(57)【要約】合成反強磁性（ＳＡＦ）構造は、第１の強磁性層（２１０）、第１の挿入層（２０８）、結合層（２０６）、第２の挿入層（２０４）、および第２の強磁性層（２０２）を含む。挿入層は、ＳＡＦが反強磁性結合強度の温度依存性の低減を発揮するように選択された材料を含む。挿入層は、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＸ合金を含んでもよい。挿入層（２０８、２０４）の厚みは、一軸異方性を増大させない、あるいは他の特性を劣化させないように選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成反強磁性（ＳＡＦ）構造であって、
下部強磁性層と、
前記下部強磁性層上に形成された第１の挿入層と、
前記第１の挿入層上に形成された結合層と、
前記結合層上に形成された第２の挿入層と、
前記第２の挿入層上に形成された上部強磁性層と、
を備え、
前記下部強磁性層は第１のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第１の挿入層は第２のＨｓａｔの温度係数を有し、前記上部強磁性層は第３のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第２の挿入層は第４のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第２のＨｓａｔの温度係数は第１のＨｓａｔの温度係数より低く、前記第４のＨｓａｔの温度係数は前記第３のＨｓａｔの温度係数より低い、構造。
【請求項２】
前記第１の挿入層と前記第２の挿入層のうち少なくとも１つがＣｏＦｅを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記第１の挿入層と前記第２の挿入層のうち少なくとも１つが約９パーセント（９％）を超える鉄を含む、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記第１の挿入層と前記第２の挿入層のうち少なくとも１つがＣｏＦｅＸを含み、Ｘはボロン、タンタル、ジルコニウム、およびニッケルから成る群から選択される、請求項１に記載の構造。
【請求項５】
前記第１の挿入層と前記第２の挿入層のうち少なくとも１つがＣｏＦｅＢを含み、Ｆｅは約９％を超え、Ｂは約９％を超える、請求項４に記載の構造。
【請求項６】
前記第１の挿入層は約１０Å未満の厚みを有し、前記第２の挿入層は約１０Å未満の厚みを有する、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記下部強磁性層および前記上部強磁性層は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）とコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）から成る群から選択される、請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記下部強磁性層は約２５Åを超える厚みを有し、前記第２の強磁性層は約２５Åを超える厚みを有する、請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記結合層はルテニウム、クロミウム、バナジウム、モリブデンなど、およびそれらの合金を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記第１の挿入層または前記第２の挿入層のうち少なくとも１つは、メモリ装置が酸化浸食を減らし、ひいてはビット抵抗の増大を減らす材料から選択される、請求項１に記載の構造。
【請求項１１】
約３０  Ｏｅ未満の一軸異方性（Ｈｋ）を提供するようにさらに構成される、請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
前記第１の挿入層はコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含み、前記第２の挿入層はコバルト−鉄（ＣｏＦｅ）を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
自由層合成反強磁性構造の形成方法であって、
下部強磁性層を形成すること、
前記下部強磁性層上に第１の挿入層を形成すること、
前記第１の挿入層上に結合層を形成すること、
前記結合層上に第２の挿入層を形成すること、
前記第２の挿入層上に上部強磁性層を形成すること、
を含み、
