JP5380317B2 - 磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法に関するものである。より詳しくは、本発明は、磁気トンネル接合構造体を形成しつつ熱処理して、その特性を向上させた、磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法に関するものである。
最近、多様な種類のメモリが開発されている。例えば、メモリとして、磁気ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）、相転移ランダムアクセスメモリ（ｐｈａｓｅ-ｃｈａｎｇｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＰＲＡＭ）、および抵抗ランダムアクセスメモリ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＲＲＡＭ）などが開発されている。
前述したメモリのうちの磁気ランダムアクセスメモリは、磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＪＴ）素子を情報保存素子として利用する。磁気トンネル接合素子は、メモリセル内に含まれて、強磁性トンネル接合を形成する。磁気トンネル接合素子は、磁性層、絶縁層、および磁性層の構造からなり、電流は、絶縁層をトンネリングして流れる。ここで、２つの磁性層の相対的な磁化方向が互いに同一である場合、磁気トンネル接合素子は低い抵抗値を有する。反対に、２つの磁性層の相対的な磁化方向が互いに異なる場合、磁気トンネル接合素子は高い抵抗値を有する。前述した低い抵抗値および高い抵抗値は、それぞれデジタル情報として０および１に対応する。
本発明は、大きなトンネリング磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｒｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）比および安定した交換結合が可能な磁気トンネル接合デバイスを提供する。また、前述した磁気トンネル接合デバイスの製造方法を提供する。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）反転可能な磁化方向を有する第１磁性層、ｉｉ）第１磁性層上に位置する非磁性層、ｉｉｉ）非磁性層上に位置して、固定された磁化方向を有する第２磁性層、ｉｖ）第２磁性層上に位置する酸化防止層、ｖ）酸化防止層上に位置して、第２磁性層との磁性結合によって第２磁性層の磁化方向を固定させる第３磁性層、およびｖｉ）第３磁性層上に位置して、第３磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層を含む。
酸化防止層は、非晶質を含むことができる。酸化防止層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｏｓ、およびＰｔからなる群より選択された一つ以上の物質を含むことができる。第３磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、およびＮｉＦｅからなる群より選択された物質を含むことができる。第３磁性層は、Ｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素と前記物質との化合物を含むことができる。第１磁性層および前記第２磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、およびＮｉＦｅからなる群より選択された物質とＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素との化合物を含むことができる。第１磁性層および第２磁性層からなる群より選択された一つ以上の磁性層は、体心立方（ｂｏｄｙ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ、ＢＣＣ）格子構造を有することができる。
第１磁性層および第２磁性層からなる群より選択された一つ以上の磁性層の厚さは１ｎｍ乃至５ｎｍである。非磁性層は、絶縁体または半導体を含むことができる。非磁性層が絶縁体を含む場合、絶縁体は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、およびＹｂ２Ｏ３からなる群より選択された一つ以上の化合物を含むことができる。非磁性層の厚さは０．７ｎｍ乃至２ｎｍである。反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、およびＦｅＭｎを含む群からなる群より選択された一つ以上の化合物を含むことができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）第１磁性層下に位置するバッファ層、およびｉｉ）反強磁性層上に位置する保護層をさらに含むことができる。バッファ層または保護層は、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびダイヤモンド状炭素からなる群より選択された一つ以上の元素を含むことができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、酸化防止層および第３磁性層の間に位置して、第２磁性層と第３磁性層との磁性結合を誘導する交換結合層をさらに含むことができる。