JP6139444B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気メモリ - Google Patents
磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気メモリ Download PDFInfo
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Description
図1乃至図6を参照して、実施形態の磁気抵抗効果素子の基本形態について説明する。
本実施形態の磁気抵抗効果素子1は、記憶層13及び参照層15の磁化がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く垂直磁化型の磁気抵抗効果素子である。
側壁保護膜20は、製造工程中に発生する酸素及び水分、層間絶縁膜の構成元素などの、MTJ素子1の外部に由来する不純物が、MTJ素子1の内部に侵入するのを防止する保護膜として、機能する。
このように、第1の保護膜200は、第2の保護膜210と磁性層13,15との間に、設けられている。第1の保護膜200と層間絶縁膜との間には、第2の保護膜210が、介在している。
積層構造の側壁保護膜20内の複数の保護膜200,210のうち、磁性層側と反対側(外側、層間絶縁膜側)の保護膜210は、MTJ素子を形成する磁性層の主成分となる元素より軽い元素を主成分として含む膜(例えば、絶縁膜)である。
ある元素(ここでは、磁性元素)より軽い元素とは、ある元素の原子番号より小さい原子番号を有する元素のことであり、ある元素より重い元素とは、ある元素の原子番号より大きい原子番号を有する元素のことである。
この場合、内側の保護膜200は、37番の原子番号より大きい原子番号を有する元素を主成分として含み、外側の保護膜210は、22番の原子番号より小さい原子番号を有する元素を主成分として含む。
また、CoFeBからなる磁性層の上面上に、HfB層が設けられた積層体が、SIMSによって測定される。HfBは、Co及びFeより重い元素(磁性元素より原子番号が小さい元素)を主成分とする化合物である。
本実施形態において、多層膜又は積層体(積層構造)が、部材A/部材Bと表記される場合、部材Aが部材B上に積層されていることを示す。
図3は、磁性層と非磁性層との積層体における非磁性層の膜厚と磁性層のダンピング定数との関係を示すグラフである。
図3の横軸は非磁性層の膜厚T(単位:nm)に対応し、図3の縦軸は磁性層のダンピング定数に対応する。
例えば、磁性層を構成する磁性元素より重い元素を主成分とする層の膜厚が3nm以上になると、磁性層のダンピング定数の上昇は顕著になる。
図4の横軸は、非磁性層(キャップ層)の膜厚T(単位:nm)に対応し、図4の縦軸は磁性層の保持力Hc(単位:Oe)に対応する。
さらに、図4において、磁性層と磁性層を形成する磁性元素より重い元素を主成分とする層と磁性層を形成する磁性元素より軽い元素を主成分とする層との積層体(MgAlB/HfB/CoFeB)における、磁性層の磁気特性の測定結果が、示されている。磁性層を形成する磁性元素より重い元素を主成分とする層と磁性層を形成する磁性元素より軽い元素を主成分とする層との積層構造において、磁性層を形成する磁性元素より重い元素を主成分とする層が、磁性層に接触している。
尚、図4において、各サンプルのCoFeB膜の膜厚は、2nmである。図4において、CoFeB膜上のMgAlB/HfB積層膜において、CoFeB膜に接するHfB膜の膜厚は、1nmに固定され、MgAlB膜の膜厚が、変化されている。
また、積層構造の側壁保護膜において、磁性元素より大きい原子番号を有する元素(例えば、37番より大きい原子番号を有する元素)を主成分とする第1の保護膜200は、第1の保護膜200の主成分でなければ、磁性元素より小さい原子番号を有する元素が第1の保護膜200内に含まれてもよい。磁性元素より小さい原子番号を有する元素(例えば、22番より小さい原子番号を有する元素)を主成分とする第2の保護膜210は、第2の保護膜210の主成分でなければ、磁性元素より大きい原子番号を有する元素が第2の保護膜210内に含まれてもよい。
図5乃至図7を参照して、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子及びその製造方法について、説明する。
図5を用いて、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)の構造について、説明する。
シフト調整層17は、基板80上の下部電極19A上に設けられている。
参照層15は、スペーサー層16を介してシフト調整層17上方に積層されている。
中間層(トンネルバリア層)14は、参照層15上に積層されている。
記憶層13は、中間層14を介して、参照層15上に積層されている。
上部電極19Bは、記憶層14上に積層されている。
記憶層13は、例えば、CoFeB及びMn系合金の少なくとも1つを用いて、形成される。記憶層13は、CoFeBを含む単層膜若しくは積層膜、又は、Mn系合金を含む単層膜若しくは積層膜、又は、CoFeBとMn系合金とを組み合わせたもの、例えば、CoFeBとMn系合金とを含む積層膜を、用いることができる。
例えば、シフト調整層17は、参照層15と同じ材料から形成される。参照層15とシフト調整層17との間のスペーサー層16には、ルテニウム(Ru)及びTaなどの金属から形成される。
図6及び図7を用いて、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)の製造方法について説明する。ここでは、図8も適宜用いて、本実施形態のMTJ素子の製造方法について説明する。
図6及び図7は、本実施形態のMTJ素子の製造方法の各工程を説明するための断面工程図である。
これまで、保護膜としての絶縁膜に形成時に、MTJ素子の磁性層の側面に加わるダメージについて、言及されていなかった。
