JP2019057527A

JP2019057527A - 記憶装置

Info

Publication number: JP2019057527A
Application number: JP2017179325A
Authority: JP
Inventors: 雄一伊藤; Yuichi Ito
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US10381549B2; US20190088854A1

Abstract

【課題】より高性能な記憶装置を提供する。【解決手段】一実施形態による記憶装置は、第１素子および第２素子を備える。第１素子は、第１および第２強磁性体と、第１および第２強磁性体の間の第１非磁性体と、第２強磁性体上の第１導電体と、第１導電体上の第３強磁性体と、第３強磁性体上の第２導電体と、第２導電体上に位置し、金属元素を含み、１種類以上の強磁性元素を含む、第４強磁性体と、を含む。第２素子は、第５および第６強磁性体と、第５および第６強磁性体の間の第２非磁性体と、第６強磁性体上の第３導電体と、第３導電体上の第７強磁性体と、第７強磁性体上の第４導電体と、第４導電体上に位置し、上記金属元素を含む第５導電体を含む。第５導電体は、上記１種類以上の強磁性元素を第５導電体の体積の３０％以下の量、含む。【選択図】図２

Description

実施形態は、概して記憶装置に関する。

磁気抵抗効果を用いてデータを記憶する記憶装置が知られている。

特開２０１３−４１９６１号公報

より高性能な記憶装置を提供しようとするものである。

一実施形態による記憶装置は、第１素子および第２素子を備える。第１素子は、第１および第２強磁性体と、第１および第２強磁性体の間の第１非磁性体と、第２強磁性体上の第１導電体と、第１導電体上の第３強磁性体と、第３強磁性体上の第２導電体と、第２導電体上に位置し、金属元素を含み、１種類以上の強磁性元素を含む、第４強磁性体と、を含む。第２素子は、第５および第６強磁性体と、第５および第６強磁性体の間の第２非磁性体と、第６強磁性体上の第３導電体と、第３導電体上の第７強磁性体と、第７強磁性体上の第４導電体と、第４導電体上に位置し、上記金属元素を含む第５導電体を含む。第５導電体は、上記１種類以上の強磁性元素を第５導電体の体積の３０％以下の量、含む。

第１実施形態に係る磁気記憶装置の一部の回路図である。第１実施形態に係る磁気記憶装置の一部の断面構造を示す。第１実施形態に係る磁気記憶装置の一部の製造工程中の一状態を示す。図３に続く状態を示す。図４に続く状態を示す。図５に続く状態を示す。第２実施形態に係る磁気記憶装置の一部の断面構造を示す。第２実施形態に係る磁気記憶装置の一部の製造工程中の一状態を示す。第３実施形態に係る磁気記憶装置の一部の断面構造を示す。

以下に実施形態が図面を参照して記述される。以下の記述において、略同一の機能および構成を有する構成要素は同一符号を付され、繰り返しの説明は省略される場合がある。図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なり得る。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、ある実施形態についての記述はすべて、明示的にまたは自明的に排除されない限り、別の実施形態の記述としても当てはまる。各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定しない。

本明細書および特許請求の範囲において、ある第１要素が別の第２要素に「接続されている」とは、第１要素が直接的または常時あるいは選択的に導電性となる要素を介して第２要素に接続されていることを含む。

（第１実施形態）
［１−１．構造（構成）］
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の回路図である。図１に示されるように、磁気記憶装置１は、メモリセルＭＣ、参照抵抗Ｒ、センスアンプ回路ＳＡを含む。メモリセルＭＣは、１ビットのデータを保持することができ、ＭＴＪ素子２を含む。ＭＴＪ素子２は、センスアンプ回路ＳＡの第１入力ＩＮ１に、配線により直接または図示せぬスイッチ（例えば、トランジスタ）を介して接続されている。

参照抵抗Ｒは、ある値の抵抗を有し、１または複数のＭＴＪ素子２ｒを含む。少なくとも１つのＭＴＪ素子２ｒは、センスアンプ回路ＳＡの第２入力ＩＮ２に、配線により直接または図示せぬスイッチ（例えば、トランジスタ）を介して接続されている。