前記下部強磁性層は第１のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第１の挿入層は第２のＨｓａｔの温度係数を有し、前記上部強磁性層は第３のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第２の挿入層は第４のＨｓａｔの温度係数を有し、前記第２のＨｓａｔの温度係数は前記第１のＨｓａｔの温度係数より低く、前記第４のＨｓａｔの温度係数は前記第３のＨｓａｔの温度係数より低い、方法。
【請求項１４】
前記第１の挿入層を形成するステップは、ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅから成る群から選択された材料の層を形成することを含み、前記第２の挿入層を形成するステップは、ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅから成る群から選択された材料の層を形成することを含み、前記第１の挿入層の鉄含有量は約９％を超え、前記第２の挿入層の鉄含有量は約９％を超える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の挿入層の鉄含有量は約２５％未満で、前記第２の挿入層の鉄含有量は約２５％未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の挿入層を形成するステップは、約１０Å未満の厚みを有する層を形成することを含み、前記第２の挿入層を形成するステップは、約１０Å未満の厚みを有する層を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記前記下部強磁性層および前記上部強磁性層を形成するステップは、約２５Åを超える厚みを有するＮｉＦｅ層を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記前記下部強磁性層および前記上部強磁性層を形成するステップは、約２５Åを超える厚みを有するＣｏＦｅＢ層を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して磁気抵抗装置構造、特に、改良された合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を有する磁気抵抗装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル、磁気センサ、読取りヘッドなどの磁気−電子装置は、最近開発された磁気抵抗材料から大信号が利用可能なため、近年人気を高めてきている。ＭＲＡＭは、不揮発性記憶、放射線抵抗性、高速読取および書込作業、他の不揮発性メモリよりもずっと優れた耐久性などの利点を有する。上記装置は通常、１つまたはそれ以上の非磁性体層によって分離される複数の強磁性層を含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造（すなわち「スタック」）を組み込む。典型的なＭＴＪスタックは、２つの合成反強磁性体（ＳＡＦ）、すなわち自由層ＳＡＦおよび固定ＳＡＦを含むことができる。
【０００３】
上記ＳＡＦは温度に依存する。すなわち、ＳＡＦの磁気特性は、装置が動作する温度範囲を制限する周囲の熱環境に大きく依存する。たとえば、通常、温度で測定されるＮｉＦｅ  ＳＡＦの飽和磁界Ｈｓａｔによって表わされる反強磁性結合強度は、温度が約０．４％／℃の割合で増加するにつれて低下する。飽和磁界Ｈｓａｔは、互いに平行なＳＡＦにおける２つの強磁性層のモーメントを一致させるのに必要な磁界として定義される。Ｈｓａｔは、ビットの最低切替磁界とビットの動作範囲の上限との両方を判定する重要なパラメータであるため、この低下は可逆的ではあるが、上昇した温度での動作ウィンドウの低減につながる。
【０００４】
材料の一軸異方性Ｈｋも、ビットの切替磁界と動作ウィンドウのサイズに影響を及ぼす。したがって、ＳＡＦ材料は、最適な一軸異方性のためにも選択されねばならない。大きな形状異方性を有するＭＲＡＭ装置の場合、切替磁界を低く、動作ウィンドウを大きく保つため、材料の異方性を最小限に保つことが望ましい。材料の一軸異方性は、困難軸に沿った材料の磁気モーメントを飽和させるのに十分な磁界として表わされる。
【０００５】
