WO2007119748A1

WO2007119748A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

Info

Publication number: WO2007119748A1
Application number: PCT/JP2007/057976
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Fukumoto
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2007-10-25
Also published as: JPWO2007119748A1; JP5104753B2

Abstract

磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域及び磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域を備える磁気記録層と、固定された磁化を有する磁化固定層と、磁化反転領域と磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層とを具備する。磁化反転領域の少なくとも一部は、（ａ）酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第１複合強磁性材料、（ｂ）窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第２複合強磁性材料、及び（ｃ）炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第３複合強磁性材料のいずれかで形成されている。

Description

明細書

磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、 MRAM (磁気ランダムアクセスメモリ）に関し、特に、スピン偏極電流を用ヽて磁ィ匕を反転させてデータを書き込む MRAMに関する。

背景技術

[0002] 近時、提案されて!、る有力な MRAMの書き込み方式の一つ力スピン偏極電流を磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁ィ匕を反転させるスピン注入磁ィ匕反転方法（spin momentum transfer)である。電流磁界による磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に、必要な電流が増大するのに対し、スピン注入磁ィ匕反転方法では、メモリセルのサイズが小さくなると共に必要な電流が減少する。従って、スピン注入磁化反転方法は、大容量の MRAMを実現する有力な方法であると考えられている。

[0003] しかしながら、スピン注入磁化反転方法を磁気トンネル接合素子（magnetic tunnel j unction device)に適用する場合には、トンネルバリア層の破壊の問題を克服する必要がある。スピン注入磁ィヒ反転方法によって磁ィヒを反転させようとすると、現状では、数 mA以上のスピン偏極電流を磁気記録層に注入する必要がある。しかし、このような大きな電流を磁気トンネル接合に流すことは、トンネルバリア層の破壊を招く恐れがある。

[0004] このような問題を克服するためのアプローチの一つ力磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことによって磁ィ匕反転を起こす技術である。このような技術は、例えば、特許文献 1、特許文献 2、及び特許文献 3に開示されている。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことにより、磁気記録層の磁壁を移動させ、及び Z又は磁気記録層の磁ィ匕にトルクを作用され、磁気記録層の磁化を反転させることができる。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流す技術は、トンネルバリア層に書き込み電流を流すことを不要化し、トンネルバリア層の破壊の問題を有効に回避することができる。 [0005] 特許文献 1 :特開 2005— 191032号公報

特許文献 2：特開 2005— 123617号公報

特許文献 3 :米国特許第 6, 781, 871号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] しかしながら、 MRAMの一つの要求は書き込み電流値の低減であり、このためにはデータの書き込み、即ち、磁ィ匕反転に必要な電流を更に低減することが望ましい。このため、書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流を低減する技術の開発が望まれている。

[0007] 本発明の目的は、 MRAMの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、更に一層低減させることができる磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、以下に示す構成を有する。なお、以下の記載において、図面の参照符号を付すが、これは、単に、特許請求の範囲の記載と実施形態との対応を明らかにするためのものであり、本発明の技術的範囲力図面に開示された実施形態に限定されるものではな、ことは勿論である。

[0009] 本願第 1の観点に係る磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域 (8)と、磁化反転領域 (8)に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域 (9、 10)とを備える磁気記録層（1)と、固定された磁化を有する磁化固定層 (3)と、前記磁化反転領域 (8)と前記磁化固定層 (3)との間に設けられたトンネルバリア層（2)とを具備する。磁ィ匕反転領域 (8)の少なくとも一部は、

(a)酸化されて! ヽな!ヽ金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成ェネノレ

ギ一が低い非磁性材料の酸ィ匕物とが複合化された第 1複合強磁性材料、

(b)窒化されて 1ゝなゝ金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成ェネノレ

ギ一が低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第 2複合強磁性材料、及び

(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第 3複合強磁性材料の、ずれかで形成されて!、る。

[0010] このような構成の磁気ランダムアクセスメモリは、磁化反転領域 (8)に複合強磁性材料が使用されていることにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きい部分では磁化反転が起こりやすいから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁ィ匕反転領域 (8)の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域 (8)の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域 (8)全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で磁化反転領域 (8)を形成することにより、磁ィ匕反転領域 (8)の磁化を小さなスピン偏極電流で反転することができる。

[0011] 前記金属強磁性材料として、鉄 (Fe)、コバルト（Co)、ニッケル (Ni)、ガドリゥム (G d)、又はこれらの少なくとも 2の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記非磁性材料としては、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（G e)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン (Ti)、バナジゥム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム（Hf)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、イットリウム (Y)、ランタン (La)力選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用されることが好適である。

[0012] 磁化反転領域 (8)は、スピン偏極電流注入領域（9、 10)に前記面内方向において隣接し、且つ、複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部 (8a)と、複合強磁性部（8a)と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層（2)との間に設けられた、金属の強磁性体で形成された高 MR比強磁性部（8b)とを備えることが好適である。

[0013] 磁化反転領域 (8)は、複合強磁性材料で形成されてヽる複合強磁性部（8c)と、前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部（8d)とを備え、複合強磁性部（8c)は、金属強磁性部（8d)とスピン偏極電流注入領域（9、 10)の間に設けられて、ることが好ま、。

[0014] この場合、トンネルバリア層（2)の少なくとも一部が、金属強磁性部（8d)に直接に接合されることが好ましい。高い MR比を実現するためには、磁化反転領域 (8)は、金属強磁性部 (8d)と前記面内方向に垂直な方向で接合され、金属強磁性部 (8d) と前記トンネルバリア層（2)との間に、金属の強磁性体で形成された高 MR比強磁性部（

8b)が設けられることが一層に好適である。

[0015] 他の観点において、本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁ィ匕を有する磁化反転領域 (8)と、スピン偏極電流注入領域 (9、 10)と、磁化反転領域（ 8)とスピン偏極電流注入領域 (9、 10)との間に設けられた複合材料領域（17〜20) とを備える磁気記録層 (1)と、固定された磁化を有する磁化固定層 (3)と、磁化反転領域 (8)と磁ィ匕固定層 (3)との間に設けられたトンネルバリア層（2)とを具備する。スピン偏極電流注入領域 (9、 10)は、複合材料領域（17〜20)を介して前記磁化反転領域 (8)に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用される。複合材料領域 (17〜20)は、