交換結合層は、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｏｓ、Ａｕ、およびＡｇからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことができる。第２磁性層の磁化方向および第３磁性層の磁化方向は互いに反対に固定される。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）第１磁性層を提供する段階、ｉｉ）第１磁性層上に非磁性層を提供する段階、ｉｉｉ）非磁性層上に第２磁性層を提供する段階、ｉｖ）第２磁性層上に酸化防止層を提供する段階、ｖ）第１磁性層、非磁性層、第２磁性層、および酸化防止層を真空熱処理する段階、ｖｉ）酸化防止層上に第３磁性層を提供する段階、およびｖｉｉ）第３磁性層上に反強磁性層を提供する段階を含む。
また、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）第１磁性層を提供する段階、ｉｉ）第１磁性層上に非磁性層を提供する段階、ｉｉｉ）非磁性層上に第２磁性層を提供する段階、ｉｖ）第２磁性層上に酸化防止層を提供する段階、ｖ）第１磁性層、非磁性層、第２磁性層、および酸化防止層を真空熱処理する段階、ｖｉ）酸化防止層上に交換結合層を提供する段階、ｖｉｉ）交換結合層上に第３磁性層を提供する段階、およびｖｉｉｉ）第３磁性層上に反強磁性層を提供する段階を含む。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、各層を最終熱処理しつつ磁場を印加する段階をさらに含むことができる。各層を最終熱処理しつつ磁場を印加する段階で、第２磁性層の磁化方向および第３磁性層の磁化方向が固定される。最終熱処理する段階での熱処理温度は、真空熱処理する段階での熱処理温度より低い。
真空熱処理する段階で、熱処理温度は２５０℃乃至６００℃である。真空熱処理する段階で、第１磁性層および第２磁性層は、体心立方格子構造に変化する。第１磁性層を提供する段階で、第１磁性層は非晶質を含み、非磁性層上に第２磁性層を提供する段階で、第２磁性層は非晶質を含むことができる。
磁気トンネル接合デバイスの蒸着中に磁気トンネル接合デバイスをｉｎ-ｓｉｔｕ熱処理することによって、Ｍｎなどの磁気トンネル接合デバイスの動作特性を低下させる元素の拡散を防止することができる。また、磁性層およびトンネル障壁層の結晶整合性を向上させることができる。そして、磁気トンネル接合デバイスの熱処理温度の制限を緩和させることができる。さらには、高い熱処理温度を要求する磁気トンネル接合工程と低い熱処理温度を要求する交換結合バイアス確保工程とを分離することによって、磁気トンネル接合デバイスのトンネリング磁気抵抗比を高めることができ、磁気トンネル接合デバイスの交換結合を安定化させることができる。
本発明の第１実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 図１の磁気トンネル接合デバイスの製造方法を概略的に示したフローチャートである。 本発明の第２実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 本発明の第３実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 本発明の実験例１によって製造された磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を示したグラフである。 本発明の実験例２によって製造された磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を示したグラフである。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは他の部分のすぐ上にあってもよく、その間に他の部分を伴ってもよい。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間には他の部分を伴わない。
第１、第２、および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層、および/またはセクションを説明するために使用されるが、これに限られない。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層、またはセクションを他の部分、成分、領域、層、またはセクションと区別するためだけに使用される。したがって、後述する第１部分、成分、領域、層、またはセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で、第２部分、成分、領域、層、またはセクションと言及されることもある。
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明はこれに限られない。ここで使用される単数形態は、文章がこれと明確に反対の意味を表わさない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、定数、段階、動作、要素、および/または成分を具体化し、他の特性、領域、定数、段階、動作、要素、および/または成分の存在や付加を除外するのではない。
