(57)【要約】磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）装置が開示される。ここで記載される装置は、磁気トンネル接合のフリー層の上に熱的安定性強化層を有する。熱的安定性強化層は、フリー層の熱的安定性を向上させ、フリー層の磁気モーメントを増加させる一方で、フリー層の磁気方向を面内にすることもない。熱的安定性強化層は、CoFeB強磁性材料の層からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面における底面電極と、
第２の面における磁性リファレンス層を有する垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層は前記第２の面に垂直な磁化方向を有し、固定された磁化方向を有する、垂直合成反強磁性構造と、
第３の面において前記磁性リファレンス層の上に配置された非磁性トンネルバリア層と、
第４の面において前記非磁性トンネルバリア層の上に配置されたフリー磁性層であって、前記第４の面に垂直な磁化ベクトルを有し、かつ第１の磁化方向から第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記磁性リファレンス層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記フリー磁性層とで磁気トンネル接合を形成するフリー磁性層と、
第５の面において前記フリー磁性層の上に配置された非磁性熱的安定性強化結合層と、
前記フリー磁性層から物理的に隔てられ、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に結合された第６の面における磁性熱的安定性強化層であって、前記第６の面に垂直な磁化方向を有し、かつ前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向への前記磁性熱的安定性強化層のスイッチングが前記磁性フリー層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
第７の面において前記熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
を備える磁気装置。
【請求項２】
前記第７の面における前記キャップ層と、第６の面における前記磁性熱的安定性強化層と、前記第５の面における前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記第４の面における前記フリー磁性層と、前記第３の面における前記非磁性トンネルバリア層と、前記第２の面における前記磁性リファレンス層と、前記第１の面における前記底面電極を通る電流の電流源をさらに備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項３】
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeB層を備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、請求項４に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、請求項５に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、第１の電極の上にあり、交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記第２の磁性ｐＳＡＦ層と前記磁性リファレンス層との間にある強磁性結合層をさらに備える、請求項７に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記磁性熱的安定性強化層は、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に磁気結合される、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記非磁性熱的安定性強化結合層はMgO層を備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記MgO層は０．６〜１．２ｎｍの間の厚さを有する、請求項１０に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記MgO層は０．７ｎｍの厚さを有する、請求項１０に記載の磁気装置。
【請求項１３】
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向が前記第４の面に垂直なままを維持し、前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が前記第６の面に垂直なままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間で提供する、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１４】
