JP5868491B2

JP5868491B2 - 磁気ランダム・アクセス・メモリのための磁気トンネル接合およびその形成方法

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Publication number: JP5868491B2
Application number: JP2014508353A
Authority: JP
Inventors: ヒュー、グオハン; ノヴァク、ヤヌシュ、ジェイ; トロイラウド、フィリップ、エル; ワーレッジ、ダニエル、シー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: JP2014512702A; GB201319331D0; DE112012000741T5; US20120267733A1; WO2012148587A1; KR20130143108A; DE112012000741B4; GB2505578A; GB2505578B; US8866207B2; CN103503067B; CN103503067A; US20130005051A1

Description

本開示は、一般に磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の分野に関し、より詳細にはスピン運動量注入型（ＳＭＴ）ＭＲＡＭに関する。

ＭＲＡＭは、情報を蓄えるためにトンネル磁気抵抗（ＭＲ）を用いる一種の固体メモリである。ＭＲＡＭは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と呼ばれる磁気抵抗メモリ素子を電気的に接続したアレイから構成される。各ＭＴＪは、磁化方向が可変の磁化自由層、および磁化方向が不変の磁化固定層を含む。自由層および固定層は、絶縁性の非磁性トンネル・バリアによって分離される。ＭＴＪは、自由層の磁化状態を切り替えることによって情報を蓄える。自由層の磁化方向が固定層の磁化方向と平行な場合、ＭＴＪは、低抵抗状態にある。自由層の磁化方向が固定層の磁化方向に反平行な場合、ＭＴＪは、高抵抗状態にある。ＭＴＪの抵抗の差を、論理的な「１」または「０」を示すために用いることができ、それによって、１ビットの情報を蓄えることができる。ＭＴＪのＭＲは、高抵抗状態と低抵抗状態間の抵抗の差を決定する。高抵抗状態と低抵抗状態間の差が比較的高いことが、ＭＲＡＭにおける読み出し動作を容易にする。

スピン・トルク切り替え（ＳＴＴ）書き込み法によって、自由層の磁化状態を変えることができ、この方法ではＭＴＪを形成する磁気膜の膜面に垂直な方向に書き込み電流を流す。書き込み電流は、ＭＴＪの自由層の磁化状態を変化（または反転）させるようなトンネル磁気抵抗効果を有する。ＳＴＴ磁化反転において、磁化反転に必要な書き込み電流は、電流密度によって決まる。書き込み電流が流れるＭＴＪの表面の面積がより小さくなるとともに、ＭＴＪの自由層の磁化を反転させるために必要な書き込み電流がより小さくなる。したがって、書き込みが一定の電流密度で行なわれるならば、ＭＴＪのサイズがより小さくなるとともに、必要な書き込み電流がより小さくなる。

垂直異方性（ＰＭＡ）を示す材料層を含むＭＴＪは、面内磁気異方性を有するＭＴＪと比較して、比較的低い電流密度で切り替えることができ、書き込みに必要な全電流も低減させることができる。しかし、ＰＭＡ材料を使用して作られたＭＴＪは、ＰＭＡＭＴＪを構成する様々な材料層間で構造的および化学的な適合性がないため、比較的低いＭＲを有する可能性がある。比較的低いＭＲでは、ＭＴＪの高抵抗状態と低抵抗状態間の抵抗の差も、比較的低くなるので、結果としてＳＴＴＭＲＡＭにおける読み出し動作が困難になる可能性がある。ＰＭＡＭＴＪでは、固定層および自由層は、互いに平行または反平行な方向に磁化することができ、固定層は自由層に比較的強い双極子場を与える可能性がある。固定層双極子場は、自由層のループを約１０００エルステッド（Ｏｅ）以上オフセットする可能性がある。自由層のＨｃは、固定層からのオフセット場より高い必要があり、さもなければ、ＭＴＪに情報を蓄えるために必要とされる安定した２つの抵抗状態（双安定と呼ばれる）の代わりに１つの安定した抵抗状態のみとなる。

