JP4281285B2 - Tunnel magnetoresistive element and magnetic memory device - Google Patents

Tunnel magnetoresistive element and magnetic memory device Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要度が増している。
【0003】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory)等が挙げられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒オーダーと遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【0004】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wang et al., IEEE Trans Magn. 33 (1997), 4498」に記載されているような、MRAM(Magnetic Random Access Memory)とよばれる磁気メモリ装置である。このMRAMは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている。
【0005】
このMRAMに用いられる磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistance :TMR)素子は基本的に強磁性層/トンネルバリア層/強磁性層の強磁性トンネル接合で構成される。この素子では、強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層間に外部磁場を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。双方の強磁性層の磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。メモリ素子としての機能は外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことによってもたらされる。
【0006】
この抵抗の変化率はそれぞれの磁性層のスピン分極率をP1、P2とすると、下記の式(1)で表される。
2P1P2/(1−P1P2) ...式(1)
【0007】
このように、それぞれのスピン分極率が大きいほど抵抗変化率が大きくなる。強磁性層に用いる材料と、この抵抗変化率の関係についてはこれまでに、Fe、Co、Ni等のFe族の強磁性体元素やそれら3種類のうちの合金についての報告がなされている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、TMR素子の情報読み出しは、トンネルバリア層を挟んだ一方の強磁性層と他方の強磁性層との磁気モーメントが反平行であり抵抗値が高い場合を例えば"1"、その逆に各々の磁気モーメントが平行である場合を"0"としてそれらの状態での一定バイアス電圧での差電流や一定バイアス電流での差電圧により読み出しを行う。従って、抵抗変化率が高いほど有利であり、エラーレートの低いメモリが実現される。
【0009】
また、TMR素子には抵抗変化率のバイアス電圧依存性が存在し、バイアス電圧が上昇するにつれて抵抗変化率が減少していくことが知られている。差電流又は差電圧で読み出しを行う場合に、多くの場合に抵抗変化率がバイアス電圧依存性により半減する電圧(Vh)で読み出し信号の最大値をとることが知られているので、バイアス依存性も少ない方が読み出しMRAMのエラーの低減において有効である。
【0010】
ところで、MRAMは上述したTMR素子の他に、読み出しの際に必要なTMR素子を選択するためのスイッチング素子として半導体回路を備えている。
【0011】
このような半導体回路とTMR素子とを同一チップ内に共存させる場合には、半導体回路の作製に400℃程度の加熱を必要とする工程があるので、TMR素子にも同様な温度耐久性が必要とされる。しかしながら、Fe、Co、Ni等のFe族元素の合金等を強磁性層に用いたTMR素子は、およそ300℃以上で抵抗変化率が著しく劣化することが知られており、耐熱性の面で問題を有している。この抵抗変化率の劣化は、TMR素子の構成層の成分が熱により相互拡散し、強磁性層又はトンネルバリア層に望まない不純物が侵入することによると考えられている。
【0012】
以上のように、優れた読み出し特性及び半導体回路作製プロセスとの高い親和性を両立するMRAMを実現するためには、TMR素子に高い抵抗変化率と耐熱性とが求められる。
【0013】
本発明はこのような従来の問題点を解決するものであり、半導体回路作製プロセス等の熱処理による抵抗変化率の劣化を抑制することが可能なトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として硼化コバルト(Co B)を含有することを特徴とする。
【0015】
また、本発明に係る磁気メモリ装置は、半導体基板と、上記半導体基板に形成され、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、上記トンネル磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線と、上記半導体基板に形成され、上記ワード線又は上記ビット線と接続される回路と、
を備え、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として硼化コバルト(Co B)を含有することを特徴とする。
【0016】
また、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として珪化鉄(Fe Si)を含有することを特徴とする。
【0017】
また、本発明に係る磁気メモリ装置は、半導体基板と、上記半導体基板に形成され、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、上記トンネル磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線と、上記半導体基板に形成され、上記ワード線又は上記ビット線と接続される回路と、
を備え、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として珪化鉄(Fe Si)を含有することを特徴とする。
【0018】
強磁性トンネル接合を形成するためには、例えばFe、Co等の3d遷移金属元素を含む強磁性層とトンネルバリア層とが接触している必要がある。
【0019】
しかしながらトンネルバリア層は、一般的にその膜厚が6Å〜15Åと極めて薄いものであり、且つ強磁性層が含むFe、Co等の3d遷移金属元素の汚染に対して非常に敏感である。したがって、トンネルバリア層が例えば熱拡散等によってこれらの元素で汚染されると、トンネルバリア層中でトンネル伝導電子のスピンが散乱されるため、TMR特性が著しく損なわれるという不都合が生じる。
【0020】
これに対して本発明は、Fe、Coの3d遷移金属元素を用いた強磁性層に金属間化合物Fe Si、Co を用いることによってFe、Coの3d遷移金属元素と化合物元素Si、Bとの結合状態に共有結合的成分を含ませる。これによりFe、Coの3d遷移金属元素の熱拡散を抑制するので、強磁性層の成分がトンネルバリア層を汚染することなく、熱処理が行われても高いTMR特性を維持できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びに磁気メモリ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0022】
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子(以下、TMR素子と称する。)1の基本構造は、例えば図1に示すように、基板2上に、下地層3と、反強磁性層4と、強磁性体からなる磁化固定層5と、トンネルバリア層6と、強磁性体からなる自由層7と、トップコート層8とがこの順に積層されて構成される。このTMR素子1は、一対の強磁性層である磁化固定層5と自由層7とでトンネルバリア層6を挟み込むことにより、強磁性トンネル接合9を形成している。
【0023】
そして本発明では、強磁性トンネル接合9のうち、強磁性層である磁化固定層5、自由層7の少なくとも一方が、強磁性を示す金属間化合物を含有する。
【0024】
ここでいう金属間化合物とは、原子の比率が比較的簡単な整数比で表されるような化合物のことであり、例えば化学式W、W、又はW(式中W、X、Y及びZは、Fe、Co、Ni、Cr及びMnからなる第1の群、並びに半金属元素及び3B族から6B族の元素群からなる第2の群から選ばれる元素である。また、式中W、Xのうち一方は第1の群から選ばれ、他方は第2の群から選ばれる。また、式中i、j、k及びlは、整数値又は整数に近い値の簡単な比である。)で表されることができる。
【0025】
金属間化合物は、TMR効果を発現させる観点から、3d軌道のスピンアップ状態とスピンダウン状態とで電子の状態密度が異なる元素であるCr、Mn、Fe、Co、Ni等を含むことが好ましい。
【0026】
また、加熱状態での原子の拡散を抑制する観点から、金属間化合物は、先に述べたCr、Mn、Fe、Co、Ni等の元素と共有結合的に結合して金属間化合物を生成することが可能な、半金属元素又は周期律表上で3B族から6B族の元素をさらに含むことが好ましい。このような半金属元素又は周期律表上で3B族から6B族の元素としては、具体的にはB、C、Ge、Al、N、P、As、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Po等が挙げられる。
【0027】
ところで、強磁性を示す金属間化合物としては、主な磁性発現の原因であるスピンアップとスピンダウンの数が異なっている金属元素が単体であっても強磁性体である場合と、金属元素単体の場合は強磁性を示さないが化合物で強磁性を示すものとに分けられる。
【0028】
例えば前者としては、例えばCoB、CoB、FeB、FeB、Co0Al、Co21Ge等のホウ化物が挙げられる。また、ホウ化物としては、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれる元素を主に含んでいれば良く、例えば磁性元素の部分がFe及びCoから構成される(Co1−xFeB、(Co1−xFeB、(Co1−xFe)B等であってもよい。
【0029】
また、Al、C、Si、Sn、N、P、Sを含む金属間化合物としては、FeAl、NiAl、FeGe、FeC、FeC、FeSi、FeSi、FeSn、FeN、FeN、FeNiN、FePtN、FeP、Fe2.4Co0.6P、NiCoSb、FeCoS等が挙げられる。
【0030】
また、例えばFe(C1−x)等のように、遷移金属元素以外の部分においても異なる半金属元素等が混合している金属間化合物であってもよい。
【0031】
また、強磁性を示す金属間化合物としては以上に列挙した金属間化合物に限定されず、例えば微量の添加元素を含む等の部分的な変更があってもかまわない。
【0032】
後者、すなわち単体では強磁性を示さない金属元素を含む金属間化合物の例としては、Mn、Cr等を含むものが挙げられる。具体的には、ホイスラー合金として知られるCuMnAl、CuMnIn、NiMnIn、CoMnSi、CuMnSn、NiMnSn、CoMnSn等が挙げられる。また、MnB、MnSiB等のホウ化物、MnSb、CoMnSb、PdMnSb等のアンチモン化合物等も可能である。その他にも、MnBi、MnN、Mn(N1−x)、MnZnC、CoMnC、MnAs0.5Sb0.5等が挙げられる。また、Crの金属間化合物として、CuCrSe、HgCrSe、CdCrSe、CrTe、CrTe、CrTe、CrTe、TiCrTe、CuCrTe等が挙げられる。前者の例と同様に、後者の例の金属間化合物についても、以上に列挙した金属間化合物に限定されず、例えば微量の添加元素を含む等の部分的な変更があってもかまわない。
