JP3825730B2 - 強磁性トンネル接合素子、磁気メモリ、及び強磁性トンネル接合素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性トンネル接合素子、それを用いた磁気メモリ、及び強磁性トンネル接合素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。これら磁気抵抗効果素子のうち、非磁性層をＡｌＯ_xのような誘電体からなるトンネルバリア層とした強磁性トンネル接合素子（或いは「ＭＴＪ素子」；Magnetic Tunnel Junction element)によると、比較的高い磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ比という）を実現することができる。
【０００３】
磁気抵抗効果素子は様々な用途への応用が可能であり、磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）はその主要な用途の１つである。ＭＲＡＭでは、一方の強磁性層に隣接してＩｒＭｎやＰｔＭｎなどからなる反強磁性層を設けた磁気抵抗効果素子を利用している。このような構造によると、他方の強磁性層は或る磁場を印加した際に磁化の向きを変化させ得るフリー層として振舞うのに対し、反強磁性層に隣接した強磁性層は上記磁場印加の際に磁化の向きを維持するピン層として振舞うようになる。ＭＲＡＭでは、フリー層の磁化の向きに対応して情報“０”及び“１”の記憶を行う。
【０００４】
ところで、ＭＲＡＭで磁気抵抗効果素子としてＭＴＪ素子を利用すると、その高いＭＲ比により、大きな出力電圧が得られると考えられている。しかしながら、現状では、ＭＲＡＭでＭＴＪ素子を使用しても、期待通りの特性を実現できていない。以下に、その理由を説明する。
【０００５】
ＭＲＡＭでは、例えば、メモリセルを選択するための素子などとしてＭＯＳトランジスタを使用している。通常、ＭＯＳトランジスタを作製するプロセスの最終工程では、ゲート中のダングリングボンドを除去するために、水素ガス中、約３７０℃以上の温度で１乃至２時間程度のアニールを行う。ところが、従来のＭＴＪ素子は、３００乃至３３０℃程度の熱処理に供すると、そのＭＲ比が著しく低下する。その結果、完成したＭＲＡＭにおけるＭＴＪ素子のＭＲ比は極めて低い値となる。
【０００６】
このような問題を解決するために幾つかの提案が為されている。
例えば、Ａｌ₂Ｏ₃からなるトンネルバリア層とその上に形成するＣｏＦｅからなるピン層との間にＦｅ−ＦｅＯ_x層を介在させることが提案されている。この技術によると、３８０℃までのアニールに供しても高いＭＲ比を維持することができる。（非特許文献１を参照のこと。）
また、ＣｏＦｅからなるピン層上に形成したＡｌ層をラジカル酸化に供し、その後、熱処理を施すことによりＡｌＯ_xからなるトンネルバリア層を形成することが提案されている。この方法によると、ＣｏＦｅからなるピン層の表面はラジカル酸化により酸化され、このＣｏＦｅの酸化物はＭｎがトンネルバリア層に至るのを防ぐ役割を果たす。この技術によると、熱処理温度が３５０℃である場合にＭＲ比が最大となる。（非特許文献２を参照のこと。）
しかしながら、これらＭＴＪ素子は、ほぼ最大のＭＲ比が得られる熱処理温度の範囲が極めて狭い。アニール時の基板温度の面内ばらつきは１０乃至２０℃程度であるので、それらＭＴＪ素子をＭＲＡＭで利用すると、ＭＴＪ素子間でＭＲ比が大きくばらつくこととなる。しかも、後者の技術に係るＭＴＪ素子では、上記の通り、ＭＲ比が最大となる熱処理温度は３５０℃と低いので、アニール時の基板温度の面内ばらつきを抑制できたとしても、高いＭＲ比を実現することはできない。
【０００７】
熱処理によるＭＲ比の低下を抑制する他の技術として、Ｍｎを含有した反強磁性層上に形成するピン層を、絶縁層またはアモルファス磁性層とそれを挟持した一対の強磁性層とで構成することが提案されている。この絶縁層またはアモルファス磁性層は、Ｍｎの拡散を防止する拡散防止層として機能し、熱処理時におけるＭｎの拡散に起因したＭＲ比の低下を抑制する。また、一対の強磁性層のうち拡散防止層に対して反強磁性層側に配置するものは、拡散防止層の挿入によりピン層の磁化が外部磁場印加により反転し易くなるのを抑制する役割を果たす。さらに、他方の強磁性層は、拡散防止層の挿入によりスピントンネル特性が劣化するのを抑制する役割を果たす。このような構造を採用することにより、３００℃を超える熱処理によってＭＴＪ素子の特性が劣化するのを抑制可能となる。（特許文献１を参照のこと。）
しかしながら、拡散防止層として絶縁層を用いた場合には、高いＭＲ比を実現する上で不利であり、また、それを挟持する強磁性層間の磁気的結合が弱くなり易い。また、アモルファス磁性層は、絶縁層に比べ、拡散防止層としての機能が劣る傾向にある。
【０００８】
【非特許文献１】
「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）」，２００１年，第８９巻，第１１号，ｐ．６６６５−６６６７
【０００９】
【非特許文献２】
「日本応用磁気学会誌」，２００２年，第２６巻，第６号，ｐ．８３９−８４２
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−１５８３８１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い温度で熱処理を行った場合にも高いＭＲ比を維持し得る強磁性トンネル接合素子及びその製造方法並びにそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、第１反強磁性層と、強磁性を示すとともに磁場印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記第１反強磁性層と前記フリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに前記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン層と、前記フリー層と前記第１ピン層との間に介在した第１トンネルバリア層とを具備し、前記第１ピン層は、第１及び第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含み前記結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第１磁性中間層とを具備したことを特徴とする強磁性トンネル接合素子が提供される。
【００１３】
本発明の第２の側面によると、第１反強磁性層と、強磁性を示すとともに磁場印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記第１反強磁性層と前記フリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに前記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン層と、前記フリー層と前記第１ピン層との間に介在した第１トンネルバリア層とを具備し、前記第１ピン層は、第１及び第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含み前記結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第１磁性中間層とを具備し、前記第１強磁性金属層の構成材料と前記第２強磁性金属層の構成材料と前記第１磁性中間層の前記磁性金属材料とは同一であることを特徴とする強磁性トンネル接合素子が提供される。
【００１４】
本発明の第３の側面によると、互いに交差した第１及び第２配線と、前記第１及び第２配線の交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは第１または第２の側面に係る強磁性トンネル接合素子を含んだことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１５】
