(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともタンタルを含むシード層と、
少なくとも鉄を含む自由磁性層であって、前記シード層の上に成長し、垂直方向に磁化される、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層の上に形成された酸化マグネシウム（MgO）から成るトンネル障壁層と
、
鉄を含み、前記トンネル障壁層の上に形成された第２のインターフェース層と、
を含み、
前記シード層は、少なくとも８０％のタンタルを含み、前記自由磁性層は少なくとも１０％の鉄を含み、
前記シード層の厚さは、０.５ナノメートル（nm）から３ナノメートル（nm）までの範囲である、磁性層。
【請求項２】
少なくともタンタルを含むシード層と、
少なくとも鉄を含む自由磁性層であって、前記シード層の上に成長し、垂直方向に磁化される、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層の上に形成された酸化マグネシウム（MgO）から成るトンネル障壁層と
、
鉄を含み、前記トンネル障壁層の上に形成された第２のインターフェース層と、
を含み、
前記シード層は、少なくとも８０％のタンタルを含み、前記自由磁性層は少なくとも１０％の鉄を含み、
前記シード層の厚さは、０.５ナノメートル（nm）から３ナノメートル（nm）までの範囲である、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック。
【請求項３】
前記トンネル障壁層の上に成長した固定ピン留め層を更に含む、請求項２に記載のＭＴＪスタック。
【請求項４】
鉄を含み、前記シード層及び前記自由磁性層の間に形成された第１のインターフェース層を更に含む、請求項２に記載のＭＴＪスタック。
【請求項５】
前記自由磁性層はコバルト及びホウ素のうちの少なくとも一方を更に含む、請求項２に記載のＭＴＪスタック。
【請求項６】
前記自由磁性層の所定の厚さが約０.５ナノメートル（nm）から約１.５ナノメートル（nm）までの範囲である、請求項２に記載のＭＴＪスタック。
【請求項７】
前記シード層はタンタル及びマグネシウムを含み、前記マグネシウムは約０％から約５０％までの範囲のものである、請求項２に記載のＭＴＪスタック。
【請求項８】
前記シード層及び前記自由磁性層の間に鉄から形成された前記第１のインターフェース層は０.５ナノメートルよりも小さい所定の厚さを有する、請求項４に記載のＭＴＪスタ
ック。
【請求項９】
前記コバルトは前記自由磁性層の組成の約９０％よりも少ない、請求項５に記載のＭＴＪスタック。
【請求項１０】
前記ホウ素は前記自由磁性層の組成の約４０％よりも少ない、請求項５に記載のＭＴＪスタック。
【請求項１１】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを含むスピン・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置であって、
前記ＭＴＪスタックは、
少なくともタンタルを含むシード層と、
少なくとも鉄を含む自由磁性層と、
前記ＭＴＪスタックは、前記自由磁性層の上に形成された酸化マグネシウム（MgO）か
ら形成されたトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層の上に形成された鉄を含む第２のインターフェース層と、
を含み、
前記シード層は、少なくとも８０％のタンタルを含み、前記自由磁性層は少なくとも１０％の鉄を含み、
前記シード層の厚さは、０.５ナノメートル（nm）から３ナノメートル（nm）までの範囲であり、
前記自由磁性層は前記シード層の上に成長し、垂直方向に磁化される、スピン・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置。
【請求項１２】
前記ＭＴＪスタックは、前記シード層及び前記自由磁性層の間に形成された鉄を含む第１のインターフェース層を更に含む、請求項１１に記載のスピン・トルクＭＲＡＭ装置。    
【請求項１３】
前記自由磁性層は、コバルト及びホウ素のうちの少なくとも一方を更に含む、請求項１１に記載のスピン・トルクＭＲＡＭ装置。
【請求項１４】
多重層磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを含む、スピン・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置であって、
前記多重層磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックは、