ＭＲＡＭは、個々のＭＴＪを形成するためにパターンニングされる様々なＭＴＪ層の磁気スタックを備える層状シートから形成される。ＭＴＪは、比較的小さな円柱の形態をとることができ、それぞれが層状の磁気スタックを備える。シート膜内には、様々な層と層との間でニール・カップリングがあり、固定層双極子場は、存在しない。双極子場は、ＭＴＪデバイスのエッジ部で発生するので、ＭＴＪがパターンニングされた後に、固定層双極子場が現れる。固定層双極子場は、ＭＴＪがより小さくなるとともに、より強くなり、ＭＴＪの両端間で不均一である。固定層双極子場は、ＭＴＪデバイスにおいて数多くの問題を引き起こし、これらの問題には、自由層のループ・オフセットの増加、およびＭＴＪの双安定を保証するために必要とされる最小限必要な自由層のＨｃの増加が含まれる。最小限の自由層のＨｃは、デバイスの全温度動作範囲にわたって維持されなければならない。固定層双極子場は、ＭＴＪのスイッチング・モードを変化させる可能性もあり、ＭＴＪのサイズが縮小するとともに、デバイスの機能性に与える影響が増大する。

本発明は、磁気ランダム・アクセス・メモリのための磁気トンネル接合およびその形成方法を提供することである。

一態様において、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、可変の磁化方向を有する磁化自由層と、自由層に隣接して位置する絶縁性トンネル・バリアと、不変の磁化方向を有する磁化固定層であって、トンネル・バリアが自由層と固定層との間に位置するようにトンネル・バリアに隣接して配置され、自由層および固定層が垂直磁気異方性を有する磁化固定層と、ダスティング層、スペーサ層、および基準層を含む複合固定層であって、スペーサ層が基準層とトンネル・バリアとの間に位置し、ダスティング層がスペーサ層とトンネル・バリアとの間に位置する複合固定層、固定層と第２の固定磁性層との間に位置する合成反強磁性（ＳＡＦ）スペーサを含むＳＡＦ固定層構造であって、固定層および第２の固定磁性層がＳＡＦスペーサを介して反平行に結合するＳＡＦ固定層構造、ならびに自由層が双極子層とトンネル・バリアとの間に位置する双極子層のうちの１つまたは複数とを含む。

別の態様において、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法は、可変の磁化方向を有する磁化自由層を形成するステップと、自由層上に絶縁材料を含むトンネル・バリアを形成するステップと、トンネル・バリア上に不変の磁化方向を有する磁化固定層を形成するステップであって、自由層および固定層が垂直磁気異方性を有するステップと、ダスティング層、スペーサ層、および基準層を含む複合固定層であって、スペーサ層が基準層とトンネル・バリアとの間に位置し、ダスティング層がスペーサ層とトンネル・バリアとの間に位置する複合固定層、固定層と第２の固定磁性層との間に位置する合成反強磁性（ＳＡＦ）スペーサを含むＳＡＦ固定層構造であって、固定層および第２の固定磁性層がＳＡＦスペーサを介して反平行に結合するＳＡＦ固定層構造、ならびに自由層が双極子層とトンネル・バリアとの間に位置する双極子層のうちの１つまたは複数を形成するステップとを含む。

さらなる特徴は、本例示的な実施形態の技術によって実現される。他の実施形態が本明細書で詳細に説明され、特許請求されるものの一部と見なされる。例示的な実施形態の特徴についてよりよく理解するために説明と図面を参照されたい。

次に、いくつかの図において同様の要素が同様に番号付けされている図面を参照する。

磁気スタックの上部に複合固定層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの底部に複合固定層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの上部に複合固定層およびＳＡＦ構造を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの底部に複合固定層およびＳＡＦ構造を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの上部に複合固定層およびＳＡＦ構造を、ならびに磁気スタックの底部に双極子層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの底部に複合固定層およびＳＡＦ構造を、ならびに磁気スタックの上部に双極子層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの上部に複合固定層を、および磁気スタックの底部に双極子層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。磁気スタックの底部に複合固定層を、および磁気スタックの上部に双極子層を有する磁気スタックの実施形態を示す断面図である。