本発明の第４の側面によると、反強磁性層を形成する工程と、前記反強磁性層上に第１強磁性金属層を形成する工程と、酸素及び窒素の少なくとも一方を含有した雰囲気中、前記第１強磁性金属層を５０℃以下の温度で放置して、磁性金属材料の結晶粒と前記結晶粒間の粒界に局在した酸素及び窒素の少なくとも一方の元素とを含有した磁性中間層を前記第１強磁性金属層の表面に形成する工程と、前記磁性中間層上に第２強磁性金属層を形成する工程と、前記第２強磁性金属層上にトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層上に第３強磁性金属層を形成する工程とを含んだことを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法が提供される。
【００１６】
本発明の第５の側面によると、第１強磁性層を形成する工程と、前記第１強磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層上に第２強磁性層を形成する工程と、酸素及び窒素の少なくとも一方を含有した雰囲気中、前記第２強磁性金属層を５０℃以下の温度で放置して、磁性金属材料の結晶粒と前記結晶粒間の粒界に局在した酸素及び窒素の少なくとも一方の元素とを含有した磁性中間層を前記第２強磁性金属層の表面に形成する工程と、前記磁性中間層上に第３強磁性層を形成する工程と、前記第３強磁性層上に反強磁性層を形成する工程とを含んだことを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法が提供される。
【００１７】
ここで、用語「磁性金属材料」は、磁性を示す金属または合金を意味する。また、或る領域中に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が「局在」していることは、その領域中に酸素及び／または窒素が存在し且つ他の領域中には酸素及び／または窒素は存在していないこと、及び、その領域中に酸素及び／または窒素がより高い濃度で存在し且つ他の領域中には酸素及び／または窒素がより低い濃度で存在していることを包含する。したがって、磁性中間層中で、酸素及び／または窒素は、上記結晶粒中に存在せずに上記粒界のみに存在していてもよく、或いは、上記結晶粒に比べ上記粒界においてより高い濃度で存在していてもよい。なお、第１及び第２ピン層などの構造及び組成（構成元素）は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）やエネルギー分散性Ｘ線回折（ＥＤＸＤ）を利用して調べることができる。
【００１８】
第４及び第５の側面において、磁性中間層は、磁性金属材料の結晶粒とそれら結晶粒間の粒界に局在した酸素及び窒素の少なくとも一方の元素とを含有していてもよい。また、第４及び第５の側面に係る方法で製造する強磁性トンネル接合素子は、第１反強磁性層と、強磁性を示すとともに磁場印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー層と、第１反強磁性層とフリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに上記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン層と、フリー層と第１ピン層との間に介在した第１トンネルバリア層とを具備し得る。第４及び第５の側面に係る方法において、第１及び第２強磁性金属層と磁性中間層との積層体は、例えば、第１ピン層の少なくとも一部として用いられる。
【００１９】
第１乃至第５の側面において、強磁性トンネル接合素子は、第１反強磁性層との間にフリー層を介在させて設けられた第２反強磁性層と、第２反強磁性層とフリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに上記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第２ピン層と、フリー層と第２ピン層との間に介在した第２トンネルバリア層とをさらに具備していてもよい。この場合、第２ピン層は、第３及び第４強磁性金属層と、第３及び第４強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含みそれら結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第２磁性中間層とを具備していてもよい。
【００２０】
第３及び第４強磁性金属層のうち第２磁性中間層の下地として供せられたものの構成材料と第２磁性中間層が含有する磁性金属材料の構成材料とは同一であってもよい。また、第３強磁性金属層の構成材料と第４強磁性金属層の構成材料と第２磁性中間層の磁性金属材料とは同一であってもよい。
【００２１】
第１乃至第４の側面において、第１反強磁性層はマンガンを含有していてもよい。また、第２反強磁性層もマンガンを含有していてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。図１に示すＭＴＪ素子１は、強磁性１重トンネル接合素子である。このＭＴＪ素子１は、反強磁性層１１、それに対向したフリー層１２、反強磁性層１１とフリー層１２との間に介在したピン層１３、及びフリー層１２とピン層１３との間に介在したトンネルバリア層１４を備えている。
【００２４】
ピン層１３は、互いに対向した一対の強磁性金属層１３ａと、それらの間に介在した磁性中間層１３ｂとを備えている。この磁性中間層１３ｂは、磁性金属材料の結晶粒とそれら粒界に局在した酸素及び／または窒素とを含有している。
【００２５】
さて、本実施形態に係るＭＴＪ素子１は、高温で熱処理を行った場合にも高いＭＲ比を維持することができる。理論に束縛されることを望む訳ではないが、これは、以下の理由によると考えられる。なお、ここでは、一例として、反強磁性層１１の材料としてＩｒＭｎを、トンネルバリア層１４の材料としてＡｌＯ_xを、強磁性金属層１３ａの材料としてＣｏＦｅを、磁性中間層１３ｂの材料としてＣｏＦｅＯ_xをそれぞれ使用することとする。
【００２６】
ピン層１３が磁性中間層１３ｂを備えていない場合、ＭＴＪ素子１を熱処理に供すると、反強磁性層１１に含まれるＭｎはピン層１３中へと拡散する。ピン層１３中で、Ｍｎは、主としてＣｏＦｅ結晶の粒界を経路として移動し、最終的にはトンネルバリア層１４へと達する。トンネルバリア層１４へと到達したＭｎはＡｌＯ_xと反応して、例えばＡｌ−Ｏ−Ｍｎ結合を形成する。その結果、トンネルバリア層１４中に欠陥が生じ、ＭＴＪ素子１のＭＲ比が低下する。
【００２７】
本実施形態では、上記の通り、ピン層１３は磁性中間層１３ｂを備えている。Ｍｎの酸素及び／または窒素に対する反応性は、ＣｏやＦｅの酸素及び／または窒素に対する反応性よりも遥かに高い。磁性中間層１３ｂはＭｎとの反応性に富んだ酸素及び／または窒素を含有しているため、熱処理の際、反強磁性層１１からピン層１３中へと拡散したＭｎは酸素及び／または窒素と結合を形成し、そこに束縛される。また、磁性中間層１３ｂ中で酸素及び／または窒素と結合を形成したＭｎは、酸素及び／または窒素と結合を形成していないＭｎが移動可能な経路を塞ぐ役割を果たす。そのため、本実施形態によると、反強磁性層１１に含まれるＭｎがピン層１３を経由してトンネルバリア層１４へと到達するのを防止することができる。
【００２８】
ところで、多くの場合、ＡｌＯ_xには酸素欠損が存在しているため、磁性中間層１３ｂとトンネルバリア層１４とが接触していると、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素はトンネルバリア層１４中に吸収され易い。磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素がトンネルバリア層１４中に吸収されると、先に説明した磁性中間層１３ｂの機能が著しく低下する。
【００２９】
これに対し、本実施形態では、磁性中間層１３ｂとトンネルバリア層１４との間に強磁性金属層１３ａを介在させるため、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素がトンネルバリア層１４中に吸収されるのを抑制することができる。なお、磁性中間層１３ｂから強磁性金属層１３ａ中へと酸素及び／または窒素が拡散し得るが、強磁性金属層１３ａ中に拡散した酸素及び／または窒素は、磁性中間層１３ｂ中で果たしたのと同様の役割を果たし得る。したがって、本実施形態によると、反強磁性層１１に含まれるＭｎがピン層１３を経由してトンネルバリア層１４へと到達するのを防止する効果が、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素がトンネルバリア層１４中に吸収されることに起因して損なわれるのを抑制することができる。