磁性リファレンス層及び磁性フリー層を有する垂直磁気トンネル接合であって、前記磁性リファレンス層及び前記磁性フリー層は非磁性トンネルバリア層によって隔てられており、前記磁性リファレンス層はその面に垂直な固定された磁気方向を有し、前記磁性フリー層は、第１の垂直磁気方向と第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有し、前記第１の垂直磁気方向及び前記第２の垂直磁気方向は前記磁性フリー層に垂直である、垂直磁気トンネル接合と、
前記磁気トンネル接合の前記磁性フリー層の上に配置された磁性熱的安定性強化層であって、前記第１の垂直磁気方向と前記第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有する磁性材料を備えており、前記磁性熱的安定性強化層の前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向へのスイッチングは、前記磁性フリー層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
前記磁気トンネル接合の前記磁性フリー層と前記磁性熱的安定性強化層との間に配置され、これらを物理的に隔てる非磁性熱的安定性強化結合層であって、前記フリー磁性層と前記磁性熱的安定性強化層とを磁気結合する非磁性熱的安定性強化結合層と
を備える、磁気装置。
【請求項１５】
電極と、
前記電極に結合された垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層を含む垂直合成反強磁性構造と、
前記磁性熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
をさらに備える、請求項１４に記載の磁気装置。
【請求項１６】
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、前記電極の上にあり、非磁性交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、請求項１５に記載の磁気装置。
【請求項１７】
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeBを備える、請求項１４に記載の磁気装置。
【請求項１８】
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、請求項１４に記載の磁気装置。
【請求項１９】
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、請求項１８に記載の磁気装置。
【請求項２０】
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、請求項１９に記載の磁気装置。
【請求項２１】
前記キャップ層と、前記磁性熱的安定性強化層と、前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記フリー磁性層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記垂直合成反強磁性構造と、前記電極を通る電流の電流源をさらに備える、請求項１５に記載の磁気装置。
【請求項２２】
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向及び前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が面外のままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間に提供する、請求項１４に記載の磁気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文書は、一般的にはスピン注入型磁気メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）装置に関し、特に磁気トンネル接合のフリー層の熱的安定性を増加させる熱的安定性強化層を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置に関する。
【０００２】
磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気記憶素子を通してデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。あるタイプのＭＲＡＭでは、磁気記憶素子は２枚の強磁性板又は強磁性電極を備えている。それらは磁場を保持することができ、例えば非磁性金属又は非磁性絶縁体のような非磁性材料によって隔てられている。このような構造を磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）と呼ぶ。一般に、一方の板は固定された磁化を有し（すなわち、「リファレンス層」）、これはこの層が他の層より高い保磁力を有し、その磁化の向きを変えるにはより大きな磁場又はより大きなスピン偏極電流を必要とすることを意味する。第２の板は、典型的にはフリー層と呼ばれ、その磁化方向はリファレンス層に比べて小さな磁場又は小さなスピン偏極電流で変えることができる。したがってフリー層は記憶層とも呼ばれる。ＭＴＪは積層された材料を用いて製造され、材料の積層体のそれぞれはＭＴＪピラーを形成する。
【０００３】