磁気記憶装置１は、読み出しの間、メモリセルＭＣおよび参照抵抗Ｒに電圧を印加する。この電圧印加により、メモリセルＭＣおよびセンスアンプ回路ＳＡの第１入力ＩＮ１をセル電流が流れ、参照抵抗Ｒおよびセンスアンプ回路ＳＡの第２入力ＩＮ２を参照電流が流れる。センスアンプ回路ＳＡは、セル電流と参照電流を比較し、比較の結果に基づいて、メモリセルＭＣに保持されているデータを判断する。

図２は、第１実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の断面構造を示し、ＭＴＪ素子２およびＭＴＪ素子２ｒの断面構造を示す。

ＭＴＪ素子２は、基板１０の上方の導電体１１上に位置している。導電体１１は、例えば電極である。

ＭＴＪ素子２は、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、金属層（導電体）２７、および導電体２８を含む。強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、金属層２７、および導電体２８は、この順で、ｚ軸に沿って積層されている。

強磁性体２１は、１または複数の導電性の強磁性元素を含むか、１または複数の導電性の強磁性元素からなる。具体的には、強磁性体２１は、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）、コバルト（Ｃｏ）のうちの１種類以上の元素を含み、例えばコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）またはホウ化鉄（ＦｅＢ）を含む。または、強磁性体２１は、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＢのうちの２つ以上の元素の合金を含むか、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＢのうちの２つ以上の元素の合金からなる。

強磁性体２１は、ある軸に沿う方向に磁化されており、例えばＭＴＪ素子２は、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、金属層２７、および導電体２８の境界を貫く軸、例えばｚ軸に沿う磁化容易軸を有する。以下、強磁性体が、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、金属層２７、および導電体２８の境界を貫く軸（特に、ｚ軸）に沿う磁気異方性を有する場合、当該強磁性体は垂直磁気異方性を有すると称される。強磁性体２１の磁化は、磁化容易軸に沿う２方向のいずれかを向いて安定することができる。図において、物質の磁化の方向は、当該物質中の矢印により示されている。強磁性体２１の磁化の方向は、強磁性体２１、非磁性体２２、および強磁性体２３を貫いて流れる電流（書き込み電流）により、反転させられることが可能である。強磁性体２１は、一般に、記憶層などと呼ばれる場合がある。

非磁性体２２は、非磁性の絶縁性元素を含むか、非磁性絶縁性元素からなり、トンネルバリアとして機能する。非磁性体２２は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むか、ＭｇＯからなる。

強磁性体２３は、導電性の強磁性元素を含むか、導電性の強磁性元素からなる。強磁性体２３は、例えばコバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、またはコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）を含むか、ＣｏＰｔ、ＣｏＮｉ、またはＣｏＰｄからなる。また、強磁性体２３は、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびニッケル（Ｎｉ）の相違するものをそれぞれ含んだ複数の層の積層構造、またはこれらの元素のうちの２つ以上の合金を含んでいてもよい。強磁性体２３は、垂直磁気異方性を有する。強磁性体２３は、方向を固定されたまたは方向が不変の磁化を有し、例えば、強磁性体２１の保磁力より大きい保磁力を有する。強磁性体２３の磁化の方向が「固定されている」または「不変である」とは、強磁性体２１の磁化を反転させる大きさの書き込み電流によって、強磁性体２３の磁化方向が反転しないことを指す。強磁性体２３、一般に、参照層などと呼ばれる場合がある。

強磁性体２１、非磁性体２２、および強磁性体２３の組は、磁気抵抗効果を示す。具体的には、強磁性体２１の磁化の向きと強磁性体２３の磁化の向きが平行および反平行であると、ＭＴＪ素子２は、それぞれ最小および最大の抵抗値を示す。ＭＴＪ素子２を含めてＭＴＪ素子が、最小および最大の抵抗値を示す状態は、それぞれ、Ｐ状態およびＡＰ状態と称される。ＭＴＪ素子２がＰ状態であるかＡＰ状態であるか、すなわち強磁性体２１の磁化の方向が、メモリセルＭＣによるデータの記憶に用いられることができる。

