JPWO2020008853A1 - 磁気トンネル接合素子及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.主構成例
2.他の構成例
3.変形例
まず、図1を参照して、本開示の一実施形態に係る磁気トンネル接合素子の主構成例について説明する。図1は、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子1の主たる積層構造を模式的に示す縦断面図である。
続いて、図3〜図18を参照して、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子1の他の構成例について説明する。図3〜図18は、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子2〜17の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。
次に、図19を参照して、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子1の変形例について説明する。図19は、本変形例に係る磁気トンネル接合素子1を模式的に示す縦断面図である。
まず、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子の効果を検証するために、図20〜図23にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図20は、実施例1に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図21は、実施例2に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図22は、比較例1に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図23は、比較例2に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。なお、図20〜図23において、括弧書き内の数値は、ナノメートル単位の各層の膜厚を表す。
次に、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子の各層の膜厚を変化させて、磁気特性を測定した。具体的には、M−Hループの測定は、振動試料型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer:VSM)にて行い、R−Hループの測定は、オートプローバにて行った。MR特性の測定は、CIPT(Current−In−Plane Tunneling)測定器にて行った。その結果を図30〜図34に示す。
まず、実施例1に係る磁気トンネル接合素子の隣接層の膜厚を0.15nmから1.15nmまで変化させた際の磁気トンネル接合素子のTMR比の変化を図30に示す。図30は、隣接層(Mo)の膜厚に対する磁気トンネル接合素子のTMR比の変化を相対値で示すグラフ図である。図30を参照すると、隣接層(Mo)の膜厚が0.1nm以上1nm以下の場合、磁気トンネル接合素子のTMR比がより向上することがわかる。
次に、実施例1に係る磁気トンネル接合素子のバリア層の膜厚を0.5nmから11nmまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきの変化を図31に示す。図31は、バリア層(Mo)の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。図31を参照すると、バリア層(Mo)の膜厚が1nm以上の場合、磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきがより小さくなることがわかる。一方、バリア層の膜厚が10nm以下の場合、磁気トンネル接合素子の加工が容易になるため、磁気トンネル接合素子の加工精度を向上させることができる。
続いて、実施例1に係る磁気トンネル接合素子の中間層の膜厚を0.5nmから11nmまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきの変化を図32に示す。図32は、中間層(Ru)の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。図32を参照すると、中間層の膜厚が1nm以上の場合、磁気トンネル接合素子の保磁力(Hc)ばらつきが小さくなることがわかる。一方、中間層の膜厚が10nm以下の場合、磁気トンネル接合素子の加工が容易になるため、磁気トンネル接合素子の加工精度を向上させることができる。
次に、磁性層の膜厚を検討するために、図28にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図28は、実施例3に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。
続いて、調整層の磁性層の膜厚を検討するために、図29にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図29は、実施例4に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。
(1)
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも1つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、磁気トンネル接合素子。
(2)
前記キャップ層の上に設けられた上部電極をさらに備え、
前記非磁性遷移金属の密度及び熱伝導率の積は、前記上部電極に含まれる金属材料の密度及び熱伝導率の積よりも高い、前記(1)に記載の磁気トンネル接合素子。
(3)
前記上部電極は、Ta又はTaNを含み、
前記上部電極に含まれる金属材料は、Taである、前記(2)に記載の磁気トンネル接合素子。
(4)
前記非磁性遷移金属は、Mo、W、Nb、Ir、Hf又はTiのいずれかである、前記(1)に記載の磁気トンネル接合素子。
(5)
前記キャップ層は、3d遷移金属及びBを含む磁性材料で形成された磁性層の上に前記非磁性遷移金属で形成された層を積層させた積層構造をさらに含み、
前記積層構造は、前記磁性層が前記隣接層に隣接するように設けられる、前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(6)
前記積層構造の前記磁性層の膜厚は、0.7nm以下である、前記(5)に記載の磁気トンネル接合素子。
(7)
前記3d遷移金属及びBを含む磁性材料は、Bを15原子%以上含む、前記(5)又は(6)に記載の磁気トンネル接合素子。
(8)
前記キャップ層は、絶縁材料で形成された第2絶縁層をさらに含む、前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(9)