ＳＴＴＭＲＡＭのためのＰＭＡ磁気スタックの実施形態が提供され、例示的な実施形態が以下で詳細に論じられる。ＰＭＡ磁気スタックは、複合固定層、固定層内の合成反強磁性（ＳＡＦ）構造、および双極子層のうちの１つまたは複数を含むことによって、高いＭＲ、および低減された固定層双極子場、したがってそれに応じて低減された自由層のループ・オフセットを示すＭＴＪを形成する。複合固定層は、ダスティング層、スペーサ層、および基準層の３つの層を含む。固定層ＳＡＦ構造は、ＳＡＦスペーサを介して反平行に結合する磁性材料の２つの層間に位置するＳＡＦスペーサを含む。ＳＡＦ構造における磁性材料の２つの層の磁化を、互いに反対向きに整列させ、全体的な固定層双極子場を低減させるように調節することができる。双極子層は、トンネル・バリアからは自由層の反対側に位置し、固定層双極子場を相殺するように固定層とは反対方向に磁化されうる。ＰＭＡＭＴＪは、複合固定層、ＳＡＦ構造、および双極子層のうちの１つまたは複数を任意に組み合わせて形成することができ、ＰＭＡＭＴＪの固定層双極子場および自由層のループ・オフセットを低減させる。

はじめに図１を参照すると、複合固定層１０７を有するＰＭＡ磁気スタック１００の断面図が示されている。複合固定層１０７は、ダスティング層１０４、スペーサ１０５、および基準層１０６を含む。ＭＴＪ１００は、シード層１０１上に成長させた自由層１０２も含む。シード層１０１は、タンタル（Ｔａ）、または一部の実施形態において、２０％未満のＭｇの割合を有するタンタル・マグネシウム（ＴａＭｇ）を含むことができる。シード層１０１の厚さは、約０．５ナノメートル（ｎｍ）以上であってもよく、一部の例示的な実施形態において、約１ｎｍ〜約３ｎｍであってもよい。自由層１０２は、様々な組成を有するコバルト−鉄−ホウ素（ＣｏＦｅＢ）を含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層１０２は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。自由層１０２の厚さは、自由層１０２の組成に応じて、約０．６ｎｍ〜約２ｎｍであってもよい。トンネル・バリア１０３は、自由層１０２上に位置し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア１０３は、自然酸化、ラジカル酸化、または高周波（ＲＦ）スパッタリングによって形成することができる。

図１に示される実施形態において、複合固定層１０７は、トンネル・バリア１０３の上部に位置する。ダスティング層１０４および基準層１０６は、スペーサ１０５を介して磁気的に結合し、ＰＭＡを有する。ダスティング層１０４は、様々な実施形態において、純粋なＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、またはＦｅ｜ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ｜ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅもしくはＣｏＦｅＢ｜ＣｏＦｅの二重層であってもよい。ダスティング層１０４の厚さは、約０．５ｎｍ〜約２ｎｍであってもよい。スペーサ１０５は、様々な実施形態において、非磁性材料、例えば、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはＭｇＯなどの酸化物を含む。スペーサ１０５の厚さは、一部の実施形態においては約０．１ｎｍ〜約１ｎｍでもよく、または他の実施形態においては１ｎｍより厚くてもよく、スペーサ１０５の厚さにより、ダスティング層１０４および基準層１０６がスペーサ１０５を介して互いに磁気的に結合できるようにしなければならない。あるいは、一部の実施形態では、スペーサ層１０５は、２つの非磁性層（この非磁性層は、Ｃｒ、Ｒｕ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｍｇ、またはＭｇＯなどの酸化物を含むことができる）によって挟まれた比較的薄い中心の磁性層（この磁性層は、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、またはＣｏＦｅを含むことができる）を備えた３層構造を有することができる。３層のスペーサ１０５に対しては、中心の磁性層の厚さは、約０．１ｎｍ〜約０．５ｎｍであってもよい。様々な実施形態において、基準層１０６は、コバルト−白金（Ｃｏ｜Ｐｔ）またはコバルト−パラジウム（Ｃｏ｜Ｐｄ）を、多層でまたは混合物として含むことができる。ダスティング層、スペーサ、および基準層を含む複合固定層を備えることができるＭＴＪのさらなる実施形態が、図２〜８に示され、複合固定層２０４、３０７、４０６、５０７、６０６、７０７、および８０４は、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。