【0033】
これらの金属間化合物のキュリー温度は室温以上であることが好ましく、これにより通常の環境下で動作可能なTMR素子やMRAMを実現できる。逆に金属間化合物のキュリー温度が室温未満である場合には、TMR素子やMRAMが室温で動作しないという不都合が生じる。
【0034】
強磁性トンネル接合9の磁化固定層5及び自由層7に挟まれるトンネルバリア層6は、磁化固定層5と自由層7との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための層である。トンネルバリア層6を構成する材料としては、例えばAl、Mg、Si、Li、Ca等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の絶縁材料を使用できる。
【0035】
トンネルバリア層6は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより得ることができる。また、トンネルバリア層6は、有機金属と、酸素ガス、オゾンガス、窒素ガス又はハロゲンガスとを用いるCVD法によって得ることもできる。
【0036】
また、図1に示すTMR素子1の、強磁性トンネル接合9を構成する強磁性層以外の構成について以下に説明する。
【0037】
反強磁性層4は、強磁性層の一方である磁化固定層5と反強磁性的に結合することにより、書き込みのための電流磁界によっても磁化固定層5の磁化を反転させず、磁化固定層5の磁化の向きを常に一定とするための層である。すなわち、図1に示すTMR素子1においては、他方の強磁性層である自由層7だけを外部磁場等によって磁化反転させる。反強磁性層4を構成する材料としては、Fe、Ni、Pt、Ir、Rh等を含むMn合金、Co酸化物、Ni酸化物等を使用することができる。
【0038】
以上のような強磁性を示す金属間化合物は、その結合状態が金属結合的成分と共有結合的成分とを兼ね備えているので、その結果として、電子伝導性と高い結合エネルギーとを兼ね備えることとなる。このうち電子伝導性は、メモリ素子として使用する際に読み出し電流を流すために必要な特性である。一方、共有結合的な高い結合エネルギーは、結晶構造の安定化を図るので、高温でも結晶構造を安定なものとする。すなわち、共有結合的な高い結合エネルギーを有する金属間化合物により強磁性層の熱安定性が向上し、強磁性層を構成する3d遷移金属元素が熱拡散することに起因するトンネルバリア層の汚染を抑制する。
【0039】
したがって、本発明のTMR素子1は、例えば300℃を上回るような高温で熱処理を施されたとしても、トンネル伝導電子のスピン散乱要因となる3d遷移金属元素によるトンネルバリア層の汚染が防止され、高いTMR特性を維持することができる。すなわち、本発明のTMR素子1は、例えば磁気メモリ装置等に供されたときの製造プロセス過程で熱処理を施されることも可能である。
【0040】
上述のような、強磁性を示す金属間化合物を含有する強磁性層は、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の気相成長法や、電解めっき、無電解めっき法等によって作製される。
【0041】
ところで、金属間化合物を含有する強磁性層は、その組成によっては室温で作製した場合には金属間化合物組織が成長せずに、非晶質組織又は微結晶組織となる場合がある。
【0042】
TMR効果の発現は、強磁性層が非晶質組織であっても直ちに損なわれない場合もあるが、特にMn、Cr等の単体では強磁性を示さない3d遷移金属元素を用いる場合には、充分に金属間化合物組織を成長させて所望の強磁性を得るために、強磁性層の作製後に熱処理を行って原子の再配列を促進する方法、作製時に基板加熱する方法等を採用することが好ましい。強磁性層中に金属化合物相を確実に生成させるといった観点から、成膜中に加熱処理を行う場合、熱処理条件を100℃以上とすることが好ましく、また、成膜後に加熱処理を行う場合、熱処理条件を340℃以上とすることが好ましい。
【0043】
また、金属間化合物の組成によっては、強磁性層が金属間化合物の単結晶からなる場合にTMR比や結晶磁気異方性が著しく向上することもあるので、MBE(Molecular Beam Epitaxy)等の成膜法を用いて金属間化合物の単結晶膜をエピタキシャル成長させることも有効である。
【0044】
なお、本発明のTMR素子としては、図1に示すような磁化固定層5及び自由層7のそれぞれが単層から構成される場合に限定されない。例えば図2に示すように、磁化固定層5が、第1の磁化固定層5aと第2の磁化固定層5bとで中間層5cを挟み込んでなる積層フェリ構造とされる場合であっても、本発明の効果を得ることができる。図2に示すTMR素子10では、第1の磁化固定層5aが反強磁性層4と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第1の磁化固定層5aは強い一方向の磁気異方性を持つ。積層フェリ構造の中間層5cに用いられる材料としては、例えばRu、Cu、Cr、Au、Ag等が挙げられる。図2のTMR素子10の他の層については、図1に示すTMR素子1とほぼ同様の構成であるため、図1と同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
【0045】
また、本発明は、磁化固定層5及び自由層7の少なくとも一方が強磁性を示す金属間化合物のみからなる場合に限定されず、磁化固定層5及び自由層7の少なくとも一方が強磁性を示す金属間化合物を部分的に含有する場合であってもかまわない。例えば、磁化固定層5及び自由層7の少なくとも一方において非晶質組織中に強磁性を示す金属間化合物が部分的に析出している場合も、本発明の範囲内に含めることとする。
【0046】
さらに、本発明のTMR素子は、図1及び図2に示す層構成に限定されず、公知の様々な層構成をとりうることは勿論である。
【0047】
上述のようなTMR素子は、例えばMRAM等の磁気メモリ装置に用いられて好適である。以下、本発明のTMR素子を用いたMRAMについて、図3及び図4を参照しながら説明する。
【0048】
本発明のTMR素子を有するクロスポイント型のMRAMアレイを、図3に示す。図3に示すMRAMアレイは、複数のワード線WLと、これらワード線WLと直交する複数のビット線BLとを有し、ワード線WLとビット線BLとの交点に本発明のTMR素子1が配置されてなるメモリセル11とを有する。すなわち、図3に示すMRAMアレイでは、3×3のメモリセル11がマトリクス状に配列される。勿論、MRAMアレイに用いられるTMR素子としては、図1に示すTMR素子1に限定されず、積層フェリ構造を有する図2に示すTMR素子10等、強磁性トンネル接合の強磁性層のうち少なくとも一方が強磁性を示す金属間化合物を含んでいるのであればいかなる構成であってもかまわない。
【0049】
各メモリセル11は、図4に示すように、例えばシリコン基板12上に、ゲート電極13、ソース領域14及びドレイン領域15からなるトランジスタ16を有する。ゲート電極13は、読み出し用のワード線WL1を構成している。ゲート電極13上には、絶縁層を介して書き込み用のワード線WL2が形成されている。トランジスタ16のドレイン領域15にはコンタクトメタル17が接続され、さらにコンタクトメタル17には下地層18が接続されている。この下地層18上の書き込み用のワード線WL2の上方に対応する位置に、本発明のTMR素子1が形成されている。このTMR素子1上に、ワード線WL1及びWL2と直交するビット線BLが形成されている。
【0050】
本発明を適用したMRAMは、先に述べたように耐熱性の高いTMR素子を有するので、熱処理工程を経ても高い信号強度を維持し、エラーレートの増大が抑えられて、優れた読み出し特性を実現することができる。また、例えば300℃以上の熱処理を含む既存のCMOSプロセスとの親和性が向上し、実用性を大幅に向上させることができる。
【0051】
なお、本発明のTMR素子は、先に述べた磁気メモリ装置のみならず、磁気ヘッド、集積回路チップ、さらにはパソコン、携帯端末、携帯電話をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【0052】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、図2及び図3を用いて説明したように、MRAMにはTMR素子以外にスイッチング用のトランジスタ等が存在するが、本実施例ではTMR特性を調べるために図5及び図6に示すような強磁性トンネル接合のみを形成したウェハにより検討を行った。
【0053】
<実施例1>
図5及び図6に示すように、本実施例で用いる特性評価用素子(Test Element Group :TEG)は、基板21上に、ワード線WLとビット線BLとが直交して配され、これらワード線WLとビット線BLとの交差する部分に磁気抵抗効果素子22が形成されている。ここで形成される磁気抵抗効果素子22は、短軸0.5μm×長軸1.0μmの楕円形状を呈する。また、ワード線WL及びビット線BLの両端には、それぞれ端子パッド23,24が形成されている。また、ワード線WLとビット線BLとは、Alからなる絶縁膜25によって電気的に絶縁される。
【0054】
このようなTEGは、以下のようにして作製される。先ず、基板21上にワード線材料を成膜し、フォトリソグラフィによってマスクした後にワード線以外の部分をArプラズマにより選択的にエッチングを行い、ワード線を形成した。このとき、ワード線以外の領域は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。
【0055】
次に、ワード線WL上に下記の層構成からなる強磁性トンネル接合、つまりTMR素子を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。括弧内は膜厚を示す。
【0056】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoB(3nm)/Al(1nm)−O/CoB(3nm)/Ta(5nm)
【0057】
上記の膜構成のうち、Al−Oからなるトンネルバリア層は、先ず金属Al膜をDCスパッタ法により1nm堆積させ、その後に、酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を0.1mTorrとし、プラズマ電力値を500Wとした条件で金属Al膜をプラズマ酸化することにより形成された。
【0058】
また、Al−Oからなるトンネルバリア層以外は、合金ターゲットを用いたマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。このうち磁化固定層及び自由層を作製する際には、約1kOe(エルステッド)の磁場を印加しながら成膜を行った。また、CoFeからなる層の組成は、Co90at%−Fe10at%とした。
【0059】
また、金属間化合物であるCoBからなる、磁化固定層のうちトンネルバリア層に接する強磁性層(以下、参照層と称する。)及び自由層を作製する際には、Co67at%−B33at%の合金ターゲットを用いたスパッタリングを行った。成膜後、270℃〜450℃の温度範囲条件で、磁場印加熱処理を行った。この磁場印加熱処理は、原子の再配列による反強磁性層であるPtMn層の規則化及び磁化の固定、強磁性層に対する磁気異方性の付加、並びに自由層及び参照層において金属間化合物を生じせしめるための処理である。
【0060】