ＭＲＡＭ装置は、フリー層の磁化の向きを変化させることによって情報を記憶する。特に、フリー層がリファレンス層に対して平行配列であるか逆平行配列であるかに基づいて、「１」又は「０」のいずれかを各ＭＲＡＭセルに記憶することができる。スピン偏極トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果により、セルの電気抵抗は２つの層の磁場の向きによって変化する。セルの抵抗は、平行状態と逆平行状態とで異なることになるので、セルの抵抗は「１」と「０」とを区別するのに用いることができる。ＭＲＡＭ装置の重要な特徴の一つは、ＭＲＡＭ装置は電源を切ったときでも情報を保持するので不揮発性メモリ装置であるということである。２枚の板はサブミクロンの横方向サイズを有し、磁化方向は熱揺らぎに対してもやはり安定であることができる。
【０００４】
スピントランスファートルクあるいはスピントランスファースイッチングは、スピン配向された（「分極された」）電子を用いて磁気トンネル接合におけるフリー層の磁化の向きを変化させる。一般的には、電子は、電子に固有のスピン、角運動量の量子化された数を有する。電流は一般的に分極されていない、すなわち、上向きスピン電子50％と下向きスピン電子50％とからなる。磁性層を電流が通過することで、スピンの向きが磁性層（すなわちポラライザ）の磁化方向に対応するように電子を分極させ、これによりスピン偏極電流を生じさせる。もしスピン偏極電流が磁気トンネル接合装置におけるフリー層の磁性領域を通過すれば、電子は自身のスピン角運動量の部分を磁化層に転移させ、フリー層の磁化に対してトルクを生じさせる。したがって、このスピントランスファートルクはフリー層の磁化を切り替えることができ、これが実質的に、フリー層がリファレンス層に対して平行状態か逆平行状態かに基づいて「１」か「０」かを書き込む。
【０００５】
ＭＲＡＭ装置は、広範囲のメモリ応用向けの次世代の構造と考えられている。あるＭＲＡＭ技術は、特定の磁気トンネル接合装置を用いる。特定のＭＴＪ装置において、フリー層及びリファレンス層は、スピン偏極トンネル用の薄い絶縁層によって隔てられている。フリー層及びリファレンス層はそれらの面に対して垂直な磁気方向を有しているので、垂直磁気トンネル接合（ｐＭＴＪ）を生成する。ｐＭＴＪの構成は、面内ＭＴＪ技術と比較すると、より低い臨界スイッチング電流、厚い反強磁性層を使用する必要のない簡単な積層構造、及び４０ｎｍを下回る装置サイズの減少を提供し得る。
【０００６】
図1は従来のＭＲＡＭ装置用のｐＭＴＪ積層体１００を示す。図示するように、積層体１００は、積層体１００の底に設けられてその上に配置される層の所望の結晶成長を開始する１つ以上のシード層１１０を有する。垂直合成反強磁性層（「ｐＳＡＦ層」）１２０をシード層１１０の上面上に配置する。ＭＴＪ１３０を、合成反強磁性（ＳＡＦ）層１２０の上面上に配置する。ＭＴＪ１３０は、磁性層であるリファレンス層１３２、非磁性トンネルバリア層（すなわち絶縁体）１３４、及びこれも磁性層であるフリー層１３６を有している。リファレンス層１３２は実際にはＳＡＦ層１２０の一部であるが、非磁性トンネルバリア層１３４及びフリー層１３６がリファレンス層１３２上に形成されると、ＭＴＪ１３０の複数の強磁性板のうちの一枚を形成することが理解されるべきである。図１に示すように、磁性リファレンス層１３２はその面に対して垂直な磁化方向を有する。また図１からわかるように、フリー層１３６もその面に垂直な磁化方向を有するが、その方向は１８０度変化可能である。
【０００７】
垂直ＳＡＦ層１２０における第１の磁性層１１４をシード層１１０の上に配置する。垂直ＳＡＦ層１２０はまた、第１の磁性層１１４の上に配置された反強磁性結合層１１６を有する。垂直ＳＡＦ層１２０の磁性層１１４及び１３２における矢印でわかるように、層１１４及び１３２はそれぞれの面に垂直な磁気方向を有する。さらに、非磁性スペーサ１４０をＭＴＪ１３０の上面上に配置する。オプションでポラライザ１５０を非磁性スペーサ１４０の上面上に配置してもよい。ポラライザ１５０は磁性層であり、この磁性層は、その面内の磁気方向であるがリファレンス層１３２及びフリー層１３６の磁気方向に直交する磁気方向を有する。ポラライザ１５０は、ｐＭＴＪ構造１００に印加される電子の流れ（「スピン配向電子」）を分極させるように設けられている。さらに、１つ以上のキャップ層１６０をポラライザ１５０の上面上に設けて、ＭＴＪ積層体１００上において、下の層を保護することができる。最後に、ハードマスク１７０をキャップ層１６０の上に配置し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを用いてＭＴＪ構造１００の下の層をパターニングするように設ける。
【０００８】
述べたように、あるタイプのＭＴＪは垂直ＭＴＪと呼ばれる。垂直ＭＴＪにおいて、リファレンス層及びフリー層は、それぞれの層の面に対して垂直な磁気方向を有する。磁気メモリ装置の抵抗は、フリー磁性層の磁化ベクトルとリファレンス層の磁化ベクトルとの相対的な向きに対して敏感である。磁気メモリ装置の抵抗は、フリー磁性層及びリファレンス層の磁化ベクトルが逆平行配向であるときに最も高い。磁気装置の抵抗は、フリー磁性層及びリファレンス層の磁化ベクトルが平行配向であるときに最も低い。したがって、抵抗測定あるいはそれに等価なものは、フリー磁性層の磁化ベクトルの向きを決定することができる。
【０００９】