図２は、複合固定層２０４が底部に位置するＰＭＡ磁気スタック２００の実施形態を示す。複合固定層２０４は、ダスティング層２０３、スペーサ２０２、および基準層２０１を含む。磁気スタック２００は、トンネル・バリア２０５および自由層２０６をさらに含む。トンネル・バリア２０５は、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア２０５は、自然酸化、ラジカル酸化、またはＲＦスパッタリングによって形成することができる。自由層２０６は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含んでもよく、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層２０６は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。

図３および４のＰＭＡ磁気スタック３００および４００に示されるように、複合固定層を、ＳＡＦ固定層構造内に組み込むことができる。磁気モーメントが互いに反対向きに整列するように、ＳＡＦ構造におけるＳＡＦスペーサの両側に位置する磁性材料の磁気モーメントおよび磁気異方性を調節することによって、低減された固定層双極子場および中心に位置する（またはゼロ・オフセットの）自由層ループを得ることができる。図３において、ダスティング層３０４、スペーサ３０５および基準層３０６を含む複合固定層３０７は、ＳＡＦスペーサ３０８を介して上部基準層３０９と反平行に結合している。上部基準層３０９は、コバルト−ニッケル（Ｃｏ｜Ｎｉ）、Ｃｏ｜ＰｄまたはＣｏ｜Ｐｔを、多層でまたは混合物として含むことができる。ＳＡＦスペーサ３０８は、Ｒｕを含むことができ、一部の実施形態において、約８オングストローム〜約１０オングストロームの厚さであってもよい。ＭＴＪ３００は、シード層３０１、自由層３０２、およびトンネル・バリア３０３をさらに含む。シード層３０１は、Ｔａ、または一部の実施形態において、２０％未満のＭｇの割合を有するＴａＭｇを含むことができる。シード層３０１の厚さは、約０．５ｎｍ以上であってもよく、一部の例示的な実施形態において、約１ｎｍ〜約３ｎｍであってもよい。自由層３０２は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層３０２は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。自由層３０２の厚さは、自由層の組成に応じて、約０．６ｎｍ〜約２ｎｍであってもよい。トンネル・バリア３０３は、自由層３０２上に位置し、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア３０３は、自然酸化、ラジカル酸化、または高周波（ＲＦ）スパッタリングによって形成することができる。複合固定層３０７は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。固定層ＳＡＦ構造を有するＭＴＪの他の実施形態において、複合固定層３０７は、ダスティング層３０４およびスペーサ３０５を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層によって置き換えることができる。

図４において、ＰＭＡ磁気スタック４００は、ＳＡＦスペーサ４０２を介して、底部基準層４０１と反平行に結合するダスティング層４０５、スペーサ４０４、および基準層４０３を有する複合固定層４０６を含む。底部基準層４０１は、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔを、多層でまたは混合物として含むことができる。ＳＡＦスペーサ４０２は、Ｒｕを含むことができ、一部の実施形態において、約８オングストローム〜約１０オングストロームの厚さであってもよい。ＰＭＡ磁気スタック４００は、トンネル・バリア４０７および自由層４０８をさらに含む。トンネル・バリア４０７は、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア４０７は、自然酸化、ラジカル酸化、またはＲＦスパッタリングによって形成することができる。自由層４０８は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層４０８は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。複合固定層４０６は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。固定層ＳＡＦ構造を有するＰＭＡ磁気スタックの他の実施形態において、複合固定層４０６は、ダスティング層４０５およびスペーサ４０４を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層によって置き換えることができる。

