JP4729109B2 - 強磁性トンネル接合素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高密度磁気ディスク装置における再生用磁気ヘッド、磁気メモリー装置、磁界センサーなどに適用される強磁性トンネル接合素子およびその製造方法に関する。

強磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられている。また、近年になって、半導体基板上に磁気抵抗効果素子を形成した磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）が提案され、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする次世代メモリー装置として注目されている。

磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記録に用い、それに対応する電気抵抗の大小で情報を読み出すことによりメモリー装置（ＭＲＡＭ）として動作させることができる。近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層）を挿入したサンドイッチ構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになった（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，７９，４７２４（１９９６））。このことをきっかけとして、この効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いたＭＲＡＭが期待と注目を集めている。

ＭＲＡＭにＴＭＲ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方の強磁性層（固着層）の磁化方向を固着させ、他方の強磁性層（自由層）の磁化方向を変化させることにより“０”または“１”の情報を記録する。一方の強磁性層の磁化方向を固着させるためには、その強磁性層に接して反強磁性材料を含む反強磁性層を設けた構造が採用される。このような構造を有するＴＭＲ素子は、スピンバルブ型ＴＭＲ素子（ＳＶ−ＴＭＲ素子）と呼ばれる。

図１に従来の強磁性トンネル接合素子の基本構造を示す。図１において、反強磁性材料を含む反強磁性層１０１、磁化固着層１０２、絶縁材料を含むトンネルバリア層１０３、および磁化自由層１０４が順次積層されている。自由層１０４および固着層１０２に用いられる強磁性材料は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群より選択される磁性金属を含む合金である。一方、反強磁性層１０１に用いられる反強磁性材料は、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｒｈ−Ｍｎなど、Ｍｎを含む合金が一般的である。

ところで、ＭＲＡＭなどの製造工程には、ＣＶＤによる層間絶縁層の成膜やメタルリフローなど、３００〜４５０℃の熱処理が含まれる。このような熱処理により、反強磁性層に含まれるＭｎが固着層中へ容易に拡散してトンネルバリア層近傍に達し、固着層のスピン偏極率を低下させて磁気抵抗変化率の低下という特性劣化を生じる。

この問題を防止するために、固着層中にＴａ、Ｒｕなどの金属を含むＭｎ拡散防止層を挿入することが試みられている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，３７９２（２０００））、（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，２４２４（２０００））。しかし、これらの金属元素を用いた場合、３００℃以上では粒界拡散が起こるため、ＭＲＡＭなどの製造工程中に実施される３００〜４５０℃の熱工程を経るとＭｎ拡散防止層として機能しなくなるおそれがある。

また、反強磁性層と固着層との界面に高融点金属を含むＭｎ拡散防止層を挿入することも試みられている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，３７９２（２０００））。しかし、反強磁性層と固着層との界面に拡散防止層を設けると固着層の磁化の固着度合が著しく低下するうえに、拡散防止層として用いた高融点金属自身が拡散するおそれもある。

本発明の目的は、熱処理を受けてもＭｎ系合金を含む反強磁性層からのＭｎ拡散を有効に抑制することができ、特性および耐熱性に優れた強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）を提供するとともに、そのようなＴＭＲ素子を簡便に製造できる方法を提供することにある。

本発明の強磁性トンネル接合素子は、Ｍｎを含有する反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成された、第１および第２の２つの強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された磁化自由層とを具備している。

本発明の強磁性トンネル接合素子の製造方法は、Ｍｎを含有する反強磁性層を形成し、前記反強磁性層上に第１の強磁性層、絶縁層またはアモルファス磁性層、および第２の強磁性層を積層して磁化固着層を形成し、前記磁化固着層上に絶縁材料を含むトンネルバリア層を形成し、前記トンネルバリア層上に強磁性材料を含む磁化自由層を形成するものである。

本発明によれば、磁化固着層中に絶縁材料またはアモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層を設けることにより、トンネルバリア近傍へのＭｎおよびその他の非磁性材料の拡散を抑制することができ、特性および耐熱性に優れた強磁性トンネル接合素子を高歩留まりかつ安価に提供できる。

従来の強磁性トンネル接合素子の基本構造を示す断面図。 本発明に係る強磁性トンネル接合素子の基本構造を示す断面図。 本発明の実施形態１における強磁性トンネル接合素子の製造方法を工程順に示す断面図。 本発明の実施形態２における強磁性トンネル接合素子の製造方法を工程順に示す断面図。 本発明の一実施形態に係る強磁性トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭのメモリセルの一例を示す断面図。 本発明の実施形態３における強磁性トンネル接合素子を示す断面図。