上記のような強磁性トンネル接合の作製後、Alをスパッタすることにより厚さ100nm程度の絶縁層25を成膜し、さらにフォトリソグラフィによりビット線BL及び端子パッド24を形成することで、図5及び図6に示すTEGを得た。
【0061】
<実施例2>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例2では自由層にCoBを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層及び参照層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0062】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(3nm)/Al(1nm)−O/CoB(3nm)/Ta(5nm)
【0063】
<実施例3>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例3では参照層及び自由層にFeSiを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0064】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/FeSi(3nm)/Al(1nm)−O/FeSi(3nm)/Ta(5nm)
【0065】
<実施例4>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例4では自由層にFeSiを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層及び参照層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0066】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(3nm)/Al(1nm)−O/FeSi(3nm)/Ta(5nm)
【0067】
<実施例5>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例5では参照層及び自由層にMnSbを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0068】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/MnSb(5nm)/Al(1nm)−O/MnSb(5nm)/Ta(5nm)
【0069】
<実施例6>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例6では参照層及び自由層にPdMnSbを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0070】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/PdMnSb(5nm)/Al(1nm)−O/PdMnSb(3nm)/Ta(5nm)
【0071】
<実施例7>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。すなわち、実施例7では参照層及び自由層にCoMnSiを用いている。なお、CoFeからなる磁化固定層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0072】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoMnSi(5nm)/Al(1nm)−O/CoMnSi(5nm)/Ta(5nm)
【0073】
<比較例>
強磁性トンネル接合の層構成を下記のとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にしてTEGを得た。なお、CoFeからなる磁化固定層の組成は、Co90at%−Fe10at%である。
【0074】
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2nm)/Al(1nm)−O/CoFe(2nm)/Ta(5nm)
【0075】
以上のように作製された実施例1〜実施例7及び比較例のTEGについて、下記のようにして熱処理温度とTMR比との関係及び金属間化合物の同定を行った。
【0076】
通常のMRAM等の磁気メモリ装置では、電流磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて、TMR比を測定した。
【0077】
このとき、磁気抵抗効果素子の自由層を磁化反転させるための外部磁界を、自由層の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは、500Oeとした。そして、自由層の磁化容易軸の一方から見て、−500Oeから+500Oeまで掃引すると同時に、ワード線WLの端子パッド23とビット線BLの端子パッド24とにかかるバイアス電圧が100mVとなるように調節して、強磁性トンネル接合にトンネル電流を流した。このときの、各外部磁界に対する抵抗値を測定した。
【0078】
TMR比は、磁化固定層と自由層との磁化が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層と自由層との磁化が平行の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値との比をとることによって示される。
【0079】
また、各実施例の参照層及び/又は自由層の微細構造の観察は、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope :TEM)及びX線回折により行った。なお、上記のような強磁性トンネル接合を構成するような膜厚はX線が透過してしまい、回折図形を得るためには不十分であるので、X線回折により金属間化合物相を同定する際には、同条件にて成膜した膜厚500nmの単層膜を別途用意し、測定に供した。
【0080】
最初に、参照層及び/又は自由層に強磁性金属元素と半金属元素との金属間化合物を用いた場合、すなわち実施例1〜実施例4の結果について説明する。実施例1及び実施例2で用いたCoBからなる膜厚500nmの単層膜を熱処理後、X線回折により相の同定を行った結果、CoBの金属間化合物の相が得られていることを確認した。
【0081】
また、実施例1、実施例2及び比較例の熱処理温度とTMR比との関係を、図7に示す。参照層及び自由層にCoBの金属間化合物を用いた実施例1では、熱処理温度が高温である場合にも高いTMR比を維持しており、最も高い耐熱性を示した。また、自由層のみにCoBを用いる実施例2も、自由層及び参照層にCoFeを用いる比較例に比べて高い耐熱性を示した。このような耐熱性の向上の原因は明確ではないが、Co−Bの結合エネルギーがCo−CoやCo−Feの金属結合の結合エネルギーよりも高いためであると考えられる。
【0082】
次に、実施例3及び実施例4の評価結果について説明する。実施例3及び実施例4で用いたFeSiからなる膜厚500nmの単層膜を熱処理後、X線回折により相の同定を行った結果、FeSiの金属間化合物の相が得られていることを確認した。
【0083】
また、実施例3、実施例4及び比較例の熱処理温度とTMR比との関係を、図8に示す。参照層及び自由層にFeSiの金属間化合物を用いた実施例3では、熱処理温度が高温である場合にも高いTMR比を維持しており、最も高い耐熱性を示した。また、自由層のみにFeSiを用いる実施例4も、自由層及び参照層にCoFeを用いる比較例に比べて高い耐熱性を示した。このような耐熱性の向上の原因は明確ではないが、CoBの場合と同様に、Fe−Siの結合エネルギーがCo−CoやCo−Feの金属結合の結合エネルギーよりも高いためであると考えられる。
【0084】
以上の実施例1〜実施例4から、強磁性金属元素と半金属元素との金属間化合物を強磁性トンネル接合の強磁性層のいずれか一方に用いることにより、耐熱性の向上効果を得られることがわかった。
【0085】
なお、以上の結果から、金属間化合物の強磁性金属としてFe及びCoのみならずNiを用いた系であっても、このような耐熱性の向上効果を得られることは容易に予想される。また、金属間化合物の半金属成分として実施例1〜実施例4ではB及びSiを用いたが、これら以外にCo−Fe系やFe−Si系と同様に金属間化合物を生成する元素を用いた系であってもこのような耐熱性の向上効果を得られることは容易に予想される。
【0086】
さらに、参照層及び/又は自由層に単体では強磁性を示さない金属元素を含む金属間化合物を用いた場合、すなわち実施例5〜実施例7の結果について説明する。
【0087】
実施例5で用いたMnSbからなる膜厚500nmの単層膜を340℃以上にて熱処理後、X線回折により相の同定を行った結果、MnSbの金属間化合物の相が得られていることを確認した。同様にして、実施例6で用いたPdMnSbからなる膜厚500nmの単層膜を340℃以上にて熱処理後、X線回折により相の同定を行った結果、PdMnSbの金属間化合物の相が得られていることを確認した。また、実施例7で用いたCoMnSiからなる膜厚500nmの単層膜を340℃以上にて熱処理後、X線回折により相の同定を行った結果、CoMnSiの金属間化合物の相が得られていることを確認した。
【0088】
また、実施例5〜実施例7及び比較例の熱処理温度とTMR比との関係を、図9に示す。参照層及び自由層にMnSb、PdMnSb、CoMnSiをそれぞれ用いた実施例5〜実施例7は、熱処理温度が高温である場合にも高いTMR比を維持しており、いずれも高い耐熱性を示した。このような耐熱性の向上の原因は明確ではないが、CoB及びFeSiの場合と同様に、Mn−Sb、Co−Si等の共有結合的な結合エネルギーがCo−CoやCo−Feの金属結合の結合エネルギーよりも高いためであると考えられる。
【0089】
以上の実施例5〜実施例7から、単体で強磁性を示す金属元素を含む金属間化合物だけでなく、単体では強磁性を示さないが化合物を形成して初めて強磁性を示す金属間化合物でも、実施例1〜実施例4と同様に耐熱性の向上効果を得られることがわかった。
【0090】
なお、以上の結果から、MnのみならずCrを用いた金属間化合物であっても、このような耐熱性の向上効果を得られることは容易に予想される。また、金属間化合物の半金属成分としても、実施例5〜実施例7で用いた元素に限定されず、これら以外であってもこのような耐熱性の向上効果を得られることは容易に予想される。
【0091】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明によれば例えば300℃以上の高温の熱処理によってもTMR特性の劣化を抑制しうる、優れた耐熱性を実現するトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【0092】
また、このような高い耐熱性を有するトンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、製造プロセスに熱処理工程を含む場合でも、エラーレートの増大を抑えて優れた読み出し特性を維持することが可能な磁気メモリ装置を実現できる。すなわち、本発明に係る磁気メモリ装置は、優れた読み出し特性を維持しつつ、CMOSプロセスとの親和性の大幅な向上を図ることができる。
【0093】
また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、金属間化合物の相を強磁性層の少なくとも一方に確実に形成し、熱安定性の高いトンネル磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したTMR素子の一例を示す要部概略断面図である。