各々が少なくともタンタルを含む複数個のシード層と、
少なくとも鉄を含む複数個の自由磁性層と、
を含み、前記複数個の自由磁性層の各自由磁性層は前記複数個のシード層の各シード層の上に成長し、垂直方向に磁化される、スピン・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置。
【請求項１５】
前記複数個のシード層における各シード層の所定の厚さは約０.２ナノメートルから約
２ナノメートルまでの範囲である、請求項１４に記載のスピン・トルクＭＲＡＭ装置。
【請求項１６】
前記複数個の自由磁性層の各自由磁性層はコバルト及びホウ素のうちの少なくとも一方を更に含み、０.２ナノメートルから約２ナノメートルまでの範囲の所定の厚さのもの
である、請求項１４に記載のスピン・トルクＭＲＡＭ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダム・アクセス・メモリに関し、特に、垂直異方性のためのシード層及び自由磁性層を有するスピン・トルク・メモリ用の最適化された素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン・トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置は、図１及び図２に示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックにおいてピン留め層、トンネル障壁層、及び自由層を含む、２つのターミナル・スピン・トルク・ベースのメモリ素子を使用する。例えば、図１において、ＭＴＪスタック１０は、ピン留め層１２、トンネル障壁層１４、及び自由磁性層１６を含む。ピン留め層１２の磁化は、或る方角に（例えば、図１に示されるように右向き水平方向に、又は図２に示されるように上向き垂直方向に）固定される。ＭＴＪスタック１０を上向きに流れる電流は自由磁性層１６をピン留め層１２に対して平行にさせ、一方、ＭＴＪスタック１０を下向きに流れる電流は自由磁性層１６をピン留め層１２に対して反平行にさせる。自由磁性層１６及びピン留め層１２の相対的配向に依存したその装置の抵抗を読むために、（どちらかの極性の）小さな電流が使用される。図１に示されるように、自由磁性層１６及びピン留め層１２は、高いスイッチング電流を導き得る磁化をその面内に生じさせる。
【０００３】
図２は、ピン留め層２２、トンネル障壁層２４、及び自由磁性層２６を含むＭＴＪスタック２の一例であり、その自由磁性層２６及びピン留め層２２の磁化は平面に対して垂直である。層２２及び２６は垂直方向の磁気異方性（ＰＭＡ）を有する。ＭＴＪスタック２０に関連した幾つかの問題点は、垂直方向の異方性を有する最小数の磁性素材が存在すること及びこれらの素材がスピン・トルクＭＲＡＭ装置の使用に関して基本的な問題点を有することである。例えば、或る素材は、ＭＴＪスタックのトンネル障壁層による低い磁気抵抗（ＭＲ）を有し、別の素材は、高温、例えば、５００℃で成長しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、垂直方向の磁気異方性（ＰＭＡ）を持ち、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックのトンネル障壁層により高い磁気抵抗（ＭＲ）を生じ、室温で成長し得る、最適な素材選択肢のＭＴＪスタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施例によれば、磁性層が提供される。その磁気層は、少なくともタンタルを含むシード層、及び少なくとも鉄を含む自由磁性層を含んでいる。その自由磁性層はシード層の上に成長し、垂直方向に磁化される。
【０００６】
本発明の１つの実施例によれば、ＭＴＪスタックが提供される。そのＭＴＪスタックは、少なくともタンタルを含むシード層、及び少なくとも鉄を含む自由磁性層を含んでいる。その自由磁性層はシード層の上に成長し、垂直方向に磁化される。
【０００７】
本発明の別の実施例によれば、スピン・トルク・ベースの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置が提供される。そのスピン・トルク・ベースのＭＲＡＭ装置は、タンタルを含むシード層、及び少なくとも鉄を含む自由磁性層を含んだＭＴＪスタックを含んでいる。その自由磁性層はシード層の上に成長し、垂直方向に磁化される。
【０００８】