以下、本発明の実施形態に係る強磁性トンネル接合素子およびその製造方法について、より詳細に説明する。

図２を用いて本発明の一実施形態に係る強磁性トンネル接合素子の基本構造を示す。図２に示されるように、Ｍｎを含有する反強磁性層１０１、下部強磁性層（第１の強磁性層）１０２ａ、絶縁層またはアモルファス磁性層１０５、および上部強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂを有する磁化固着層１０２、絶縁材料を含むトンネルバリア層１０３、および強磁性材料を含む磁化自由層１０４が順次積層されている。なお、これらの各層の積層順序は図２の場合と逆でもよい。

また、本発明に係る強磁性トンネル接合素子は、１層のトンネルバリア層を有するものに限らず、２層以上の多層のトンネルバリア層を有していてもよい。

図２に示す強磁性トンネル接合素子と、図１に示す従来の強磁性トンネル接合素子との違いは、固着層１０２中の反強磁性層１０１からもトンネルバリア層１０３からも離れた部位（下部強磁性層１０２ａと上部強磁性層１０２ｂとの間）に絶縁層またはアモルファス磁性層１０５を設けたことである。絶縁層またはアモルファス磁性層１０５は、反強磁性層１０１に含まれるＭｎの拡散を防止する機能を発揮する。したがって、以下においては、絶縁層またはアモルファス磁性層１０５をＭｎ拡散防止層として説明する。

Ｍｎ拡散防止層を絶縁材料で形成した場合、従来のＭｎ拡散防止層に用いられる金属と異なり、１ｎｍ以下の厚さの絶縁材料でもＭｎの粒界拡散を十分抑制することができる。このため、製造工程中に３００℃を超える熱処理を受けても、安定した特性を示す強磁性トンネル接合素子が得られる。

Ｍｎ拡散防止層に用いられる絶縁材料としては、一般式Ｍ−Ｘで表される酸化物、窒化物または炭化物が用いられる。ここで、Ｍは第１の強磁性層に含まれる強磁性材料、Ｍｎ、およびＭｎより酸素、窒素または炭素と結合しやすい元素からなる群より選択される少なくとも１種の材料であり、Ｘは酸素、窒素、および炭素からなる群より選択される少なくとも１種の材料である。Ｍｎ拡散防止層にこれらの材料を用いるのは以下のような理由による。ここでは、酸化物を含むＭｎ拡散防止層を代表例として説明する。

Ｍｎ拡散防止層にＭｎより酸化されにくい元素の酸化物を用いた場合、熱処理により反強磁性層から拡散したＭｎによって還元され、その元素が固着層の強磁性層中を拡散する。その元素が非磁性材料であり、その元素が拡散してトンネルバリア層近傍に達した場合、固着層のスピン偏極率の低下を招き、特性劣化につながる。

一方、Ｍｎ拡散防止層にＭｎまたはＭｎより酸化されやすい元素の酸化物を用いた場合、反強磁性層から拡散したＭｎによって還元されることがないため、安定な拡散防止層として機能する。Ｍｎより酸化されやすい元素としては、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ａｌ、Ｅｕ、Ｓｃなどが挙げられる。また、Ｍｎ拡散防止層として固着層を形成する第１の強磁性層に含まれる強磁性材料（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種）の酸化物を用いてもよい。さらに、Ｍｎ拡散防止層として強磁性材料の酸化物を用いれば、還元されたとしても強磁性金属元素が生成するため、固着層のスピン偏極率の低下など特性変化を起こすこともない。したがって、Ｍｎ拡散防止層に用いられる酸化物としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ａｌ、ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１種の元素の酸化物が好ましい。窒化物または炭化物についても上記の同様である。

Ｍｎ拡散防止層をアモルファス磁性材料で形成した場合にも、絶縁材料の場合と同様に、Ｍｎの粒界拡散を防止することができる。これは、固着層の第１の強磁性層中に存在していた粒界がアモルファス磁性層により途切れるからである。また、第１および第２の２つの強磁性層間にアモルファス磁性層を挟んだ場合、固着層中において磁気的結合が弱まることがないので、固着層の磁化の固着度合が劣化することがない。アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層では、絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層のようにトンネル抵抗が生じることがないため、厚みを厚くしても素子の抵抗を増加させることがない。したがって、製造工程中に３００℃を超える熱処理を受けても、特性の劣化のない強磁性トンネル接合素子が得られる。