ＭＴＪの重要な特性は熱的安定性である。各垂直ＭＴＪ、すなわち磁気ビットの熱的安定性は、任意の垂直異方性について、ＭＴＪの磁性材料ボリュームに比例する。ＭＴＪの熱的安定性は、データ保持力のファクタである。したがって、ＭＴＪのフリー層の熱的安定性を向上させることは、重要な設計上の検討事項である。ＭＴＪの磁性材料ボリュームと垂直異方性との関係ゆえに、例えばこの先の世代のＭＲＡＭ装置向けに既存の設計を縮小する際にＭＴＪピラーの寸法が小さくなると、熱的安定性は減少する。これは非常に望ましくない。あいにく、フリー層の厚さを思うままに厚くして、さらなる磁気モーメント（ボリューム）を追加して熱的安定性を強化することはできない。したがって、垂直な磁気方向を有するフリー層構造の熱的安定性は、フリー層を構成するのに用いられる材料（典型的にはCoFeB）の厚さを単に厚くすることでは強化することができない。このような理由により、垂直異方性を得ることができるCoFeBの厚さには限界がある。CoFeBについては、この厚さは１６オングストローム程度であり得る。この厚さを超えると磁化は反転して面内となる。これは、ＭＴＪはもはや垂直ＭＴＪではなくなることを意味する。したがって、垂直ＭＴＪのフリー（すなわち、記憶）層の熱的安定性は、フリー層の厚さをさらに厚くすることでは強化することはできない。
【００１０】
垂直な磁化方向は、表面垂直異方性（界面垂直磁気異方性）を用いて実現することができる。表面垂直異方性は、強磁性膜と、フリー層に用いられる非磁性材料からなる隣接するキャップ・シード層との界面の特性である。界面垂直磁気異方性（ＩＰＭＡ）は膜厚に反比例する。通常の強磁性材料では、ＩＰＭＡは１．２〜１．６ｎｍの範囲の厚さで磁化を面外に維持するのに十分な程度強くなる。しかしながら、この厚さの範囲では、フリー層の磁気モーメントが小さい。フリー層の磁気モーメントが小さいと熱的安定性は減少する。一方、フリー層の厚さを厚くすることでＩＰＭＡは低下し、これによりフリー層は面内で磁化するようになる。垂直ＭＴＪ装置においては、これは受け入れられないことである。なぜなら、これによって、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）値は、装置が確実に動作可能であるレベルより下に低下し得るからである。したがって、フリー層の厚さを厚くすることは、垂直異方性を減らすことによって熱的安定性を低下させる。また、フリー層がその垂直磁気異方性を失うと、装置自体が使い物にならなくなる。これは、垂直ＭＴＪＭＲＡＭ装置についての最も難しい問題の一つである。
【００１１】
したがって、フリー層の厚さが妨げられることのない状態でＭＴＪのフリー層の熱的安定性を強化するというニーズが存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ＭＲＡＭ装置が開示され、この装置は、ここでは熱的安定性強化（ＴＳＥ）層と呼ぶ垂直異方性を有する磁性材料の薄い層を備えている。この層は非磁性分離層上に配置され、非磁性分離層はフリー層とＴＳＥ層との間に位置する。ＴＳＥ層の磁化は、ここで述べるように、フリー層のスイッチング特性を強化するように最適化することができる。
【００１３】
ある実施形態では、磁気装置が開示される。この実施形態は、第１の面に底面電極を備える。この実施形態は、第２の面に磁性リファレンス層を有する垂直合成反強磁性構造をさらに備え、磁性リファレンス層は、第２の面に垂直な磁化方向を有し、かつ固定された磁化方向を有している。この実施形態は、第３の面における非磁性トンネルバリア層をさらに開示する。この層は磁性リファレンス層の上に配置される。この実施形態は、第４の面においてフリー磁性層をさらに備えており、この層は非磁性トンネルバリア層の上に配置される。フリー磁性層は、第４の面に垂直な磁化ベクトルを有し、かつ第１の磁化方向から第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有している。磁性リファレンス層、非磁性トンネルバリア層、及びフリー磁性層は磁気トンネル接合を形成する。この実施形態は、非磁性熱的安定性強化結合層を第５の面にさらに備えており、この層はフリー磁性層の上に配置される。この実施形態は、第６の面に磁性熱的安定性強化層も備えており、この層はフリー磁性層から物理的に隔てられ、かつ非磁性熱的安定性強化結合層によってフリー磁性層に結合されている。磁性熱的安定性強化層は、第６の面に垂直な磁化方向を有し、かつ第１の磁化方向から第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有している。磁性熱的安定性強化層の第１の磁化方向から第２の磁化方向へのスイッチングは、磁性フリー層におけるスイッチングに追従する。この実施形態は、第７の面においてキャップ層も備え、この層は熱的安定性強化層の上に配置されている。
【００１４】
この実施形態の一態様において、磁気装置は、第７の面におけるキャップ層と、第６の面における磁性熱的安定性強化層と、第５の面における非磁性熱的安定性強化結合層と、第４の面におけるフリー磁性層と、第３の面における非磁性トンネルバリア層と、第２の面における磁性リファレンス層と、第１の面における底面電極を通る電流の電流源をさらに備えている。
【００１５】
実施形態の他の態様においては、磁性熱的安定性強化層は、CoFeB層を備える。
【００１６】
実施形態の他の態様においては、磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える。
【００１７】
実施形態の他の態様においては、フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える。