(a)酸化されて!、な、第 1材料と、前記第 1材料よりも酸ィ匕物生成エネルギーが低ヽ第 2材料の酸化物とが複合化された第 1複合材料、

(b)窒化されていない第 1材料と、前記第 1材料よりも酸ィ匕物生成エネルギーが低い第 2材料の窒化物とが複合化された第 2複合材料、及び

(c)炭化されて!、な、第 1材料と、前記第 1材料よりも酸ィ匕物生成エネルギーが低ヽ第 2材料の炭化物とが複合化された第 3複合材料

の！、ずれかで形成されて、る。

[0016] 本発明の一態様では、前記第 1材料は、強磁性材料であり、前記第 2材料は、非磁性材料である。この場合、前記第 1材料として、鉄 (Fe)、コノレト（Co)、ニッケル (Ni )、ガドリゥム (Gd)、又はこれらの少なくとも 2の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記第 2材料として、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマ -ゥム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン（ Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム（H f)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、イットリウム (Y)、ランタン (La)力も選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。

[0017] 本発明の他の態様では、前記第 1材料、前記第 2材料の両方が非磁性材料である。この場合、前記第 1材料として、銅 (Cu)、銀 (Ag)、金 (Au)、白金 (Pt)、パラジウム (Pd)、ルテニウム（Ru)、タンタル (Ta)、アルミニウム（A1)、オスミウム（Os)、チタン（ Ti)、マンガン（Mn)、ロジウム（Rh)、イリジウム（Ir)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（Ge )、鉛（Pb)、ガリウム（Ga)、ビスマス（Bi)、亜鉛 (Zn)、アンチモン（Sb)のうち力も選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用され、前記第 2材料として、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン（Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム (Hf)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、ィットリウム (Y)、ランタン (La)力も選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。

[0018] 本発明の更に他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、

基板 (31)の上方に第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域 (9、 10)を形成する工程と、

前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域 (9、 10)を被覆する複合材料膜 (33)を形成する工程と、

前記複合材料膜 (33)をエッチバックして、前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域（9、 10)の側面に複合材料領域（17〜20、 27〜30)を形成する工程と、前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域 (9、 10)及び前記複合材料領域（ 17〜 20、 27-30)を被覆する第 1強磁性膜 (34)を形成する工程と、

前記第 1強磁性膜 (34)を被覆する絶縁膜 (35)を形成する工程と、

前記絶縁膜 (35)を被覆する第 2強磁性膜 (36)を形成する工程と、

前記第 2強磁性膜 (36)の上方に、前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域 (9、 10)の間に位置するマスク（39)を形成する工程と、

前記第 1強磁性膜 (34)、前記絶縁膜 (35)及び前記第 2強磁性膜 (36)を、前記絶縁膜 (35)及び前記第 2強磁性膜 (36)のうち前記マスクによって被覆されて、な!/ヽ部分と、前記第 1強磁性膜 (34)のうち前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域 (9 、 10)の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程とを具備する。

[0019] 前記複合材料膜 (33)は、

の！、ずれかで形成されて、る。

[0020] このような磁気ランダムアクセスメモリの製造方法によれば、磁化反転領域 (8)の両端に複合強磁性部（8c)を形成し、又は、磁化反転領域 (8)とスピン偏極電流注入領域（9、 10)との間に複合材料領域（17〜20、 27〜30)を備えたメモリセルを形成することがでさる。

発明の効果

[0021] 本発明によれば、 MRAMの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、著しく低減させることができる。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1A]図 1Aは、本発明の第 1の実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 1B]図 1Bは、図 1 Aの MRAMの構成を示す平面図である。

[図 2A]図 2Aは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。

[図 2B]図 2Bは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。

[図 2C]図 2Cは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。

[図 3]図 3は、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域において電流が流れる経路を示す断面図である。

[図 4A]図 4Aは、（Co Fe ) Ta O膜の電気的特性を示すグラフである。

90 10 85 15

[図 4B]図 4Bは、（Co Fe ) Ta O膜の磁気的特性を示すグラフである。

90 10 85 15

[図 4C]図 4Cは、 (Co Fe ) Ta O膜におけるコノレトの酸ィ匕状態を示すグラフ

90 10 85 15

である。

[図 5A]図 5Aは、本発明の第 1の実施形態の MRAMの他の構成を示す断面図である。

[図 5B]図 5Bは、図 5Aの MRAMの構成を示す平面図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 2の実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 7A]図 7Aは、本発明の第 2の実施形態の MRAMの他の構成を示す断面図である。

[図 7B]図 7Bは、図 7Aの MRAMの構成を示す平面図である。

[図 7C]図 7Cは、本発明の第 2の実施形態の MRAMの他の構成を示す断面図である。

[図 7D]図 7Dは、本発明の第 2の実施形態の MRAMの更に他の構成を示す断面図である。

[図 8]図 8は、本発明の第 2の実施形態の MRAMの更に他の構成を示す断面図である。

[図 9A]図 9Aは、本発明の第 3の実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 9B]図 9Bは、本発明の第 3の実施形態の MRAMの他の構成を示す断面図である。

[図 10A]図 10Aは、本発明の第 3の実施形態の MRAMの更に他の構成を示す断面図である。

[図 10B]図 10Bは、本発明の第 3の実施形態の MRAMの更に他の構成を示す断面図である。

[図 11A]図 11 Aは、図 10Aの MRAMの製造工程を示す断面図である。 [図 1 IB]図 1 IBは、図 10Aの MRAMの製造工程を示す断面図である。

[図 11C]図 11Cは、図 10Aの MRAMの製造工程を示す断面図である。

[図 11D]図 11Dは、図 10Aの MRAMの製造工程を示す断面図である。

[図 11E]図 11Eは、図 10Aの MRAMの製造工程を示す断面図である。

[図 12A]図 12Aは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の好適な配置を示す平面図である。

[図 12B]図 12Bは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の他の好適な配置を示す平面図である。

[図 12C]図 12Cは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域が図 12Bに図示されて V、るように配置されて、る場合における、好適な MRAMの構成を示す断面図である符号の説明

1:磁気記録層

2:トンネルバリア層

3:磁化固定層

4:反強磁性層

5:コンタクト層

6:ビア

7:配線

8:磁化反転領域

9、 10:スピン偏極電流注入領域

11、 13:ビア

12、 14:配線

15:下部電極

16:上部電極

17、 18、 27、 28:複合強磁性体領域

19、 20、 29、 30:複合非磁性体領域

21:強磁性結晶粒 22:非磁性粒界部

23:強磁性結晶粒

24:非磁性粒界部

25:強磁性結晶粒

26：強磁性非磁性複合結晶粒

31:基板

32:絶縁層

33:複合強磁性体膜

34:強磁性膜

35:絶縁膜

36:強磁性膜

37:反強磁性膜

38:金属導電膜

39:マスク

41:ビア

42:配線

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、添付の図面を参照して、本発明の好適実施形態について説明する。図において、同一又は類似する構成要素は、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