強磁性体２５は、導電性の強磁性元素を含むか、導電性の強磁性元素からなる。
強磁性体２５は、強磁性体２３により生成されかつ強磁性体２１に印加される磁界（漏れ磁界）を抑制または相殺する機能を有する。具体的には、強磁性体２５により生成されかつ強磁性体２１の内部に到達しかつ強磁性体２３による磁界の磁力線の向きと反対の向きの磁力線を有する磁界により、強磁性体２３によって強磁性体２１中に生成される磁界が抑制または相殺される。このため、強磁性体２１は、磁化容易軸に沿う２つの方向のうちの一方の方向への磁化反転のされ易さは、他方の方向への磁化反転のされ易さと、同じか、実質的に同じか、小さな差しか有しない。換言すると、ＭＴＪ素子２は、ゼロの、またはほぼゼロの、またはゼロに近い大きさのシフト磁界を有する。

強磁性体２５は、強磁性体２３よりも強磁性体２１から離れており、強磁性体２５によって強磁性体２１中に生成される磁界の大きさは、強磁性体２３によって強磁性体２１中に生成される磁界の大きさより小さい。このため、強磁性体２５は、強磁性体２３よりも離れた位置から、強磁性体２３によって強磁性体２１中に生成される磁界の大きさと同じ程度の大きさの磁界を強磁性体２１中で生成するために、強磁性体２３の飽和磁化（Ｍｓ）および／または残留磁化（Ｍｃ）よりもそれぞれ大きい飽和磁化および／または残留磁化を有する。より具体的には、例えば、強磁性体２５は強磁性体２３の材料（物質）と同じまたは実質的に同じ材料からなり、強磁性体２３よりも大きい体積（寸法）を有する。強磁性体２５は、一般に、シフトキャンセル層などと呼ばれる場合がある。

導電体２４は、強磁性体２３と強磁性体２５とを反強磁性結合させる機能を有する。導電体２４のこの機能により、強磁性体２３、導電体２４、および強磁性体２５は、synthetic antiferromagnetic（ＳＡＦ）構造を構成する。導電体２４は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびオスミウム（Ｏｓ）の１種類以上を含むか、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、およびＯｓの１種類以上からなる。導電体２４は、Ｐｔおよび／またはＰｄの層をさらに含んでいてもよい。

Ｒｕは、Ｒｕの層を挟む２つの強磁性体を、Ｒｕの厚さに基づいて、強磁性結合させるかあるいは反強磁性結合させる。Ｒｕを含んだ導電体２４は、強磁性体２３と強磁性体２５とを反強磁性結合させる厚さのＲｕの層を含むか、そのような厚さのＲｕの層からなり、例えばＲｕの層は、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚さを有する。反強磁性結合は、導電体２４の厚さが、おおよそ０．５ｎｍとおおよそ１．０ｎｍ付近で強くなる傾向を有する。

以下の記述は、強磁性体２３が上向きの磁化を有し、強磁性体２５が下向きの磁化を有する例に関する。強磁性体２３および２５がそれぞれ下向きおよび上向きの磁化を有していてもよい。

導電体２６および金属層２７については、後に詳述される。

導電体２８は、エッチングのストッパーとして機能する。

ＭＴＪ素子２ｒは、基板１０の上方の導電体１１ｒ上に位置している。ＭＴＪ素子２ｒは、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、強磁性体２７ｒ、および導電体２８ｒを含む。強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、強磁性体２７ｒ、および導電体２８ｒは、この順で、ｚ軸に沿って積層されている。

強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、強磁性体２７ｒ、および導電体２８ｒは、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、金属層２７、および導電体２８とそれぞれ同じまたは実質的に同じ高さに（同じ層中に）位置する。また、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、および導電体２８ｒは、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、および導電体２８とそれぞれ同じまたは実質的に同じ寸法を有していてもよい。

強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、および導電体２８ｒは、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、および導電体２８とそれぞれ同じ材料からなり、同じプロセスを経て並行して形成されることが可能である。したがって、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、および導電体２８ｒには、上記の強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、および導電体２８の特徴が当てはまる。

強磁性体２７ｒは、強磁性体２１ｒの磁化を、強磁性体２３ｒの磁化と反対の向きに強磁性体２７ｒが無い場合よりも強く固定する機能を有する。その目的で、強磁性体２７ｒは、垂直磁気異方性を有し、高い飽和磁化および／または残留磁化を有する。特に、強磁性体２７ｒは、強磁性体２１ｒから離れているので、このように距離を有していても強磁性体２１ｒの磁化を固定することができる磁界を強磁性体２１ｒ中に生成できる大きさの飽和磁化および／または残留磁化を有する。飽和磁化および／残留磁化の大きさは強磁性体の寸法に依存するので、強磁性体２７ｒは、強磁性体２１ｒ中に、強磁性体２１ｒの磁化の固定に役立つ大きさの磁界を生成させるほどの体積を有する。