【００３０】
また、磁性中間層１３ｂと反強磁性層１１とが接触していると、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素は反強磁性層１１中に吸収され易い。磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素が反強磁性層１１中に吸収されると、先に説明した磁性中間層１３ｂの機能が著しく低下する。しかも、反強磁性層１１は、酸素及び／または窒素を吸収すると、その反強磁性が著しく低下する。この反強磁性層１１の特性劣化は、ＭＴＪ素子１のＭＲ比低下を招く。
【００３１】
本実施形態では、磁性中間層１３ｂと反強磁性層１１との間に強磁性金属層１３ａを介在させる。このような構造を採用すると、先に説明したのと同様の理由により、反強磁性層１１に含まれるＭｎがピン層１３を経由してトンネルバリア層１４へと到達するのを防止する効果並びに反強磁性層１１の特性が、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素が反強磁性層１１中に吸収されることに起因して損なわれるのを抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、上記の通り、磁性中間層１３ｂ中に磁性金属材料の結晶粒を生じさせるとともに、その結晶粒界に酸素及び／または窒素を局在させる。そのため、磁性中間層１３ｂは、それを挟持する強磁性層１３ａ間の磁気的結合を妨げない。したがって、磁性中間層１３ｂを設けることによるピン層１３の特性劣化は殆どない。
【００３３】
加えて、磁性中間層１３ｂ中の結晶粒は磁性金属材料を主成分としているので、中間層として絶縁層を使用した場合に比べ、高いＭＲ比を実現するうえで有利である。
【００３４】
このように、本実施形態では、ピン層１３中に、磁性金属材料の結晶粒とそれらの結晶粒界に局在した酸素及び／または窒素とを含有した磁性中間層１３ｂを設ける。加えて、本実施形態では、磁性中間層１３ｂと反強磁性層１１との間及び磁性中間層１３ｂとトンネルバリア層１４との間の双方に強磁性金属層１３ａを介在させる。これにより、高温で熱処理を行ったとしても、トンネルバリア層１４中での欠陥の生成及び反強磁性層１１の特性劣化などを防止することができ、高いＭＲ比を維持可能となる。
【００３５】
なお、この効果は、強磁性金属層１３ａと磁性中間層１３ｂとの界面で結晶粒界が不連続である場合にさらに顕著となる。これは、上記界面での結晶粒界の不連続性に起因して、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素の強磁性金属層１３ａ中への拡散が生じ難くなるためである。このような結晶粒界の不連続性は、強磁性金属層１３ａ及び磁性中間層１３ｂの成膜条件を適宜設定することにより生じさせることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、上記の通り、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素は、熱処理により反強磁性層１１から磁性中間層１３ｂ中へと拡散したＭｎなどの元素と結合する。加えて、本実施形態では、一対の強磁性層１３ａで磁性中間層１３ｂを挟んでいるため、Ｍｎなどの元素と結合した酸素及び／または窒素の磁性中間層１３ｂから反強磁性層１１やトンネルバリア層１４中への拡散は生じ難い。したがって、磁性中間層１３ｂ中で酸素及び／または窒素が結晶粒界に局在した構造は、ＭＴＪ素子１に熱処理を施した後でも維持され得る。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。図２に示すＭＴＪ素子１は、強磁性２重トンネル接合素子である。このＭＴＪ素子１は、一対の反強磁性層１１，２１、それらの間に介在したフリー層１２、反強磁性層１１とフリー層１２との間に介在したピン層１３、反強磁性層２１とフリー層１２との間に介在したピン層２３、フリー層１２とピン層１３との間に介在したトンネルバリア層１４、及びフリー層１２とピン層２３との間に介在したトンネルバリア層２４を備えている。
【００３８】
ピン層１３，２３は、それぞれ、互いに対向した一対の強磁性金属層１３ａと、それらの間に介在した磁性中間層１３ｂとを備えている。これら磁性中間層１３ｂは、磁性金属材料と酸素及び／または窒素とを含有している。
【００３９】
第１の実施形態で説明したのと同様に、このような構造を採用した場合でも、高温での熱処理によるＭＲ比の低下を抑制することができる。また、より高いＭＲ比を実現するうえで、強磁性２重トンネル接合素子は、強磁性１重トンネル接合素子に比べて有利である。したがって、第２の実施形態によると、第１の実施形態に比べ、高温での熱処理後におけるＭＲ比を高めることができる。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。図３に示すＭＴＪ素子１は、ピン層１３が３つの強磁性金属層１３ａとそれらの間に介在した一対の磁性中間層１３ｂとを備えていること以外は、図１に示すＭＴＪ素子１と同様の構造を有している。
【００４１】
このような構造では、図１に示す構造に比べ、強磁性金属層１３ａと磁性中間層１３ｂとの界面の数が多い。そのため、第３の実施形態によると、第１の実施形態に比べ、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素がトンネルバリア層１４や反強磁性層１１中に吸収されるのをより効果的に抑制することができる。
【００４２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第４の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。図４に示すＭＴＪ素子１は、ピン層１３，２３のそれぞれが３つの強磁性金属層１３ａとそれらの間に介在した一対の磁性中間層１３ｂとを備えていること以外は、図２に示すＭＴＪ素子１と同様の構造を有している。
【００４３】
このような構造では、図２に示す構造に比べ、強磁性金属層１３ａと磁性中間層１３ｂとの界面の数が多い。そのため、第４の実施形態によると、第２の実施形態に比べ、磁性中間層１３ｂ中の酸素及び／または窒素がトンネルバリア層１４，２４や反強磁性層１１，２１中に吸収されるのをより効果的に抑制することができる。
【００４４】
上述した第１乃至第４の実施形態において、反強磁性層１１，２１の材料としては、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、及びＩｒ−Ｍｎなどの合金やＮｉＯなどを使用することができる。
【００４５】
フリー層１２には、一軸磁気異方性が付与されている。フリー層１２は、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、フリー層１２は、単一の強磁性層であってもよい。或いは、例えば強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される三層構造や強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される五層構造のように、複数の強磁性層の隣り合う２つの間に非磁性層を介在させた多層構造を有していてもよい。フリー層１２に多層構造を採用する場合、それら強磁性層間で、組成は同一であってもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００４６】