[0025] (第 1の実施形態）

図 1Aは、本発明の第 1の実施形態の MRAMのメモリセル 100の構成を示す断面図であり、図 1Bは、メモリセル 100の構成を示す平面図である。図 1Aに示されているように、メモリセル 100は、順次に積層された磁気記録層 1と、トンネルバリア層 2と、磁ィ匕固定層 3と、反強磁性層 4と、コンタクト層 5とを備えている。

[0026] 磁気記録層 1は、磁化反転領域 8と、スピン偏極電流注入領域 9、 10とを備えている。磁化反転領域 8は、その磁ィ匕の方向として 1ビットのデータを記憶する領域である。図 1Bに示されているように、磁化反転領域 8は、 X軸方向に長い形状を有しており、磁ィ匕反転領域 8の磁ィ匕は、 X軸方向に平行に向けられている。磁化反転領域 8は、磁気的にソフトな強磁性体で形成されており磁化反転領域 8の磁化は反転可能である。本実施形態では、磁化反転領域 8の磁化の方向が +x方向である状態がデータ「1 」に対応付けられ、磁化反転領域 8の磁化の方向が X方向である状態が、データ「0 」に対応付けられている。

[0027] スピン偏極電流注入領域 9、 10は、スピン偏極電流を磁化反転領域 8に面内方向に注入するために使用される領域であり、 Vヽずれも強磁性体で形成されて!ヽる。スピン偏極電流注入領域 9、 10は、磁ィ匕反転領域 8の両端に接合されている。スピン偏極電流注入領域 9、 10は、磁ィ匕反転領域 8に X軸方向において隣接しており、図 1B に示されているように、 X軸方向に長い形状を有している。スピン偏極電流注入領域 9 、 10の磁ィ匕の方向は、いずれも、磁ィ匕反転領域 8に向カゝぅ方向に向けて固定されている。具体的には、スピン偏極電流注入領域 9の磁ィ匕は、 +x方向に向けて固定されており、スピン偏極電流注入領域 10の磁ィ匕は、—X方向に向けて固定されている。その代わりに、スピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕の方向は、いずれも、磁化反転領域 8から離れる方向に向けて固定されてもよい。この場合、スピン偏極電流注入領域 9の磁ィ匕は、 X方向に向けて固定され、スピン偏極電流注入領域 10の磁ィ匕は、 +x方向に向けて固定される。スピン偏極電流注入領域 9は、ビア 11を介して配線 1 2に接続され、スピン偏極電流注入領域 10は、ビア 13を介して配線 14に接続されている。

[0028] 図 1Aを参照して、トンネルバリア層 2は、磁ィ匕反転領域 8と磁ィ匕固定層 3との間でトンネル電流を流すための薄い絶縁層である。トンネルバリア層 2は、典型的には、酸化アルミニウム (AIO )、酸化マグネシウム (MgO)で形成される。

[0029] 磁ィ匕固定層 3は、磁ィ匕が固定されている強磁性層である。磁ィ匕固定層 3は、磁気的にハードな強磁性体で、例えば、 CoFeで形成されている。図 1Bに示されているように、磁ィ匕固定層 3は、 X軸方向に長い形状を有しており、磁ィ匕固定層 3の磁ィ匕は、 X 方向に向けられている。磁化反転領域 8、トンネルバリア層 2、及び磁ィ匕固定層 3は、磁気トンネル接合 (MTJ)を構成しており、その磁気トンネル接合の抵抗は、磁化反転領域 8と磁化固定層 3の磁化の相対方向に依存して、る。 [0030] 図 1Aを再度に参照して、反強磁性層 4は、 IrMn等の反強磁性体で形成されており、磁ィ匕固定層 3に交換相互作用を及ぼすことによって磁ィ匕固定層 3の磁ィ匕を固定する。コンタクト層 5は、磁ィ匕固定層 3と、反強磁性層 4に電気的接続を提供すると共に、製造工程において磁ィ匕固定層 3と、反強磁性層 4を保護する役割を有している。コンタクト層 5は、典型的には、タンタルで形成される。コンタクト層 5は、ビア 6を介して配線 7に接続されている。

[0031] 磁ィ匕反転領域 8へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域 9又は 10から磁化反転領域 8にスピン偏極電流を注入することによって行われる。データ「 1」を書き込む場合、配線 12から配線 14に電流が流れるように、即ち、磁気記録層 1を +x方向に電流が流れるように、配線 12と配線 14の間に電圧が印加される。これにより、（磁ィ匕が +x方向に固定されて、る)スピン偏極電流注入領域 9から磁化反転領域 8にスピン偏極電流が注入される。注入されたスピン偏極電流によって磁化反転領域 8の磁壁が +x方向に押され、又は、磁化にトルクが作用され、磁化反転領域 8の磁化が +x方向に向けられる。これにより、データ「1」が磁気記録層に書き込まれる。一方、データ「0」を書き込む場合、（磁ィ匕が X方向に固定されて、る)スピン偏極電流注入領域 10から磁ィ匕反転領域 8にスピン偏極電流が注入される。これにより、磁ィ匕反転領域 8にの磁ィ匕が一 X方向に向けられる。

[0032] 磁ィ匕反転領域 8に記憶されているデータの読み出しには、 TMR効果が利用される。磁化反転領域 8、トンネルバリア層 2、及び磁化固定層 3で構成される磁気トンネル接合の抵抗は、 TMR効果により磁気記録層 1と磁ィ匕固定層 3の磁ィ匕の相対方向に依存して!/、る。磁化反転領域 8と磁化固定層 3の磁化が反平行 (anti-parallel)である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に高い抵抗を示し、磁化反転領域 8と磁ィ匕固定層 3の磁ィ匕が平行である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に低!ヽ抵抗を示す。磁気トンネル接合の抵抗の変化を検出することにより、磁気記録層 1に記憶されているデータが識別される。磁気トンネル接合の抵抗の変化は、磁気トンネル接合に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を測定することにより、又は、磁気トンネル接合に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を測定することにより識別可能である。 [0033] 第 1の実施形態のメモリセル 100の一つの特徴は、磁気記録層 1の磁化反転領域 8 力 NiFe、 CoFeのような金属強磁性材料と、当該金属強磁性材料よりもそれぞれ酸化物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合強磁性材料で形成されている点にある。金属強磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で磁化反転領域 8に存在している。金属強磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、磁ィ匕反転領域 8は強磁性を失うとともに、導電性を失ってしまうため好ましくない。金属強磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい非磁性材料を複合強磁性材料に混ぜることにより、非磁性材料を選択的に (又は、優先的に)酸化、窒化、又は炭化することができる。