【図2】本発明を適用したTMR素子の他の例であって、積層フェリ構造を有するTMR素子を示す要部概略断面図である。
【図3】本発明のTMR素子をメモリセルとして有する、クロスポイント型MRAMアレイの要部概略斜視図である。
【図4】図3に示すメモリセルの拡大断面図である。
【図5】TMR素子評価用のTEGの平面図である。
【図6】図5中A−A線の断面図である。
【図7】金属間化合物としてCoBを含有するTMR素子の、TMR比の熱処理温度依存性を説明するための特性図である。
【図8】金属間化合物としてFeSiを含有するTMR素子の、TMR比の熱処理温度依存性を説明するための特性図である。
【図9】金属間化合物としてMnSb、PdMnSb又はCoMnSiを含有するTMR素子の、TMR比の熱処理温度依存性を説明するための特性図である。
【符号の説明】
1 TMR素子
2 基板
3 下地層
4 反強磁性層
5 磁化固定層
6 トンネルバリア層
7 自由層
8 トップコート層
9 強磁性トンネル接合
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element having a ferromagnetic tunnel junction, a magnetic memory device, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that compose this device have higher performance such as higher integration, higher speed, lower power consumption, etc. Is required. In particular, increasing the density and capacity of non-volatile memory is becoming increasingly important as a technology for replacing hard disks and optical discs that are essentially impossible to downsize due to the presence of moving parts.
[0003]
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric. However, the flash memory has a drawback that the writing speed is as slow as microsecond order. On the other hand, in FRAM, a problem that the number of rewritable times is small has been pointed out.
[0004]
Non-volatile memories that do not have these drawbacks are attracting attention as MRAM (Magnetic Random Access Memory) as described in, for example, “Wang et al., IEEE Trans Magn. 33 (1997), 4498”. This is a so-called magnetic memory device. Since this MRAM has a simple structure, it can be easily integrated and has a large number of rewritable times in order to store data by rotating a magnetic moment. The access time is also expected to be very high, and it has already been confirmed that it can operate in the nanosecond range.
[0005]
The magnetoresistive effect element used in this MRAM, in particular, the tunnel magnetoresistive effect (Tunnel Magnetoresistance: TMR) element, is basically composed of a ferromagnetic tunnel junction of a ferromagnetic layer / tunnel barrier layer / ferromagnetic layer. In this element, when an external magnetic field is applied between the ferromagnetic layers with a constant current flowing between the ferromagnetic layers, a magnetoresistive effect appears according to the relative angle of magnetization of both magnetic layers. When the magnetization directions of both ferromagnetic layers are antiparallel, the resistance value is maximized, and when they are parallel, the resistance value is minimized. The function as a memory element is brought about by creating an antiparallel and parallel state by an external magnetic field.
[0006]
The rate of change in resistance is expressed by the following formula (1), where the spin polarizabilities of the respective magnetic layers are P1 and P2.
2P1P2 / (1-P1P2) ... Formula (1)
[0007]
Thus, the resistance change rate increases as the respective spin polarizabilities increase. Regarding the relationship between the material used for the ferromagnetic layer and the rate of change in resistance, there have been reports on Fe group ferromagnetic elements such as Fe, Co, and Ni, and alloys of these three types.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, information reading of the TMR element is performed when the magnetic moment between one ferromagnetic layer and the other ferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier layer is antiparallel and the resistance value is high, for example, “1”, and vice versa. When the magnetic moments are parallel, “0” is set, and reading is performed based on the difference current at a constant bias voltage or the difference voltage at a constant bias current in those states. Therefore, a higher resistance change rate is advantageous, and a memory with a low error rate is realized.
[0009]
Further, it is known that the resistance change rate depends on the bias voltage in the TMR element, and the resistance change rate decreases as the bias voltage increases. When reading is performed with a difference current or voltage, it is known that in many cases the maximum value of the read signal is obtained at a voltage (Vh) at which the resistance change rate is halved by the bias voltage dependency. The smaller one is effective in reducing errors in the read MRAM.
[0010]
Incidentally, the MRAM includes a semiconductor circuit as a switching element for selecting a TMR element necessary for reading in addition to the above-described TMR element.
[0011]
When such a semiconductor circuit and a TMR element coexist in the same chip, there is a process that requires heating at about 400 ° C. for the production of the semiconductor circuit, and therefore the TMR element must have the same temperature durability. It is said. However, the TMR element using an alloy of Fe group elements such as Fe, Co, Ni, etc. for the ferromagnetic layer is known to have a remarkably deteriorated resistance change rate at about 300 ° C. or more. Have a problem. This deterioration in resistance change rate is considered to be due to the fact that components of the constituent layers of the TMR element are mutually diffused by heat, and unwanted impurities enter the ferromagnetic layer or the tunnel barrier layer.