Ｍｎ拡散防止層に用いられるアモルファス磁性材料としては、一般式Ｍｍ_100-xＹ_x（ここで、ＭｍはＣｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、ＹはＢ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、ＡｌおよびＮｂからなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、３≦ｘ≦１６）で表されるものが好ましい。

上述したようにＭｎ拡散防止層として機能する絶縁層またはアモルファス磁性層１０５は、反強磁性層１０１にもトンネルバリア層１０３にも接しないように、下部強磁性層（第１の強磁性層）１０２ａと上部強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂとの間に挿入されている。これは、以下のような理由による。すなわち、Ｍｎ拡散防止層を反強磁性層と固着層との界面に挿入すると、固着層の固着度合が著しく低下する。また、Ｍｎ拡散防止層をトンネルバリア層と固着層との界面に挿入すると、スピントンネル特性の劣化が生じる。

絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層の厚さは、固着層の磁化の固着度合を劣化させず、また、Ｍｎ拡散防止層でのトンネル抵抗が強磁性トンネル接合部のそれより十分小さくなるように設定することが好ましい。このため、Ｍｎ拡散防止層の厚さは２ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。一方、絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層が薄すぎると連続膜になりにくく、Ｍｎの拡散を防止する効果が得られなくなるおそれがあるので、Ｍｎ拡散防止層の厚さは０．２ｎｍ以上が好ましく、０．５ｎｍ以上がより好ましい。

アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層の厚さは、第１の強磁性層中の粒界を中断することができればよいので、０．２ｎｍ以上であれば十分であり、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層の厚さの上限は特に限定されない。

本発明に係る強磁性トンネル接合素子を製造するには、固着層の形成工程において、下部強磁性層（第１の強磁性層）１０２ａ、Ｍｎ拡散防止層１０５、および上部強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂを形成する。

アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層を形成するには、一般式Ｍｍ_100-xＹ_xで表されるアモルファス磁性材料をスパッタリングすればよい。

絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層を形成するには、反応性スパッタリングなどの方法により、Ｍ−Ｘで表される酸化物、窒化物または炭化物の薄膜を成膜してもよい。また、固着層を形成する第１の強磁性層を酸化雰囲気（酸素プラズマなど）、窒化雰囲気（窒素プラズマなど）または炭化雰囲気に暴露して、その表面に固着膜の絶縁層を形成してもよい。さらに、固着層の第１の強磁性層上にＭｎまたはＭｎより酸素、窒素もしくは炭素と結合しやすい材料の薄膜を成膜し、この薄膜を酸化雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、その表面に固着膜の絶縁層を形成してもよい。

なお、本発明は、強磁性層、非磁性層および強磁性層の積層構造を有し、２つの強磁性層が反強磁性結合した磁化固着層（いわゆるシンセティック膜）に適用することもできる。

このような積層構造の磁化固着層において、非磁性層が強磁性層より酸化されにくい元素、例えばＩｒ、Ｒｕ、Ｃｕなどを含む場合には、非磁性層の表面を酸化するかまたは非磁性層の表面に酸素を吸着させ、その上に強磁性層を積層した後、熱処理して強磁性材料の酸化物を形成してＭｎ拡散防止層として用いてもよい。

上記のような積層構造の磁化固着層において、反強磁性層に接する少なくとも一方の強磁性層を、本発明に従って、２つの強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層（Ｍｎ拡散防止層）を挟んだ構造にしてもよい。また、上記のような積層構造の磁化固着層において、非磁性層を挟む２つの強磁性層の両方を、２つの強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造にしてもよい。

本発明の他の実施形態に係る方法においては、反強磁性層１０１を形成し、下部強磁性層（第１の強磁性層）１０２ａ、第１の強磁性層に含まれる強磁性材料の酸化物、窒化物または炭化物を含むＭｎ拡散防止層１０５、および上部強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂを形成した後、熱処理を行ってもよい。この熱処理により、反強磁性層１０１に含まれるＭｎの一部を、反強磁性層１０１に接する下部強磁性層１０２ａ中を拡散させ、Ｍｎ拡散防止層１０５に含まれる酸素、窒素または炭素と結合させる。この結果、Ｍｎ拡散防止層１０５に含有されていた強磁性材料が生成するので、固着層のスピン偏極率の低下を防止できる。このときの熱処理温度は、Ｍｎの拡散が起こり得る２００℃以上であることが好ましく、熱処理時間を短縮するためには２５０℃以上とすることが好ましく、さらに３００℃以上とすることがより好ましい。なお、本発明においては、絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層中またはその近傍に、他の元素と結合していない状態または結合が不十分な状態の酸素原子、窒素原子または炭素原子が存在していてもよい。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