[0034] 詳細には、磁化反転領域 8は、組成式が F MO、 F MN、又は F MCで表され

M M M

る材料で構成されている。ここで、 F は金属強磁性体材料を意味している。一方、 M

M

は、 F MOについては金属強磁性体 F よりも酸ィ匕物生成エネルギーが低い元素か

M M

らなる材料を意味し、 F MNについては金属強磁性体 F よりも窒化物生成エネル

M M

ギ一が低い元素力もなる材料を意味し、 F MCについては金属強磁性体 F よりも

M M

炭化物生成エネルギーが低、元素力もなる材料を意味して、る。

[0035] 金属強磁性体材料 F としては、鉄 (Fe)、コバルト（Co)、ニッケル (Ni)、ガドリゥム（

M

Gd)又はこれらの少なくとも 2の元素の合金（例えば、 CoFe、 NiFe)が使用され得る

[0036] 一方、非磁性材料 Mとしては、マグネシウム（Mg)、アルミニウム（A1)、シリコン（Si) 、ゲルマニウム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca) 、チタン (Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニゥム（Hf)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（ Ce)、イットリウム (Y)、ランタン (La)力選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料を使用できる。材料 Mとしては、タンタル、ジルコ- ゥム、ハフニウム、ァノレミ-ゥム、マグネシウム、チタン、リチウム、シリコン、ニオブなどは、強磁性元素と比較して、より酸化、窒化、炭化されやすく安定であり、特に、酸ィ匕物は絶縁性も高いので、特に好適である。 [0037] 図 2A乃至図 2Cは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域 8がとり得る微細構造を示す概念図である。非磁性材料 Mの組成が比較的に少ないとき、磁化反転領域 8は、金属強磁性体 F で形成された柱状結晶である強磁性結晶粒 21と、その

M

粒界に存在する MO、 MN、又は MCで形成された非磁性粒界部 22とで構成された微細構造を有している。一方、非磁性材料 Mの組成が比較的に多い場合には、磁化反転領域 8は、材料 Mを構成する元素の原子半径に応じた構造をとる。非磁性材料 Mを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体 F を構成する元素の原子半径よ

M

りも小さい場合には、図 2Bに示されているように、磁化反転領域 8は、金属強磁性体 F で形成された粒状結晶である強磁性結晶粒 23と、その粒界に存在する MO、 M

M

N、又は MCで形成された非磁性粒界部 24とで構成された微細構造を有している。一方、材料 Mを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体 F を構成する元素の原

M

子半径よりも大きい場合には、金属強磁性体 F のみで形成された柱状結晶である強

M

磁性結晶粒 25と、金属強磁性体 F と材料 Mとの酸化物、窒化物、又は炭化物で形

M

成された強磁性非磁性複合結晶粒 26とで構成される。これらの何れの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域 8は、金属強磁性体 F で形成された結晶粒を有して

M

いる。

[0038] 図 2A乃至図 2Cのいずれの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域 8に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。これは、少ない電流で磁化反転領域 8の磁ィ匕を反転させることを可能にする。例えば、磁化反転領域 8が、図 2Bに示されているように、金属強磁性体 F で形成された強磁性結晶粒 23と、その粒界に存在する M

M

O、 MN、又は MCで形成された非磁性粒界部 24とで構成された微細構造を有している場合には、図 3に示されているように、スピン偏極電流は、隣接した強磁性結晶粒 23が接触している部分のみを選択的に流れる。これは、酸化物、窒化物、又は炭化物で形成された非磁性粒界部 24は、絶縁体であるため電気抵抗が大き!/ヽからである。従って、磁ィ匕反転領域 8に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きヽ部分では磁化反転が起こりやすヽから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁化反転領域 8の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域 8の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域 8全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で形成された磁ィ匕反転領域 8は、小さなスピン偏極電流で磁ィ匕を反転させることができる。

[0039] 加えて、磁化反転領域 8への複合強磁性材料の使用は、磁化反転領域 8の磁化の反転に必要な反転磁場 Heそのものも小さくし、書き込みに必要な電流を減少させるという効果も奏する。複合強磁性材料で形成された磁気記録層では、非磁性材料 M の酸化物、窒化物、又は炭化物が存在することにより、金属強磁性体 F で形成され

M

た結晶粒が分断され、結晶粒の粒径が小さくなる。当業者に知られているように、（磁化反転領域 8が全体として強磁性を発現する範囲では)金属強磁性体 F の結晶粒

M

の粒径力、さくなると、反転磁場 Heも小さくなる。反転磁場 Heが小さくなることにより、磁化反転領域 8の磁化が反転しやすくなり、よって書き込みに必要な電流も小さくなる。

[0040] 一実施形態では、磁化反転領域 8は、金属強磁性体 F として CoFe、非磁性材料

M

Mとして Taが使用されている複合強磁性材料である（Co Fe ) Ta O膜で構成

90 10 85 15 x され得る。作製条件を最適化することにより、 Taのみが選択的に酸化されている（Co Fe ) Ta O膜を形成することが可能であり、そのような (Co Fe ) Ta O膜

90 10 85 15 x 90 10 85 15 x は、磁ィ匕反転領域 8を構成する複合強磁性材料として好適に使用可能である。

[0041] 発明者は、 (Co Fe ) Ta O膜を作成し、その電気的、磁気的特性の測定を行

90 10 85 15

つた。（Co Fe ) Ta O膜は、アルゴンガスと酸素ガスが混合されたスパッタリン

90 10 85 15

グガスを使用する反応性スパッタリングによって形成された。ターゲットの材料としては、（Co Fe ) Ta Oが使用された。スパッタリングガスにおける酸素ガスの分圧