「下」、「上」などの相対的な空間を示す用語は、図面に示された一つ部分の他の部分に対する関係をより容易に説明するために使用される。このような用語は、図面で意図する意味と共に、使用中の装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図面中の装置を逆さにすれば、他の部分の「下」にあると説明されているある部分は、他の部分の「上」にあると説明される。したがって、「下」という例示的な用語は、上下の全てを含む。装置は、９０°または異なる角度に回転することができ、相対的な空間を示す用語もこれによって解釈される。
特に定義してはいないが、ここで使用される技術用語および科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一な意味を有する。通常使用される辞典に定義された用語は、関連技術文献および現在開示されている内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義しない限り、理想的であったり非常に公式的な意味に解釈されない。
断面図を参照して説明している本発明の実施例は、本発明の理想的な実施例を具体的に示している。その結果、図解の多様な変形、例えば製造方法および/または仕様の変形が予想される。したがって、実施例は、図示している領域の特定の形態に限定されず、例えば製造による形態の変形を含むこともできる。例えば、扁平であると図示されたり説明された領域は、一般に粗かったり粗くて非線形の特性を有してもよい。また、鋭い角度を有すると示された部分は、ラウンド形態であってもよい。したがって、図面に示された領域は、元来概略的なものにすぎず、これらの形態は、領域の正確な形態を示すように意図されたものではなく、本発明の範囲を縮小しようと意図されたものでもない。
図１は、本発明の第１実施例による磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造を概略的に示した図面である。図１の磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。したがって、磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造は、他の形態に変更することもできる。
図１に示したように、磁気トンネル接合デバイス１００は、第１磁性層１０、非磁性層２０、第２磁性層３０、酸化防止層４０、第３磁性層５０、および反強磁性層６０を含む。これ以外にも、磁気トンネル接合デバイス１００は、必要に応じて他の層をさらに含むことができる。
第１磁性層１０は、非磁性層２０によって第２磁性層３０と分離される。つまり、第２磁性層３０は、第１磁性層１０上に位置する非磁性層２０上に位置する。第１磁性層１０は、反転可能な磁化方向を有する。つまり、第１磁性層１０は、自由磁化層として機能する。したがって、磁場を第１磁性層１０に印加して、第１磁性層１０の磁化方向をスイッチングすることができる。第１磁性層１０の磁化方向および第２磁性層３０の相対的な磁化方向によって互いに異なる抵抗値が示される。例えば、第１磁性層１０および第２磁性層３０の磁化方向が互いに平行である場合、磁気トンネル接合デバイス１００の抵抗値は低い。ここで、この抵抗値は、デジタル情報０に対応する。反対に、第１磁性層１０および第２磁性層３０の磁化方向が互いに平行でない場合、磁気トンネル接合デバイス１００の抵抗値は高い。ここで、この抵抗値は、デジタル情報１に対応する。
前述のように、磁化方向を調節して磁気トンネル接合デバイス１００を駆動するために、第２磁性層３０の磁化方向を固定させる。磁化方向が固定された第２磁性層３０は、磁場によってその磁化方向があまり変わらない。したがって、磁場、つまり第１磁性層１０の保磁力より大きな磁場を印加しても、第２磁性層３０の磁化方向は変わらずに、第１磁性層１０の磁化方向だけがスイッチングされる。したがって、このような現象を利用して、磁気トンネル接合デバイス１００を駆動することができる。
図１に示したように、第１磁性層１０の厚さ（ｔ１０）または第２磁性層３０の厚さ（ｔ３０）は１ｎｍ乃至５ｎｍである。第１磁性層１０の厚さ（ｔ１０）または第２磁性層３０の厚さ（ｔ３０）が小さすぎる場合、スピン分極を十分に得ることができない。反対に、第１磁性層１０の厚さ（ｔ１０）または第２磁性層３０の厚さ（ｔ３０）が大きすぎる場合、電流による磁化反転効果が減少する。したがって、第１磁性層１０の厚さ（ｔ１０）または第２磁性層３０の厚さ（ｔ３０）を前述した範囲に調節する。
図１に示したように、非磁性層２０は、第１磁性層１０上に位置する。非磁性層２０は、トンネル障壁（ｔｕｎｎｅｌ ｂａｒｒｉｅｒ）として機能する。非磁性層２０の厚さ（ｔ２０）は０．７ｎｍ乃至２ｎｍである。非磁性層２０の厚さ（ｔ２０）が小さすぎる場合、非磁性層２０のスピンフィルタリング（ｓｐｉｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）効果が小さくなるので、磁気抵抗比が低下する。また、非磁性層２０にピンホールが発生するので、漏洩電流が発生することがある。反対に、非磁性層２０の厚さ（ｔ２０）が大きすぎる場合、抵抗および面積の積（ＲＡ ｐｒｏｄｕｃｔ）が大きすぎて、磁気トンネル接合デバイス１００の駆動に必要な駆動電圧が大きくなりすぎる。したがって、非磁性層２０の厚さ（ｔ２０）を前述した範囲に調節する。
