JP5451977B2 - 磁気トンネル接合素子およびその形成方法、磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
Description
エクスチェインジ・ベースド・マグネティック・トンネルジャンクションズ・アンド・アプリケーション・トゥ・ノン−ボラート・エムラム(Exchange based magnetic tunnel junctions and application to non-volatile MRAM)、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス,第82巻(J. Appl. Phys., Vol. 82, p. 5823-5833,1999年。 プロセス・アンド・アウトルック・フォー・エムラム・テクノロジ(Progress and Outlook for MRAM Technology),アイ・トリプルイー・トランザクション・オン・マグネティクス,第35巻(IEEE Trans. on Magn., Vol. 35, p. 2814-2819,1999年。
(A1)反強磁性層の上に、第2強磁性層(AP2層)と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層(AP1層)とが順に積層されてなるピンド層。
(A2)結晶質CoFe層の上に設けられ、酸化アルミニウム(AlOx)からなるトンネルバリア層。
(A3)トンネルバリア層の上に設けられ、化1で表される合金からなるニッケル鉄合金層を含むフリー層。
(A4)フリー層の上に設けられ、化2で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金層を含むキャップ層。
(化1)
NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化2)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。)
(B1)反強磁性層の上に、第2強磁性層と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層とが順に積層されてなるピンド層。
(B2)結晶質CoFe層の上に設けられ、酸化アルミニウムからなるトンネルバリア層。
(B3)トンネルバリア層の上に設けられ、化3で表される合金からなるニッケル鉄合金層を含むフリー層。
(B4)フリー層の上に設けられ、化4で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金層を含むキャップ層。
(化3)NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化4)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。)
(C1)基体上に、反強磁性層を介して磁気トンネル接合積層構造の一部をなすピンド層を形成するステップ。
(C2)ピンド層の上にアルミニウム層を形成し、そのアルミニウム層をラジカル酸化またはプラズマ酸化することで酸化アルミニウム(AlOx)からなるトンネルバリア層を形成するステップ。
(C3)トンネルバリア層の上に、化5で表される合金からなるニッケル鉄合金層を含むフリー層を形成するステップ。
(C4)フリー層の上に、化6で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金層を含むキャップ層を形成するステップ。
ここで、ステップ(C1)において、反強磁性層の側から第2強磁性層(AP2層)と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層(AP1層)とを順に積層することでピンド層を形成する。
(化5)
NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化6)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。)
(化7)
CoXFeYBZ
(但し、X+Y+Z=100原子%、X=40〜60原子%、Y=20〜40原子%、Zは15〜25原子%である。)
(化8)
CoVFeW
(但し、V+W=100原子%、V=20〜50原子%、W=50〜80原子%である。)
(参考文献1)
「MgO−ベースド・トンネルジャンクション・マテリアル・フォー・ハイ・スピード・トグル・エムラム(MgO-based tunnel junction material for high speed Toggle MRAM)」,アイ・トリプルイー・トランザクションズ・オブ・マグネティクス(IEEE Trans. Magn.),V42,p.1935−1939,2006年。
AP1層としての非晶質Co60 Fe20 B20 層(1.3nm厚)\結晶質Co75 Fe25 層(0.8nm厚)と、トンネルバリア層としてのAlOx層と、フリー層29としてのNiFe層とを積層した構造体「CoFeB層\CoFe層AlOx層\NiFe層」を含むMTJ素子31について磁気特性の評価をおこなった。ここでは、Ta\Ru(20nm厚)\α−Ta(10nm厚)からなる下部電極24の上に、4.5nm厚のNiCr層(シード層)、15nm厚のMnPt層(反強磁性層)、2nm厚のCo75Fe25 層(AP2層)、0.75nm厚のRu層(結合層)、AP1層、AlOx層(トンネルバリア層)、2.9nm厚のNi88 Fe12 層(フリー層)、(Ni88 Fe12 )85 Hf15 (4.5nm厚)\Ta(3.0nm厚)\Ru(10.0nm厚)からなるキャップ層とを設けるようにした。トンネルバリア層は、0.825nm厚のアルミニウム層をラジカル酸化することで得た。ラジカル酸化の条件は、処理時間を65秒間、酸素ガス流量を10.00×10-5 m3 /秒(=0.6slm)、RF電力を800ワットとした。さらに、280℃で10000Oeの磁界を付与しながら5時間に亘ってアニール処理をおこなった。このMTJ素子の磁気特性については、CIPT(current-in-plane tester)を用いて測定し、B−H曲線から算出した。結果を表1に示す。表1において、Bsは磁束密度、Hcは保磁力、Heはピンド層とフリー層との間に生じる層間結合磁界、Hkは一軸異方性磁界である。
トンネルバリア層の構成を変えたことを除き、他は実施例1と同様の構成を有するMTJ素子を作製し、磁気特性の評価をおこなった。その結果を表2に示す。表2において、λはフリー層の磁歪定数を表す。
0.85nm(8.5Å)の厚みのアルミニウム層を75秒間に亘るラジカル酸化によりAlOx層へ変化させることでトンネルバリア層28を作製すると共に、キャップ層30の構成を(Ni88 Fe12 )85 Hf15 (4.0nm厚)\Ta(5.0nm厚)の2層構造としたことを除き、他は実施例2−1と同様にしてMTJ素子を作製した。
0.90nm(9.0Å)の厚みのアルミニウム層を100秒間に亘るラジカル酸化によりAlOx層へ変化させることでトンネルバリア層28を作製したことを除き、他は実施例3−1と同様にしてMTJ素子を作製した。
Claims (16)
- 反強磁性層の上に、第2強磁性層(AP2層)と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層(AP1層)とが順に積層されてなるピンド層と、
前記結晶質CoFe層の上に設けられ、酸化アルミニウム(AlOx)からなるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に設けられ、化1で表される合金からなるニッケル鉄合金(NiFe)層を含むフリー層と、
前記フリー層の上に設けられ、化2で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層を含むキャップ層と