強磁性体２７ｒは、強磁性体２１ｒ中に強磁性体２３ｒの磁化と反対の向きの磁界を生成するために、強磁性体２３ｒの磁化と反対の向きの磁化を有する。現行の例では、強磁性体２７ｒは、下向きの磁化を有する。このため、ＭＴＪ素子２ｒは、下向きのシフト磁界を有し、Ｐ状態よりもＡＰ状態で安定しやすい。強磁性体２７ｒは、高い保磁力Ｈｃをさらに有していてもよい。または、強磁性体２７ｒは、強磁性体２３ｒの磁化の向きと同じ向きの磁化を有していてもよい。

強磁性体２７ｒは、１種類以上の強磁性元素と１種類以上の金属元素を含む。強磁性元素の例は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む。金属元素の例は、貴金属元素を含み、ＰｔおよびＰｄを含む。強磁性体２７ｒは、強磁性元素と貴金属元素の合金を含むか、強磁性元素と金属元素の合金からなっていてもよい。または、強磁性体２７ｒは、強磁性元素の層と金属元素の層を含むか、強磁性元素の層と金属元素の層からなる。例えば、強磁性体２７ｒは、交互に積層された強磁性元素の層と金属元素の層を含む。

金属層２７は、例えば、強磁性体２７ｒと同じまたは実質的に同じ寸法を有し、強磁性体２７ｒと同じ材料に由来し、強磁性体２７ｒと同じ元素を含む。すなわち、金属層２７は、強磁性体２７ｒに含まれる１種類以上の強磁性元素のうちの１種類以上を含み、かつ、強磁性体２７ｒに含まれる１種類以上の金属元素を含む。しかし、金属層２７は、強磁性体２７ｒに含まれる強磁性元素の総量と異なる総量の強磁性元素を含む。金属層２７は、ＭＴＪ素子２を流れる書き込み電流がＭＴＪ素子２の抵抗状態を反転させることが可能な大きさの磁界しか強磁性体２１に印加しない量の強磁性元素を含有する。すなわち、金属層２７は、含有する強磁性元素によって強磁性体２１中に形成される磁界が、ＭＴＪ素子２へのデータ書き込みを妨げない量の強磁性元素しか含有しない。具体的には、金属層２７は、金属層２７の体積の３０％以下の量の強磁性元素を含有する。

導電体２６および２６ｒは、同じ材料からなり、同じプロセスを経て並行して形成されることが可能である。導電体２６および２６ｒは、強磁性体２７ｒ中の強磁性元素に対する高いエッチング選択比を有する材料を含むか、そのような材料からなる。具体的には、導電体２６および２６ｒは、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓを含むか、これらの材料からなる。導電体２６および２６ｒは、これらの元素のうちの２種類以上の合金、またはこれらの元素の相違するものをそれぞれ含んだ複数の層の積層構造を含んでいてもよい。

導電体２６および２６ｒは、強磁性体２５ｒと強磁性体２７ｒとを強磁性結合させる機能を有していてもよい。その場合、導電体２６および２６ｒは、Ｒｕの層を含むか、Ｒｕの層からなり、Ｒｕの層は、強磁性体２５ｒと強磁性体２７ｒを強磁性結合させる厚さを有する。

電極２９は、導電体２８の上方の領域および導電体２８の内部に位置し、導電体２８の上面から下面にわたる部分を含み、金属層２７に接する。電極２９ｒは、下面において、導電体２８ｒの上面に接する。

基板１０の上方の図２に示される要素を設けられていない領域は、絶縁体（図示せず）を設けられている。

［１−２．製法］
図３乃至図６は、第１実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の製造工程中の状態を順に示す。

図３に示されるように、導電体１１ｒ上に、ＭＴＪ素子２ｒが形成され、導電体１１上に、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、導電体２６、強磁性体２７ａ、および導電体２８を含む構造（以下、中間構造２Ａと称される）が形成される。ＭＴＪ素子２ｒおよび中間構造２Ａは、例えば以下の工程により形成される。