90 10 85 15

を様々に変化させて (Co Fe ) Ta O膜が作製され、作製された (Co Fe ) T

90 10 85 15 χ 90 10 85 a O膜の電気的、磁気的特性が測定された。酸素ガスの分圧は、アルゴンガスに対

15

する酸素ガスの流量比 rO ZArで調節された。ここで、酸素ガスの流量比 rO /Ar

2 2 は、スパッタガスのうちの酸素ガスの流量を [O ] (sccm)、アルゴンガスの流量を [Ar

2

] (sccm)として下記式：

rO /Ar= [0 ],[Ar] , によって定義されるパラメータである。

[0042] 図 4A〜図 4Cは、測定された (Co Fe ) Ta O膜の電気的、磁気的特性を示

90 10 85 15

すグラフである。酸素ガスの流量比 rO ZArが 0. 2以上になると、図 4Aに示されて

2

いるように、（Co Fe ) Ta O膜の比抵抗が急激に増大し、また、図 4Bに示され

90 10 85 15

ているように、飽和磁化が急激に減少する。この結果は、酸素ガスの流量比 rO ZAr

2 が 0. 2未満である場合には、 Taのみが選択的に酸ィ匕され、 Co Fe が酸化されな

90 10

い状態で（Co Fe ) Ta O膜に存在していることを示唆している。このことは、 XP

90 10 85 15

S (X線光電子分析）によって (Co Fe ) Ta O膜に含まれるコバルトの酸化状態

90 10 85 15

を調べることによって裏付けられた。図 4Cは、 XPSによって得られた、 Co2pスぺタトル結果を示すグラフである。酸素ガスの流量比 rO ZArが 0. 13である条件で作製さ

2

れた (Co Fe ) Ta O膜では、金属コバルト Coに対応する結合エネルギーにお

90 10 85 15

いて、光電子強度のピークが見られた。一方、酸素ガスの流量比 rO ZAr

2 が 0. 54である条件で作製された (Co Fe ) Ta O膜では、酸ィ匕コノレト CoOに対応する結

90 10 85 15

合エネルギーにおいて、光電子強度のピークが見られた。このことは、酸素ガスの流量比 rO ZArが 0. 2未満である場合には、 Taのみが選択的に酸ィ匕され、 Coが酸ィ匕

2

されていないことを示している。 Taのみが選択的に酸化された（Co Fe ) Ta O

90 10 85 15 x 膜は、磁ィ匕反転領域 8を構成する複合強磁性材料として使用可能である。

[0043] 図 1Aに図示されているメモリセル 100では、磁気記録層 1の上にトンネルバリア層 2 、磁化固定層 3、及び反強磁性層 4が形成されているが、図 5Aに示されているように、反強磁性層 4、磁化固定層 3、及びトンネルバリア層 2の積層体の上に磁気記録層 1が形成されることも可能である。詳細には、図 5Aのメモリセル 100Aでは、下部電極 15の上に反強磁性層 4、磁化固定層 3、及びトンネルバリア層 2が順次に形成され、更に、磁ィ匕反転領域 8がトンネルバリア層 2と接合されるようにトンネルバリア層 2の上に磁気記録層 1が形成される。磁化反転領域 8の上には、上部電極 16が接合されるこのように構成されたメモリセル 100Aでは、図 1Aのメモリセル 100と同様に、磁化反転領域 8へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域 9又は 10から磁ィ匕反転領域 8にスピン偏極電流を注入することによって行われる。一方、磁化反転領域 8 に記憶されているデータの読み出しは、下部電極 15と上部電極 16との間に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を検出することによって、磁気トンネル接合の抵抗を識別することによって行われる。磁気トンネル接合の抵抗の識別は、下部電極 15と上部電極 16との間に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を検出することによって行われてもよ、。

[0045] (第 2の実施形態）

上述の複合強磁性材料で磁化反転領域 8を構成することの一つの問題は、複合強磁性材料が本質的に結晶性に劣るため、磁ィ匕反転領域 8とトンネルバリア層 2と磁ィ匕固定層 3とで構成される磁気トンネル接合の MR比が小さくなることである。これは、読み出し動作時の SN比を低下させるために好ましくない。第 2の実施形態では、磁気トンネル接合の MR比を向上させるための技術が提供される。

[0046] 図 6は、本発明の第 2の実施形態の MRAMのメモリセル 100Bの構成を示す断面図である。図 6のメモリセル 100Bでは、磁気記録層 1の磁化反転領域 8が、複合強磁性部 8aと、複合強磁性部 8aの上に形成された高 MR比強磁性部 8bとで構成される。複合強磁性部 8aは、第 1の実施形態で説明された複合強磁性材料で形成される。一方、高 MR比強磁性層 8bは、高い MR比を発現する金属強磁性材料、好適には、 CoFe、 CoFeBで形成される。トンネルノリア層 2は、高 MR比強磁性部 8bの上に形成されている。トンネルバリア層 2が酸ィ匕マグネシウム膜 (MgO)で形成される場合には、高 MR比強磁性層 8bがアモルファスの CoFeBで形成されることは特に好適である。高 MR比強磁性層 8bをアモルファスの CoFeBで形成することにより、その上にトンネルバリア層 2として形成される MgO膜の結晶性を良好にすることができる。

[0047] 図 6のメモリセル 100Bでは、磁化反転領域 8を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが概ね複合強磁性部 8aによって支配され、磁気トンネル接合の MR比が概ね高 MR比強磁性部 8bによって支配される;複合強磁性部 8aの磁ィ匕が反転すれば、それに直接に接合されてヽる高 MR比強磁性部 8bの磁化も反転することに留意されたい。したがって、図 6に図示されているメモリセル 100Bは、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合の MR比の向上とを、同時に実現することができる。 [0048] 図 7A及び図 7Bに示されているように、磁化反転領域 8が、複合強磁性部 8cと、金属強磁性部 8dとで構成されていることも好適である。複合強磁性体部 8cは、上述の複合強磁性材料で形成され、金属強磁性部 8dは、（複合強磁性材料よりも高い MR 比を発現する）金属強磁性体、例えば、 NiFe、 CoFe、 CoFeBで形成されている。複合強磁性体部 8cは、磁ィ匕反転領域 8の両端部に設けられている。言い換えれば、複合強磁性体部 8cは、金属強磁性部 8dの両端に接合されている。トンネルバリア層 2 は、金属強磁性部 8dの上に形成されている。

[0049] このような構成でも、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合の MR比の向上とを、同時に実現することができる。複合強磁性体層 8cの磁化の反転により、それに直接に接合されている金属強磁性部 8dの磁ィ匕の反転が誘起されるから、図 6Bの構成では、磁化反転領域 8を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが、概ね複合強磁性体層 8cによって支配される。一方、磁気トンネル接合の MR比は、概ね、複合強磁性材料よりも高い金属強磁性部 8dによって支配される。したがって、書き込みに必要なスピン偏極電流が有効に低減される一方で、磁気トンネル接合の MR比が有効に向上される。