図１に示したように、第２磁性層３０上には酸化防止層４０が位置する。第２磁性層３０は、磁気トンネル接合デバイス１００の熱処理中に酸化される。したがって、酸化防止層４０を利用して、第２磁性層３０の酸化を防止する。
第３磁性層５０は、酸化防止層４０上に位置する。第３磁性層５０は、第２磁性層３０との磁性結合によって第２磁性層３０の磁化方向を固定させる。ここで、第３磁性層５０の磁化方向は、第２磁性層３０の磁化方向と同一である。反強磁性層６０は、第３磁性層５０上に位置して、直接交換バイアス構造を形成する。反強磁性層６０は、第３磁性層５０の交換結合によって第３磁性層５０をスイッチングさせて、第３磁性層の磁化方向を固定させる。その結果、第３磁性層５０の磁場の大きさは、反強磁性層６０によって一方向に大きく増加する。つまり、反強磁性層６０は、これと隣接した第３磁性層５０の磁化方向を固定させる。以下では、図２を参照して図１の磁気トンネル接合デバイス１００の製造過程について説明する。
図２は、図１の磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法のフローチャートを概略的に示した図面である。図２の磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。したがって、磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法は、他の形態に変形することができる。
図２に示したように、磁気トンネル接合デバイス１００（図１に図示、以下同一）の製造方法は、ｉ）第１磁性層１０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ１０）、ｉｉ）第１磁性層１０上に非磁性層２０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ２０）、ｉｉｉ）非磁性層２０上に第２磁性層３０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ３０）、ｉｖ）第２磁性層３０上に酸化防止層４０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ４０）、ｖ）第１磁性層１０、非磁性層２０、第２磁性層３０、および酸化防止層４０を真空熱処理する段階（Ｓ５０）、ｖｉ）酸化防止層４０上に第３磁性層５０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ６０）、およびｖｉｉ）第３磁性層５０上に反強磁性層６０（図１に図示、以下同一）を提供する段階（Ｓ７０）を含む。これ以外にも、磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法は、必要に応じて他の段階をさらに含むことができる。
まず、段階（Ｓ１０）では、第１磁性層１０を提供する。第１磁性層１０の素材としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、およびＮｉＦｅからなる群より選択された物質とＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素との化合物を含むことができる。例えば、第１磁性層１０は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、またはＮｉＦｅＸなどの化合物であることができる。ここで、Ｘは、Ｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、またはＴｂである。第１磁性層１０は、非晶質を含む。
次に、段階（Ｓ２０）では、第１磁性層１０上に非磁性層２０を提供する。非磁性層２０は、第１磁性層１０上に蒸着形成される。非磁性層２０は、絶縁体または半導体を含む。ここで、絶縁体は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、またはＹｂ２Ｏ３などの化合物を含むことができる。
好ましくは、絶縁体は、ＭｇＯ化合物を含むことができる。この場合、コヒーレントトンネリング（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）によって磁気トンネル接合デバイス１００の磁気抵抗比を高めることができる。これは、ＭｇＯの結晶配向性とこれと隣接した第１磁性層１０および第２磁性層３０の結晶方向性とが一致するので、特定の対称性（△１対称性）を有する波動関数だけがＭｇＯ障壁を選択的に通過するためである。したがって、第１磁性層１０および第２磁性層３０が特定の結晶配向性を有することによって、磁気トンネル接合デバイス１００の磁気抵抗比を高めることができる。