実施形態１
図３（Ａ）〜（Ｃ）は本実施形態に係るＳＶ−ＴＭＲ素子の製造方法を工程順に示す断面図である。

図３（Ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）上に、高真空スパッタリングにより、Ｗからなる下部配線電極層２０１、Ｔａからなるバッファー層２０２、Ｐｔ−Ｍｎからなる反強磁性層２０３、約２ｎｍのＣｏＦｅからなる下部強磁性層（第１の強磁性層）２０４ａを順次積層する。この下部強磁性層２０４ａ上に、約０．４ｎｍのＴａ薄膜を成膜した後、その表面を酸素プラズマ雰囲気に約２０秒間さらすことによりＴａをプラズマ酸化して、Ｔａ酸化物からなるＭｎ拡散防止層２０５を形成する。

図３（Ｂ）に示すように、Ｍｎ拡散防止層２０５上に約２ｎｍのＣｏＦｅからなる上部強磁性層（第１の強磁性層）２０４ｂを積層する。こうして、下部強磁性層２０４ａ、Ｍｎ拡散防止層２０５および上部強磁性層２０４ｂを有する磁化固着層２０４を形成する。次に、Ａｌ₂Ｏ₃からなるトンネルバリア層２０６を積層した後、トンネルバリア層２０６表面をプラズマ酸化する。このトンネルバリア層２０６上に、Ｃｏ₇Ｆｅ₃からなる磁化自由層２０７、磁化自由層２０７を軟磁性化するためのＮｉ−Ｆｅ層２０８、およびＷからなる保護層２０９を順次積層する。

図３（Ｃ）に示すように、保護層２０９上に下部配線電極の形状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして上記各層をイオンミリングして下部配線電極のパターンを形成する。上記フォトレジストパターンを除去した後、トンネル接合部の形状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして下部配線電極より上部の各層をイオンミリングしてトンネル接合部のパターンを形成する。上記フォトレジストパターンを除去した後、反応性スパッタリングによりＳｉＯ₂を含む層間絶縁膜２１０を堆積する。その後、約３００℃の真空中で約７ｋＯｅの磁場を印加した状態で約２時間アニールを行い、磁化固着層２０４の磁化を固着させる。さらに、層間絶縁膜２１０にコンタクトホールを開口した後、上部配線電極２１１を形成し、ＳＶ−ＴＭＲ素子を製造する。

このＳＶ−ＴＭＲ素子に約５ｋＯｅの磁場を印加しながら真空中でアニールした。アニール温度を３００〜４００℃の範囲で変化させても、約４５％の磁気抵抗変化率が得られた。

一方、Ｍｎ拡散防止層としてＴａを酸化せずにそのまま用いた以外は図２と同様の構造を有するＳＶ−ＴＭＲ素子を製造した。このＳＶ−ＴＭＲ素子に対して上記と同様なアニールを行った。その結果、アニール温度を３５０℃としたとき磁気抵抗変化率は約２０％に低下し、アニール温度を４００℃としたとき磁気抵抗変化率は約５％に低下した。

以上のように、Ｍｎ拡散防止層にＴａ酸化物を用いることにより耐熱性が改善されることがわかった。

実施形態２
図４（Ａ）〜（Ｄ）は本発明に係る他のＳＶ−ＴＭＲ素子の製造方法を工程順に示す断面図である。このＳＶ−ＴＭＲ素子は、磁化自由層の上下にそれぞれトンネルバリア層および磁化固着層が形成された二重トンネル接合を有するデュアルスピンバルブ型ＴＭＲ素子であり、ＭＲＡＭに用いられる。このＴＭＲ素子は半導体基板上に形成された集積回路の一部であり、ＴＭＲ素子は絶縁膜上に形成された下部配線電極上に形成される。この下部配線電極は、絶縁膜を貫通するプラグを通して、半導体基板主面に形成された選択トランジスタと接続される。