【００１８】
実施形態の他の態様においては、フリー磁性層は１．６ナノメートルの合計厚さを有する。
【００１９】
実施形態の他の態様においては、垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備える。第１の磁性ｐＳＡＦ層は、第１の電極の上にあり、交換結合層によって第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている。
【００２０】
実施形態の他の態様においては、強磁性結合層が第２の磁性ｐＳＡＦ層と磁性リファレンス層との間にある。
【００２１】
実施形態の他の態様においては、磁性熱的安定性強化層は非磁性熱的安定性強化結合層によってフリー磁性層に磁気結合されている。
【００２２】
実施形態の他の態様においては、非磁性熱的安定性強化結合層は、MgO層を備える。
【００２３】
実施形態の他の態様においては、MgO層は、０．６〜１．２ｎｍの間の厚さを有する。
【００２４】
実施形態の他の態様においては、MgO層は０．７ｎｍの厚さを有する。
【００２５】
実施形態の他の態様においては、非磁性熱的安定性強化結合層は、フリー磁性層の磁気方向が第４の面に垂直なままを維持し、磁性熱的安定性強化層の磁気方向が第６の面に垂直なままを維持するように、な高い界面垂直磁気異方性を、磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間に提供する。
【００２６】
他の実施形態では磁気装置が開示され、この装置は、磁性リファレンス層と磁性フリー層とを有する垂直磁気トンネル接合を備える。磁性リファレンス層と磁性フリー層とは、非磁性トンネルバリア層によって隔てられている。磁性リファレンス層は、その面に垂直な固定された磁気方向を有している。磁性フリー層は、第１の垂直磁気方向と第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有している。第１の垂直磁気方向及び第２の垂直磁気方向は、磁性フリー層に垂直である。この実施形態は、磁気トンネル接合の磁性フリー層の上に配置された磁性熱的安定性強化層をさらに備える。磁性熱的安定性強化層は、第１の垂直磁気方向と第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有する磁性材料を備える。ある実施形態において、磁性熱的安定性強化層の第１の磁化方向から第２の磁化方向へのスイッチングは、磁性フリー層におけるスイッチングに追従する。この実施形態は、磁気トンネル接合の磁性フリー層と磁性熱的安定性強化層との間に配置され、かつこれらを物理的に隔てる非磁性熱的安定性強化結合層をさらに備える。非磁性熱的安定性強化結合層は、フリー磁性層と磁性熱的安定性結合層とを磁気結合する。
【００２７】
この実施形態の一態様において、磁気装置は、電極と、電極に結合された垂直合成反強磁性構造とをさらに備える。垂直合成反強磁性構造は、磁性リファレンス層を有する。この実施形態の一態様において、キャップ層が磁性熱的安定性強化層の上に配置される。
【００２８】
この実施形態の一態様において、垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備える。第１の磁性ｐＳＡＦ層は、電極の上にあり、非磁性交換結合層によって第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている。
【００２９】
実施形態の他の態様においては、磁性熱的安定性強化層は、CoFeBを備える。
【００３０】
実施形態の他の態様においては、磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える。
【００３１】
実施形態の他の態様においては、フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える。
【００３２】
実施形態の他の態様においては、フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する。
【００３３】
実施形態の他の態様においては、磁気装置は、キャップ層と、磁性熱的安定性強化層と、非磁性熱的安定性強化結合層と、フリー磁性層と、非磁性トンネルバリア層と、垂直合成反強磁性構造と、電極を通る電流の電流源をさらに備えている。
【００３４】
実施形態の他の態様においては、非磁性熱的安定性強化結合層は、フリー磁性層の磁気方向及び磁性熱的安定性強化層の磁気方向が面外のままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を、磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間に提供する。
【００３５】
実施形態のこれらの、及び他の目的、特徴、態様、ならびに利点は、以下の説明及び添付図面を参照してよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
添付の図面は、本明細書の一部として含まれ、上述した全般的な説明と以下の詳細な説明ととともに現時点で好ましい実施形態を示しており、ここで述べるＭＴＪ装置の原則を説明及び教示する働きをする。
【図１】図１は、直交分極層を有するＭＲＡＭ装置のための垂直ＭＴＪ積層体を示す。