[0012]
As described above, in order to realize an MRAM that achieves both excellent read characteristics and high compatibility with a semiconductor circuit manufacturing process, a high resistance change rate and heat resistance are required for a TMR element.
[0013]
The present invention solves such a conventional problem, a tunnel magnetoresistive effect element capable of suppressing deterioration in resistance change rate due to heat treatment such as a semiconductor circuit manufacturing process, a manufacturing method thereof, and a magnetic memory An object is to provide an apparatus.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above object, a tunnel magnetoresistive element according to the present invention is a tunnel magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers, At least one of the ferromagnetic layers isCovalently bonded to a 3d transition metal element;Intermetallic compounds exhibiting ferromagnetismCobalt boride (Co 3 B)It is characterized by containing.
[0015]
  Further, the magnetic memory device according to the present invention includes:Formed on a semiconductor substrate and the semiconductor substrate;A tunnel magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers, and a word line and a bit line sandwiching the tunnel magnetoresistive element in the thickness direction;A circuit formed on the semiconductor substrate and connected to the word line or the bit line;
And at least one of the ferromagnetic layers isCovalently bonded to a 3d transition metal element;Intermetallic compounds exhibiting ferromagnetismCobalt boride (Co 3 B)It is characterized by containing.
[0016]
  The tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention is a tunnel magnetoresistive effect element having a ferromagnetic tunnel junction in which a tunnel barrier layer is sandwiched between a pair of ferromagnetic layers, and at least one of the above ferromagnetic layers Is an iron silicide (Fe) as an intermetallic compound that is covalently bonded to a 3d transition metal element and exhibits ferromagnetism. 3 Si) is contained.
[0017]
  A magnetic memory device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a tunnel magnetoresistive effect element formed on the semiconductor substrate and having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers, A word line and a bit line sandwiching a tunnel magnetoresistive effect element in a thickness direction; a circuit formed on the semiconductor substrate and connected to the word line or the bit line;
And at least one of the ferromagnetic layers is covalently coupled to a 3d transition metal element, and iron silicide (Fe) as an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism. 3 Si) is contained.
[0018]
  In order to form a ferromagnetic tunnel junction, for example,Fe, CoIt is necessary that a ferromagnetic layer containing a 3d transition metal element such as a tunnel barrier layer is in contact.
[0019]
  However, the tunnel barrier layer is generally extremely thin with a thickness of 6 to 15 mm, and includes a ferromagnetic layer.Fe, CoIt is very sensitive to contamination of 3d transition metal elements such as Therefore, when the tunnel barrier layer is contaminated with these elements, for example, by thermal diffusion, the spin of tunnel conduction electrons is scattered in the tunnel barrier layer, which causes a disadvantage that the TMR characteristic is significantly impaired.
[0020]
  In contrast, the present inventionFe, CoIntermetallic compound in ferromagnetic layer using 3d transition metal elementFe 3 Si, Co 3 BBy usingFe, Co3d transition metal elements and compound elementsSi, BA covalent component is included in the binding state. ThisFe, CoSince the thermal diffusion of the 3d transition metal element is suppressed, high TMR characteristics can be maintained even if heat treatment is performed without the components of the ferromagnetic layer contaminating the tunnel barrier layer.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a tunnel magnetoresistive effect element, a manufacturing method thereof, and a magnetic memory device to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
The basic structure of a tunnel magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as a TMR element) 1 of the present invention is as shown in FIG. 1, for example, on a substrate 2, an underlayer 3, an antiferromagnetic layer 4, and a ferromagnetic structure. A magnetization fixed layer 5 made of a body, a tunnel barrier layer 6, a free layer 7 made of a ferromagnetic material, and a top coat layer 8 are laminated in this order. The TMR element 1 forms a ferromagnetic tunnel junction 9 by sandwiching a tunnel barrier layer 6 between a magnetization fixed layer 5 and a free layer 7 which are a pair of ferromagnetic layers.
[0023]
In the present invention, at least one of the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 which are ferromagnetic layers in the ferromagnetic tunnel junction 9 contains an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism.
[0024]
The intermetallic compound here is a compound whose atomic ratio is represented by a relatively simple integer ratio.iXj, WiXjYkOr WiXjYkZlWherein W, X, Y and Z are selected from the first group consisting of Fe, Co, Ni, Cr and Mn, and the second group consisting of metalloid elements and group elements from group 3B to group 6B. In the formula, one of W and X is selected from the first group, and the other is selected from the second group, and i, j, k, and l are integer values or integers. It is a simple ratio with a value close to.
[0025]
The intermetallic compound preferably contains Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and the like, which are elements having different electron state densities in the spin-up state and the spin-down state of the 3d orbital, from the viewpoint of expressing the TMR effect.
[0026]
Further, from the viewpoint of suppressing the diffusion of atoms in the heated state, the intermetallic compound is covalently bonded to the elements such as Cr, Mn, Fe, Co, and Ni described above to generate an intermetallic compound. It is preferable to further include a metalloid element or a group 3B to 6B element on the periodic table. Specific examples of such metalloid elements or elements from Group 3B to 6B on the periodic table include B, C, Ge, Al, N, P, As, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Po, etc. are mentioned.
[0027]
By the way, as an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism, there are cases where a metal element having a different number of spin-ups and spin-downs, which is the main cause of magnetism, is a ferromagnet, and a metal element alone In the case of, it is divided into compounds that do not exhibit ferromagnetism but exhibit ferromagnetism in compounds.
[0028]
For example, as the former, for example, Co3B, Co2B, Fe2B, FeB, Co20Al3B6, Co21Ge2B6And borides such as The boride only needs to contain an element selected from Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. For example, the magnetic element portion is composed of Fe and Co (Co1-xFex)3B, (Co1-xFex)2B, (Co1-xFex) B or the like.
[0029]
Further, as intermetallic compounds containing Al, C, Si, Sn, N, P, and S, Fe3Al, Ni3Al, Fe3Ge, Fe3C, Fe2C, Fe3Si, Fe5Si3, Fe3Sn2, Fe4N, Fe8N, Fe3NiN, Fe3PtN, Fe3P, Fe2.4Co0.6P, NiCoSb, FeCoS2Etc.
[0030]
For example, Fe3(C1-xBx) And the like, it may be an intermetallic compound in which different metalloid elements or the like are mixed in a portion other than the transition metal element.
[0031]
Further, the intermetallic compounds exhibiting ferromagnetism are not limited to the intermetallic compounds listed above, and there may be a partial change such as containing a small amount of additive elements.
[0032]
Examples of the latter, that is, intermetallic compounds containing a metal element that does not exhibit ferromagnetism alone include those containing Mn, Cr, and the like. Specifically, Cu known as Heusler alloy2MnAl, Cu2MnIn, Ni2MnIn, Co2MnSi, Cu2MnSn, Ni2MnSn, Co2MnSn etc. are mentioned. MnB, Mn5SiB2Borides such as MnSb, CoMnSb, and antimony compounds such as PdMnSb are also possible. In addition, MnBi, Mn4N, Mn4(N1-xCx), Mn3ZnC, Co2Mn2C, MnAs0.5Sb0.5Etc. As an intermetallic compound of Cr, CuCr2Se4, HgCr2Se4, CdCr3Se4, Cr7Te8, Cr5Te6, Cr3Te4, Cr2Te3TiCr2Te4, CuCr2Te4Etc. Similarly to the former example, the intermetallic compound of the latter example is not limited to the above-described intermetallic compounds, and there may be a partial change such as containing a trace amount of additive elements.
[0033]
The Curie temperature of these intermetallic compounds is preferably room temperature or higher, whereby a TMR element or MRAM that can operate in a normal environment can be realized. Conversely, when the Curie temperature of the intermetallic compound is lower than room temperature, the TMR element or MRAM does not operate at room temperature.
[0034]
The tunnel barrier layer 6 sandwiched between the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 of the ferromagnetic tunnel junction 9 is a layer for cutting the magnetic coupling between the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 and flowing a tunnel current. As a material constituting the tunnel barrier layer 6, for example, an insulating material such as an oxide such as Al, Mg, Si, Li, or Ca, a nitride, or a halide can be used.