前記第2絶縁層は、前記隣接層の上に設けられる、前記(8)に記載の磁気トンネル接合素子。
(10)
前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層を形成する絶縁材料は、無機酸化物である、前記(9)に記載の磁気トンネル接合素子。
(11)
前記キャップ層は、3d遷移金属及びBを含む磁性材料で形成され、前記第2絶縁層の上に設けられる磁性層をさらに含む、前記(8)〜(10)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(12)
前記第2絶縁層の上に設けられる前記磁性層の膜厚は、0.9nm以下である、前記(11)に記載の磁気トンネル接合素子。
(13)
前記3d遷移金属及びBを含む磁性材料は、Bを15原子%以上含む、前記(11)又は(12)に記載の磁気トンネル接合素子。
(14)
前記キャップ層の各層は、導電材料で形成される、前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(15)
前記隣接層の膜厚は、0.25nm以上1nm以下である、前記(1)〜(14)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(16)
前記バリア層の膜厚は、1nm以上10nm以下である、前記(1)〜(15)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(17)
前記キャップ層は、非磁性材料で形成される中間層をさらに含み、
前記中間層の膜厚は、1nm以上10nm以下である、前記(1)〜(16)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(18)
前記磁気トンネル接合素子は、柱体形状又は錐体形状である、前記(1)〜(17)のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
(19)
磁気トンネル接合素子を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも1つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、半導体装置。
100 基板
110 下部電極
120 磁化固定層
130 第1絶縁層
140 磁化自由層
150 隣接層
160 キャップ層
161 第2絶縁層
162 中間層
163 バリア層
164 磁性層
165 調整層
170 上部電極
180 保護膜
Claims (19)
- 磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも1つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、磁気トンネル接合素子。 - 前記キャップ層の上に設けられた上部電極をさらに備え、
前記非磁性遷移金属の密度及び熱伝導率の積は、前記上部電極に含まれる金属材料の密度及び熱伝導率の積よりも高い、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記上部電極は、Ta又はTaNを含み、
前記上部電極に含まれる金属材料は、Taである、請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記非磁性遷移金属は、Mo、W、Nb、Ir、Hf又はTiのいずれかである、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記キャップ層は、3d遷移金属及びBを含む磁性材料で形成された磁性層の上に前記非磁性遷移金属で形成された層を積層させた積層構造をさらに含み、
前記積層構造は、前記磁性層が前記隣接層に隣接するように設けられる、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記積層構造の前記磁性層の膜厚は、0.7nm以下である、請求項5に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記3d遷移金属及びBを含む磁性材料は、Bを15原子%以上含む、請求項5に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記キャップ層は、絶縁材料で形成された第2絶縁層をさらに含む、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記第2絶縁層は、前記隣接層の上に設けられる、請求項8に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層を形成する絶縁材料は、無機酸化物である、請求項9に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記キャップ層は、3d遷移金属及びBを含む磁性材料で形成され、前記第2絶縁層の上に設けられる磁性層をさらに含む、請求項8に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記第2絶縁層の上に設けられる前記磁性層の膜厚は、0.9nm以下である、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記3d遷移金属及びBを含む磁性材料は、Bを15原子%以上含む、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記キャップ層の各層は、導電材料で形成される、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記隣接層の膜厚は、0.25nm以上1nm以下である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記バリア層の膜厚は、1nm以上10nm以下である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記キャップ層は、非磁性材料で形成される中間層をさらに含み、
前記中間層の膜厚は、1nm以上10nm以下である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記磁気トンネル接合素子は、柱体形状又は錐体形状である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 磁気トンネル接合素子を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも1つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、半導体装置。
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