ＳＡＦは、高い処理温度または動作温度での長時間から生じる装置の抵抗性の増大にも寄与する。抵抗性の増大は主に、パターンビットの縁部周囲のＳＡＦ材料の熱活性酸化による。酸化浸食は、ビット境界が非導電性となりＭＴＪの領域を効果的に低減するため、ＭＴＪの抵抗性の増大につながる。この作用は、小さなＭＴＪビットでのより大きい相対抵抗の増大を引き起こす。したがって、酸化浸食作用を低減することは、パターンビットの抵抗性の増大を少なくし、異なるサイズのビット間の差異を小さくし（スケーリングの向上）、高温処理を可能にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、より優れた高温処理と低減された酸化浸食からのスケーリング抵抗性とを有するＭＴＪスタックを提供することが望ましい。強磁性層の低い一軸異方性を保持することが通常望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の望ましい特性と特徴は、添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な説明と添付の請求項および上記の技術分野と背景技術から明らかになるであろう。
詳細な説明と請求項を参照し、以下の図面と組み合わせて検討することによって、本発明の理解が深められるであろう。同様の参照番号は、図面全体を通じて同様の構成要素を指す。
【０００８】
以下の詳細な説明は単に性質を例示するものであって、本発明または本発明の用途や使用を限定することを目的としていない。さらに、上述の技術分野、背景技術、要約、または以下の詳細な説明で明示的または暗示的に提示される理論に縛られることを意図しない。
【０００９】
本発明は、機能および論理のうちの少なくとも一つ上のブロック構成要素および様々な処理ステップの観点から本明細書で説明することができる。上記ブロック構成要素は、特定の機能を実行するように構成された任意数のハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェア構成要素のうちの少なくとも一つによって実現され得ると理解すべきである。説明を簡潔にするため、従来の半導体処理に関係する技術（たとえば、物理的な蒸着、イオンビーム蒸着など）および従来の磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、本明細書には詳細に説明していない場合がある。多くの代替または追加の機能的関係または物理的関係は、実際的な実施形態に存在することに留意しておくべきである。
【００１０】
概して、一実施形態に係る自由層合成反強磁性（ＳＡＦ）構造は、上部強磁性層および下部強磁性層（たとえば、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅＢを含む）と併せて結合層の両面にＣｏＦｅ挿入層およびＣｏＦｅＢ挿入層のうちの少なくとも一つを組み込む。
【００１１】
より具体的には、図１を参照すると、本発明を説明する際に有効な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）１００は通常、上部電極１０１、自由層合成反強磁性体（すなわち、「ＳＡＦ」）１０２、固定ＳＡＦ１０６、ＳＡＦ１０６からＳＡＦ１０２を分離する誘電体層（たとえば、ＡｌＯｘ）１０４、反強磁性固定層１０８、テンプレート層１１０、シード層１１２、および第２の電極（すなわち「ベース電極」）１１４を含む。既知なように、自由層ＳＡＦ１０２の配向は、固定ＳＡＦ１０６（固定層１０８により固定される）に対して平行から逆平行に切り替えることによって、メモリ装置と組み合わせて記憶および読出を行うことが可能な２つの抵抗状態を設定することができる。ＭＴＪ１００の一般的構造および動作は当該技術において既知であるので、本明細書では詳細に説明する必要はない。
【００１２】
図２を参照すると、一実施形態に係る典型的な自由層ＳＡＦ１０２は通常、下部強磁性層（すなわち「ＦＭ層」）２１０、挿入層（すなわち「ＩＬ−Ｙ」）２０８、結合層（すなわち「スペーサ」）２０６、第２の挿入層（すなわち「ＩＬ−Ｘ」）２０４、および最上のＦＭ層２０２を含む。
【００１３】
挿入層２０４および２０８（それぞれＩＬ−Ｘ、ＩＬ−Ｙ）は、所望の温度依存性と一軸異方性を提供する、現在既知な、または今後開発される任意の材料を含むことができる。一実施形態では、ＩＬ−Ｘ２０４もＩＬ−Ｙ２０８も、ボロンを含有する金属合金、たとえば、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）化合物を含む。ＩＬ−Ｘ２０４およびＩＬ−Ｙ２０８が異なる材料を含むことが有利なことが、本発明者らによって発見されている。一実施形態では、たとえば、ＩＬ−Ｙ２０８はＣｏＦｅで、ＩＬ−Ｘ２０４はＣｏＦｅＸ、ただし、Ｘはボロン、タンタル、ジルコニウム、ニッケルなどである。
【００１４】