[0035]
The tunnel barrier layer 6 can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering or vapor deposition. The tunnel barrier layer 6 can also be obtained by a CVD method using an organic metal and oxygen gas, ozone gas, nitrogen gas or halogen gas.
[0036]
Further, the configuration of the TMR element 1 shown in FIG. 1 other than the ferromagnetic layer constituting the ferromagnetic tunnel junction 9 will be described below.
[0037]
The antiferromagnetic layer 4 is antiferromagnetically coupled to the magnetization fixed layer 5 that is one of the ferromagnetic layers, so that the magnetization of the magnetization fixed layer 5 is not reversed even by a current magnetic field for writing, and the magnetization is fixed. This is a layer for always keeping the magnetization direction of the layer 5 constant. That is, in the TMR element 1 shown in FIG. 1, the magnetization of only the free layer 7 which is the other ferromagnetic layer is reversed by an external magnetic field or the like. As a material constituting the antiferromagnetic layer 4, an Mn alloy containing Fe, Ni, Pt, Ir, Rh, Co oxide, Ni oxide, or the like can be used.
[0038]
Since the intermetallic compound exhibiting ferromagnetism as described above has both a metal-bonding component and a covalent component in its bonding state, as a result, it has both electron conductivity and high binding energy. . Among these, electronic conductivity is a characteristic necessary for flowing a read current when used as a memory element. On the other hand, the high covalent bond energy stabilizes the crystal structure, so that the crystal structure is stable even at high temperatures. That is, the thermal stability of the ferromagnetic layer is improved by an intermetallic compound having a high covalent bond energy, and contamination of the tunnel barrier layer due to thermal diffusion of the 3d transition metal element constituting the ferromagnetic layer is prevented. Suppress.
[0039]
Therefore, even if the TMR element 1 of the present invention is subjected to a heat treatment at a high temperature exceeding 300 ° C., for example, the tunnel barrier layer is prevented from being contaminated by the 3d transition metal element that causes the spin scattering of the tunnel conduction electrons, High TMR characteristics can be maintained. That is, the TMR element 1 of the present invention can be subjected to heat treatment during the manufacturing process when it is applied to, for example, a magnetic memory device.
[0040]
As described above, a ferromagnetic layer containing an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism is formed by vapor deposition methods such as vacuum deposition, sputter deposition, and CVD (Chemical Vapor Deposition), electroplating, and electroless plating. Etc. are produced.
[0041]
By the way, depending on the composition of the ferromagnetic layer containing an intermetallic compound, the intermetallic compound structure may not grow and may become an amorphous structure or a microcrystalline structure when produced at room temperature.
[0042]
The expression of the TMR effect may not be immediately impaired even if the ferromagnetic layer has an amorphous structure, but in particular, when a 3d transition metal element that does not exhibit ferromagnetism such as Mn and Cr is used, In order to obtain the desired ferromagnetism by sufficiently growing the intermetallic compound structure, a method of promoting the rearrangement of atoms by performing a heat treatment after the preparation of the ferromagnetic layer, a method of heating the substrate at the time of preparation, etc. preferable. From the viewpoint of reliably generating a metal compound phase in the ferromagnetic layer, when heat treatment is performed during film formation, the heat treatment condition is preferably 100 ° C. or higher, and when heat treatment is performed after film formation, The heat treatment condition is preferably 340 ° C. or higher.
[0043]
In addition, depending on the composition of the intermetallic compound, the TMR ratio and magnetocrystalline anisotropy may be significantly improved when the ferromagnetic layer is made of a single crystal of the intermetallic compound. Therefore, the composition of MBE (Molecular Beam Epitaxy) or the like may be increased. It is also effective to epitaxially grow a single crystal film of an intermetallic compound using a film method.
[0044]
The TMR element of the present invention is not limited to the case where each of the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 2, even if the magnetization fixed layer 5 has a laminated ferrimagnetic structure in which the intermediate layer 5c is sandwiched between the first magnetization fixed layer 5a and the second magnetization fixed layer 5b, The effects of the present invention can be obtained. In the TMR element 10 shown in FIG. 2, the first magnetization fixed layer 5 a is in contact with the antiferromagnetic layer 4, and the first magnetization fixed layer 5 a has a strong unidirectional magnetic force due to the exchange interaction acting between these layers. Has anisotropy. Examples of the material used for the intermediate layer 5c having the laminated ferri structure include Ru, Cu, Cr, Au, and Ag. The other layers of the TMR element 10 in FIG. 2 have substantially the same configuration as that of the TMR element 1 shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals as those in FIG.
[0045]
The present invention is not limited to the case where at least one of the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 is made of only an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism, and at least one of the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 exhibits ferromagnetism. It may be a case where an intermetallic compound is partially contained. For example, the case where an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism partially precipitates in an amorphous structure in at least one of the magnetization fixed layer 5 and the free layer 7 is also included in the scope of the present invention.
[0046]
Further, the TMR element of the present invention is not limited to the layer configuration shown in FIGS. 1 and 2, and it is needless to say that various known layer configurations can be adopted.
[0047]
The TMR element as described above is suitable for use in a magnetic memory device such as an MRAM. The MRAM using the TMR element of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0048]
FIG. 3 shows a cross-point type MRAM array having the TMR element of the present invention. The MRAM array shown in FIG. 3 has a plurality of word lines WL and a plurality of bit lines BL orthogonal to the word lines WL, and the TMR element 1 of the present invention is located at the intersection of the word lines WL and the bit lines BL. The memory cell 11 is arranged. That is, in the MRAM array shown in FIG. 3, 3 × 3 memory cells 11 are arranged in a matrix. Of course, the TMR element used in the MRAM array is not limited to the TMR element 1 shown in FIG. 1, but at least one of the ferromagnetic layers of the ferromagnetic tunnel junction, such as the TMR element 10 shown in FIG. Any structure may be used as long as it contains an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism.
[0049]
As shown in FIG. 4, each memory cell 11 includes a transistor 16 including a gate electrode 13, a source region 14, and a drain region 15 on, for example, a silicon substrate 12. The gate electrode 13 constitutes a read word line WL1. A write word line WL2 is formed on the gate electrode 13 via an insulating layer. A contact metal 17 is connected to the drain region 15 of the transistor 16, and a base layer 18 is connected to the contact metal 17. The TMR element 1 of the present invention is formed on the base layer 18 at a position corresponding to the upper side of the write word line WL2. On the TMR element 1, bit lines BL orthogonal to the word lines WL1 and WL2 are formed.
[0050]
Since the MRAM to which the present invention is applied has a TMR element with high heat resistance as described above, it maintains a high signal intensity even after the heat treatment process, suppresses an increase in error rate, and has excellent read characteristics. Can be realized. Further, for example, the affinity with an existing CMOS process including heat treatment at 300 ° C. or higher is improved, and the practicality can be greatly improved.
[0051]
The TMR element of the present invention is applied not only to the magnetic memory device described above, but also to magnetic heads, integrated circuit chips, various electronic devices such as personal computers, mobile terminals, mobile phones, and electric devices. It is possible.
[0052]
【Example】
Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results. As described with reference to FIGS. 2 and 3, the MRAM includes a switching transistor in addition to the TMR element. In this embodiment, as shown in FIGS. A wafer with only a ferromagnetic tunnel junction was investigated.
[0053]
<Example 1>
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the element for characteristic evaluation (Test Element Group: TEG) used in this embodiment has a word line WL and a bit line BL arranged on a substrate 21 at right angles. A magnetoresistive element 22 is formed at the intersection of the line WL and the bit line BL. The magnetoresistive effect element 22 formed here has an elliptical shape with a minor axis of 0.5 μm and a major axis of 1.0 μm. Terminal pads 23 and 24 are formed at both ends of the word line WL and the bit line BL, respectively. The word line WL and the bit line BL are made of Al.2O3It is electrically insulated by an insulating film 25 made of
[0054]
Such a TEG is manufactured as follows. First, a word line material was formed on the substrate 21, masked by photolithography, and portions other than the word lines were selectively etched with Ar plasma to form word lines. At this time, regions other than the word line were etched to a depth of 5 nm of the substrate.