図３および４に示される固定層ＳＡＦ構造を有するＰＭＡ磁気スタック３００および４００の実施形態において、上部基準層３０９／底部基準層４０１は、複合固定層３０７／４０６よりも、自由層３０２／４０８からさらに離れているので、上部基準層３０９／底部基準層４０１の磁気モーメントは、複合固定層３０７／４０６からの双極子場を相殺するために、複合固定層３０７／４０６の磁気モーメントよりも大きくなければならない。基準層３０６／４０３および上部基準層３０９／底部基準層４０１の両方が多層を含む場合、上部基準層３０９／底部基準層４０１は、基準層３０６／４０３よりも多くの層の繰り返しを含まなければならず、したがってより厚くなければならない。上部基準層３０９／底部基準層４０１をより厚くすると、追加層の繰り返しが自由層３０２／４０８からさらに離れるので、追加層の繰り返しの相殺効果がより弱くなる。多層スタックがより厚くなることで、磁気スタック作製中の堆積時間が長くなり、材料費用がより高くなる可能性もある。したがって、上部基準層３０９／底部基準層４０１と同一方向に、および基準層３０６／４０３と反対方向に磁化されている双極子層を、固定層ＳＡＦ構造に加えてＰＭＡ磁気スタックに組み込み、それにより複合固定層３０７／４０６からの双極子場を相殺するために必要な上部基準層３０９／底部基準層４０１の厚さを低減させるようにすることができる。複合固定層、固定層ＳＡＦ構造、および双極子層を含む磁気スタックが、図５および６に示されている。あるいは、図７および８に関して以下で示されるように、双極子層を、固定層ＳＡＦ構造を省いたＰＭＡ磁気スタックに組み込むことができ、この双極子層が、固定層と反対方向に磁化されうる。

図５のＰＭＡ磁気スタック５００は、ＳＡＦスペーサ５０８を介して、上部基準層５０９と反平行に結合する複合固定層５０７を有する固定層ＳＡＦ構造を含む。上部基準層５０９は、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔを、多層でまたは混合物として含むことができる。ＳＡＦスペーサ５０８は、Ｒｕを含むことができ、一部の実施形態において、約８オングストローム〜約１０オングストロームの厚さであってもよい。双極子層５１０は、一部の実施形態において、コバルト・クロミウム白金（ＣｏＣｒＰｔ）、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層を含むことができる。双極子層５１０の磁気モーメントを増加させ、厚さを低減させるために、一部の実施形態において、比較的大きな飽和モーメントを有するＣｏＦｅＢダスティング層（図示せず）を、双極子層５１０の一部として、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層の上部に直接成長させることができる。双極子層５１０は、固定層双極子場を相殺し、自由層５０２のループ・オフセットを低減させるために、上部基準層５０９と同一方向に、および基準層５０６と反対方向に磁化されている。自由層５０２と双極子層５１０との間に位置するシード層５０１は、双極子層５１０と自由層５０２との間の磁気分離を行う。シード層５０１は、Ｔａ、または一部の実施形態において、２０％未満のＭｇの割合を有するＴａＭｇを含むことができる。シード層５０１の厚さは、０．５ｎｍ以上であってもよく、一部の例示的な実施形態において、約１ｎｍ〜約３ｎｍであってもよい。自由層５０２は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層５０２は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。自由層５０２の厚さは、自由層の組成に応じて、約０．６ｎｍ〜約２ｎｍであってもよい。トンネル・バリア５０３は、自由層５０２上に位置し、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア５０３は、自然酸化、ラジカル酸化、またはＲＦスパッタリングによって形成することができる。ダスティング層５０４、スペーサ５０５、および基準層５０６を含む複合固定層５０７は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。固定層ＳＡＦ構造および双極子層を有するＰＭＡ磁気スタックの他の実施形態において、複合固定層５０７は、ダスティング層５０４およびスペーサ５０５を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層であってもよい。