一実施形態によると、ＩＬ−ＸはＣｏＦｅＢを含み、ＩＬ−ＹはＣｏＦｅを含む。いずれの場合も、Ｆｅの原子百分率は約９％を超え、好ましくは、９％〜２５％である。さらなる実施形態では、ＩＬ−Ｘは、約９％を超えるボロンを含む。
【００１５】
特定の実施形態では、ＩＬ−Ｘ２０４とＩＬ−Ｙ２０８の両方が、約１０Å未満の厚みを有する。ただし、本発明はそのように限定されず、ＭＴＪスタックにおける各種層の厚みは、所望の電気特性または磁気特性に応じて選択することができると理解される。より一般的には、ＭＴＪスタックの層は、好適なレベルの磁気歪に達するように調整可能であることが既知である。
【００１６】
結合層２０６は、磁気抵抗デバイスに関連して従来使用されてきた様々な材料のいずれでも含むことができる。一実施形態では、たとえば、結合層２０６は、約８Å〜２５Åの厚みを有するルテニウムの層である。ただし、ロジウム、クロミウム、バナジウム、モリブデンなど、および、ルテニウム−タンタルなどのそれらの合金を含む、多数の他の材料も使用することができる。
【００１７】
ＦＭ層２０２および２１０は、任意の適切な強磁性材料を含むことができる。一実施形態では、たとえば、ＦＭ層２０２およびＦＭ層２１０は、約２５Åを超える厚みのＮｉＦｅ層である。別の実施形態では、ＦＭ層２０２および２１０のうち１つまたはそれ以上は、約２５Åを超える厚みを有するＣｏＦｅＢを含む。
【００１８】
ＩＬ−Ｘ２０４、ＩＬ−Ｙ２０８、ＦＭ層２０２、ＦＭ層２１０、および結合層２０６は、当該技術において既知の様々な従来技術を用いて形成することができる。適切な蒸着方法は、たとえば、物理的蒸着やイオンビーム蒸着などである。
【００１９】
上述したように、ＳＡＦ１０２は、Ｈｓａｔの低温度依存性を発揮することが有利である。図３を参照すると、Ｈｓａｔは通常、温度と逆に（だが、非線形に）変動し、温度が上昇すると単調に減少する。２つの曲線が示されている。一方（曲線３０２）は比較的高い温度係数に相当し、他方（曲線３０４）は比較的低い温度係数に相当し、Ｈｓａｔは正規化数として示される。Ｈｓａｔは、通常１／Ｔ依存性を表すことが、本発明者らによって観察された。任意の地点でのＨｓａｔ曲線の勾配（ｄＨｓａｔ／ｄＴ）が、その動作温度での温度係数である。図示されるように、曲線３０４は曲線３０２よりも「平坦な」勾配を有するため、図示される範囲での温度係数は曲線３０２での温度係数よりも低い。ＳＡＦ装置の動作温度は、用途や周囲温度などに応じて変動するが、通常は最悪の場合でも、−４０℃〜１７５℃で、より典型的には０℃〜８５℃の範囲である。これに関連して、特定の層を指すため本明細書で使用される用語「Ｈｓａｔの温度係数」は、すべての層２０２、２０４、２０８、および２１０に対して用いられる材料が同じであった場合、ＳＡＦ１０２に関して、所与の動作温度範囲内のＨｓａｔの平均温度係数を意味する。ＳＡＦ１０２のＨｓａｔ温度依存性は、挿入層ＩＬ−Ｘ２０４およびＩＬ−Ｙ２０８に対して使用される材料によって制御されることが、本発明者らによって観察された。よって、一実施形態によると、下部ＦＭ層２１０は第１のＨｓａｔの温度係数を有し、ＩＬ−Ｙ２０８は第２のＨｓａｔの温度係数を有し、ＦＭ層２０２は第３のＨｓａｔの温度係数を有し、ＩＬ−Ｘ層２０４は第４のＨｓａｔの温度係数を有し、第２のＨｓａｔの温度係数は第１のＨｓａｔの温度係数より低く、第４のＨｓａｔの温度係数は第３のＨｓａｔの温度係数より低い。
【００２０】
さらに、ＩＬＸおよびＩＬＹのうちの１つがＣｏＦｅＸ合金であり、Ｘがボロン、ジルコニウム、タンタル、ニッケルなどのうちの１つであるとき、酸化浸食が低減される（すなわち、ＳＡＦ１０２のスケーリング抵抗性が向上する）ことが、本発明者らによって観察された。
【００２１】
上述したように、所望の磁気特性、たとえば、形状異方性によって主に決定される総一軸異方性を有するデバイスに必要な低い一軸異方性（Ｈｋ）を維持しつつ、ＳＡＦの温度依存性とスケーリング抵抗性を低減することが望ましい。本明細書に記載される構造は、約３０  Ｏｅ未満のＨｋと、向上した温度依存性およびスケーリング抵抗性とを発揮することが分かった。さらに、Ｈｓａｔの温度依存性を向上させることによって、ＳＡＦの切替電流および動作電流の温度依存性を向上させることができる。
【００２２】
要約すると、下部強磁性層と、下部強磁性層上に形成された第１の挿入層と、第１の挿入層上に形成された結合層と、結合層上に形成された第２の挿入層と、第２の挿入層上に形成された上部強磁性層とを含み、下部強磁性層が第１のＨｓａｔの温度係数を有し、第１の挿入層が第２のＨｓａｔの温度係数を有し、上部強磁性層が第３のＨｓａｔの温度係数を有し、第２の挿入層が第４のＨｓａｔの温度係数を有し、第２のＨｓａｔの温度係数が第１のＨｓａｔの温度係数より低く、第４のＨｓａｔの温度係数が第３のＨｓａｔの温度係数より低い合成反強磁性構造が記載されている。