【図２】図２は、ここで述べる概念を用いた磁気装置を製造するプロセスを示す。
【図３】図３は、ここで述べる教示にしたがって製造される磁気装置のさまざまな層を示す。
【図４】図４は、さまざまな垂直磁気トンネル接合装置についての薄膜振動試料型磁力計（ＶＳＭ）のメジャーヒステリシスループデータのグラフである。
【図５】図５は、熱的安定性強化層なしの装置に対して、熱的安定性強化層を有する装置の熱的安定性を比較するグラフである。
【００３７】
図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、類似した構造又は機能を有する要素は、全般的に説明のために図面全体を通して同様の参照符号で示している。図面はここで述べるさまざまな実施形態の説明を容易にするためのみのものである。したがって図面はここで開示される教示のすべての態様を示してはおらず、クレームの範囲を限定するものでもない。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下の説明は、高い熱的安定性をもつフリー層を有する垂直磁気トンネル接合を用いたＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置を、どの当業者でも作成し、用いることができるように提示される。ここで開示される特徴及び教示のそれぞれは、別々にあるいは他の特徴と組み合わせて用いて、開示されるシステム及び方法を実現することができる。これらの付加的な特徴及び教示の多くを別々に、及び組み合わせて用いる代表的な例を、添付図面を参照しながらさらに詳細に説明する。この詳細な説明は、本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示することを意図するものにすぎず、クレームの範囲を制限することを意図するものではない。したがって、以下の詳細な説明において開示される特徴の組み合わせは必ずしも一番広い意味での教示を実施するものではなく、本教示の特定の代表例を述べるために教示されるにすぎない。
【００３９】
以下の説明において、本教示を十分に理解してもらうべく、特定の用語を説明のためだけに用いる。しかしながら、これらの具体的な詳細は本教示を実施するのに必要ではないことは、当業者には明らかであろう。
【００４０】
本教示を用いたＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置の一実施形態を、図２及び３を参照しながら説明する。図２は、本教示を用いたＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置３００の製造の方法２００を示すフローチャートである。図３は、ここで述べる教示にしたがって製造されるＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置３００のさまざまな層を示す。なお、図３は各層の間に空間を有するように示されている。当業者は、これらの隙間は説明のためだけのものであり、実際のＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置は層間に隙間を有してはいないことを認識するであろう。なお、図３に示されているさまざまな層は、例示的な装置のためのものである。当業者は、装置において、追加の層が存在するかもしれないこと、又は図示されている特定の層が存在しないかもしれないことを理解するであろう。
【００４１】
これから述べるように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置３００は、垂直異方性をもつ磁性材料の薄い層を有しており、この層をここでは熱的安定性強化層（ＴＳＥ）３８０と呼ぶ。ここで述べるように、ＴＳＥ層は、分離層３７５を通してＭＴＪ３５５のフリー層３６５に磁気結合している。ＭＴＪ３５５の固定磁性リファレンス層３４０の反対側にある強磁性結合層３４５は、追加の界面を提供して高いＩＰＭＡを実現する。これにより、フリー層は面外磁化を維持することが可能であり、それによって１００パーセントを超える垂直ＴＭＲ値を実現する。
【００４２】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置３００を製造するために、ステップ２０２において、底面電極３０５を半導体ウェハ（図示せず）上あるいは他の適切な基板構造上に作製する。ある実施形態において、底面電極３０５は、６つのTaN/CuN多層膜３１０を備えることができ、それぞれの多層膜は６ナノメートルの厚さを有することができる。これらのTaN/CuN多層膜３１０を、マグネトロンスパッタリングを用いてステップ２０４中に堆積する。底面電極３０５は、TaN/CuN多層膜３１０の上に作製されたTaN層３１５も備えてもよく、この層は、ある実施形態においては２ｎｍの厚さを有してもよい。TaN層３１５をマグネトロンスパッタリングによってステップ２０６中に堆積する。
【００４３】