図６において、ＰＭＡ磁気スタック６００は、ＳＡＦスペーサ６０２を介して、底部基準層６０１と反平行に結合する複合固定層６０６を含む固定層ＳＡＦ構造を含む。底部基準層６０１は、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔを、多層でまたは混合物として含むことができる。ＳＡＦスペーサ６０２は、Ｒｕを含むことができ、一部の実施形態において、約８オングストローム〜約１０オングストロームの厚さであってもよい。双極子層６０９は、一部の実施形態において、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層を含むことができる。双極子層６０９の磁気モーメントを増加させ、厚さを低減させるために、一部の実施形態において、比較的大きな飽和モーメントを有するＣｏＦｅＢダスティング層（図示せず）を、双極子層６０９の一部として、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層の底部に直接成長させることができる。双極子層６０９は、固定層双極子場を相殺し、自由層６０８のループ・オフセットを低減させるために、底部基準層６０１と同一方向に、および基準層６０３と反対方向に磁化されている。自由層６０８と双極子層６０９との間に位置するキャップ層６１０は、双極子層６０９と自由層６０８との間の磁気分離を行う。トンネル・バリア６０７は、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア６０７は、自然酸化、ラジカル酸化、またはＲＦスパッタリングによって形成することができる。自由層６０８は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層６０８は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。ダスティング層６０５、スペーサ６０４、および基準層６０３を有する複合固定層６０６は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。固定層ＳＡＦ構造および双極子層を有するＰＭＡ磁気スタックの他の実施形態において、複合固定層６０６は、ダスティング層６０５およびスペーサ６０４を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層であってもよい。

図５および６における上部基準層５０９／底部基準層６０１、ならびに双極子層５１０および６０９によって生成される双極子場は、共に、基準層５０６／６０３によって生成される双極子場を補償する。複合固定層５０７／６０６のＨｃが、上部基準層５０９／底部基準層６０１および双極子層５１０／６０９の両方のＨｃより大きいかまたは小さい限り、３つの層の磁化を自由層５０２／６０８のオフセット場を低減させるように調節することができる。

図７および８において示されるように、固定層と反対方向に磁化されている双極子層は、固定層双極子場を相殺し、固定層ＳＡＦ構造が存在しない場合に自由層の磁化ループを中心に位置させるためにも使用されうる。図７において、ＰＭＡ磁気スタック７００は、複合固定層７０７および双極子層７０８を含む。双極子層７０８は、一部の実施形態において、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層を含むことができる。双極子層７０８の磁気モーメントを増加させ、厚さを低減させるために、一部の実施形態において、比較的大きな飽和モーメントを有するＣｏＦｅＢダスティング層（図示せず）を、双極子層７０８の一部として、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層の上部に直接成長させることができる。自由層７０２と双極子層７０８との間に位置するシード層７０１は、双極子層７０８と自由層７０２との間の磁気分離を行う。シード層７０１は、Ｔａ、または一部の実施形態において、２０％未満のＭｇの割合を有するＴａＭｇを含むことができる。シード層７０１の厚さは、０．５ｎｍ以上であってもよく、一部の例示的な実施形態において、約１ｎｍ〜約３ｎｍであってもよい。自由層７０２は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、約１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層７０２は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。自由層７０２の厚さは、自由層の組成に応じて、約０．６ｎｍ〜約２ｎｍであってもよい。トンネル・バリア７０３は、自由層７０２上に位置し、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア７０３は、自然酸化、ラジカル酸化、またはＲＦスパッタリングによって形成することができる。ダスティング層７０４、スペーサ７０５、および基準層７０６を有する複合固定層７０７は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。双極子層を有するＰＭＡ磁気スタックの他の実施形態において、複合固定層７０７は、ダスティング層７０４およびスペーサ７０５を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層であってもよい。

図８において、ＰＭＡ磁気スタック８００は、複合固定層８０４および双極子層８０７を含む。双極子層８０７は、一部の実施形態において、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層を含むことができる。双極子層８０７の磁気モーメントを増加させ、厚さを低減させるために、一部の実施形態において、比較的大きな飽和モーメントを有するＣｏＦｅＢダスティング層（図示せず）を、双極子層８０７の一部として、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、またはＣｏ｜Ｐｔの多層の底部に直接成長させることができる。自由層８０６と双極子層８０７との間に位置するキャップ層８０８は、双極子層８０７と自由層８０６との間の磁気分離を行う。トンネル・バリア８０５は、ＭｇＯなどの絶縁材料を含む。ＭｇＯトンネル・バリア８０５は、自然酸化、ラジカル酸化、または高周波（ＲＦ）スパッタリングによって形成することができる。自由層８０６は、様々な組成を有するＣｏＦｅＢを含むことができ、様々な実施形態において、Ｃｏの組成は、９０％未満であってもよく、Ｆｅは、１０％〜約１００％（純粋なＦｅ）であってもよい。自由層８０６は、ＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含むこともできる。ダスティング層８０３、スペーサ８０２、および基準層８０１を有する複合固定層８０４は、一部の実施形態において、図１の複合固定層１０７に関して上で列記した材料、構造、および厚さのいずれをも含むことができる。双極子層を有するＰＭＡ磁気スタックの他の実施形態において、複合固定層８０４は、ダスティング層８０３およびスペーサ８０２を省いた適切な磁性材料を含む単純な固定層であってもよい。