導電体１１および１１ｒが形成される。さらに、導電体１１および１１ｒの間の領域に絶縁体（図示せず）が形成される。導電体１１および１１ｒならびに絶縁体の上面上に強磁性体２１Ａ、非磁性体２２Ａ、強磁性体２３Ａ、導電体２４Ａ、強磁性体２５Ａ、導電体２６Ａ、強磁性体２７Ａ、導電体２８Ａ（いずれも図示せず）が順に堆積される。次に、強磁性体２１Ａ、非磁性体２２Ａ、強磁性体２３Ａ、導電体２４Ａ、強磁性体２５Ａ、導電体２６Ａ、強磁性体２７Ａ、導電体２８Ａが、例えばイオンビームによるエッチング（ＩＢＥ）によりエッチングされることにより、ＭＴＪ素子２ｒおよび中間構造２Ａが形成される。

図４に示されるように、ＭＴＪ素子２ｒおよび中間構造２Ａの間の領域、およびＭＴＪ素子２ｒおよび中間構造２Ａ上に絶縁体３１が形成される。絶縁体３１上にマスク３２が形成される。マスク３２は、電極２９が形成される予定の領域の上方において開口３３を有する。マスク３２を介したエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、絶縁体３１が部分的にエッチングされる。この結果、絶縁体３１の、開口３３の下方の部分に開口３４が形成される。エッチングは、開口３３が導電体２８を貫いて強磁性体２７ａに達するように行われる。次に、マスク３２が除去される。

図５に示されるように、開口３４を介したエッチングにより、強磁性体２７ａ中の強磁性元素が部分的に除去される。エッチングは、例えばウェットエッチングであり、強磁性体２７ａ中の強磁性元素に対するエッチングと金属元素に対するエッチングに対して高い選択比を有する。このようなエッチングにより、強磁性体２７ａ中の強磁性元素の大部分が強磁性体２７ａから除去される。この結果、強磁性体２７ａが金属層２７へと加工される。導電体２６（および、導電体２６ｒ）は、エッチングに対して、強磁性金属元素よりも高い耐性を有する。このため、導電体２６はエッチングのストッパーとして機能し、エッチングが強磁性体２５に達することが回避される。

図６に示されるように、開口３４に導電体が形成されることにより、電極２９が形成され、ＭＴＪ素子２が得られる。

次に、電極２９ｒが形成されることにより、図２に示される構造が完成する。

［１−３．効果］
第１実施形態によれば、高い読み出しマージンを有する記憶装置１が、複雑なプロセスの使用なく製造されることができる。詳細は以下の通りである。

まず、参照抵抗ＲにＭＴＪ素子２ｒを使用することにより、参照抵抗Ｒの抵抗値は、ＭＴＪ素子２ｒの温度による抵抗値の変化を通じて、ＭＴＪ素子２の温度による抵抗値の変化に追随することができる。また、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、および強磁性体２３ｒが、それぞれ、強磁性体２１、非磁性体２２、および強磁性体２３と同じプロセスによる形成されることができる。このため、ＭＴＪ素子２のプロセスのばらつきに起因する種々の特徴（例えば形状、厚さ）のばらつきによるＭＴＪ素子２の特性のばらつきに、ＭＴＪ素子２ｒの特性のばらつきが追随する。よって、温度特性およびプロセスのばらつきの追随は、記憶装置１の高い読み出し読み出しマージンを可能にする。

ＭＴＪ素子２ｒが参照抵抗として機能するためには、ＭＴＪ素子２ｒの抵抗状態、すなわち、強磁性体２１ｒの磁化の向きが、固定されていることが望ましい。一方で、ＭＴＪ素子２の抵抗状態、すなわち強磁性体２１の磁化の向きは、可変である必要がある。

第１実施形態によれば、ＭＴＪ素子２および２ｒは、同じ材料に由来する金属層２７および強磁性体２７ｒをそれぞれ含む。強磁性体２７ｒは、その磁化により、強磁性体２１ｒの磁化の向きをある方向に固定することに役立つことができる。一方で、ＭＴＪ素子２は、強磁性体２７ｒを含まず、金属層２７を含む。金属層２７は、限定された総量の強磁性元素しか含有せず、よって、強磁性体２１の磁化の反転を妨げない。よって、ＭＴＪ素子２は、メモリセルとして機能することができる。