次に、段階（Ｓ３０）では、非磁性層２０上に第２磁性層３０を提供する。第２磁性層３０は、非磁性層２０上に蒸着形成される。第２磁性層３０の素材としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、およびＮｉＦｅからなる群より選択された物質とＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素との化合物を含むことができる。例えば、第２磁性層３０は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、またはＮｉＦｅＸなどの化合物であることができる。ここで、Ｘは、Ｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、またはＴｂである。第２磁性層３０は、非晶質を含む。
段階（Ｓ４０）では、第２磁性層３０上に酸化防止層４０を提供する。酸化防止層４０は、第２磁性層３０上に蒸着形成される。酸化防止層４０の素材としては、融点が高く、拡散係数が低くて、段階（Ｓ５０）の真空熱処理時に結晶化せずに非晶質構造を維持する物質を使用することができる。このような条件を満たすために、酸化防止層４０は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｏｓ、またはＰｔを含むことができる。
次に、段階（Ｓ５０）では、前述した第１磁性層１０、非磁性層２０、第２磁性層３０、および酸化防止層４０を真空熱処理する。つまり、反強磁性体層が形成される前に熱処理が行われる。この場合、熱処理温度は２５０℃乃至６００℃である。熱処理温度が低すぎる場合、第１磁性層１０、非磁性層２０、および第２磁性層３０の結晶の整合を促進することができない。反対に、熱処理温度が高すぎる場合、磁気トンネル接合素子を構成する各層間に元素が拡散するので、磁気抵抗比が低下したり、磁気トンネル接合素子の動作特性が低下する。前述した温度範囲で第１磁性層１０、非磁性層２０、第２磁性層３０、および酸化防止層４０を熱処理することによって、高い磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合デバイス１００を製造することができる。
段階（Ｓ５０）での熱処理によって、第１磁性層１０および第２磁性層３０は、それぞれＢを失ってその構造が非晶質から結晶に転移する。例えば、ＣｏＦｅＢを含む非晶質構造の第１磁性層１０および第２磁性層３０を熱処理する場合、ＣｏＦｅＢからＢが消失する。この場合、第１磁性層１０および第２磁性層３０の結晶構造は、体心立方格子構造に変化する。体心立方格子構造の第１磁性層１０および第２磁性層３０は、非磁性層２０の格子構造と同一である。特に、非磁性層２０がＭｇＯを含む場合、第１磁性層１０および第２磁性層３０の結晶構造は、非磁性層２０の結晶構造と同一である。したがって、第１磁性層１０、非磁性層２０、および第２磁性層３０の間の結晶配向性が増加する。
一方、Ｍｎなどの磁気トンネル接合デバイス１００の磁気抵抗比を低下させる物質はまだ形成されていないので、磁気トンネル接合デバイス１００の磁気抵抗比を低下させる物質の拡散が原則的に防止される。したがって、高い磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合デバイス１００を製造することができる。これとは反対に、Ｍｎを含む反強磁性体層が形成された場合、Ｍｎが拡散するので、高温熱処理が難くなる。
酸化防止層４０は、段階（Ｓ４０）での高い熱処理温度でも非晶質構造を維持し、その拡散係数も小さいので、第２磁性層３０の体心立方格子構造を破壊しない。しかし、酸化防止層４０に含まれている物質が第２磁性層３０に拡散するのを防止するために、酸化防止層４０の厚さを最少化するのが望ましい。
次に、段階（Ｓ６０）では、酸化防止層４０上に第３磁性層５０を提供する。第３磁性層５０は、酸化防止層４０上に蒸着形成される。第３磁性層５０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、またはＮｉＦｅを含む。また、第３磁性層５０は、前述した物質およびＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、またはＴｂの化合物をさらに含むことができる。例えば、化合物としては、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、またはＮｉＦｅＸなどが挙げられる。ここで、Ｘは、Ｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、またはＴｂである。
段階（Ｓ７０）では、第３磁性層５０上に反強磁性層６０を提供する。反強磁性層６０は、第３磁性層５０上に蒸着形成される。反強磁性層６０は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、またはＦｅＭｎなどの化合物を含む。
段階（Ｓ８０）では、前述した各層を最終熱処理する。この場合、段階（Ｓ８０）での最終熱処理温度は、段階（Ｓ５０）での熱処理温度より低い。段階（Ｓ８０）での熱処理温度は、望まない物質の拡散を防止するために低いのが望ましい。例えば、最終熱処理温度は２５０℃乃至３５０℃である。最終熱処理温度が低すぎる場合、Ｍｎを含む反強磁性層６０と第３磁性層５９との間に交換バイアスが形成されない。このような温度をブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）という。この温度は、反強磁性層６０を構成する物質、組成、および構造によって決定される。反対に、最終熱処理温度が高すぎる場合、ＭｎおよびＲｕなどの磁気トンネル接合を低下させる物質が大きく拡散される。