なお、ＭＲＡＭを高集積化するうえではＭＴＪ素子１の寸法を小さくすることが有効であるが、この場合、書き込み時の消費電力の増大並びにそれに伴い配線のエレクトロマイグレーションを生じることがある。フリー層１２に多層構造を採用すると、ＭＴＪ素子１の寸法を小さくした場合であっても、書き込み時の消費電力の増大や配線のエレクトロマイグレーションが生じるのを抑制できる。しかも、フリー層１２に多層構造を採用すると、ＭＴＪ素子１の寸法を小さくした場合であっても、スピンのモーメントに関して十分な熱安定性を維持することができる。
【００４７】
フリー層１２の強磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金、及び、ＮｉＭｎＳｂ系、ＰｔＭｎＳｂ系、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ系などのホイスラー合金等を挙げることができる。また、フリー層１２の非磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＡｇなどを挙げることができる。
【００４８】
フリー層１２の強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度に厚い必要があり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、フリー層１２の強磁性層の膜厚が過剰に厚いと、大きなスイッチング磁場が必要となる。したがって、フリー層１２の強磁性層の膜厚は、２．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
ピン層１３，２３は、それぞれ、互いに対向した複数の強磁性金属層１３ａと、それらの隣り合う２つの間に介在した磁性中間層１３ｂとを備えている。また、ピン層１３，２３には、一方向磁気異方性が付与されている。なお、第１乃至第４の実施形態では、ピン層１３，２３のそれぞれに含まれる磁性中間層１３ｂの数を１または２とし且つ強磁性金属層１３ａの数を２または３としたが、磁性中間層１３ｂの数を３以上とするとともに、それに応じて、強磁性金属層１３ａの数を４以上としてもよい。また、強磁性金属層１３ａや磁性中間層１３ｂの数は、ピン層１３とピン層２３との間で互いに等しくてもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００５０】
強磁性金属層１３ａの材料としては、例えば、フリー層１２の強磁性層に関して例示した材料などを使用することができる。ピン層１３，２３に含まれる強磁性金属層１３ａの組成は、互いに等しくてもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００５１】
強磁性金属層１３ａの膜厚は、典型的には、０．５ｎｍ乃至５ｎｍの範囲内にある。ピン層１３，２３に含まれる強磁性金属層１３ａの膜厚は、互いに等しくてもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００５２】
磁性中間層１３ｂは、磁性金属材料の結晶粒と結晶粒界に局在した酸素及び／または窒素とを含有している。この磁性金属材料としては、例えば、フリー層１２の強磁性層に関して例示した材料などを使用することができる。磁性中間層１３ｂの膜厚は、典型的には、０．３ｎｍ乃至３ｎｍの範囲内にある。
【００５３】
ピン層１３，２３のそれぞれにおいて、強磁性金属層１３ａの構成元素と磁性中間層１３ｂに含まれる磁性金属材料の構成元素とは同一であってもよい。この場合、製造プロセスを簡略化することができる。また、ピン層１３，２３のそれぞれにおいて、強磁性金属層１３ａと磁性中間層１３ｂとは明確な境界を有していなくてもよい。これは、例えば、熱処理などにより、それらの間で構成元素の拡散を生じ得るためである。
【００５４】
トンネルバリア層１４，２４の材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₂、及びＡｌＬａＯ₃などの誘電体或いは絶縁体を使用することができる。これら誘電体或いは絶縁体には、酸素欠損や窒素欠損が存在していても構わない。トンネルバリア層１４，２４の膜厚は、ＭＴＪ素子１の面積などに応じて適宜設定する。トンネルバリア層１４，２４の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
第１乃至第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１は、下地層や保護層をさらに備えていてもよい。また、図１乃至図４において、図中、上側及び下側の何れを下地層側としてもよい。
【００５６】
第１乃至第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１は、例えば、基板の一主面に設けられた下地層上に各種薄膜を順次成膜することにより得られる。これら、薄膜は、各種スパッタリング法、蒸着法、及び分子線エピタキシャル法などの気相堆積法や、気相堆積と酸化や窒化などとを組み合わせた方法を用いて形成することができる。
【００５７】
基板の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、スピネル、及びＡｌＮなどを挙げることができる。また、下地層や保護層としては、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＡｕなどを含有した層や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ、及びＴａ／Ｒｕなどで表される積層膜を使用することができる。
【００５８】
第１乃至第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１では、上記の通り、磁性中間層１３ｂ中で、磁性金属材料が結晶粒を形成していること、及び、それらが形成する粒界に酸素及び／または窒素が局在していることが重要である。このような構造は、例えば、磁性金属材料の薄膜を自然酸化及び／または窒化することにより得られるが、酸化及び／または窒化が過剰に進行すると中間層１３ｂの磁性が劣化する。
【００５９】
この酸化及び／または窒化が過剰に進行するのを防止するためには、磁性金属材料の薄膜は基板温度を５０℃以下，典型的には室温程度，として自然酸化及び／または窒化することが望ましい。かかる温度条件のもとでは、磁性金属材料薄膜の自然酸化及び／または窒化は比較的穏やかに進行するため、雰囲気中の酸素及び／または窒素濃度や磁性金属材料を酸素及び／または窒素雰囲気に晒す時間を適宜設定することにより、酸化及び／または窒化が過剰に進行するのを防止することができる。例えば、上記の基板温度のもとでは、酸素及び／または窒素を含み且つ減圧した雰囲気に磁性金属材料薄膜を晒す時間を数秒乃至数分程度以下とすれば、酸化及び／または窒化を適度に進行させることができる。
【００６０】
なお、強磁性金属層１３ａと磁性中間層１３ｂとを交互に積層することによりピン層１３，２３を形成する上記方法は、ピン層１３，２３中における磁性中間層１３ｂの膜厚方向の位置，換言すれば、強磁性金属層１３ａ及び磁性中間層１３ｂの膜厚，などを高い精度で制御可能である。
【００６１】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図５（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＭＲＡＭの断面図である。
【００６２】
図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭは、一主面に半導体領域を有する基板３１を備えている。基板３１の表面領域中には不純物拡散層であるソース・ドレイン領域３２が互いに離間して設けられている。基板３１上には絶縁膜３３が設けられており、この絶縁膜３３中にはゲート電極を兼ねた読み出し用のワード線３４が埋め込まれている。なお、絶縁膜３３のゲート電極３４と基板３１との間に位置した部分はゲート絶縁膜として機能する。このＭＲＡＭでは、上記のように構成されたトランジスタ３５がマトリクス状に配列している。
【００６３】
トランジスタ３５のソース・ドレイン領域３２の一方にはコンタクト３６を介して下地配線３７が接続されている。下地配線３７上には例えば第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１が形成されている。これらＭＴＪ素子１はトランジスタ３５に対応してマトリクス状に配列しており、それぞれのメモリセルは１つのＭＴＪ素子１と１つのトランジスタ３５とで構成されている。