しかも、金属層２７は、強磁性体２７ｒとなる材料から強磁性元素を除去することにより形成されることができる。このことは、強磁性体２７ｒと金属層２７を別々の工程で形成する必要性を排し、強磁性体２７ｒとなる材料の形成後に強磁性元素を除去する工程を加えるのみで、金属層２７および強磁性体２７ｒの形成を可能にする。よって、ＭＴＪ素子２および２ｒが、少ない工程の付加で、しかも、強磁性体２７ｒおよび金属層２７の下の強磁性体２１および２１ｒ、非磁性体２２および２２ｒ、強磁性体２３および２３ｒ、導電体２４および２４ｒ、ならびに強磁性体２５および２５ｒに影響を与えずに、形成されることができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の断面構造を示し、第２実施形態に係るＭＴＪ素子２および２ｒを示す。

ＭＴＪ素子２は、強磁性体２１、非磁性体２２、強磁性体２３、導電体２４、強磁性体２５、および導電体２８を含み、第１実施形態の導電体２６および金属層２７を含まない。導電体２８は、強磁性体２５の上に設けられている。

強磁性体２５は、１種類以上の強磁性元素と１種類以上の金属元素を含む。強磁性元素の例は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む。金属元素の例は、貴金属元素を含み、白金（Ｐｔ）およびＰｄを含む。強磁性体２５は、強磁性元素と貴金属元素の合金を含むか、強磁性元素と金属元素の合金からなっていてもよい。強磁性体２５は、強磁性体２７ｒと同じく、強磁性元素の層と金属元素の層を含んでいてもよく、例えば、交互に積層された強磁性元素の層と金属元素の層を含んでいてもよい。

ＭＴＪ素子２ｒは、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、金属層２５ｒａ、および導電体２８ｒを含み、第１実施形態の強磁性体２５ｒ、導電体２６ｒ、および強磁性体２７ｒを含まない。導電体２８ｒは、金属層２５ｒａの上に設けられている。

金属層２５ｒａは、例えば、強磁性体２５と同じまたは実質的に同じ寸法を有し、強磁性体２５と同じ材料に由来し、強磁性体２５と同じ元素を含む。すなわち、金属層２５ｒａは、強磁性体２５に含まれる１種類以上の強磁性元素のうちの１種類以上を含み、かつ、強磁性体２５に含まれる１種類以上の金属元素を含む。しかし、金属層２５ｒａは、強磁性体２５に含まれる強磁性元素の総量と異なる総量の強磁性元素を含む。具体的には、金属層２５ｒａは、金属層２５ｒａの体積の３０％以下の量の強磁性元素を含有する。

金属層２５ｒａは、第１実施形態において、強磁性体２７Ａから金属層２７および強磁性体２７ｒが形成されるのと同じプロセスにより、形成されることができる。すなわち、強磁性体２５となる材料が、強磁性体２５および金属層２５ｒａが形成される予定の領域に形成される。次いで、強磁性体２５となる材料のうち、金属層２５ｒａが形成される位置の部分から、強磁性元素が部分的に除去される。

ＭＴＪ素子２は、強磁性体２５により、ゼロの、またはほぼゼロの、またはゼロに近い大きさのシフト磁界を有する。一方、ＭＴＪ素子２ｒは、強磁性体２５のように、ＭＴＪ素子２のシフト磁界をゼロに近づける層、すなわち、第１実施形態の強磁性体２５ｒに相当する層を含まない。このため、ＭＴＪ素子２ｒでは、強磁性体２１ｒは、強磁性体２３ｒの磁化の向きと同じ向きのシフト磁界を有する。すなわち、ＭＴＪ素子２ｒは、ＡＰ状態よりもＰ状態で安定しやすい。

電極２９は、下面において、導電体２８の上面に接する。電極２９ｒは、導電体２８ｒの上方領域および導電体２８ｒの内部に位置し、導電体２８ｒの上面から下面にわたる部分を含み、金属層２５ｒａに接する。