また、記憶層13及び参照層15を構成している磁性元素よりも重い元素を含む膜200の膜厚T1は薄いため、磁性元素よりも重い元素を含む膜200の膜厚の増大に起因する磁性層のダンピング定数の増大を抑制できる。
これによって、本実施形態は、磁性層に対する悪影響を低減するために絶縁膜(保護膜)200の膜厚が薄くされたとしても、保護膜200の形成後に堆積される膜210,81の構成原子が、磁性層内に侵入するのを防止できる。
以下、図8乃至図12を参照して、第2の実施形態の磁気抵抗効果素子及びその製造方法について説明する。
尚、本実施形態において、第1の実施形態と共通の構成要素に関する説明は、必要に応じて、行う。
図8及び図9を用いて、第2の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)の構造について、説明する。
下地層12の上層膜120は、スピンポンピング効果が小さい材料が用いられることが好ましい。スピンポンピング効果が小さい材料が、記憶層13に接する膜120に用いられることによって、記憶層13の摩擦定数が小さくなり、書き込み電流を低減できる。また、上層膜120は、記憶層13の結晶性を向上させるための機能を有していてもよい。
図9に示されるように、下地層の下層膜120の凸型状の断面形状を有していてもよい。
図10乃至図12を用いて、第2の実施形態のMTJ素子の製造方法の一例を説明する。
図10乃至図12は、本実施形態のMTJ素子の製造方法の各工程を説明するための断面工程図である。
傾斜イオンミリングによる積層体1Yは、下地層12の上部、例えば、磁性層側の上層膜120が、加工されるまで継続される。
尚、側壁保護膜20を形成する酸化物又は窒化物又は酸窒化物は、酸化物/窒化物の構成元素の価数状態(組成比)に依存せずに、絶縁性が確保されていればよい。
図13乃至図16を参照して、第3の実施形態の磁気抵抗効果素子及びその製造方法について説明する。
尚、第3の実施形態において、第1及び第2の実施形態と共通の構成要素に関する説明は、必要に応じて行う。
図13を用いて、第3の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)10の構造について説明する。
第3の実施形態のMTJ素子は、第2の実施形態と類似した構造を有している。
例えば、上層膜121は、Hfを主成分とする導電性の膜である。下地層12の上層膜121の具体例としては、上層膜121は、HfB膜、HfAlB膜、HfMgB膜及びScHfB膜などから選択される少なくとも1つからなる。
図14乃至図16を用いて、第3の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)の製造方法について、説明する。図14及び図16のそれぞれは、本実施形態のMTJ素子の製造方法の各工程を示す断面工程図である。尚、ここでは、図13も用いて、本実施形態のMTJ素子の製造方法について説明する。
この結果として、図13に示されるように、付着物121,120が酸化又は窒化され、互いに材料の異なる2つの保護膜200,210を含む側壁保護膜20が、加工された積層体1Xの側面上に形成される。
図17及び図18を参照して、第4の実施形態の磁気抵抗効果素子及びその製造方法について説明する。
第4の実施形態において、第1乃至第3の実施形態と共通の構成要素に関する説明は、必要に応じて行う。
第4の実施形態のMTJ素子10の構造について説明する。
本実施形態のMTJ素子の構造は、第3の実施形態のMTJ素子の構造に類似する。ここでは、図13を用いて、本実施形態のMTJ素子の構造について説明する。
下層膜120は、第4周期の磁性元素より重い元素、例えば、37番より大きい原子番号の元素を主成分とする材料から形成される。下層膜120は、例えば、Hfを主成分として含む導電性の膜である。下地層20の下層膜120の具体例としては、下層膜120は、HfB、HfAlB、HfMgB、ScHfBなどから構成されるグループの中から選択される少なくとも1つから形成される。
尚、本実施形態において、保護膜200は、下地層12の上層膜120の飛散物に起因する付着物から形成された膜(例えば、絶縁膜)でもよい。
図17及び図18を用いて、第4の実施形態のMTJ素子の製造方法について、説明する。図17及び図18は、本実施形態のMTJ素子の製造方法を説明するための断面工程図である。
ここでは、図9、図10及び図12も適宜用いて、本実施形態のMTJ素子の製造方法について説明する。
これによって、下層膜120の飛散物が、積層体1Yの加工面上に付着し、下層膜120と実質的に同じ材料からなる付着物120Zが、加工された磁性層13,15及び中間層14の側面上に、堆積される。
以下、図19乃至図21を参照して、第5の実施形態について説明する。
尚、本実施形態において、第1乃至第4の実施形態と共通の構成要素に関する説明は、必要に応じて行う。
第5の実施形態に係るMTJ素子(磁気抵抗素子、磁気記憶素子)10の構成について説明する。
本実施形態のMTJ素子の構造は、第3の実施形態のMTJ素子の構造に類似する。ここでは、図13を用いて、本実施形態のMTJ素子の構造について説明する。
下層膜120内に含まれる主成分の元素は、側壁保護膜20の外側の保護膜210内に含まれる主成分の元素と同じである。
下層膜120は、第4周期の磁性元素より軽い元素、例えば、22番より小さい原子番号の元素を主成分とする材料から形成される。下層膜120は、例えば、C、Mg、Al及びScの中から選択された少なくとも1つを主成分として含む導電性の膜である。下地層20の下層膜120の具体例としては、下層膜120は、MgAlB膜、AlB膜、ScAlB膜、MgAlB膜などから構成されるグループの中から選択される少なくとも1つから形成される。
尚、本実施形態において、保護膜200は、下地層12の上層膜121の飛散物に起因する付着物から形成された絶縁膜(保護膜)でもよい。