[0055]
Next, a ferromagnetic tunnel junction having the following layer structure, that is, a TMR element was formed on the word line WL by a known lithography method and etching. The thickness in parentheses indicates the film thickness.
[0056]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co3B (3 nm) / Al (1 nm) -Ox/ Co3B (3 nm) / Ta (5 nm)
[0057]
Among the above film configurations, Al-OxFirst, a metal Al film is deposited with a thickness of 1 nm by DC sputtering, and then a flow ratio of oxygen / argon is 1: 1, a chamber gas pressure is 0.1 mTorr, and a plasma power value is 500 W. The metal Al film was formed by plasma oxidation under the above conditions.
[0058]
Al-OxExcept for the tunnel barrier layer made of, the film was formed by magnetron sputtering using an alloy target. Among these, when producing the magnetization fixed layer and the free layer, the film was formed while applying a magnetic field of about 1 kOe (Oersted). The composition of the CoFe layer was Co90 at% -Fe10 at%.
[0059]
Co, which is an intermetallic compound3Sputtering using a Co67 at% -B33 at% alloy target is performed when a ferromagnetic layer (hereinafter referred to as a reference layer) and a free layer, which are made of B and are in contact with the tunnel barrier layer, of the magnetization fixed layer. It was. After film formation, magnetic field application heat treatment was performed under the temperature range of 270 ° C. to 450 ° C. This heat treatment by applying a magnetic field produces ordering and magnetization of the PtMn layer, which is an antiferromagnetic layer, by atomic rearrangement, addition of magnetic anisotropy to the ferromagnetic layer, and intermetallic compounds in the free layer and the reference layer. It is a process for damaging.
[0060]
After fabrication of the ferromagnetic tunnel junction as described above, Al2O3The insulating layer 25 having a thickness of about 100 nm was formed by sputtering, and the bit line BL and the terminal pad 24 were formed by photolithography, whereby the TEG shown in FIGS. 5 and 6 was obtained.
[0061]
<Example 2>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 2, Co is formed in the free layer.3B is used. The composition of the magnetization fixed layer and the reference layer made of CoFe is Co90 at% -Fe10 at%.
[0062]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFe (3 nm) / Al (1 nm) -Ox/ Co3B (3 nm) / Ta (5 nm)
[0063]
<Example 3>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 3, the reference layer and the free layer are Fe layers.3Si is used. The composition of the magnetization fixed layer made of CoFe is Co 90 at% -Fe 10 at%.
[0064]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Fe3Si (3 nm) / Al (1 nm) -Ox/ Fe3Si (3 nm) / Ta (5 nm)
[0065]
<Example 4>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 4, the free layer has Fe3Si is used. The composition of the magnetization fixed layer and the reference layer made of CoFe is Co90 at% -Fe10 at%.
[0066]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFe (3 nm) / Al (1 nm) -Ox/ Fe3Si (3 nm) / Ta (5 nm)
[0067]
<Example 5>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 5, MnSb is used for the reference layer and the free layer. The composition of the magnetization fixed layer made of CoFe is Co 90 at% -Fe 10 at%.
[0068]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / MnSb (5 nm) / Al (1 nm) -Ox/ MnSb (5 nm) / Ta (5 nm)
[0069]
<Example 6>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 6, PdMnSb is used for the reference layer and the free layer. The composition of the magnetization fixed layer made of CoFe is Co 90 at% -Fe 10 at%.
[0070]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / PdMnSb (5 nm) / Al (1 nm) -Ox/ PdMnSb (3 nm) / Ta (5 nm)
[0071]
<Example 7>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. That is, in Example 7, the reference layer and the free layer are made of Co.2MnSi is used. The composition of the magnetization fixed layer made of CoFe is Co 90 at% -Fe 10 at%.
[0072]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co2MnSi (5 nm) / Al (1 nm) -Ox/ Co2MnSi (5 nm) / Ta (5 nm)
[0073]
<Comparative example>
A TEG was obtained in the same manner as in Example 1 except that the layer configuration of the ferromagnetic tunnel junction was as follows. The composition of the magnetization fixed layer made of CoFe is Co 90 at% -Fe 10 at%.
[0074]
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFe (2 nm) / Al (1 nm) -Ox/ CoFe (2 nm) / Ta (5 nm)
[0075]
Regarding the TEGs of Examples 1 to 7 and Comparative Example produced as described above, the relationship between the heat treatment temperature and the TMR ratio and the identification of intermetallic compounds were performed as follows.
[0076]
In a normal magnetic memory device such as an MRAM, information is written by reversing the magnetization of the magnetoresistive effect element using a current magnetic field. In this embodiment, the TMR ratio was measured by reversing the magnetization of the magnetoresistive effect element using an external magnetic field. .
[0077]
At this time, an external magnetic field for reversing the magnetization of the free layer of the magnetoresistive effect element was applied so as to be parallel to the easy axis of magnetization of the free layer. The magnitude of the external magnetic field for measurement was 500 Oe. Then, when viewed from one of the easy axes of the free layer, the sweep is performed from −500 Oe to +500 Oe, and at the same time, the bias voltage applied to the terminal pad 23 of the word line WL and the terminal pad 24 of the bit line BL is adjusted to 100 mV. Then, a tunnel current was passed through the ferromagnetic tunnel junction. The resistance value with respect to each external magnetic field at this time was measured.
[0078]
The TMR ratio is such that the resistance value when the magnetization of the magnetization fixed layer and the free layer is antiparallel and the resistance is high, and the magnetization of the magnetization fixed layer and the free layer are parallel and the resistance is low. It is shown by taking the ratio with the resistance value in the state.
[0079]
Moreover, observation of the fine structure of the reference layer and / or free layer of each example was performed by a transmission electron microscope (TEM) and X-ray diffraction. In addition, since the film thickness that constitutes the ferromagnetic tunnel junction as described above transmits X-rays and is insufficient for obtaining a diffraction pattern, the intermetallic compound phase is identified by X-ray diffraction. At that time, a single-layer film having a thickness of 500 nm formed under the same conditions was separately prepared and used for measurement.
[0080]
First, the case where an intermetallic compound of a ferromagnetic metal element and a metalloid element is used for the reference layer and / or the free layer, that is, the results of Examples 1 to 4 will be described. Co used in Example 1 and Example 23As a result of identifying the phase by X-ray diffraction after heat-treating the single layer film made of B having a thickness of 500 nm, Co3It was confirmed that a phase of B intermetallic compound was obtained.
[0081]
Moreover, the relationship between the heat processing temperature of Example 1, Example 2, and a comparative example and TMR ratio is shown in FIG. Co in reference layer and free layer3In Example 1 using the intermetallic compound of B, a high TMR ratio was maintained even when the heat treatment temperature was high, and the highest heat resistance was exhibited. Also, only the free layer3Example 2 using B also showed higher heat resistance than the comparative example using CoFe for the free layer and the reference layer. Although the cause of such an improvement in heat resistance is not clear, it is considered that the bond energy of Co—B is higher than the bond energy of the metal bond of Co—Co or Co—Fe.
[0082]
Next, the evaluation results of Example 3 and Example 4 will be described. Fe used in Example 3 and Example 43As a result of performing phase identification by X-ray diffraction after heat-treating a single layer film made of Si having a thickness of 500 nm, Fe3It was confirmed that a phase of Si intermetallic compound was obtained.
[0083]
Moreover, the relationship between the heat processing temperature of Example 3, Example 4, and a comparative example and TMR ratio is shown in FIG. Fe in the reference and free layers3In Example 3 using an Si intermetallic compound, a high TMR ratio was maintained even when the heat treatment temperature was high, and the highest heat resistance was exhibited. Also, only the free layer has Fe3Example 4 using Si also showed higher heat resistance than the comparative example using CoFe for the free layer and the reference layer. The cause of this improvement in heat resistance is not clear, but Co3As in the case of B, it is considered that the bond energy of Fe—Si is higher than the bond energy of the metal bond of Co—Co or Co—Fe.