図７および８のＰＭＡ磁気スタック７００および８００において、双極子層７０８／８０７および基準層７０６／８０１は、それらの双極子場が互いに相殺するように、反対方向に磁化されている。双極子層７０８／８０７のＨｃおよび基準層７０６／８０１のＨｃは、等しくなくてもよい。図５および６のＳＡＦ／双極子ＰＭＡの磁気スタック５００および６００と比較して、広いリセット場の窓を実現することができる。しかし、図５および６のＳＡＦ／双極子ＰＭＡの磁気スタック５００および６００と比較して、図７および８のＰＭＡ磁気スタック７００および８００では、比較的厚い双極子層７０８／８０７が必要である。

例示的な実施形態の技術的な効果および利点は、比較的高い磁気抵抗、比較的低い固定層双極子場および自由層オフセット・ループを有する、ＭＴＪのためのＰＭＡ磁気スタックを含む。

本明細書で使用される術語は、特定の実施形態のみについて説明するためのものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用されるように、単数形の冠詞「ａ」、「ａｎ」および定冠詞「ｔｈｅ」は、文脈において明確にそうでないと示さない限り、複数形を同様に含むことが意図されている。「含む」または「含んでいる」あるいはその両方の用語は、本明細書において使用される場合、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素あるいはそれら全ての存在を規定するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、またはそれらのグループあるいはそれら全ての存在もしくは追加が排除されないことをさらに理解されるであろう。

下記の特許請求の範囲における対応する構造、材料、行為、およびすべての手段またはステップの均等物、さらに機能素子は、具体的に特許請求されているように他の特許請求される要素との組み合わせにおいて機能を遂行するための、任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。本発明の記載は、例示および説明の目的のために提示されたが、網羅的であること、または開示された形態の発明に限定されることは意図されていない。多くの変更形態および変形形態が、本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実際的な用途について最善の説明をするように、かつ考えられる特定の使用に適する様々な変更形態を有する様々な実施形態に対して本発明を当業者が理解することができるように、選ばれ、説明された。