本発明の更に別の実施例によれば、スピン・トルクＭＲＡＭ装置が提供される。そのスピン・トルク・ベースのＭＲＡＭは、各々がタンタルを含む複数個のシード層、及び少なくとも鉄を含む複数個の自由磁性層を含んだ多重層のＭＴＪスタックを含んでおり、複数個の自由磁性層の各自由磁性層は、複数個のシード層の各シード層の上にスタック状に成長し、垂直方向に磁化される。
【０００９】
更なる特徴及び利点が本発明の技術によって実現される。本発明の他の実施例及び実施態様が本明細書において詳細に記述され、「特許請求の範囲」に記載の発明の一部と考えられる。利点と特徴を備えた本発明をより良く理解するために、説明及び図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを示す概略図である。
【図２】従来の別の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを示す概略図である。
【図３】本発明の実施例に従って具現化し得るＭＴＪスタックのシード層及び自由磁性層を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例に従って具現化し得るトンネル障壁層を含む、図３に示されたＭＴＪスタックを示す概略図である。
【図５】本発明の実施例に従って具現化し得るＭＴＪスタックのシード層及び自由磁性層の間に形成された鉄の第１インターフェース素材層を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例に従って具現化し得るトンネル障壁層上に形成された鉄の第２インターフェース層を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例に従って具現化し得る多重層のＭＴＪスタックを示す概略図である。
【図８】本発明の実施例に従って具現化し得るＭＴＪスタックを含む磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）を示す概略図である。
【図９】自由磁性層の単位領域当たりの磁気モーメント及び自由磁性層の異方性フィールド（Hk）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に図３を参照すると、磁性層が提供される。図３示されるように、磁性層は少なくともタンタルを含むシード層１０２を含み得る。代替的には、シード層１０２はタンタル及びマグネシウム（Mg）を含み得る。この場合、Mgは組成の５０%未満である。磁性層は、更に、少なくとも鉄（Fe）を含む自由磁性層１０４を含んでいる。本発明の実施例によれば、自由磁性層１０４はシード層１０２の上に成長し、垂直方向に磁化される。本発明の実施例によれば、図３に示される磁性層は、例えば、図８に示されるようにＭＴＪスタック内に含まれ得る。本発明の実施例によれば、シード層１０２は少なくとも８０%のタンタルを含み、自由磁性層１０４は少なくとも１０%の鉄を含む。更に、シード層１０２は、約０.５ナノメートル（nm）から約３ナノメートル（nm）までの範囲の所定の厚さのものである。
【００１２】
本発明の実施例によれば、自由磁性層１０４は、更に、コバルト（Co）及びホウ素（B）のうちの少なくとも一方を含み得る。従って、例えば、自由磁性層は、CoFeBを含み得る。CoFeBは種々の組成のものでよい。CoFeBの組成は、例えば、Coを６０%、Feを２０%、及びBを２０%含み得る。本発明の実施例によれば、Coは、自由磁性層１０４の組成の約９０%未満である。Feの組成範囲は１０%及び１００%の間であり、Bは自由磁性層１０４の組成の約４０%未満である。本発明は、CoFeBの使用に限定されないし、他の適切な要素を利用し得る。本発明の実施例によれば、自由磁性層１０４の所定の厚さは、約０.５ナノメートル（nm）から約１.５ナノメートル（nm）までの範囲である。
【００１３】
本発明は、スピン・トルク切替えＭＴＪの集積メモリ・アプリケーションのために必要な切換特性を提供する最適なＭＴＪスタックの素材選択の例を開示する。例えば、本発明の１つの実施例によれば、自由磁性層１０４は高い磁気抵抗（MR）を有する。本発明の別の実施例によれば、自由磁性層１０４は体心立方（BCC）構造におけるものである。本発明の別の実施例によれば、自由磁性層１０４はＬ１０結晶構造（即ち、フェーズ）におけるものではない。
【００１４】
本発明の実施例によれば、トンネル障壁層は、自由磁性層１０４の上に形成され、次に図４を参照して説明されるであろう。図４に示されるように、トンネル障壁層１０６は自由磁性層１０４の上に形成される。トンネル障壁層１０６は、例えば、酸化マグネシウム（MgO）から形成される。トンネル障壁層１０６はＭＴＪスタックに異方性を付加する。本発明の別の実施例によれば、固定ピン留め層１０７がトンネル障壁層１０６の上に成長し得る。