[0050] 複合強磁性体部 8cが設けられる位置は、磁ィ匕反転領域 8の両端部には限られない。図 7Cに示されているように、トンネルバリア層 2の少なくとも一部が金属強磁性部 8d に接合されてヽる限りにおヽて、複合強磁性体部 8cが磁化反転領域 8の中間位置に設けられることも可能である。また、図 7Dに示されているように、磁化反転領域 8の一端にのみ合強磁性体部 8cが設けられることも可能である。

[0051] しカゝしながら、複合強磁性体部 8cが磁ィ匕反転領域 8の両端に設けられる構成は、下記の点で好適である。第 1に、複合強磁性体部 8cが磁ィ匕反転領域 8の両端に設けられていることにより、磁化反転のときに、磁壁を磁化反転領域 8の両端において最初に動かすことができる。これは、磁化反転領域 8に複数のドメインが発生することを有効に抑制する。第 2に、複合強磁性体部 8cが磁化反転領域 8の両端に設けられる構成は、磁壁を磁ィ匕反転領域 8の両端でピン止めし、磁壁を安定化させることを可能にする。 MRAMを安定的に動作させるためには、書き込み時における磁壁の移動力磁ィ匕が固定されているべきスピン偏極電流注入領域 9、 10に波及しないことが求められる。複合強磁性体部 8cが磁ィ匕反転領域 8の両端に設けられている構成は、磁化反転領域 8とスピン偏極電流注入領域 9、 10との間の磁気的結合を弱め、磁化反転領域 8の両端部において磁壁をピン止めする。このため、磁壁の移動がスピン偏極電流注入領域 9、 10に波及することを防ぎ、 MRAMの動作をより安定にする。

[0052] 図 8に示されているように、磁化反転領域 8が、複合強磁性体部 8cと、金属強磁性部 8dとに加えて、高 MR比強磁性部 8bを備えていることも好適である。高 MR比強磁性部 8bは、金属強磁性部 8dの上に形成され、トンネルバリア層 2は、高 MR比強磁性部 8bの上に形成される。高 MR比強磁性層 8bは、高い MR比を発現する金属強磁性材料、好適には、 CoFe、 CoFeBで形成される。このような構成は、一層に磁気トンネル接合の MR比を向上させるために好適である。

[0053] (第 3の実施形態）

図 9Aは、本発明の第 3の実施形態のメモリセル 100Dの構成を示す断面図である。本実施形態では、磁化反転領域 8が NiFeのような金属強磁性体で形成される一方、磁化反転領域 8と、スピン偏極電流注入領域 9、 10との間に、複合強磁性体領域 1 7、 18が設けられる。複合強磁性体領域 17、 18は、第 1の実施形態で説明されている複合

強磁性材料で形成される。

[0054] 複合強磁性体領域 17、 18は、第 2の実施形態の磁化反転領域 8の複合強磁性体部 8cとは異なり、それ自身の磁ィ匕の反転は起こさないように形成される。複合強磁性体領域 17の磁ィ匕は、スピン偏極電流注入領域 9の磁ィ匕と同一の方向に固定され、複合強磁性体領域 18の磁化は、スピン偏極電流注入領域 10の磁化と同一の方向に固定される。

[0055] このような構成のメモリセル 100Dは、複合強磁性体領域 17、 18の磁化反転が容易に起こることによって磁ィ匕反転領域 8の反転を促進するものではな、。しかしながら、複合強磁性体領域 17、 18は、磁化反転領域 8に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁化反転領域 8に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させる。したがって、複合強磁性体領域 17、 18を設けることにより、磁ィ匕反転領域 8の磁ィ匕を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。加えて、磁化反転領域 8が金属強磁性層で構成されていることにより、高い MR比を実現することができる。

[0056] 図 9Bに示されているように、複合強磁性体領域 17、 18の代わりに、複合非磁性体領域 19、 20が設けられてもよい。複合非磁性体領域 19、 20は、第 1の非磁性材料と、第 1の非磁性材料よりもそれぞれ酸ィ匕物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い第 2の非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合非磁性材料で形成される。第 1の非磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で複合強磁性体領域 17、 18に存在している。第 1の非磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、複合強磁性体領域 17、 18は、導電性を失ってしまうため好ましくない。第 1の非磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい第 2の非磁性材料を複合非磁性材料に混ぜることにより、第 2の非磁性材料を選択的に (又は、優先的に)酸化、窒化、又は炭化することができる。

[0057] 詳細には、複合非磁性体領域 19、 20は、組成式が N MO、 N MN、又は N M

M M M

Cで表される材料で構成されている。ここで、 N は第 1の非磁性材料を意味している

M

。一方、 Mは、 N MOについては第 1の非磁性材料 N よりも酸化物生成エネルギ

M M

一が低い元素力なる第 2の非磁性材料を意味し、 N MNについては第 1の非磁

M

性材料 N よりも窒化物生成エネルギーが低い元素力もなる材料を意味し、 N MC

M M

については第 1の非磁性材料 N よりも炭化物生成エネルギーが低い元素力なる

M

材料を意味している。

[0058] 第 1の非磁性材料 NMとしては、銅 (Cu)、銀 (Ag)、金 (Au)、白金 (Pt)、パラジゥム（Pd)、ルテニウム（Ru)、タンタル (Ta)、アルミニウム（A1)、オスミウム（Os)、チタン（Ti)、マンガン（Mn)、ロジウム（Rh)、イリジウム（Ir)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（ Ge)、鉛（Pb)、ガリウム（Ga)、ビスマス（Bi)、亜鉛（Zn)、アンチモン（Sb)のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用され得る。一方、第 2の非磁性材料 Mとしては、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1 )、シリコン（Si)、ゲルマニウム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン (Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニゥム（Zr)、ハフニウム（Hf)、タンタノレ (Ta)、ニオブ（Nb)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、イットリウム (Y)、及びランタン (La)のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの 2以上の元素で構成された材料が使用され得る。これらの材料は、非磁性元素の中でも、特に酸化、窒化、炭化されやすい性質を持つ。

[0059] このような複合非磁性材料で形成された複合非磁性体領域 19、 20を使用することにより、磁化反転領域 8に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁ィ匕反転領域 8に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることができる。したがって、複合非磁性体領域 19、 20を設けることにより、磁化反転領域 8の磁ィ匕を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。カロえて、磁化反転領域 8が金属強磁性層で構成されていることにより、高い MR比を実現することができる。