基板１０の上方の図７に示される要素を設けられていない領域は、絶縁体（図示せず）を設けられている。

図８は、第２実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の製造工程中の一状態を示す。まず、ＭＴＪ素子２、および強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒＢ、および導電体２８ｒを含む構造（以下、中間構造２ｒＢと称される）が、図３の工程と同様の工程によって形成される。強磁性体２５ｒＢは、金属層２５ｒａの領域を占め、強磁性体２５と同じ材料からなる。

ＭＴＪ素子２および中間構造２ｒＢの間の領域、およびＭＴＪ素子２ｒおよび中間構造２ｒＢ上に絶縁体４１が形成される。絶縁体４１中に、図４の工程と同様の工程によって、開口４２が形成される。開口４２は、導電体２８ｒを貫いて強磁性体２５ｒＢに達する。開口４２の形成の間、絶縁体４１のうちのＭＴＪ素子２の上方の領域はマスクにより覆われている。

図５の工程と同様の工程によって、開口４２を介したエッチングにより、強磁性体２５ｒＢ中の強磁性元素が部分的に除去される。この結果、図７に示されるように、強磁性体２５ｒＢが金属層２５ｒａへと加工される。この後、開口４２に導電体が形成されることにより、電極２９ｒが形成され、次いで、電極２９が形成されて、図４に示される構造が得られる。

第２実施形態によれば、磁気記憶装置１は、強磁性体２５によりゼロまたはゼロに近いシフト磁界を有するＭＴＪ素子２と、強磁性体２５に対応する層を含まないことにより強磁性体２３ｒと同じ向きのシフト磁界を有するＭＴＪ素子２ｒを含む。このため、第２実施形態によれば、メモリセルＭＣとして機能できるＭＴＪ素子２と、一方の抵抗状態（例えば、Ｐ状態）により安定しやすいＭＴＪ素子２ｒが得られる。よって、第１実施形態と同じく、温度特性およびプロセスのばらつきの追随を通じて高い読み出しマージンを有する記憶装置１が実現されることができる。

また、第２実施形態によれば、第１実施形態と同じく、強磁性体２５となる材料から強磁性元素を除去することにより金属層２５ｒａが形成される。よって、簡易な方法でＭＴＪ素子２および２ｒが形成されることができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る磁気記憶装置１の一部の断面構造を示し、第３実施形態に係るＭＴＪ素子２および２ｒを示す。

ＭＴＪ素子２は、第２実施形態のＭＴＪ素子２と同じ構造および特徴を有する。

ＭＴＪ素子２ｒは、強磁性体２１ｒ、非磁性体２２ｒ、強磁性体２３ｒ、導電体２４ｒ、強磁性体２５ｒ、および導電体２８ｒを含み、第１実施形態の導電体２６ｒおよび金属層２７ｒを含まない。導電体２８ｒは、強磁性体２５ｒの上に設けられている。

磁気記憶装置１は、電極２９ｒａをさらに含む。電極２９ｒａは、電極２９と同じ層中に位置し、下面において導電体２８ｒの上面に接する。

電極２９ｒａは、ＭＴＪ素子２ｒ、特に導電体２８ｒを別の導電体と電気的に接続する機能に加えて、強磁性体２１ｒの磁化を強磁性体２３ｒ（および強磁性体２５ｒ）の磁化と反対の向きに固定する機能を有する。その目的で、電極２９ｒａは、垂直磁気異方性を有し、高い飽和磁化および／または残留磁化を有し、強磁性体２３ｒの磁化の向きと反対の向きの磁化を有する。

より具体的には、電極２９ｒａは、電極２９より大きな寸法、すなわち、電極２９より大きな平面形状（ｘｙ面に沿った形状）、または電極２９より大きな径を有する。電極２９ｒａは、第１実施形態の強磁性体２７ｒの材料と同じ材料を含むか、第１実施形態の強磁性体２７ｒの材料と同じ材料からなる。

電極２９ｒは、高い保磁力をさらに有していてもよい。または、電極２９ｒは、強磁性体２３ｒの磁化の向きと同じ向きの磁化を有していてもよい。

ＭＴＪ素子２は、強磁性体２５により、ゼロの、またはゼロに近い大きさのシフト磁界を有する。一方、ＭＴＪ素子２ｒは、電極２９ｒａにより、強磁性体２３ｒの磁化の向きと反対の向きのシフト磁界を有し、Ｐ状態よりもＡＰ状態で安定しやすい。