段階（Ｓ８０）では、ネール（Ｎｅｅｌ）温度以上で反強磁性層６０を熱処理して磁場を印加する。次に、反強磁性層６０をネール温度以下に冷却することもできる。この場合、反強磁性層６０の磁場が特定の方向に固定され、反強磁性層６０は、第３磁性層５０の磁化方向を固定させる。その結果、第３磁性層５０によって第２磁性層３０の磁化方向も固定される。したがって、段階（Ｓ８０）での熱処理によって第３磁性層５０の磁化方向および第２磁性層３０の磁化方向を固定させることができる。
図３には、本発明の第２実施例による磁気トンネル接合デバイス２００の断面構造を概略的に示した。図３の磁気トンネル接合デバイス２００は、バッファ層７０および保護層８０を除いては図１の磁気トンネル接合デバイス１００と同一であるので、同一な部分には同一な符号を付けて、その詳細な説明は省略する。
図３には、磁気トンネル接合デバイス２００がバッファ層７０および保護層８０の全てを含むことを例示したが、これは単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。したがって、磁気トンネル接合デバイス２００は、バッファ層７０または保護層８０のうちのいずれか一層だけを含むこともできる。
図３に示したように、バッファ層７０は、第１磁性層１０下に位置する。バッファ層７０は、磁気トンネル接合デバイス２００を他の素子に接合する際に緩衝の役割を果たす。一方、保護層８０は、反強磁性層６０上に位置する。保護層８０は、外部から反強磁性層６０を保護する。バッファ層７０および保護層８０は、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｐｄ、Ｐｔ、またはダイヤモンド状炭素を含む。また、バッファ層７０および保護層８０は、前述した元素を積層して形成される。
図４は、本発明の第３実施例による磁気トンネル接合デバイス３００の断面構造を概略的に示した図面である。図４の磁気トンネル接合デバイス３００は、交換結合層９０を除いては図１の磁気トンネル接合デバイス１００と同一であるので、同一な部分には同一な符号を付けて、その詳細な説明は省略する。
図４に示したように、交換結合層９０は、酸化防止層４０と第３磁性層５０との間に位置する。交換結合層９０は、第２磁性層３０と第３磁性層５０との間に位置して合成反強磁性（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉ-ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ、ＳＡＦ）構造を形成することによって、第２磁性層３０と第３磁性層５０との磁性結合を誘導する。
交換結合層９０では、その内部の自由電子が量子井戸に閉じ込められた正弦波形状で存在する。自由電子が第２磁性層３０および第３磁性層５０の交換相互作用を媒介することによって、交換結合層９０によって第２磁性層３０および第３磁性層５０の磁気的磁性結合を誘導する。その結果、第３磁性層５０は、第２磁性層３０と反強磁性形態の磁性結合を形成する。したがって、第２磁性層３０の磁化方向は、第３磁性層５０の磁化方向と反対に維持される。
第２磁性層３０および第３磁性層５０の磁化方向を互いに反対に固定させることができるので、第１磁性層１０に及ぶ漏洩磁場による影響を最少化することができる。より具体的に、第２磁性層３０と第３磁性層５０との反強磁性相互結合は、第１磁性層１０および第２磁性層３０の交換バイアスによる相互結合より熱的安定性において優れている。したがって、第２磁性層３０の磁化方向と第３磁性層５０との磁化方向を半平衡状態に固定させ、反強磁性層６０で第３磁性層５０を拘束することによって、第２磁性層３０の磁化方向および第３磁性層５０の磁化方向を安定的に固定させることができる。
交換結合層９０は、図２の段階（Ｓ５０）の真空熱処理以降に酸化防止層４０上に形成することができる。交換結合層９０は、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｏｓ、Ａｕ、またはＡｇを含む。これらの物質は、交換相互作用が大きいので、第２磁性層３０と第３磁性層５０との磁性結合を容易に誘導することができる。交換結合層９０は、図２の段階（Ｓ８０）で熱処理される。したがって、図２の段階（Ｓ５０）の比較的高い温度で磁気トンネル接合のための熱処理を実施し、図２の段階（Ｓ８０）の比較的低い温度で交換結合バイアスの確保のための熱処理をそれぞれ分離して実施することによって、良好な交換結合構造を有する磁気トンネル接合デバイス３００を製造することができる。
以下、実験例を通して本発明を詳細に説明する。このような実験例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。
実験例
実験例１