【００６４】
ＭＴＪ素子１の下方には、ＭＴＪ素子１から電気的に絶縁され且つ読み出し用のワード線３４に対して略平行に延在した書き込み用のワード線３８が設けられている。また、ＭＴＪ素子１の上方には、ＭＴＪ素子１を介して下地配線３７に電気的に接続され且つワード線３８に対して略直交するように延在したビット線３９が設けられている。
【００６５】
図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭは、以上のように構成されている。なお、このＭＲＡＭは、図示しないが、参照セルやワード線３４，３８及びビット線３９を選択するためのデコーダやセンスアンプなどをさらに備えている。
【００６６】
このＭＲＡＭに情報を書き込む際、或るＭＴＪ素子１に対向した１本のワード線３８と１本のビット線３９とに書き込み電流を流し、それにより発生する合成磁場を上記のＭＴＪ素子１に作用させる。そのＭＴＪ素子１のフリー層１２は、ビット線３９に流した電流の向きに応じて、その磁化の向きを反転させるか或いは維持する。このようにして、情報の書き込みを行う。
【００６７】
また、このＭＲＡＭから情報を読み出す際、或るＭＴＪ素子１に対向したビット線３９を選択するとともに、そのＭＴＪ素子１に対応したワード線３４に所定の電圧を印加して先のＭＴＪ素子１に接続されたトランジスタ３５を導通状態とする。ＭＴＪ素子１の抵抗値はフリー層１２の磁化の向きとピン層１３の磁化の向きとが等しい場合と逆である場合とで異なるので、この状態でビット線３９と下部電極３７との間を流れる電流をセンスアンプにより検出することにより、上記のＭＴＪ素子１が記憶している情報を読み出すことができる。
【００６８】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図６に示すＭＲＡＭでは、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１とダイオード４１とが、互いに略直交したワード線４２とビット線４３との間で直列接続されている。このＭＲＡＭでは、それぞれのメモリセルは、１つのＭＴＪ素子１と１つのダイオード４１とで構成されている。また、ワード線４２には選択用のトランジスタ４４が接続されており、ビット線４３には選択用のトランジスタ４５を介してセンスアンプ４６が接続されている。
【００６９】
このＭＲＡＭに情報を書き込む際、或るＭＴＪ素子１に対向した１本のワード線４２と１本のビット線４３とに書き込み電流を流し、それにより発生する合成磁場を上記のＭＴＪ素子１に作用させる。また、このＭＲＡＭから情報を読み出す際、或るＭＴＪ素子１に対向したワード線４２とビット線４３とを選択し、それらの間を流れる電流をセンスアンプ４６により検出する。なお、このＭＲＡＭでは、それぞれのＭＴＪ素子１はダイオード４１を介してビット線４３に接続されているので、不所望な電流の回り込みを防止することができる。
【００７０】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図７に示すＭＲＡＭは、ダイオード４１が設けられていないこと以外は図６に示すＭＲＡＭと同様の構造を有している。すなわち、このＭＲＡＭでは、それぞれのメモリセルは、トランジスタやダイオードなどのスイッチング素子を備えておらず、１つのＭＴＪ素子１のみで構成されている。そのため、読み出し時に１本のワード線４２と１本のビット線４３とを選択すると、それらの交差部に位置したＭＴＪ素子１だけでなく、他のＭＴＪ素子１にも電流が流れ得る。
【００７１】
したがって、読み出しの際には、まず、或るワード線４２とビット線４３との組を選択し、それらの間に電圧を印加する。このとき、それらの間を流れる電流をセンスアンプ４６により検出する。次いで、先のワード線４２とビット線４３とに挟まれたＭＴＪ素子１に情報“０”または“１”を書き込み、再度、先のワード線４２とビット線４３との間に電圧を印加して、それらの間を流れる電流をセンスアンプ４６により検出する。そのＭＴＪ素子１が記憶していた情報は、情報“０”または“１”を書き込む前後での電流値の差に対応しているので、このようにして読み出し（破壊読み出し）を行うことができる。
【００７２】
上述した第５乃至第７の実施形態に係るＭＲＡＭでは、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１を使用している。そのため、それぞれのＭＴＪ素子１のＭＲ比は十分に高い。したがって、これらＭＲＡＭによると、大きな出力電圧が得られる。
【００７３】
第５乃至第７の実施形態に係るＭＲＡＭには様々な修飾や変形が可能である。以下、図８及び図９を参照しながら説明する。
【００７４】
図８（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭを修飾した例を概略的に示す断面図である。図９（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭを変形及び修飾した例を概略的に示す断面図である。
【００７５】
図８（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭは、ビット線３９及びワード線３８がＭＴＪ素子１側で開口したＵ字型断面を有する磁性被覆４８，４９でそれぞれ被覆されていること以外は図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭと同様の構造を有している。このような構造を採用すると、ＭＴＪ素子１に対して電流磁場を効果的に作用させることができる。例えば、図８（ａ），（ｂ）に示す構造を採用すると、図５（ａ），（ｂ）に示す構造を採用した場合に比べ、電流に対する実効的な磁場の強さの比である磁場効率を２乃至５倍程度に高めることができる。そのため、より小さな電流で書き込みが可能となり、したがって、書き込み時の消費電力や配線疲労を低減することができる。また、このような構造を採用すると、選択していないＭＴＪ素子１に漏れ磁界が作用することは殆どない。そのため、高集積化した場合でも、クロストークの発生を十分に防止可能となる。
【００７６】
図９（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、ワード線３８は書き込み用と読み出し用とを兼ねており、ビット線３９は書き込み用である。また、このＭＲＡＭでは、ゲート電極３４と電気的に接続され且つビット線３９と略平行な方向に延在した配線（図示せず）が、読み出し用のビット線として設けられている。さらに、このＭＲＡＭでは、図８（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭと同様に、ビット線３９及びワード線３８がＭＴＪ素子１側で開口したＵ字型断面を有する磁性被覆４８，４９でそれぞれ被覆されている。このような構造を採用した場合も、図８（ａ），（ｂ）に示す構造を採用した場合と同様の効果が得られる。
【００７７】
以上、第５乃至第７の実施形態に係るＭＲＡＭは様々な修飾や変形が可能であることについて説明したが、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１は他の構造を有するＭＲＡＭで使用してもよい。また、第５乃至第７の実施形態では第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１を使用したが、第２乃至第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１を使用してもよい。さらに、第５乃至第７の実施形態ではＭＴＪ素子１をＭＲＡＭで利用したが、上記のＭＴＪ素子１は磁気ヘッドやそれを搭載した磁気再生装置或いは磁気記録再生装置並びに磁気センサなどにも利用可能である。