【００１５】
更に、本発明の最新の実施例によれば、インターフェース層は、図５に示されるように、シード層１０２及び自由磁性層１０４の間に成長し得る。図５では、Feの薄い層を含むインターフェース層１０８が提供される。本発明の実施例によれば、インターフェース層１０８は、０.５ナノメートル（nm）未満の所定の厚さに作られる。本発明の実施例によれば、シード層１０２は、約２ナノメートル（nm）のタンタルを含み得るし、インターフェース層１０８は約０.３ナノメートル（nm）の鉄を含み得るし、自由磁性層１０４は約０.７ナノメートルの（nm）のCoFeBを含み得る。本発明の実施例によれば、インターフェース層１０８が第１のインターフェース層となり得る。更なるインターフェース層（例えば、第２のインターフェース層）が、図６を参照して後述されるようにＭＴＪスタックに含まれ得る。
【００１６】
図６に示されるように、本発明の別の実施例によれば、Feの薄い層から形成された第２のインターフェース層１１０が、自由層トンネル障壁層インターフェースの異方性に付加するために提供され得る。第２のインターフェース層１１０は、約０.５ナノメートル（nm）以下の所定の厚さのものとなり得る。本発明の実施例によれば、ＭＴＪスタック１００は、約２ナノメートル（nm）のTaのシード層１０２、約０.３ナノメートル（nm）のFeの第１のインターフェース層、約０.７ナノメートル（nm）のCoFeBの自由磁性層、 MgOトンネル障壁層、及び約０.５ナノメートル（nm）のFeの第２のインターフェース層１１０を含み得る。図４に示された層１０７のような固定ピン留め層が第２のインターフェース層１１０の上に成長し得る。ピン留め磁性層が、例えば、Co|Pd又はCo|Pt多重層から形成され得る。ピン留め磁性層は、Pt又はパラジウム（Pd）の少なくとも一方、及びCoFe又はコバルト（Co）の少なくとも一方から形成され得る。
【００１７】
本発明の実施例によれば、図７を参照して以下で説明されるように、更に厚い垂直方向の磁性層が望ましい場合、多重層のＭＴＪスタックが本発明の実施例において具現化され得る。図７において、例えば、各々がタンタルを含む複数個のシード層１０２が設けられる。更に、複数個の自由磁性層１０４も設けられる。複数個の自由磁性層１０４の各自由磁性層１０４が、複数個のシード層１０２の各シード層１０２の上にスタック状に成長する。複数個の自由磁性層１０４の各自由磁性層１０４が垂直方向に磁化される。本発明の実施例によれば、複数個のシード層１０２の各シード層１０２は、約０.２ナノメートル（nm）から約２ナノメートル（nm）までの範囲における所定の厚さである。複数個の自由磁性層１０４の各自由磁性層１０４は少なくとも鉄を含む。その層１０４は、更に、例えば、コバルトおよびホウ素の少なくとも一方を含み得るし、例えば、層１０４はCoFeBを含み得る。多重層スタックは図示のように２つよりも多くの自由磁性層１０４を含み得る。シード層１０２はタンタル・マグネシウムを含み得るし、その組み合わせは、約２.０ナノメートル（nm）のTaMg|{０.６nmのFe|０.３nmのTaMg}x Ｎ|０.６nmのFeから形成され得る。この場合、Ｎは正の整数である。
【００１８】
図８は、本発明の実施例において具現化され得る複数個のＭＴＪスタックを有するスピン・トルク・ベースの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置を示す概略図である。図８に示されたように、スピン・トルク・ベースのＭＲＡＭ装置２００は複数個のＭＴＪスタック２０５を含む。本発明の実施例によれば、ＭＴＪスタック２０５は、図３〜図７に示されるようなＭＴＪスタック素材を含む。各ＭＴＪスタック２０５はトランジスタ２１０に直列に接続される。各ＭＴＪスタック２０５及びトランジスタ２１０は、ビット・ライン２１５及びビット・ライン補完体２２０の間に接続される。更に、各トランジスタ２１０はそれのゲートにおいてワード線２２５に接続される。書込みオペレーション中、スピン極性化電子が、自由磁性層の極性を切換え得るトルクをＭＴＪスタック２０５の自由磁性層上に与える。読取りオペレーション中、ＭＴＪスタック２０５の抵抗／論理状態を検知するために電流が使用される。各トランジスタ２１０は、それぞれのＭＴＪスタック２０５を通って電流を流れさせるように読取りオペレーション及び書込みオペレーションの両方において切換えられるので、論理状態が読取られ又は書込まれ得る。
【００１９】
