、増加した熱安定性を提供する。更に、低減されたスイッチング電流を提供するために重要な、低い飽和磁化（saturation magnetization）（６００ｅｍｕ／ｃｃ）が、磁性多層スタック４００で得られる。

より低いＭｓと低いアルファを示す第１層と、高いＫｓ（界面異方性）高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を示す第２層とを含む、複合自由層または軟質層６００が、垂直ＳＴＴ−ＭＲＡＭ応用での同じ熱安定性に対して、より低いスイッチング電流を提供する。本開示では、第１層１１０はＣｏＦｅＢＮを含む。窒素は、Ｍｓ（飽和磁化）を低減し、磁気制動（magnetic damping）を変化しないようにする。ＣｏＦｅＢＮ／ＣｏＦｅＢを含む複合構造６００中で実施された、実験結果によれば、高いＴＭＲと適切なＲＡを維持し、これは、ＰＭＡを有する２ｎｍのＣｏＦｅ系自由層６００で、記録的に低いアルファを生み出す。減衰係数は、単体のＣｏＦｅＢ軟質層についての０．０１５に比べて、ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ複合自由層の複合層では、０．００８５まで低減される。

本開示の第２の形態では、図５に示すように、磁気抵抗デバイス９００が提供される。磁気抵抗デバイス９００は、複合軟質層６００を含む。磁気抵抗デバイスは底部電極５００を含み、底部電極５００は、基板１００の上に形成されたシード層１００１を含んでも良い。底部電極５００の上には、第１磁気構造６００が存在する。図５に示すような上部固定ＭＴＪの場合、第１磁気構造６００は軟質層である。底部固定ＭＴＪの場合、この磁気構造６００は硬質層である。第１磁気構造６００の上には、トンネルバリア構造１６０が存在し、これにより、トンネルバリア層１６０は、非磁性金属材料または絶縁体材料を含む。第２磁気構造１００２は、トンネルバリア構造１６０の上に存在する。図５に示すような上部固定ＭＴＪの場合、第２磁気構造１００２は硬質層である。底部固定ＭＴＪの場合、第１磁気構造６００は硬質層であり、第２磁気構造は軟質層である。上部電極１００３は、第２磁気構造１００２の上に存在する。

ＭＴＪ中の軟質層は、垂直磁気異方性を有しコバルト−鉄−ボロン−窒化物（ＣｏＦｅＢＮ）を含む第１磁性層１１０と、垂直磁気異方性を有しコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）またはＣｏまたはＦｅまたはそれらの組み合わせを含み、トンネルバリア構造１６０の近くに配置された第２磁性層１３０と、第１磁性層１１０と第２磁性層１３０との間に挟まれた非磁性層１２０とを含む複合構造６００を含む。非磁性層１２０は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒ、またはそれらの組み合わせを含む。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）中で使用できるように磁性多層スタック６００が提供されることが長所である。第１磁性層１１０は、０．６ｎｍから約２ｎｍの範囲の膜厚を有する。

先の段落で述べたように、磁気抵抗デバイス９００は、シード層構造１００１を含んでも良い。シード層１００１は、チタン、バナジウム、ハフニウム、クロム、酸化マグネシウム、クロムルテニウム、窒化タンタル、窒化チタン、および酸化ルテニウムからなるグループから選択される材料を含む少なくとも１層を含む。シード層１００１は、約０．１ｎｍから約７ｎｍの範囲の膜厚を有する。シード層１００１は、稠密六方（ｈｃｐ）（００２）テクスチュア、面心（ｆｃｃ）（１１１）テクスチュア、または体心（ｂｃｃ）（２００）テクスチュアを提供する。シード層１００１は、第１磁性層１１０がｆｃｃ（１１１）方向に成長するのを助け、これにより多層スタック中にＰＭＡを達成する。より小さな膜厚のシード層１００１は、トンネルバリア層１６０を通る、よりまとまった（coherent）トンネルを有するために所望される。ＰＭＡは、シード層構造１００１に対して、約３ｎｍの最小膜厚を有する第１磁性層１１０中で達成される。記載された磁気抵抗デバイス９００は、スピントランスファトルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）中で使用される低いスイッチング電流を提供する。ＭＲＡＭの応用では、磁気抵抗デバイスは、読み出し電流および書き込む電流を提供するトランジスタとともに、記憶回路の一部である。磁気抵抗デバイス９００は、マルチレベルＭＲＡＭとして、またはその一部として働く。

トンネルバリア層１６０の下および上に、第１および第２のスピン分極層（spin-polarizing layer）が加えられても良い（図示せず）。第１および第２のスピン分極層は、好適には、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、またはＣｏＦｅＢ、またはそれらの組み合わせを含む。それらは、より高い磁気抵抗を達成するために。トンネルバリア層１６０の両側に配置される。第１スピン分極層は、複合軟質層６００の一部であり、一方、第２スピン分極層は、硬質層の一部となる。そのような複合軟質層６００は、例えば、ＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／Ｆｅ／ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＮ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／Ｆｅスタックを含み、Ｆｅ層は、第１スピン分極層と呼ばれる。スピン分極層の膜厚は、約０．２ｎｍと約３ｎｍの間で変化して、磁気抵抗の値を増加させる。複合軟質層６００側の側面において、スピン分極層は、第２磁性層１３０と同じでも良い。