図３の磁気トンネル接合デバイスと同一な構造の磁気トンネル接合デバイスをスパッタリングおよび写真エッチング工程を利用して製造した。酸化シリコンを形成させたシリコン基板上にバッファ層を形成し、その上にＣｏＦｅＢ薄膜からなる第１磁性層を形成した。トンネル障壁として機能する非磁性層の素材としては、ＭｇＯを使用した。非磁性層上にはＣｏＦｅＢ薄膜からなる第２磁性層を形成した。酸化防止層の素材としては、Ｒｕを使用した。第３磁性層の素材としては、ＣｏＦｅ合金を使用し、反強磁性層の素材としては、ＩｒＭｎを使用して、その上に保護層を形成した。そして、製造された磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を試片に印加される磁場を変化させつつ４端子法で測定した。
図５は、磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を示したグラフである。
図５に示したように、磁気トンネル接合デバイスの磁気トンネル接合は２５０％に近い良好な磁気抵抗比を示した。第１磁性層は、０Ｏｅ付近でスイッチングされ、第２磁性層は、負の値を有する交換バイアスによって第１磁性層のスイッチング地点よりはるかに大きい−４００Ｏｅでスイッチングされた。第２磁性層がスイッチングされる磁場の強さの中間値がほぼ交換バイアスの大きさであるので、磁気トンネル接合デバイスの交換バイアスの大きさは４００Ｏｅ程度であって、非常に良好であることがわかった。したがって、実験例１によって大きな磁気抵抗比を有し、安定した交換結合の大きさを有する磁気トンネル接合デバイスを製造することができた。
実験例２
図４の磁気トンネル接合デバイスにバッファ層および保護層を追加した磁気トンネル接合デバイスをスパッタリングおよび写真エッチング工程を利用して製造した。酸化シリコンを形成させたシリコン基板上にバッファ層を形成し、その上にＣｏＦｅＢ薄膜からなる第１磁性層を形成した。トンネル障壁として機能する非磁性層の素材としては、ＭｇＯを使用した。非磁性層上にはＣｏＦｅＢ薄膜からなる第２磁性層を形成した。酸化防止層の素材としては、Ｒｕを使用した。交換結合層の素材としても、Ｒｕを使用した。第３磁性層の素材としては、ＣｏＦｅ合金を使用し、反強磁性層の素材としては、ＩｒＭｎを使用して、その上に保護層を形成した。そして、製造された磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を試片に印加される磁場を変化させつつ４端子法で測定した。
図６は、磁気トンネル接合デバイスの磁気抵抗比を示したグラフである。
図６に示したように、磁気トンネル接合デバイスの磁気トンネル接合は３００％に近い良好な磁気抵抗比を示した。第１磁性層は、０Ｏｅ付近でスイッチングされ、第２磁性層は、正の値を有する交換バイアスによって第１磁性層のスイッチング地点よりはるかに大きい＋２８０Ｏｅでスイッチングされた。第２磁性層がスイッチングされる磁場の強さの中間値がほぼ交換バイアスの大きさであるので、磁気トンネル接合デバイスの交換バイアスの大きさは２８０Ｏｅ程度であって、非常に良好であることがわかった。したがって、実験例２によって大きな磁気抵抗比を有し、安定した交換結合の大きさを有する磁気トンネル接合デバイスを製造することができた。
以上で本発明について説明したが、以下に記載する特許請求の範囲の概念および範囲を逸脱しない限り、多様な修正および変形が可能であることを当業者であれば容易に理解することができる。

Claims (19)

  1. 反転可能な磁化方向を有する第１磁性層、
    前記第１磁性層上に位置する非磁性層、
    前記非磁性層上に位置して、固定された磁化方向を有する第２磁性層、
    前記第２磁性層上に位置する酸化防止層、
    前記酸化防止層上に位置して、前記第２磁性層との磁性結合によって前記第２磁性層の磁化方向を固定させる第３磁性層、および
    前記第３磁性層上に位置して、前記第３磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層を含み、
    前記第１磁性層および前記第２磁性層は、体心立方格子構造を有し、
    前記酸化防止層は、非晶質を含み、
    前記非晶質は、ＲｕまたはＲｕとＴａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｏｓ、およびＰｔからなる群より選択された一つ以上の物質との合金を含むことを特徴とする、磁気トンネル接合デバイス。
  2. 前記第３磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、およびＮｉＦｅからなる群より選択された物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  3. 前記第３磁性層は、Ｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素と前記物質との化合物を含むことを特徴とする、請求項２に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  4. 前記第１磁性層および前記第２磁性層は、Ｆｅ、およびＦｅＣｏからなる群より選択された物質とＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、およびＴｂからなる群より選択された一つの元素との化合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  5. 前記第１磁性層および前記第２磁性層からなる群より選択された一つ以上の磁性層の厚さは１ｎｍ乃至５ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  6. 