図４（Ａ）に示すように、図示しない半導体基板上に層間絶縁膜を形成し、プラグを形成した後、高真空スパッタリングにより、Ａｌ／Ｗからなる下部配線電極層３０１、Ｔａからなるバッファー層３０２、Ｉｒ−Ｍｎからなる第１反強磁性層３０３、約２ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第１下部強磁性層３０４ａを順次積層する。その後、酸素雰囲気に１時間さらして酸化し、第１下部強磁性層３０４ａの表面に約０．５ｎｍの第１拡散防止層３０５を形成する。

図４（Ｂ）に示すように、第１拡散防止層３０５上に、約２ｎｍのＣｏ₇Ｆｅ₃からなる第１上部強磁性層３０４ｂを積層する。こうして、第１下部強磁性層３０４ａ、第１拡散防止層３０５および第１上部強磁性層３０４ｂを有する第１磁化固着層３０４を形成する。次に、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１トンネルバリア層３０６、Ｃｏ₉Ｆｅからなる磁化自由層３０７、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２トンネルバリア層３０８、約２．５ｎｍのＣｏ₇Ｆｅ₃からなる第２下部強磁性層３０９ａを順次積層する。その後、酸素雰囲気に１時間さらして酸化し、第２下部強磁性層３０９ａの表面に約０．５ｎｍの第２拡散防止層３１０を形成する。

図４（Ｃ）に示すように、第２拡散防止層３１０上に、約１．５ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第２上部強磁性層３０９ｂを積層する。こうして、第２下部強磁性層３０９ａ、第２拡散防止層３１０および第２上部強磁性層３０９ｂを有する第２磁化固着層２０９を形成する。次に、Ｉｒ−Ｍｎからなる第２反強磁性層３１１、Ｔａからなる保護層３１２を順次積層する。

以上のように、この実施形態においては、それぞれ第１および第２のＭｎ拡散防止層３０５、３１０を挟む上下２層の強磁性層の材料を変えている。これは、磁化固着層３０４、３０９の保磁力を小さくするためである。ただし、用途によっては、Ｍｎ拡散防止層を挟む上下２層の強磁性層の材料を変える必要はない。

図４（Ｄ）に示すように、保護層３１２上に下部配線電極の形状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして上記各層をイオンミリングして下部配線電極のパターンを形成する。上記フォトレジストパターンを除去した後、トンネル接合部の形状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとして下部配線電極より上部の各層をイオンミリングしてトンネル接合部のパターンを形成する。上記フォトレジストパターンを除去した後、反応性スパッタリングによりＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜３１３を堆積する。その後、約３２５℃の真空中で約７ｋＯｅの磁場を印加した状態で２時間アニールを行う。この工程によって、第１および第２の反強磁性層３０３、３１１中のＭｎが拡散してそれぞれ第１および第２のＭｎ拡散防止層３０５、３１０に到達し、磁化固着層の強磁性材料の酸化物が還元され、第１および第２のＭｎ拡散防止層３０５、３１０にはＭｎ酸化物が含まれるようになる。これと同時に、第１および第２の磁化固着層３０４、３０９の磁化の向きが揃う。さらに、層間絶縁膜３１３にコンタクトホールを開口した後、上部配線電極３１４を形成し、ＭＲＡＭ中のＳＶ−ＴＭＲ素子を製造する。

この後、ＭＲＡＭを完成させるための層間絶縁膜形成工程や配線電極形成工程において、ＳＶ−ＴＭＲ素子は３００〜４００℃の熱処理工程を経験する。従来のＳＶ−ＴＭＲ素子では、これらの熱処理工程が原因となって、ＭＲＡＭ完成後に１５％程度の磁気抵抗変化率しか得られなかった。これに対して、本実施形態のＳＶ−ＴＭＲ素子では、ＭＲＡＭ完成後に約４０％の磁気抵抗変化率が得られ、優れた特性を示した。なお、このような効果は、Ｍｎ拡散防止層に窒化物または炭化物を用いた場合にも得られる。