【００２３】
一実施形態では、第２の挿入層はＣｏＦｅＸを含み、Ｘはボロン、タンタル、ジルコニウム、およびニッケルから成る群から選択される。特定の実施形態では、第２の挿入層は、ボロンの原子濃度が約９％を超えるＣｏＦｅＢを含む。別の実施形態では、第２の挿入層と第１の挿入層は、約９パーセント（９％）を超える鉄を含む。別の実施形態では、第１の挿入層は約１０Å未満の厚みを有し、第２の挿入層は約１０Å未満の厚みを有する。
【００２４】
別の実施形態によると、第１の強磁性層および第２の強磁性層は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）およびコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）から成る群から選択される。一実施形態では、第１の強磁性層は約２５Åを超える厚みを有し、第２の強磁性層は約２５Åを超える厚みを有する。結合層は、たとえば、ルテニウムを含むことができる。
【００２５】
一実施形態では、第１の挿入層はコバルト−鉄（ＣｏＦｅ）を含み、第２の挿入層はコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む。別の実施形態では、上部強磁性層および下部強磁性層は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）およびコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）から成る群から選択される。
【００２６】
特定の実施形態では、第１の挿入層は約１０Å未満の厚みを有し、第２の挿入層は約１０Å未満の厚みを有し、上部強磁性層は約２５Åを超える厚みを有し、下部強磁性層は約２５Åを超える厚みを有する。
【００２７】
別の実施形態に係る合成反強磁性構造の形成方法は、下部強磁性層を形成すること、ＣｏＦｅの蒸着を介して下部強磁性層上に第１の挿入層を形成すること、第１の挿入層上に結合層を形成すること、ＣｏＦｅＢの蒸着を介して結合層上に第２の挿入層を形成すること、第２の挿入層上に上部強磁性層を形成することを含む。
【００２８】
一実施形態では、第１の挿入層を形成するステップは、約９％を超える鉄含有量のＣｏＦｅ層を形成することを含み、第２の挿入層を形成するステップは、約９％を超える鉄含有量のＣｏＦｅＢ層を形成することを含む。
【００２９】
別の実施形態では、第１の挿入層を形成するステップは、約９％〜２５％の鉄含有量のＣｏＦｅ層を形成することを含み、第２の挿入層を形成するステップは、約９％〜２５％の鉄含有量のＣｏＦｅＢ層を形成することを含む。
【００３０】
さらなる実施形態では、第１の挿入層を形成するステップは、約１０Å未満の厚みを有するＣｏＦｅ層を形成することを含み、第２の挿入層を形成するステップは、約１０Å未満の厚みを有するＣｏＦｅＢ層を形成することを含む。
【００３１】
一実施形態では、下部強磁性層を形成するステップと上部強磁性層を形成するステップは、約２５Åを超える厚みを有するＮｉＦｅ層を形成することを含む。
さらに別の実施形態では、下部強磁性層を形成するステップと上部強磁性層を形成するステップは、約２５Åを超える厚みを有するＣｏＦｅＢ層を形成することを含む。
【００３２】
少なくとも１つの例示的な実施形態を上記の詳細な説明で提示したが、膨大な数の変形が存在することを了解すべきである。さらに、本明細書に記載される例示の実施形態は、本発明の範囲、適用可能性、または構造を決して限定するものではないことも了解すべきである。むしろ、上記の詳細な説明は、記載される１つまたは複数の実施形態を実行するための簡便なロードマップを当業者に提供する。添付の請求項およびその法的な均等物で説明される本発明の範囲を逸脱せずに、構成要素の機能および配置に様々な変更を加えることが可能であると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】典型的な磁気トンネル接合スタックの断面図である。
【図２】一実施形態に係る図１に示される合成反強磁性体の断面図である。
【図３】従来技術のシステムと典型的な実施形態との間で、Ｈｓａｔの温度依存性を比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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