図19乃至図21を参照して、第5の実施形態のMTJ素子の製造方法について、説明する。図19乃至図21は、本実施形態のMTJ素子の製造方法を説明するための断面工程図である。
ここでは、図10も適宜用いて、本実施形態のMTJ素子の製造方法について説明する。
以下、図22及び図23を参照して、第6の実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)及び製造方法について説明する。
尚、本実施形態において、第1乃至第6の実施形態と共通の構成要素に関する説明は、必要に応じて、行う。
下層膜120は、下部電極19Aに接し、上層膜121は、記憶層13に接している。
本実施形態の磁気抵抗効果素子(MTJ素子)の変形例について、説明する。
図24及び図25は、本実施形態のMTJ素子の変形例を示す図である。
図26及び図27を参照して、実施形態の磁気抵抗素子の適用例について説明する。
尚、上述の実施形態で述べた構成と実質的に同じ構成に関しては、同じ符号を付し、その構成の説明は、必要に応じて行う。
上述の実施形態の磁気抵抗素子において、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子が例示されている。但し、MTJ素子の側面側から層間絶縁膜側へ向かう順に、磁性元素(例えば、Co又はFe)より大きい原子番号を有する元素(例えば、Hf)を含む第1の保護膜200と、磁性元素より小さい原子番号を有する元素(例えば、Mg、Al及びCのうち少なくとも1つ)を含む第2の保護膜210とが、磁性層13,15の側面上に設けられていれば、磁性層の磁化の向きが膜面に対して平行方向を向いている平行磁化膜(面内磁化膜)が、実施形態のMTJ素子に用いられてもよい。平行磁化膜を用いた平行磁化型のMTJ素子は、実施形態で述べた効果と同様の効果が得られる。
Claims (14)
- 第1の磁性層と、
第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられた中間層と、
前記第1の磁性層の側面に設けられた積層膜と、
前記第1の磁性層の前記中間層とは反対側に設けられた電極と、
前記電極と前記第1の磁性層との間の第1の層と、
前記第1の磁性層と前記第1の層との間の第2の層と、
を具備し、
前記積層膜は、
前記第1の磁性層を構成する第1の磁性元素の原子番号より大きい原子番号を有する第1の元素を含む第3の層と、
前記第3の層の前記第1の磁性層側とは反対側に設けられ、前記第1の磁性元素の原子番号より小さい原子番号を有する第2の元素を含む第4の層と、
を含み、
前記第1の層は、前記第2の元素を含み、
前記第2の層は、前記第1の元素を含む、
磁気抵抗効果素子。 - 前記第1の元素の原子番号は、37番より大きく、
前記第2の元素の原子番号は、22番より小さい、
請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第1の元素は、Hfであり、
前記第2の元素は、C、Mg及びAlから構成されるグループから選択される少なくとも1つの元素である、
請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第3の層の膜厚は、3nm以下であり、
前記第4の層の膜厚は、前記第3の層よりも厚い、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第4の層の膜厚は、20nm以下である、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第1及び第2の層は、導電性を有する、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第4の層は、層間絶縁膜と前記第3の層との間に設けられている、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子を含むメモリセルを具備する磁気メモリ。
- 第1の元素を含む第1の層を、電極上に形成する工程と、
第2の元素を含む第2の層を、前記第1の層上に形成する工程と、
前記第1の元素の原子番号より大きく且つ前記第2の元素の原子番号より小さい原子番号を有する第1の磁性元素を含む第1の磁性層、第2の磁性層、及び、前記第1及び第2の磁性層間の中間層を含む積層体を、前記第2の層上に、形成する工程と、
前記積層体のうち少なくとも前記第1の磁性層を加工する工程と、
前記第2の層を加工して、前記加工された第1の磁性層の側面に、前記第2の元素を含む第3の層を付着させる工程と、
前記第1の層を加工して、前記第3の層に、前記第1の元素を含む第4の層を付着させる工程と、
を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第3及び第4の層のそれぞれを絶縁化する工程と、
をさらに具備する請求項9に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第3及び第4の層を同時に絶縁化する工程と、
をさらに具備する請求項9に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 積層膜が、前記第3及び第4の層の絶縁化によって、前記第1の磁性層の側面に形成される、
請求項9乃至11のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第1及び第2の層は、導電性を有する、
請求項9乃至12のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 第1のエッチング条件下における前記第2の層のエッチングレートは前記第1の層のエッチングレートよりも遅い、
請求項9乃至13のいずれか1項に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。
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