[0060] 図 10Aは、複合強磁性体領域 17、 18が設けられているメモリセル 100Dの、より現実的な構造を示す断面図である。図 10Aのメモリセル 100Dは、磁化反転領域 8とスピン偏極電流注入領域 9の間に複合強磁性体領域 17が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域 9の、磁化反転領域 8と反対側の端に複合強磁性体領域 27が設けられる。更に、磁化反転領域 8とスピン偏極電流注入領域 10の間に複合強磁性体領域 18が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域 10の、磁化反転領域 8と反対側の端に複合強磁性体領域 28が設けられる。

[0061] 図 11A乃至図 11Eは、図 10Aのメモリセル 100Dを形成するための好適な製造ェ程を示す断面図である。まず、図 11Aに示されているように、基板 31を被覆する絶縁層 32に、配線 12、 14とビア 11、 13とが形成され、更に、絶縁層 32の上にスピン偏極電流注入領域 9、 10が形成される。スピン偏極電流注入領域 9、 10は、強磁性体膜を絶縁層 32の全面に形成した後、形成された強磁性膜をフォトリソグラフィ一によつてパターンユングすることによって形成される。

[0062] 続、て、図 11Bに示されて、るように、上述の複合強磁性材料で形成された複合強磁性体膜 33が、絶縁層 32の全面に形成される。このときに形成する膜厚によって、最終的に形成されるべき複合強磁性体領域 17、 18の幅をナノメートル単位で容易に精密に制御することが可能である。これは、本形成方法が有する実用上の利点である。 [0063] 複合強磁性体膜 33の形成の後、図 11Cに示されているように、全面エッチバックが行われる。全面エッチバックにより、スピン偏極電流注入領域 9、 10の側面にのみ選択的に複合強磁性体膜 33が残され、複合強磁性体領域 17、 18、 27、 28が形成される。

[0064] 続いて、図 11Dに示されているように、強磁性膜 34、絶縁膜 35、強磁性膜 36、反強磁性膜 37、及び金属導電膜 38が順次に形成される。後述されるように、強磁性膜 34、絶縁膜 35、強磁性膜 36、反強磁性膜 37、及び金属導電膜 38は、それぞれ、後の工程によって磁化反転領域 8、トンネルバリア層 2、磁化固定層 3、反強磁性層 4 、及びコンタクト層 5にカ卩ェされる膜である。

[0065] 強磁性膜 34、絶縁膜 35、強磁性膜 36、反強磁性膜 37、及び金属導電膜 38の形成の後、図 11Eに示されているように、トンネルノリア層 2、磁化固定層 3、反強磁性層 4、及びコンタクト層 5に対応する部分を被覆するマスク 39がフォトリソグラフィ一によって形成される。続いて、マスク 39を用いてエッチングを行うことにより、絶縁膜 35、強磁性膜 36、反強磁性膜 37、及び金属導電膜 38がパターユングされ、磁化固定層 3、反強磁性層 4、及びコンタクト層 5が形成される。カロえて、強磁性膜 34のうち複合強磁性体領域 17、 18の間にある部分のみを選択的に残存させるように強磁性膜 34 をエッチングすることにより、磁化反転領域 8が形成される。このような製造工程により図 10Aに示されているメモリセル 100Dが形成される。また、マスク 39を形成する前に、 CPM (Chemical Mechanical Polishing)などによって全体を平坦ィ匕してもよい。その場合、エッチングされるべき残膜量がデバイス全体でより均一になり、接合部の形成をより高精度に行うことができるので好適である。

[0066] 図 7Aに図示されているメモリセル 100Cと、図 9Aに図示されているメモリセル 100 Dは構造としては同一であるから、上記の製造工程が図 7Aに図示されているメモリセル 100Cの形成に適用可能であることは、当業者には自明的であろう。

[0067] また、複合強磁性体膜 33の代わりに、上述の複合非磁性材料で形成された複合非磁性体膜を形成すれば、同一の製造工程によって、複合非磁性体領域 19、 20が設けられているメモリセル 100Dを形成することができる。この場合、図 10Bに示されているように、スピン偏極電流注入領域 9の、磁化反転領域 8と反対側の端に複合非磁性体領域 2

9が設けられ、更に、スピン偏極電流注入領域 10の、磁化反転領域 8と反対側の端に複合非磁性体領域 30が設けられる。

[0068] なお、第 1〜第 3の実施形態のいずれにおいても、磁気記録層 1における磁化反転領域 8とスピン偏極電流注入領域 9、 10の幾何学的な配置は、図 1に示されているような、磁化反転領域 8とスピン偏極電流注入領域 9、 10がー直線上に並んでいる配置に限定されない。例えば、図 12Aに示されているように、磁化反転領域 8が X軸方向に長く形成される一方で、スピン偏極電流注入領域 9、 10が y軸方向に長く形成されることも可能である。この場合、スピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕は、いずれも、 +y方向に固定される。その代わりに、スピン偏極電流注入領域 9、 10の磁化が、いずれも y方向に固定されることも可能である。このような構成は、スピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕の方向が同一であるため、製造工程においてスピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕を所望の方向に向けることが容易である。図 1Bの構成では、スピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕の方向が逆であることに留意されたい。

[0069] また、図 12Bに示されているように、スピン偏極電流注入領域 9、 10の両方が磁化反転領域 8の一方の端に接続されることも可能である。図 12Bの構成では、スピン偏極電流注入領域 9は、 +x方向に対して反時計回りに 120° の角度をなす +S方向に長く形成され、スピン偏極電流注入領域 10は、 +x方向に対して時計回りに 120 ° の角度をなす +T方向に長く形成される。スピン偏極電流注入領域 9の磁ィ匕 Mlは、一 S方向（即ち、磁化反転領域 8から離れる方向）に向けられ、スピン偏極電流注入領域 10の磁化 M2は、 +T方向（即ち、磁化反転領域 8から離れる方向）に向けられる。スピン偏極電流注入領域 9の磁化 Mlが + S方向（即ち、磁化反転領域 8に向かう方向）に向けられ、スピン偏極電流注入領域 10の磁化 M2がー T方向（即ち、磁ィ匕反転領域 8に向カゝぅ方向）に向けられてもよい。この場合、図 12Cに示されているように、磁ィ匕反転領域 8の他方の端には、ビア 41を介して配線 42が接続される。