[0084]
From Examples 1 to 4 described above, an effect of improving heat resistance can be obtained by using an intermetallic compound of a ferromagnetic metal element and a metalloid element for any one of the ferromagnetic layers of the ferromagnetic tunnel junction. I understood it.
[0085]
From the above results, it is easily expected that such a heat resistance improvement effect can be obtained even in a system using not only Fe and Co but also Ni as the ferromagnetic metal of the intermetallic compound. In addition, B and Si were used as the metalloid component of the intermetallic compound in Examples 1 to 4. However, in addition to these, elements that generate an intermetallic compound are used in the same manner as in the Co—Fe and Fe—Si systems. It is easily expected that such a heat resistance improving effect can be obtained even with a conventional system.
[0086]
Further, the case where an intermetallic compound containing a metal element that does not exhibit ferromagnetism alone is used for the reference layer and / or the free layer, that is, the results of Examples 5 to 7 will be described.
[0087]
As a result of identifying the phase by X-ray diffraction after heat-treating the 500 nm-thick single layer film made of MnSb used in Example 5 at 340 ° C. or higher, the phase of the MnSb intermetallic compound is obtained. It was confirmed. Similarly, a single layer film of PdMnSb made of PdMnSb used in Example 6 was heat-treated at 340 ° C. or higher, and the phase was identified by X-ray diffraction. As a result, an intermetallic compound phase of PdMnSb was obtained. It was confirmed that In addition, the Co used in Example 72As a result of identifying a phase by X-ray diffraction after heat-treating a 500 nm-thick single layer film made of MnSi at 340 ° C. or higher, Co2It was confirmed that an intermetallic compound phase of MnSi was obtained.
[0088]
Moreover, the relationship between the heat processing temperature of Examples 5-7 and a comparative example and TMR ratio is shown in FIG. MnSb, PdMnSb, Co in reference layer and free layer2In Examples 5 to 7 using MnSi, a high TMR ratio was maintained even when the heat treatment temperature was high, and all exhibited high heat resistance. The cause of this improvement in heat resistance is not clear, but Co3B and Fe3As in the case of Si, it is considered that the covalent bond energy of Mn—Sb, Co—Si or the like is higher than the bond energy of the metal bond of Co—Co or Co—Fe.
[0089]
From Examples 5 to 7 above, not only intermetallic compounds containing a metal element that exhibits ferromagnetism alone, but also intermetallic compounds that do not exhibit ferromagnetism alone but exhibit ferromagnetism only after forming a compound. It was found that the effect of improving heat resistance was obtained as in Examples 1 to 4.
[0090]
From the above results, it is easily expected that such an effect of improving heat resistance can be obtained even with an intermetallic compound using Cr as well as Mn. Further, the metalloid component of the intermetallic compound is not limited to the elements used in Examples 5 to 7, and it is easily expected that such heat resistance improvement effect can be obtained even if it is other than these elements. Is done.
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a tunnel magnetoresistive effect element that realizes excellent heat resistance, which can suppress deterioration of TMR characteristics even by a high-temperature heat treatment of, for example, 300 ° C. or higher.
[0092]
In addition, by using such a tunnel magnetoresistive effect element having high heat resistance, even when the manufacturing process includes a heat treatment step, it is possible to suppress an increase in error rate and maintain excellent read characteristics. A device can be realized. That is, the magnetic memory device according to the present invention can greatly improve the affinity with the CMOS process while maintaining excellent read characteristics.
[0093]
In addition, according to the method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention, a tunnel magnetoresistive element having high thermal stability can be obtained by reliably forming an intermetallic compound phase on at least one of the ferromagnetic layers. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an essential part showing an example of a TMR element to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a main part showing another example of a TMR element to which the present invention is applied, and showing a TMR element having a laminated ferrimagnetic structure.
FIG. 3 is a schematic perspective view of a main part of a cross-point type MRAM array having the TMR element of the present invention as a memory cell.
4 is an enlarged cross-sectional view of the memory cell shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a plan view of a TEG for evaluating a TMR element.
6 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 7 shows Co as an intermetallic compound.3It is a characteristic view for demonstrating the heat processing temperature dependence of the TMR ratio of the TMR element containing B.
FIG. 8 shows Fe as an intermetallic compound.3It is a characteristic view for demonstrating the heat processing temperature dependence of the TMR ratio of the TMR element containing Si.
FIG. 9 shows MnSb, PdMnSb or Co as an intermetallic compound.2It is a characteristic view for demonstrating the heat processing temperature dependence of the TMR ratio of the TMR element containing MnSi.
[Explanation of symbols]
1 TMR element
2 Substrate
3 Underlayer
4 Antiferromagnetic layer
5 Magnetization fixed layer
6 Tunnel barrier layer
7 Free layer
8 Topcoat layer
9 Ferromagnetic tunnel junction

Claims (8)

一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として硼化コバルト(Co B)を含有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
A tunnel magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers,
At least one of the ferromagnetic layers is covalently bonded to a 3d transition metal element and contains cobalt boride (Co 3 B) as an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism. element.
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、上記金属間化合物の単結晶からなる層を少なくとも1層有することを特徴とする請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子。  2. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein at least one of the ferromagnetic layers has at least one layer made of a single crystal of the intermetallic compound. 半導体基板と、
上記半導体基板に形成され、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
上記トンネル磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線と
上記半導体基板に形成され、上記ワード線又は上記ビット線と接続される回路と、
を備え、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として硼化コバルト(Co B)を含有することを特徴とする磁気メモリ装置。
A semiconductor substrate;
A tunnel magnetoresistive element formed on the semiconductor substrate and having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers;
A word line and a bit line sandwiching the tunnel magnetoresistive element in the thickness direction ;
A circuit formed on the semiconductor substrate and connected to the word line or the bit line;
With
At least one of the ferromagnetic layers is covalently bonded to a 3d transition metal element and contains cobalt boride (Co 3 B) as an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism.
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、上記金属間化合物の単結晶からなる層を少なくとも1層有することを特徴とする請求項記載の磁気メモリ装置。4. The magnetic memory device according to claim 3 , wherein at least one of the ferromagnetic layers has at least one layer made of a single crystal of the intermetallic compound. 一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として珪化鉄(Fe Si)を含有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
A tunnel magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers,
At least one of the ferromagnetic layers is covalently bonded to a 3d transition metal element and contains iron silicide (Fe 3 Si) as an intermetallic compound exhibiting ferromagnetism, wherein the tunnel magnetoresistive element is characterized in that .
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、上記金属間化合物の単結晶からなる層を少なくとも1層有することを特徴とする請求項5記載のトンネル磁気抵抗効果素子。  6. The tunnel magnetoresistive element according to claim 5, wherein at least one of the ferromagnetic layers has at least one layer made of a single crystal of the intermetallic compound. 半導体基板と、
上記半導体基板に形成され、一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
上記トンネル磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線と
上記半導体基板に形成され、上記ワード線又は上記ビット線と接続される回路と、
を備え、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、3d遷移金属元素と共有結合的に結合し、強磁性を示す金属間化合物として珪化鉄(Fe Si)を含有することを特徴とする磁気メモリ装置。
A semiconductor substrate;
A tunnel magnetoresistive element formed on the semiconductor substrate and having a ferromagnetic tunnel junction with a tunnel barrier layer sandwiched between a pair of ferromagnetic layers;
A word line and a bit line sandwiching the tunnel magnetoresistive element in the thickness direction ;
A circuit formed on the semiconductor substrate and connected to the word line or the bit line;
With
At least one of the ferromagnetic layers contains iron silicide (Fe 3 Si) as an intermetallic compound that is covalently bonded to a 3d transition metal element and exhibits ferromagnetism.
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、上記金属間化合物の単結晶からなる層を少なくとも1層有することを特徴とする請求項記載の磁気メモリ装置。8. The magnetic memory device according to claim 7 , wherein at least one of the ferromagnetic layers has at least one layer made of a single crystal of the intermetallic compound.
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