【００７８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１０は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。このＭＴＪ素子１は、Ｓｉ基板６１上に、図示しないＳｉＯ₂層、厚さ１０ｎｍのＴａ層６２、厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層６３、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層１２、厚さ１．４ｎｍのＡｌＯ_x層１４、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ１ｎｍの酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ１５ｎｍのＩｒＭｎ層１１、厚さ１５ｎｍのＮｉＦｅ層６４、厚さ１０ｎｍのＴａ層６５、及び図示しないＳｉＯ₂層を順次積層した構造を有している。なお、Ｔａ層６２，６５はアモルファスであり、ＮｉＦｅ層６３，６４、ＣｏＦｅ層１２，１３ａ、酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ、及びＩｒＭｎ層１１は結晶質である。また、このＭＴＪ素子１の接合面積は０．１ｍｍ×０．１ｍｍである。
【００７９】
これら薄膜は、何れもマグネトロンスパッタリング装置中、基板温度を室温とし、約１５０Ｏｅの磁場を印加しながら、メタルマスクを用いて成膜した。
【００８０】
具体的には、Ｔａ層６２，６５、ＮｉＦｅ層６３，６４、ＣｏＦｅ層１２，１３ａは、スパッタリングターゲットとしてＴａターゲット、ＮｉＦｅターゲット、ＣｏＦｅターゲットをそれぞれ使用し、到達真空度を３×１０^-5Ｐａ以下、Ａｒガス圧を１．４Ｐａ、投入電力を７．４×１０^-1Ｗ／ｃｍ²として成膜した。
【００８１】
ＩｒＭｎ層１１は、スパッタリングターゲットとしてＩｒＭｎターゲットを使用し、到達真空度を３×１０^-5Ｐａ以下、Ａｒガス圧を１．４Ｐａ、投入電力を４．９×１０^-1Ｗ／ｃｍ²として成膜した。
【００８２】
ＡｌＯ_x層１４は、スパッタリングターゲットとしてＡｌターゲットを使用するとともに、到達真空度を３×１０^-5Ｐａ以下、Ａｒガス圧を１．４Ｐａ、投入電力を７．４×１０^-1Ｗ／ｃｍ²としてＡｌ層を成膜し、次いで、このＡｌ層を酸化することにより形成した。
【００８３】
酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂは、厚さ２ÅのＣｏＦｅ層の成膜とそのＣｏＦｅ層への酸化の供給とのサイクルを５回繰り返すことにより形成した。なお、ＣｏＦｅＯ_x層１３ｂを形成するためのＣｏＦｅ層の成膜に際しては、スパッタリングターゲットとしてＣｏＦｅターゲットを使用するとともに、到達真空度を３×１０^-5Ｐａ以下、Ａｒガス圧を１．４Ｐａ、投入電力を２．５×１０^-1Ｗ／ｃｍ²とした。また、それぞれのＣｏＦｅ層への酸素の供給は、１ｓｃｃｍの流量でＯ₂を１０秒間流し、さらに３０秒間保持することにより行った。
【００８４】
上記の方法で複数のＭＴＪ素子１を作製し、これらＭＴＪ素子１について熱処理温度と熱処理後のＭＲ比との関係を調べた。なお、これら熱処理は、１×１０^-5Ｐａ以下の真空度とした雰囲気中、１．５ｋＯｅの磁場を印加しながら、１００乃至４００℃の温度範囲内で１時間行った。
【００８５】
図１１は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子１について得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフである。図中、横軸は熱処理温度を示し、縦軸は熱処理後のＭＲ比を示している。
【００８６】
図１１に示すように、本実施例に係るＭＴＪ素子１は、熱処理温度が約３６０乃至約３８０℃の範囲内でほぼ一定のＭＲ比を示す。したがって、本実施例に係るＭＴＪ素子１を利用すれば、それぞれのＭＴＪ素子のＭＲ比が高く且つＭＴＪ素子間でＭＲ比のばらつきが小さいＭＲＡＭを実現することができる。
【００８７】
次に、上記の方法で作製したＭＴＪ素子１のピン層１３について、熱処理を行う前の構造及び組成をＴＥＭ及びＥＤＸＤなどを利用して調べた。その結果を、図１２乃至図１９に示す。
【００８８】
図１２は、実施例１に係るＭＴＪ素子１について得られた断面ＴＥＭ像を概略的に示す図である。また、図１３乃至図１９は、実施例１に係るＭＴＪ素子１の酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂについて得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフである。なお、図１２において、参照番号６６，６７はＳｉＯ₂層を示し、参照番号６８は結晶粒界を示している。また、図１３乃至図１９は、図１２に示す断面の位置Ａ乃至ＧについてＥＤＸＤによる測定を行うことにより得られたデータを示している（位置Ａ乃至Ｇのそれぞれの中心間距離は４ｎｍである）。
【００８９】
図１２に示すように、粒界６８は、Ｔａ層６５とＮｉＦｅ層６４との界面からピン層１３とＡｌＯ_x層１４との界面までの領域内ではそれらの積層方向に連続し、同様に、Ｔａ層６２とＮｉＦｅ層６３との界面からフリー層１２とＡｌＯ_x層１４との界面までの領域内でもそれらの積層方向に連続している。但し、ＡｌＯ_x層１４よりも上方の領域の粒界６８と、ＡｌＯ_x層１４よりも下方の領域の粒界６８との多くは不連続である。また、粒界６８の面内方向の間隔は数１０ｎｍである。
【００９０】
図１５に示すデータと図１３，図１４及び図１６乃至図１９に示すデータとの比較から明らかなように、位置Ｃでは、位置Ａ，Ｂ及びＤ乃至Ｇに比べ、酸素濃度がより高い。また、図１２に示すように、位置Ａ，Ｂ及びＤ乃至Ｇは結晶粒内にあり、位置Ｃは粒界６８上にある。以上から、本実施例に係るＭＴＪ素子１の酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂでは、粒界６８に酸素が局在していることが確認された。なお、図１３，図１４及び図１６乃至図１９に示すデータでも酸素濃度はゼロではないが、これは、主として、ＡｌＯ_x層１４に含まれる酸素が検出されたためである。
【００９１】
また、同様の測定を、一対のＣｏＦｅ層１３ａに対応した位置でも行った。その結果、ピン層１３は酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂを一対のＣｏＦｅ層１３ａで挟んだ構造を有していることが確認された。
【００９２】
次に、上記の方法で作製したＭＴＪ素子１のピン層１３について、３７５℃での熱処理を行った後の構造及び組成をＴＥＭ及びＥＤＸＤなどを利用して調べた。その結果、熱処理前と同様の構造が維持されていることが確認された。
【００９３】
（実施例２）
図２０は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。このＭＴＪ素子１は、熱酸化Ｓｉ基板７１上に、厚さ３０ｎｍのＴａ層７２、厚さ５ｎｍのＲｕ層７３、厚さ１０ｎｍのＩｒＭｎ層１１、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層７４、厚さ１ｎｍのＲｕ層７５、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ０．８ｎｍの酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ’、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ１．２ｎｍのＡｌＯ_x層１４、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＮｉ層１２、厚さ５ｎｍのＲｕ層７６、厚さ１００ｎｍのＴａ層７７、及び図示しないＳｉＯ₂層を順次積層した構造を有している。また、このＭＴＪ素子１の接合面積は４μｍ×４μｍである。
【００９４】
これら薄膜は、何れもマグネトロンスパッタリング装置中、基板温度を室温とし、約１５０Ｏｅの磁場を印加しながら成膜した。また、これら薄膜の積層体は、フォトリソグラフィ技術とイオンミリング技術とを用いてパターニングした。なお、Ｒｕ層７６とＴａ層７７とは、それらの下方に位置した層をパターニングする際のハードマスクとして用いた。
【００９５】
上記薄膜は、具体的には以下の方法により成膜した。