図５に図４（Ｄ）のＳＶ−ＴＭＲ素子を具備したＭＲＡＭのメモリセル構造の一例を示す。図５に示すように、シリコン基板４０１には、ゲート電極４０２、ソース、ドレイン領域４０３、４０４を含むＭＯＳトランジスタが形成されている。ゲート電極４０２は読み出し用のワードライン（ＷＬ１）として用いられる。ゲート電極４０２上には絶縁層および書き込み用のワードライン（ＷＬ２）４０６が形成されている。ＭＯＳトランジスタのドレイン領域４０４には絶縁層に埋め込まれたプラグ４０５が接続され、さらにプラグ４０５上には下部配線電極層３０１が接続されている。この下部配線電極層３０１上の書き込み用のワードライン（ＷＬ２）４０６の上方に対応する位置に、図４（Ｄ）に示したようなデュアルスピンバルブ型のＴＭＲ素子３００が形成されている。このＴＭＲ素子３００上にビットライン（ＢＬ）となる上部配線電極３１４が形成されている。このような構造のＭＲＡＭは優れた特性を示す。

実施形態３
図６は本実施形態に係るＳＶ−ＴＭＲ素子を示す断面図である。このＳＶ−ＴＭＲ素子は、図４（Ｄ）のＳＶ−ＴＭＲ素子と同様に、磁化自由層の上下にそれぞれトンネルバリア層および磁化固着層が形成された二重トンネル接合を有するデュアルスピンバルブ型のＴＭＲ素子である。さらに、このＳＶ−ＴＭＲ素子では、非磁性層を介して反強磁性結合した２つの強磁性層を含む積層型の磁化固着層（いわゆるシンセティック膜）を用いている。このような積層型磁化固着層を用いると、磁化固着層からの磁場の漏洩が抑制されるため、磁化固着層と磁化自由層との間の磁気的結合に起因する特性の変化を抑えることができる。また、本実施形態のＳＶ−ＴＭＲ素子は、半導体基板上に形成された集積回路の一部であり、ＴＭＲ素子部分は絶縁膜上に形成された下部配線電極上に作製される。この下部配線電極は、絶縁膜を貫通するプラグを通して、基板主面に形成された選択トランジスタと接続されている。本実施例のＴＭＲ素子の積層構造は、層間絶縁膜およびプラグ形成を終了した基板上に、高真空スパッタリング法にて順次積層して作製したものである。

このＴＭＲ素子では、基板側から以下の各層が積層されている。

Ｎｉ−Ｃｒ−Ｐｔからなるバッファー層６０１
Ｐｔ−Ｍｎからなる第１反強磁性層６０２
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０３ａ
約１ｎｍの（Ｃｏ₆Ｆｅ₄）_0.95Ｂ_0.05からなるアモルファス磁性層６０４ａ
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０３ｂ
約１．２ｎｍのＲｕからなる非磁性層６０５
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０３ｃ
約１ｎｍの（Ｃｏ₆Ｆｅ₄）_0.95Ｂ_0.05からなるアモルファス磁性層６０４ｂ
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０３ｄ
Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１トンネルバリア層６０６
２ｎｍのＣｏ₃Ｆｅ₃Ｎｉ₄からなる磁化自由層６０７
Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２トンネルバリア層６０８
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０９ａ
約１ｎｍの（Ｃｏ₆Ｆｅ₄）_0.95Ｂ_0.05からなるアモルファス磁性層６１０ａ
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０９ｂ
約１．２ｎｍのＲｕからなる非磁性層６１１
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０９ｃ
約１ｎｍの（Ｃｏ₆Ｆｅ₄）_0.95Ｂ_0.05からなるアモルファス磁性層６１０ｂ
約２ｎｍのＣｏ₆Ｆｅ₄からなる強磁性層６０９ｄ
Ｐｔ−Ｍｎからなる第２反強磁性層６１２
Ｔａからなる保護層６１３。

強磁性層６０３ａ、アモルファス磁性層６０４ａ、強磁性層６０３ｂ、非磁性層６０５、強磁性層６０３ｃ、アモルファス磁性層６０４ｂおよび強磁性層６０３ｄにより、第１の積層型磁化固着層６０３が形成されている。また、強磁性層６０９ａ、アモルファス磁性層６１０ａ、強磁性層６０９ｂ、非磁性層６１１、強磁性層６０９ｃ、アモルファス磁性層６１０ｂおよび強磁性層６０９ｄにより、第２の積層型磁化固着層６０９が形成されている。それぞれ強磁性層、アモルファス磁性層および強磁性層を含むユニットは全体として１つの強磁性層とみなすことができる。