図９は、自由磁性層の単位面積当たりの磁気モーメント及び自由磁性層の異方性磁界（Hk）を示すグラフである。異方性磁界Hkは、平面に向けたモーメントを強制するために必要な面内磁場である。実線３００は、モーメント及び異方性の積に比例する一定の活性化エネルギを示す。自由磁性層１０２の厚さは磁気モーメントを変化させ、直接それに影響を及ぼし得る。例えば、各々がＭＴＪスタックを表わす複数個の形状３０５〜３２５は種々の厚さの自由磁性層を有する。例えば、形状３０５は、２０nmのTa|Ｘnmの CoFeB|１０nmのMgO|３nmのFe|５０nmのTaN を有するＭＴＪスタックを表わす。但し、Ｘnmは、８、９、又は１０nmに等しい。形状３１０は、２０nmのTa|２nmのFe|ＸnmのCoFeB|１０nmのMgO|３nmのFe|５０nmのTaN の組成を有するＭＴＪスタックを表わす。但し、Ｘnmは、７、８、又は９nmに等しい。形状３１５は、２０nmのTa|３nmのFe|ＸnmのCoFeB|１０nmのMgO|３nmのFe|５０nmのTaN の組成を有するＭＴＪスタックを表わす。但し、Ｘnmは、６、７又は８nmに等しい。形状３２０は、２０nmのTa|３nmのFe|ＸnmのCoFeB|３nmのTa|３nmのFe|６nmのCoFeB|１０nmのMgO|３nmのFe|５０nmのTaNの組成を有するＭＴＪスタックを表わす。但し、Ｘnmは、６又は８nmに等しい。形３２５は、２０nmのTa|３nmのFe|３nmのCoFeB|３nmのFe|３nmのTa|３nmのFe|６nmのCoFeB|１０nmのMgO|３nmのFe|５０nmのTaNの組成を有するＭＴＪスタックを表わす。本発明の実施例によれば、図９に示されるように、自由磁性層１０４の厚さが増加するので、モーメントが増加する。本発明のこれらの例では、MgOトンネル障壁層１０６の上の３nmのFe層は非磁性層であり、自由磁性層１０４（それはMgOトンネル障壁層１０６の酸化条件に依存する）の上に正確なＰＭＡを得るために使用される。本発明の別の実施例によれば、３nmのFe層の上にCo|Pd又はCo|Pt多重層を有するＭＴＪスタックが提供され得る。
【００２０】
本発明の実施例のＭＴＪスタック素材は、垂直の磁気異方性（ＰＭＡ）を有し、ＭＴＪスタックのトンネル障壁層による高い磁気抵抗（ＭＲ）をもたらし、室温で成長することができる。例えば、そのＭＴＪスタック素材は、タンタルを含むシード層及び少なくとも鉄を含む自由磁性層を含んでいる。
【００２１】
本明細書で使用される用語は、特定の実施例だけを説明するためのものであり、本発明の技術的範囲を限定することを意図しない。更に、用語「含む」又は「含み」は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、整数、ステップ、オペレーション、要素、及び／又は、コンポーネントの存在を含めるが、１つ又は複数個の他の特徴、整数、ステップ、オペレーション、要素、及び／又は、それらのグループの存在又は追加を妨げない。
【００２２】
「特許請求の範囲」の記載におけるすべての手段又はステップ及び機能要素の対応する構造、素材、行為、及びそれらの均等物は、「特許請求の範囲」において特定的に記載された他の要素と組み合わせてその機能を遂行するための任意の構造、素材、又は行為を含むことを意図するものである。本発明に関する記述は、図解及び説明を目的として与えられたが、包括的であること及び開示された形態の発明に限定されることを意図しない。本発明の技術的範囲及び趣旨から逸脱することのない多くの修正及び変更が当業者には明らかであろう。本実施例は、本発明の原理及び実用的応用例を最良に説明するために、及び期待される特定の用途に適するように種々の修正を用いた種々の実施例に関して当業者が本発明を理解することを可能にするために、選択及び説明された。
【００２３】
添付図面に示された流れ図は単なる一例である。本発明の趣旨から逸脱することなく、この流れ図及び本明細書に記述されたステップ（又は、オペレーション）に対する多くの変更が存在し得る。例えば、それらのステップは異なる順序で遂行され得るし、或いは、ステップが追加、削除、又は修正され得る。これらの変更はすべて「特許請求の範囲」に記載された発明の一部と考えられる。
【００２４】
本発明に対する好ましい実施例を説明したが、現在及び将来の当業者が、「特許請求の範囲」の技術的範囲内にある種々の改良及び補強を行ない得るということは当然である。これらの「特許請求の範囲」の記載は、当初記載された発明に対する適切な保護を維持するよう解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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