Ｔａ層７２，７７及びＣｏＦｅ層１３ａ，７４は、実施例１でＴａ層６２，６５に関して説明したのと同様の方法により成膜した。また、ＩｒＭｎ層１１及びＡｌＯ_x層１４も、実施例１で説明したのと同様の方法により成膜した。
【００９６】
酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ’は、厚さ４ÅのＣｏＦｅ層の成膜とそのＣｏＦｅ層への酸素の供給とのサイクルを２回繰り返すことにより形成した。なお、ＣｏＦｅＯ_x層１３ｂ’を形成するためのＣｏＦｅ層の成膜に際しては、スパッタリングターゲットとしてＣｏＦｅターゲットを使用するとともに、到達真空度を３×１０^-5Ｐａ以下、Ａｒガス圧を１．４Ｐａ、投入電力を２．５×１０^-1Ｗ／ｃｍ²とした。また、それぞれのＣｏＦｅ層への酸素の供給は、１ｓｃｃｍの流量でＯ₂を６０秒間流し、さらに１００秒間保持することにより行った。
【００９７】
上記の方法で作製したＭＴＪ素子１のピン層１３について、熱処理前と３７５℃での熱処理後との双方で、その構造及び組成をＴＥＭ及びＥＤＸＤなどを利用して調べた。その結果、熱処理前及び熱処理後の双方において、ピン層１３は、酸素を含有したＣｏＦｅ層１３ｂ’を一対のＣｏＦｅ層１３ａで挟んだ構造を有していること、及び、酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ中でＣｏＦｅは結晶粒の状態で存在しており、酸素はＣｏＦｅ結晶粒の粒界に局在していることが分かった。
【００９８】
また、上記の方法で複数のＭＴＪ素子１を作製し、これらＭＴＪ素子１について熱処理温度と熱処理後のＭＲ比との関係を調べた。なお、これら熱処理は、１×１０^-5Ｐａ以下の真空度とした雰囲気中、１．５ｋＯｅの磁場を印加しながら、１００乃至４００℃の温度範囲内で１時間行った。
【００９９】
（実施例３）
図２１は、本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図である。このＭＴＪ素子１は、熱酸化Ｓｉ基板７１上に、厚さ３０ｎｍのＴａ層７２、厚さ５ｎｍのＲｕ層７３、厚さ１０ｎｍのＩｒＭｎ層１１、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ０．８ｎｍの酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ’、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ１．２ｎｍのＡｌＯ_x層１４、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＮｉ層１２、厚さ１．２ｎｍのＡｌＯ_x層２４、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ０．８ｎｍの酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ’、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ層１３ａ、厚さ１０ｎｍのＩｒＭｎ層２１、厚さ５ｎｍのＲｕ層７６、厚さ１００ｎｍのＴａ層７７、及び図示しないＳｉＯ₂層を順次積層した構造を有している。また、このＭＴＪ素子１の接合面積は４μｍ×４μｍである。なお、これら薄膜の成膜及びパターニングは、実施例２で説明したのと同様の方法により行った。
【０１００】
上記の方法で作製したＭＴＪ素子１のピン層１３，２３について、熱処理前と３７５℃での熱処理後との双方で、その構造及び組成をＴＥＭ及びＥＤＸＤなどを利用して調べた。その結果、熱処理前及び熱処理後の双方において、ピン層１３，２３は、酸素を含有したＣｏＦｅ層１３ｂ’を一対のＣｏＦｅ層１３ａで挟んだ構造を有していること、及び、酸素含有ＣｏＦｅ層１３ｂ’中でＣｏＦｅは結晶粒の状態で存在しており、酸素はＣｏＦｅ結晶粒の粒界に局在していることが分かった。
【０１０１】
また、上記の方法で複数のＭＴＪ素子１を作製し、これらＭＴＪ素子１について熱処理温度と熱処理後のＭＲ比との関係を調べた。なお、これら熱処理は、１×１０^-5Ｐａ以下の真空度とした雰囲気中、１．５ｋＯｅの磁場を印加しながら、１００乃至４００℃の温度範囲内で１時間行った。
【０１０２】
図２２は、本発明の実施例２及び実施例３に係るＭＴＪ素子１について得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフである。また、図２３は、本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子１と従来技術に係るＭＴＪ素子とについて得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフである。図中、横軸は熱処理温度を示し、縦軸は熱処理後のＭＲ比を示している。
【０１０３】
なお、曲線１０２は実施例２に係るＭＴＪ素子１について得られたデータを示し、曲線１０３は実施例３に係るＭＴＪ素子１について得られたデータを示している。また、曲線１１１は上記の非特許文献１に記載されていたデータを示し、曲線１１２は上記の非特許文献２に記載されていたデータを示している。
【０１０４】
図２３に示すように、非特許文献１に記載のＭＴＪ素子では、熱処理温度を３８０℃程度とした場合にＭＲ比が最大となるが、その最大値は３５％程度と低い。しかも、このＭＴＪ素子では、ＭＲ比がほぼ最大値となる熱処理温度の範囲は極めて狭い。そのため、このＭＴＪ素子をＭＲＡＭで利用した場合、高いＭＲ比が得られないだけでなく、ＭＴＪ素子間でＭＲ比が大きくばらつくこととなる。
【０１０５】
また、図２３に示すように、非特許文献２に記載のＭＴＪ素子では、ＭＲ比の最大値は４０％を超えるが、ＭＲ比がほぼ最大値となる熱処理温度の範囲は極めて狭い。しかも、その最大値が得られる熱処理温度は３５０℃程度と低い。そのため、約３７０℃以上の温度でアニールを行った場合、それぞれのＭＴＪ素子でＭＲ比は著しく低い値となる。
【０１０６】
これに対し、実施例２及び実施例３に係るＭＴＪ素子１は、図２２及び図２３に示すように、熱処理温度が約３６０乃至約３８０℃の範囲内でほぼ一定のＭＲ比を示す。したがって、これら実施例に係るＭＴＪ素子１を利用すれば、それぞれのＭＴＪ素子のＭＲ比が高く且つＭＴＪ素子間でＭＲ比のばらつきが小さいＭＲＡＭを実現することができる。
【０１０７】
なお、実施例１乃至実施例３に係るＭＴＪ素子１は、一度、約３６０乃至約３８０℃の範囲内で熱処理すると、再度熱処理を行っても、そのＭＲ比は殆ど変化しない。すなわち、実施例１乃至実施例３に係るＭＴＪ素子１は、再度の熱処理に対して高い安定性を示す。
【０１０８】
図２４は、実施例３に係るＭＴＪ素子１を３７０℃で熱処理することにより生じるＭＲ比の熱処理温度依存性を示すグラフである。図中、横軸は、実施例３に係るＭＴＪ素子１を３７０℃で熱処理した後に行った熱処理温度を示している。また、縦軸は、再度の熱処理後のＭＲ比を示している。
【０１０９】
図２４に示すように、実施例３に係るＭＴＪ素子１は、一度、３７０℃で熱処理すると、再度、約３８０℃以下の温度範囲内で熱処理を行っても、そのＭＲ比は殆ど変化しない。そのため、ＭＲＡＭの製造プロセス中で熱処理を複数回行ったとしても、それら熱処理を約３８０℃以下の温度範囲内で行えば、それぞれのＭＴＪ素子のＭＲ比の低下やＭＴＪ素子間でのＭＲ比のばらつきを生ずることはない。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、高い温度で熱処理を行った場合にも高いＭＲ比を維持し得る強磁性トンネル接合素子及びその製造方法並びにそれを用いた磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図５】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＭＲＡＭの断面図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図８】（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭを修飾した例を概略的に示す断面図。