具体例では、デュアルＭＴＪスタック、即ち２つのバリア層１６０、１６１の間の挟まれた、異なる具体例にかかる複合自由層６００を含む複合スタックを含む多層スタック、が提供されても良い。２つのトンネルバリア層１６０、１６１を有する複合スタックは、硬質層１００４と他の硬質層１００２との間に挟まれる。これは、図６に模式的に示される。複合軟質層６００は、第１磁性層１１０と第２磁性層１３０との間に挟まれた非磁性層１２０を含む。複合軟質層６００は、第１トンネルバリア層１６０と第２トンネルバリア層１６１との間に挟まれる。この複合スタック３００は、次に、硬質層１００４と他の硬質層１００２との間に挟まれる。硬質層１００４の下には底部電極５００が形成され、硬質層の異方性を改良し、他の硬質層１００２の上には、上部電極１００３が形成される。

当業者は、本開示は、上述の好適な具体例に限定されるものではないことを認識する。一方、添付の請求項の範囲内で、多くの変形や変化が可能である。

例えば、バリア層とスペーサ層は、酸化マグネシウム、マグネシウムチタン酸化物、マグネシウムアルミニウム酸化物、または酸化アルミニウムのグループから選択される、同じ材料または異なる材料を含む。

更に、図面、開示、および添付の請求項の研究から、請求項の記載を実行する当業者により、開示された具体例の変形が理解され、達成される。請求項において、「含む（comprising）」の用語は、他の要素や工程を排除せず、不定冠詞の「ａ」や「ａｎ」は複数を排除しない。所定の手段が相互に異なる従属請求項で引用されるという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが利益を持って用いられないことを示すものではない。

Claims (14)

1. 垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン−窒化物（ＣｏＦｅＢＮ）を含む第１磁性層（１１０）と、
   垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む第２磁性層（１３０）と、
   第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒ、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む非磁性層（１２０）と、を含む複合軟質層（１８０）を含む磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
2. 更に、第２磁性層（１３０）の近くの１つの側面にトンネルバリア層（１６０）を含み、トンネルバリア層（１６０）は非磁性金属材料または絶縁体材料を含む請求項１に記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
3. 更に、第１磁性層（１１０）の近くにスペーサ層（１６５）を含み、スペーサ層（１６５）は非磁性金属材料または絶縁体材料を含む請求項１または２に記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
4. 絶縁体材料は、マグネシウム酸化物、マグネシウムチタン酸化物、マグネシウムアルミニウム酸化物、またはアルミニウム酸化物からなるグループから選択される酸化物を含む非磁性金属材料または絶縁体材料を含む請求項２または３に記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
5. 非磁性金属材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、またはＲｕのいずれかを含む請求項２または３に記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
6. 更に、トンネルバリア層（１６０）の近くで、トンネルバリア層（１６０）の他の側面に、硬質層（１００２）を含む請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
7. 更に、他の硬質層（１００４）を含み、スペーサ層（１６１）は、他の硬質層（１００４）と第１磁性層（１１０）との間に挟まれ、これにより他のトンネルバリア層（１６１）を形成する請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
8. コバルト−鉄−ボロン−窒化物のボロン濃度が、１０〜３０原子パーセントの範囲である請求項１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
9. 第１磁性層（１１０）および／または第２磁性層（１３０）が、０．６〜２ｎｍの範囲の膜厚を有する請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
10. 非磁性層（１２０）が、０．２〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する請求項１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
11. トンネルバリア層（１６０）が、０．８〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する請求項２〜１０のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
12. スペーサ層（１６５）が、０．４〜２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する請求項３〜１１のいずれかに記載の磁気抵抗デバイスのための磁性多層スタック（２００）。
13. 上部シード層（１００１）を含む底部電極（１０００）と、
    シード層（１００１）の上に有り、軟質層または硬質層である第１磁気構造（６００）と、
    第１磁気構造（６００）の上に有り、非磁性金属材料または絶縁体材料を含むトンネルバリア構造（１６０）と、
    トンネルバリア構造（１６０）の上に有り、第１磁性構造が軟質層の場合は硬質層であり、または第１磁性構造が硬質層の場合は軟質層である、第２磁性構造（１００２）と、
    第２磁性構造（１００２）の上の上部電極（１００３）と、を含み、
    第１磁性構造または第２磁性構造の軟質層（６００）は、
    垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン−窒化物（ＣｏＦｅＢＮ）を含んで垂直磁気異方性を有する第１磁性層（１１０）と、
    垂直磁気異方性を有し、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含んで垂直磁気異方性を有する第２磁性層（１３０）であって、トンネルバリア構造の近くに配置される第２磁性層（１３０）と、
    第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれて、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｖ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＯ、Ｚｒ、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む非磁性層（１２０）と、を含む複合構造である磁気抵抗デバイス（９００）。
14. 更に、シード層（１００１）と他のトンネルバリア層（１６１）との間で、第１磁性層（１１０）の近くに他の硬質層（１００４）を含む請求項１３に記載の磁気抵抗デバイス（９００）。