電極２９ｒａは、以下の工程で形成されることができる。まず、ＭＴＪ素子２および２ｒが形成される。次いで、図４と同様に、ＭＴＪ素子２および２ｒの間の領域、およびＭＴＪ素子２および２ｒ上に絶縁体（図示せず）が形成される。次いで、絶縁体中に、絶縁体の上面から導電体２８に達する開口が形成され、開口に導電材料が形成されることにより電極２９が形成される。電極２９ｒａのための開口が形成されたのと同様のリソグラフィ工程およびエッチングにより、絶縁体の上面から導電体２８ｒに達する開口が形成される。次いで、開口に電極２９ｒのための導電体が形成されることにより電極２９ｒが形成される。

第３実施形態によれば、磁気記憶装置１は、ＭＴＪ素子２および２ｒを含み、さらに、ＭＴＪ素子２ｒ上の、強磁性体の電極２９ｒａを含む。電極２９ｒａは、強磁性体２３ｒの磁化の向きと反対の向きの磁化を有する。このため、ＭＴＪ素子２は、ＭＴＪ素子２と同じ構造を有するが、強磁性体２３ｒと反対の向きのシフト磁界を有する。よって、第３実施形態によれば、メモリセルＭＣとして機能できるＭＴＪ素子２と、一方の抵抗状態（例えば、ＡＰ状態）により安定しやすいＭＴＪ素子２ｒが得られ、第１実施形態と同じく、高い読み出しマージンを有する記憶装置１が実現されることができる。

また、第２実施形態によれば、並行したプロセスによりＭＴＪ素子２および２ｒが形成され、その後、ＭＴＪ素子２ｒ上にのみ強磁性元素を含んだ電極２９ｒａが形成される。このため、強磁性体２５によりゼロまたはゼロに近いシフト磁界を有するＭＴＪ素子２と、シフト磁界を有するＭＴＪ素子２ｒが、ＭＴＪ素子２および２ｒの形成後の相違する特徴を有する電極２９および２９ｒａの形成により実現されることができる。よって、簡易な方法で、ＭＴＪ素子２および２ｒが実現されることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…磁気記憶装置、２、２ｒ…ＭＴＪ素子、２１、２３、２５、２７、２１ｒ、２３ｒ、２５ｒ…強磁性体、２２、２２ｒ…非磁性体、２４、２６、２８、２４ｒ、２６ｒ、２８ｒ…導電体、２７ｒ…金属層、２９、２９ｒ…上部電極。

Claims

第１強磁性体と、
第２強磁性体と、
前記第１および第２強磁性体の間の第１非磁性体と、
前記第２強磁性体上の第１導電体と、
前記第１導電体上の第３強磁性体と、
前記第３強磁性体上の第２導電体と、
前記第２導電体上に位置し、金属元素を含み、１種類以上の強磁性元素を含む、第４強磁性体と、
を含む第１素子と、
第５強磁性体と、
第６強磁性体と、
前記第５および第６強磁性体の間の第２非磁性体と、
前記第６強磁性体上の第３導電体と、
前記第３導電体上の第７強磁性体と、
前記第７強磁性体上の第４導電体と、
前記第４導電体上に位置し、前記金属元素を含む第５導電体であって、前記１種類以上の強磁性元素を前記第第５導電体の体積の３０％以下の量、含む、第８強磁性体と、
を含む第２素子と、
を備える記憶装置。
前記第３強磁性体は、前記第４強磁性体と強磁性結合している、
請求項１の記憶装置。
前記金属元素は、プラチナおよびパラジウムの少なくとも１つであり、
前記１種類以上の強磁性元素は、コバルト、鉄、ニッケルの少なくとも１つを含む、
請求項１の記憶装置。
前記第２導電体は、ルテニウムおよびイリジウムの少なくとも１つを備える、
請求項１の記憶装置。
前記第４導電体は、ルテニウムおよびイリジウムの少なくとも１つを備える、
請求項４の記憶装置。
前記第２導電体は、前記第３強磁性体と前記第４強磁性体を強磁性結合させる、
請求項４の記憶装置。