【図９】（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭを変形及び修飾した例を概略的に示す断面図。
【図１０】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図１１】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子について得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子について得られた断面ＴＥＭ像を概略的に示す図。
【図１３】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１４】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１５】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１６】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１７】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１８】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図１９】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の酸素含有ＣｏＦｅ層について得られたＥＤＸＤによる測定結果を示すグラフ。
【図２０】本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図２１】本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子を概略的に示す断面図。
【図２２】本発明の実施例２及び実施例３に係るＭＴＪ素子について得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフ。
【図２３】本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子と従来技術に係るＭＴＪ素子とについて得られた熱処理温度とＭＲ比との関係を示すグラフ。
【図２４】実施例３に係るＭＴＪ素子を３７０℃で熱処理することにより生じるＭＲ比の熱処理温度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１…ＭＴＪ素子
１１，２１…反強磁性層
１２…フリー層
１３，２３…ピン層
１３ａ…強磁性金属層
１３ｂ，１３ｂ’…磁性中間層
１４，２４…トンネルバリア層
３１，６１，７１…基板
３２…ソース・ドレイン領域
３３…絶縁膜
３４…ゲート電極またはワード線
３５，４４，４５…トランジスタ
３６…コンタクト
３７…下地配線
３８，４２…ワード線
３９，４３…ビット線
４１…ダイオード
４６…センスアンプ
４８，４９…磁性被覆
６２，６５，７２，７７…Ｔａ層
６３，６４…ＮｉＦｅ層
６６，６７…ＳｉＯ₂層
６８…結晶粒界
７３，７５，７６…Ｒｕ層
７４…ＣｏＦｅ層
１０２，１０３，１１１，１１２…曲線

Claims (7)

1. 第１反強磁性層と、強磁性を示すとともに磁場印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記第１反強磁性層と前記フリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに前記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン層と、前記フリー層と前記第１ピン層との間に介在した第１トンネルバリア層とを具備し、
   前記第１ピン層は、第１及び第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含み前記結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第１磁性中間層とを具備したことを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
2. 第１反強磁性層と、強磁性を示すとともに磁場印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記第１反強磁性層と前記フリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに前記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン層と、前記フリー層と前記第１ピン層との間に介在した第１トンネルバリア層とを具備し、
   前記第１ピン層は、第１及び第２強磁性金属層と、前記第１及び第２強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含み前記結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第１磁性中間層とを具備し、
   前記第１強磁性金属層の構成材料と前記第２強磁性金属層の構成材料と前記第１磁性中間層の前記磁性金属材料とは同一であることを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
3. 前記第１反強磁性層はマンガンを含有したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の強磁性トンネル接合素子。
4. 前記第１反強磁性層との間に前記フリー層を介在させて設けられた第２反強磁性層と、前記第２反強磁性層と前記フリー層との間に介在し且つ強磁性を示すとともに前記磁場印加の際に磁化の向きが維持される第２ピン層と、前記フリー層と前記第２ピン層との間に介在した第２トンネルバリア層とをさらに具備し、
   前記第２ピン層は、第３及び第４強磁性金属層と、前記第３及び第４強磁性金属層間に介在し且つ磁性金属材料の結晶粒を含み前記結晶粒間の粒界に酸素及び窒素の少なくとも一方の元素が局在した第２磁性中間層とを具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子。
5. 互いに交差した第１及び第２配線と、前記第１及び第２配線の交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の強磁性トンネル接合素子を含んだことを特徴とする磁気メモリ。
6. 反強磁性層を形成する工程と、
   前記反強磁性層上に第１強磁性金属層を形成する工程と、
   酸素及び窒素の少なくとも一方を含有した雰囲気中、前記第１強磁性金属層を５０℃以下の温度で放置して、磁性金属材料の結晶粒と前記結晶粒間の粒界に局在した酸素及び窒素の少なくとも一方の元素とを含有した磁性中間層を前記第１強磁性金属層の表面に形成する工程と、
   前記磁性中間層上に第２強磁性金属層を形成する工程と、
   前記第２強磁性金属層上にトンネルバリア層を形成する工程と、
   前記トンネルバリア層上に第３強磁性金属層を形成する工程とを含んだことを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法。
7. 第１強磁性層を形成する工程と、
   前記第１強磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、
   前記トンネルバリア層上に第２強磁性層を形成する工程と、
   酸素及び窒素の少なくとも一方を含有した雰囲気中、前記第２強磁性金属層を５０℃以下の温度で放置して、磁性金属材料の結晶粒と前記結晶粒間の粒界に局在した酸素及び窒素の少なくとも一方の元素とを含有した磁性中間層を前記第２強磁性金属層の表面に形成する工程と、
   前記磁性中間層上に第３強磁性層を形成する工程と、
   前記第３強磁性層上に反強磁性層を形成する工程とを含んだことを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法。

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