前記非磁性層は、絶縁体または半導体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  7. 前記非磁性層が絶縁体を含む場合、前記絶縁体は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、およびＹｂ２Ｏ３からなる群より選択された一つ以上の化合物を含むことを特徴とする、請求項６に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  8. 前記非磁性層の厚さは０．７ｎｍ乃至２ｎｍであることを特徴とする、請求項６に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  9. 前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、およびＦｅＭｎを含む群からなる群より選択された一つ以上の化合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  10. 前記第１磁性層下に位置するバッファ層、および
    前記反強磁性層上に位置する保護層をさらに含み、
    前記バッファ層または前記保護層は、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびダイヤモンド状炭素からなる群より選択された一つ以上の元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  11. 前記酸化防止層および前記第３磁性層の間に位置して、前記第２磁性層と前記第３磁性層との磁性結合を誘導する交換結合層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  12. 前記交換結合層は、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｏｓ、Ａｕ、およびＡｇからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  13. 前記第２磁性層の磁化方向および前記第３磁性層の磁化方向は互いに反対に固定されることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  14. 第１磁性層を提供する段階、
    前記第１磁性層上に非磁性層を提供する段階、
    前記非磁性層上に第２磁性層を提供する段階、
    前記第２磁性層上に酸化防止層を提供する段階、
    前記第１磁性層、前記非磁性層、前記第２磁性層、および前記酸化防止層を真空熱処理する段階、
    前記酸化防止層上に第３磁性層を提供する段階、および
    前記第３磁性層上に反強磁性層を提供する段階を含み、
    前記真空熱処理する段階で、前記第１磁性層および前記第２磁性層は、前記酸化防止層が非晶質のまま体心立方格子構造に変化することを特徴とする、磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  15. 第１磁性層を提供する段階、
    前記第１磁性層上に非磁性層を提供する段階、
    前記非磁性層上に第２磁性層を提供する段階、
    前記第２磁性層上に酸化防止層を提供する段階、
    前記第１磁性層、前記非磁性層、前記第２磁性層、および前記酸化防止層を真空熱処理する段階、
    前記酸化防止層上に交換結合層を提供する段階、
    前記交換結合層上に第３磁性層を提供する段階、および
    前記第３磁性層上に反強磁性層を提供する段階を含み、
    前記真空熱処理する段階で、前記第１磁性層および前記第２磁性層は、前記酸化防止層が非晶質のまま体心立方格子構造に変化することを特徴とする、磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  16. 前記各層を最終熱処理しつつ磁場を印加する段階をさらに含み、
    前記各層を最終熱処理しつつ磁場を印加する段階で、前記第２磁性層の磁化方向および前記第３磁性層の磁化方向が固定されることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  17. 前記最終熱処理する段階での熱処理温度は、前記真空熱処理する段階での熱処理温度より低いことを特徴とする、請求項１６に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  18. 前記真空熱処理する段階で、熱処理温度は２５０℃乃至６００℃であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  19. 前記第１磁性層を提供する段階で、前記第１磁性層は非晶質を含み、
    前記非磁性層上に第２磁性層を提供する段階で、前記第２磁性層は非晶質を含むことを特徴とする、請求項１４または１５に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
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