を備えたことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
(化1)
NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化2)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。) - 前記非晶質CoFeB層は化3で表される合金からなり、前記結晶質CoFe層は化4で表される合金からなる
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。
(化3)
CoXFeYBZ
(但し、X+Y+Z=100原子%、X=40〜60原子%、Y=20〜40原子%、Zは15〜25原子%である。)
(化4)
CoVFeW(但し、V+W=100原子%、V=20〜50原子%、W=50〜80原子%である。) - 前記キャップ層は、前記フリー層の側から前記ニッケル鉄ハフニウム合金層とタンタル(Ta)層とが順に積層されたものである
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記キャップ層は、前記フリー層の側から前記ニッケル鉄ハフニウム合金層とタンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層とが順に積層されたものである
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記キャップ層の上に、さらに、40nm以上60nm以下の厚みを有するタンタル(Ta)からなるハードマスクを備えた
ことを特徴とする請求項1記載の磁気トンネル接合素子。 - 互いに交差する第1導線および第2導線と、前記第1導線と前記第2導線との間に設けられた磁気トンネル接合素子とを備え、
前記磁気トンネル接合素子は、
反強磁性層の上に、第2強磁性層(AP2層)と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層(AP1層)とが順に積層されてなるピンド層と、
前記結晶質CoFe層の上に設けられ、酸化アルミニウムからなるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に設けられ、化5で表される合金からなるニッケル鉄合金(NiFe)層を含むフリー層と、
前記フリー層の上に設けられ、化6で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層を含むキャップ層と
を備えたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
(化5)
NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化6)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。) - 基体上に、磁気トンネル接合積層構造を含む磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、
前記基体上に、反強磁性層を介して前記磁気トンネル接合積層構造の一部をなすピンド層を形成するステップ(a)と、
前記ピンド層の上にアルミニウム層を形成し、そのアルミニウム層をラジカル酸化またはプラズマ酸化することで酸化アルミニウム(AlOx)からなるトンネルバリア層を形成するステップ(b)と、
前記トンネルバリア層の上に、化7で表される合金からなるニッケル鉄合金(NiFe)層を含むフリー層を形成するステップ(c)と、
前記フリー層の上に、化8で表される合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金(NiFeHf)層を含むキャップ層を形成するステップ(d)と
を含み、
前記ステップ(a)において、前記反強磁性層の側から第2強磁性層(AP2層)と、結合層と、非晶質CoFeB層と結晶質CoFe層との2層構造を含む第1強磁性層(AP1層)とを順に積層することで前記ピンド層を形成する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の形成方法。
(化7)
NiRFeS
(但し、R+S=100原子%、S=12原子%である。)
(化8)
(Ni100-AFeA)100-BHfB
(但し、A=8〜21原子%、B=10〜25原子%である。) - 前記基体として、磁気ランダムアクセスメモリにおける下部電極を用い、
前記下部電極の上に、シード層を介して前記反強磁性層を形成し、
前記第2強磁性層を、前記反強磁性層と接するように形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ラジカル酸化またはプラズマ酸化を行うための酸化用チャンバを含む複数のチャンバを有するスパッタ成膜システムを用いて、前記磁気トンネル接合積層構造のすべての層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記ステップ(a)において、化9で表される合金によって前記非晶質CoFeB層を形成し、化10で表される合金によって前記結晶質CoFe層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
(化9)
CoXFeYBZ
(但し、X+Y+Z=100原子%、X=40〜60原子%、Y=20〜40原子%、Zは15〜25原子%である。)
(化10)
CoVFeW
(但し、V+W=100原子%、V=20〜50原子%、W=50〜80原子%である。) - 前記ステップ(b)において、
前記ピンド層の上に0.825nm以上0.9nm以下の厚みで前記アルミニウム層を形成し、そのアルミニウム層を、RF電力500ワット以上800ワット以下、処理時間50秒以上120秒以下の条件でラジカル酸化を行うことで酸化アルミニウムからなる前記トンネルバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 1.5nm以上5.0nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記フリー層の側から、前記化8に示した合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金層とタンタル(Ta)層とを順に積層することで前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項10記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記フリー層の側から、前記化8に示した合金からなるニッケル鉄ハフニウム合金層とタンタル(Ta)層とルテニウム(Ru)層とを順に積層することで前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項10記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記キャップ層の上に、40nm以上60nm以下の厚みを有するタンタル(Ta)からなるハードマスクを形成する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - すべての層を形成したのち、107 /4π[A/m](=10000[Oe])の磁界を印加しつつ1時間から5時間に亘って250℃以上300℃以下の温度で前記磁気トンネル接合積層構造をアニールするステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項7記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
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