[0070] 図 12Bに図示された構成の MRAMでは、データ「1」を書き込む場合、書き込み電流が配線 12から配線 42に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域 9から磁化反転領域 8に注入される。これにより、磁化反転領域 8の磁化が +x方向に向けられてデータ「1」が書き込まれる。一方、データ「0」を書き込む場合、書き込み電流が配線 14から配線 42に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域 10から磁化反転領域 8に注入される。これにより、磁化反転領域 8の磁化が X方向に向けられてデータ「1」が書き込まれる。

[0071] 図 12Bに図示されている構成の利点は、 y方向、又は、 +y方向に磁場を印加することによってスピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕を所望の方向に向けることができる点にある。これは、製造工程においてスピン偏極電流注入領域 9、 10の磁ィ匕を所望の方向に向けることを容易にするため好適である。

[0072] 図 12Cに図示されているように、スピン偏極電流注入領域 9、 10の両方が磁化反転領域 8の一方の端に接続される場合、複合強磁性体領域 17 (又は複合非磁性体領域 19)は、磁ィ匕反転領域 8の一方の端にしか設けられる必要がない。

産業上の利用可能性

[0073] 本発明は、スピン偏極電流を用いて磁ィ匕を反転させてデータを書き込む MRAM ( 磁気ランダムアクセスメモリ）において、スピン偏極電流の低減に有効である。

Claims

請求の範囲

[1] 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、

固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、

前記磁ィヒ反転領域と前記磁ィヒ固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、を具備し、

前記磁ィ匕反転領域の少なくとも一部は、

(a)酸化されて!ヽな!ヽ金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成ェネルギ一が低い非磁性材料の酸ィ匕物とが複合化された第 1複合強磁性材料、

(b)窒化されて 1ゝなゝ金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成ェネルギ一が低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第 2複合強磁性材料、及び

(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第 3複合強磁性材料

の!ヽずれかで形成されてヽることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。

[2] 前記金属強磁性材料として、鉄 (Fe)、コバルト（Co)、ニッケル (Ni)、及びガドリウム（Gd)からなる群から選択された 1種の金属、又は前記群力も選択された 2以上の元素の合金からなる強磁性材料が使用され、

前記非磁性材料として、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン（Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム (Hf)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、ィットリウム (Y)、及びランタン (La)力もなる群力も選択された元素の材料、又は、前記群力選択された 2種以上の元素力なる材料が使用される

ことを特徴とする請求項 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[3] 前記磁化反転領域は、

前記スピン偏極電流注入領域に前記面内方向において隣接し、且つ、前記複合強磁性材料で形成されて!、る複合強磁性部と、

前記複合強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高 MR比強磁性部と、

を備えたことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[4] 前記磁化反転領域は、

前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、

前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部と、

を備え、

前記複合強磁性部は、前記金属強磁性部と前記スピン偏極電流注入領域の間に設けられていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[5] 前記トンネルバリア層の少なくとも一部は、前記金属強磁性部に直接に接合されていることを特徴とする請求項 4に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[6] 前記磁化反転領域は、更に、

前記金属強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記金属強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高 MR比強磁性部を備えている

ことを特徴とする請求項 4に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[7] 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、スピン偏極電流注入領域と、前記磁ィ匕反転領域と前記スピン偏極電流注入領域との間に設けられた複合材料領域とを備える磁気記録層と、

固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、

前記スピン偏極電流注入領域は、前記複合材料領域を介して前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用され、

前記複合材料領域は、 (a)酸化されて!、な、第 1材料と、前記第 1材料よりも酸ィ匕物生成エネルギーが低ヽ第 2材料の酸化物とが複合化された第 1複合材料、

[8] 前記第 1材料は、強磁性材料であり、前記第 2材料は、非磁性材料であることを特徴とする請求項 7に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[9] 前記第 1材料として、鉄 (Fe)、コバルト（Co)、ニッケル (Ni)、及びガドリゥム (Gd) 力なる群力選択された金属、又は前記群力選択された 2以上の元素の合金からなる金属強磁性材料が使用され、

前記第 2材料として、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマ -ゥム（Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン（ Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム（H f)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、イットリウム (Y)、及びランタン (La)力もなる群力も選択された元素の材料、又は、前記群力選択された 2以上の元素力もなる材料が使用される

ことを特徴とする請求項 8に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[10] 前記第 1材料及び前記第 2材料の両方が、非磁性材料であることを特徴とする請求項 7に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

[11] 前記第 1材料として、銅 (Cu)、銀 (Ag)、金 (Au)、白金 (Pt)、パラジウム (Pd)、ルテ -ゥム（Ru)、タンタル (Ta)、アルミニウム（A1)、オスミウム（Os)、チタン (Ti)、マンガン（Mn)、ロジウム（Rh)、イリジウム（Ir)、シリコン（Si)、ゲルマニウム（Ge)、鉛（Pb )、ガリウム（Ga)、ビスマス (Bi)、亜鉛 (Zn)、及びアンチモン（Sb)力もなる群力も選択された元素の材料、又は前記群力選択された 2以上の元素力なる材料が使用され、

前記第 2材料として、マグネシウム（Mg)、アルミニウム (A1)、シリコン（Si)、ゲルマユウム (Ge)、リチウム（Li)、ベリリウム（Be)、バリウム（Ba)、カルシウム（Ca)、チタン（ Ti)、バナジウム（V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、ジルコニウム（Zr)、ハフニウム（H f)、タンタル (Ta)、ニオブ（Nb)、クロム（Cr)、モリブデン（Mo)、セリウム（Ce)、イットリウム (Y)、ランタン (La)力もなる群力も選択された元素の材料、又は、前記群から選択された 2以上の元素力もなる材料が使用される

ことを特徴とする請求項 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

基板の上方に第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域を形成する工程と、

前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域を被覆する複合材料膜を形成する工程と、

前記複合材料膜をエッチバックして、前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域の側面に複合材料領域を形成する工程と、

前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域及び前記複合材料領域を被覆する第 1 強磁性膜を形成する工程と、

前記第 1強磁性膜を被覆する絶縁膜を形成する工程と、

前記絶縁膜を被覆する第 2強磁性膜を形成する工程と、

前記第 2強磁性膜の上方に、前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域の間に位置するようにマスクを形成する工程と、

前記第 1強磁性膜、前記絶縁膜及び前記第 2強磁性膜を、前記絶縁膜及び前記第 2強磁性膜のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第 1強磁性膜のうち前記第 1及び第 2スピン偏極電流注入領域の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程と、

とを具備し、

前記複合材料膜は、

の!ヽずれかで形成されてヽることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法