このように、第１および第２の積層型磁化固着層６０３、６０９において、非磁性層を挟む２つの強磁性層は、いずれも強磁性層、アモルファス磁性層および強磁性層を有するものである。各積層型磁化固着層６０３、６０９には２つのアモルファス磁性層が含まれる。このうち、反強磁性層６０２、６１２に近い側のアモルファス磁性層６０４ａ、６１０ｂが、Ｍｎ拡散防止層として機能する。他方のアモルファス磁性層６０４ｂ、６１０ａは、各積層型磁化固着層６０３、６０９の非磁性層６０５、６１１を挟む２つの強磁性層ユニットの磁化を同じ強さにするために用いられている。

このような積層構造のＳＶ−ＴＭＲ素子に対し、約３２０℃で約１０時間の熱処理を行った。その結果、特性の劣化は認められず、良好な素子特性を示した。

１０１…反強磁性層
１０２…磁化固着層
１０２ａ…下部強磁性層
１０２ｂ…上部強磁性層
１０３…トンネルバリア層
１０４…磁化自由層
１０５…Ｍｎ拡散防止層
２０１…下部配線電極層
２０２…バッファー層
２０３…反強磁性層
２０４…磁化固着層
２０４ａ…下部強磁性層
２０４ｂ…上部強磁性層
２０５…Ｍｎ拡散防止層
２０６…トンネルバリア層
２０７…磁化自由層
２０８…Ｎｉ−Ｆｅ層
２０９…保護層
２１０…層間絶縁膜
２１１…上部配線電極
３０１…下部配線電極層
３０２…バッファー層
３０３…第１反強磁性層
３０４…第１磁化固着層
３０４ａ…第１下部強磁性層
３０４ｂ…第１上部強磁性層
３０５…第１拡散防止層
３０６…第１トンネルバリア層
３０７…磁化自由層
３０８…第２トンネルバリア層
３０９…第２磁化固着層
３０９ａ…第２下部強磁性層
３０９ｂ…第２上部強磁性層
３１０…第２拡散防止層
３１１…第２反強磁性層
３１２…保護層
３１３…層間絶縁膜
３１４…上部配線電極
４０１…シリコン基板
４０２…ゲート電極
４０３、４０４…ソース、ドレイン領域
４０５…プラグ
４０６…書き込み用のワードライン
６０１…バッファー層
６０２…第１反強磁性層
６０３…第１磁化固着層
６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ…強磁性層
６０４ａ、６０４ｂ…アモルファス磁性層
６０５…非磁性層
６０６…第１トンネルバリア層
６０７…磁化自由層
６０８…第２トンネルバリア層
６０９…第２磁化固着層
６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ…強磁性層
６１０ａ、６１０ｂ…アモルファス磁性層
６１１…非磁性層
６１２…第２反強磁性層
６１３…保護層

Claims (5)

1. Ｍｎを含有する反強磁性層と、
   前記反強磁性層上に形成された、下部強磁性層、非磁性層、および上部強磁性層を含み下部および上部強磁性層が反強磁性結合している積層型の磁化固着層であって、さらに下部および上部強磁性層のうち前記反強磁性層に近い下部強磁性層は第１および第２の２つの強磁性層の間にＭｎ拡散防止層として機能する、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１種の元素の酸化物、窒化物または炭化物を含む絶縁層を挟んだ構造を有する磁化固着層と、
   前記磁化固着層上に形成されたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層上に形成された磁化自由層と
   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. Ｍｎを含有する反強磁性層を形成し、
   前記反強磁性層上に第１の強磁性層、Ｍｎ拡散防止層として機能する、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１種の元素の酸化物、窒化物または炭化物を含む絶縁層、および第２の強磁性層を積層した下部強磁性層、非磁性層、ならびに上部強磁性層を積層して磁化固着層を形成し、
   前記磁化固着層上に絶縁材料を含むトンネルバリア層を形成し、
   前記トンネルバリア層上に強磁性材料を含む磁化自由層を形成する
   ことを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法。
3. 前記磁化固着層の第１の強磁性層上に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、酸素、窒素、および炭素からなる群より選択される少なくとも１種の材料とを含む絶縁材料を成膜して前記磁化固着膜の絶縁層を形成することを特徴とする請求項２に記載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。
4. 前記磁化固着層の第１の強磁性層上に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１種の元素の薄膜を成膜し、前記薄膜を酸化雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、前記磁化固着膜の絶縁層を形成することを特徴とする請求項２に記載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。
5. 前記磁化固着層を形成した後、３００℃を超える温度で熱処理することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。

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