Claims

磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）であって、
可変の磁化方向を有する磁化自由層と、
前記自由層に隣接して位置する絶縁性トンネル・バリアと、
ダスティング層、スペーサ層、および基準層を含む複合固定層であって、前記スペーサ層が前記基準層と前記トンネル・バリアとの間に位置し、前記ダスティング層が前記スペーサ層と前記トンネル・バリアとの間に位置する複合固定層を備え、
前記複合固定層の前記スペーサ層が、２つの非磁性スペーサ層間に配置された中心の磁性スペーサ層を含む３層構造を含む、
磁気トンネル接合。
前記中心の磁性スペーサ層がＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、およびＣｏＦｅのうちの１つを含む、請求項１に記載のＭＴＪ。
前記中心の磁性層が、約０．１ｎｍ〜約０．５ｎｍの厚さを有する、請求項１または２に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記基準層と第２の固定磁性層との間に位置する合成反強磁性（ＳＡＦ）スペーサを含むＳＡＦ固定層構造であって、前記複合固定層の前記基準層および前記第２の固定磁性層が前記ＳＡＦスペーサを介して反平行に結合するＳＡＦ固定層構造をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記自由層が双極子層と前記トンネル・バリアとの間に位置する双極子層をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記自由層がＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記自由層直下のシード層であって、タンタル・マグネシウム（ＴａＭｇ）を含み、約０．５ナノメートル（ｎｍ）〜約３ｎｍの厚さを有するシード層をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記ダスティング層が、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｆｅ｜ＣｏＦｅＢの二重層、ＣｏＦｅ｜ＣｏＦｅＢの二重層、ＣｏＦｅＢ｜Ｆｅの二重層、およびＣｏＦｅＢ｜ＣｏＦｅの二重層のうちの１つを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記ダスティング層が、約０．５ｎｍ〜約２ｎｍの厚さを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記スペーサ層が、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、およびＭｇＯのうちの１つを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記基準層が、コバルト−白金（Ｃｏ｜Ｐｔ）およびコバルト−パラジウム（Ｃｏ｜Ｐｄ）のうちの１つを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記ＳＡＦスペーサがルテニウムを含み、前記第２の固定磁性層がコバルト−ニッケル（Ｃｏ｜Ｎｉ）、Ｃｏ｜Ｐｄ、およびＣｏ｜Ｐｔのうちの１つを含む、請求項４に記載のＭＴＪ。
前記双極子層がコバルト・クロム白金（ＣｏＣｒＰｔ）、Ｃｏ｜Ｎｉ、Ｃｏ｜Ｐｄ、およびＣｏ｜Ｐｔの多層のうちの１つを含む、請求項５に記載のＭＴＪ。
前記双極子層がＣｏＦｅＢ層をさらに含む、請求項１３に記載のＭＴＪ。
前記複合固定層の前記基準層が前記ＳＡＦ固定層構造における前記第２の固定磁性層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項４に記載のＭＴＪ。
前記ＭＴＪが前記複合固定層の前記基準層と第２の固定磁性層との間に位置する合成反強磁性（ＳＡＦ）スペーサを含むＳＡＦ固定層構造であって、前記複合固定層の前記基準層および前記第２の固定磁性層が前記ＳＡＦスペーサを介して反平行に結合するＳＡＦ固定層構造と、前記自由層が双極子層と前記トンネル・バリアとの間に位置する双極子層とをさらに備え、前記双極子層および前記ＳＡＦ固定層構造の前記第２の固定磁性層が同一方向に磁化され、前記複合固定層の前記基準層が前記双極子層および前記第２の固定磁性層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＴＪ。
前記双極子層が前記複合固定層の前記基準層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項１６に記載のＭＴＪ。
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法であって、
可変の磁化方向を有する磁化自由層を形成するステップと、
前記自由層上に絶縁材料を含むトンネル・バリアを形成するステップと、
ダスティング層、スペーサ層、および基準層を含む複合固定層であって、前記スペーサ層が前記基準層と前記トンネル・バリアとの間に位置し、前記ダスティング層が前記スペーサ層と前記トンネル・バリアとの間に位置する複合固定層を形成するステップとを含み、
前記複合固定層の前記スペーサ層が、２つの非磁性スペーサ層間に配置された中心の磁性スペーサ層を含む３層構造を含む、
方法。
前記複合固定層の前記基準層と第２の固定磁性層との間に位置する合成反強磁性（ＳＡＦ）スペーサを含むＳＡＦ固定層構造であって、前記複合固定層の前記基準層および前記第２の固定磁性層が前記ＳＡＦスペーサを介して反平行に結合するＳＡＦ固定層構造を形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
前記自由層が双極子層と前記トンネル・バリアとの間に位置する双極子層を形成するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記自由層を形成するステップがタンタル（Ｔａ）またはタンタル・マグネシウム（ＴａＭｇ）のうちの１つを含むシード層上に前記自由層を成長させるステップを含み、前記シード層が約０．５ナノメートル（ｎｍ）〜約３ｎｍの厚さを有する、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
前記複合固定層の前記基準層が前記ＳＡＦ固定層構造における前記第２の固定磁性層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
前記双極子層および前記ＳＡＦ構造の前記第２の固定磁性層が同一方向に磁化され、前記複合固定層の前記基準層が前記双極子層および前記第２の固定磁性層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項２０に記載の方法。
前記双極子層が前記複合固定層の前記基準層の磁化方向と反対方向に磁化されている、請求項２３に記載の方法。
前記自由層がＣｏＦｅＢ｜ＦｅまたはＦｅ｜ＣｏＦｅＢを含み、前記複合固定層の前記基準層がコバルト−白金（Ｃｏ｜Ｐｔ）およびコバルト−パラジウム（Ｃｏ｜Ｐｄ）のうちの１つを含む、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の方法。