底面電極３０５を作製した後、垂直合成反強磁性（ｐＳＡＦ）構造３２０をステップ２０８中に作製する。図２からわかるように、ｐＳＡＦ３２０の作製はいくつかのステップを含んでもよく、それらをこれから説明する。ステップ２１０において、第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５を作製する。ある実施形態において、第１の磁性ｐＳＡＦ層は、垂直異方性をもつCo/Ni多層膜を備える。第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５を、底面電極３０５のTaN層３１５の上に配置する。第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５は、図３に示すように、その面に垂直な磁気方向をもつ磁性層である。ある実施形態において、第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５は６つのCo/Ni層を備えており、各Co/Ni層は０．８ナノメートルの厚さを有する。
【００４４】
ｐＳＡＦ３２０の作製はさらにステップ２１２を含んでおり、このステップでは、非磁性交換結合層３３０を第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５の上に配置する。ある実施形態において、非磁性交換結合層３３０はCo/Ru/Co多層膜からなり、この多層膜は、０．８５ｎｍのRu層によって隔てられた第１及び第２の０．１８ｎｍのCo層を備える。次に、ステップ２１４において、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５を交換結合層３３０の上に配置する。ある実施形態において、第２の磁性ｐＳＡＦ層は、垂直異方性をもつCo/Ni多層膜を備える。第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５は、図３からわかるように、その面に垂直な磁気方向をもつ磁性層である。第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５は、４つのCo/Ni多層膜を備えてもよく、各Co/Ni多層膜は０．８ナノメートルの厚さを有する。図３に示すように、第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５及び第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５の磁気方向は、交換結合層３３０を通しての反強磁性結合のせいで、互いに対して逆平行配向である。なお、ｐＳＡＦ３２０における磁性ｐＳＡＦ層３２５及び３３５のそれぞれ、又はいずれかを、Co/Pt層又はCo/NiとCo/Pt多層膜の両方の組み合わせと置き換えることができる。
【００４５】
ｐＳＡＦ３２０の作製はさらにステップ２１６を含んでもよく、このステップにおいては垂直磁気トンネル接合３５５のリファレンス層３４０を作製する。ある実施形態において、リファレンス層３４０を作製するステップ２１６は、強磁性結合層３４５を配置するステップ２１８と、固定磁気方向層３５０を配置するステップ２２０とを備える。ある実施形態において、強磁性結合層３４５はCo/Ta多層膜を備えていてもよく、固定磁気方向層３５０はCoFeB層とTaとからなっていてもよい。これらの組み合わせは垂直異方性を提供する。
【００４６】
Co/Ta強磁性結合層３４５のCo層は０．２１ｎｍの厚さを、Co/Ta強磁性結合層３４５のTa層は０．２５ｎｍの厚さを有していてもよい。固定磁気方向層３５０はTa中間層を有するCoFeBの複数の層を備えていてもよい。ある実施形態において、固定磁気方向層３５０は、０．７ｎｍ厚のCoFeB層、０．２５ｎｍの厚さのTa層、及び０．８ｎｍ厚のCoFeB層を備える。なおTa中間層を、タングステン（W）、ハフニウム（Hf）等の他の材料で置き換えることができる。リファレンス層３４０の強磁性結合層３４５は、固定磁気方向層３５０を垂直合成反強磁性構造３２０の第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５に結合し、それによりリファレンス層３４０、フリー層３６５（後に説明する）、及び熱的安定性強化層３８０（これもまた後に説明する）の垂直磁気方向を維持するのを助ける。
【００４７】
ステップ２２２において、垂直磁気トンネル接合３５５の残りの層を作製する。述べたように、垂直磁気トンネル接合３５５は、非磁性トンネルバリア層３６０によって隔てられたリファレンス層３４０とフリー層３６５とを備える。ある実施形態において、非磁性トンネルバリア層３６０をステップ２２４で配置する。非磁性トンネルバリア層３６０は絶縁材料からなる。この絶縁材料は、ほぼ１ｎｍの厚さの酸化マグネシウム（MgO）の層であってよい。非磁性トンネルバリア層３６０を配置後、ステップ２２６を行ってフリー層３６５を配置する。これらの実施形態では、フリー層３６５は複数のCoFeB層とTa中間層とを備えていてもよい。ある実施形態において、第１のCoFeB層は１．１ｎｍの厚さを有し、Ta層は０．２５ｎｍの厚さを有し、第２のCoFeB層は０．５ｎｍの厚さを有する。なお、Ta中間層を他の材料で置き換えることができ、他の材料は例えばタングステン（W）、ハフニウム（Hf）である。
【００４８】
フリー層３６５とリファレンス層３４０とはともに垂直異方性を有し、したがって各層の面に垂直な磁気方向を有する。装置に記憶される論理レベルに依存して、リファレンス層及びフリー層の磁気方向は平行か逆平行かのいずれかとなる。
【００４９】
ステップ２３０で、非磁性熱的安定性強化結合層３７５を垂直磁気トンネル接合のフリー層３６５の上に作製する。この非磁性熱的安定性強化結合層３７５の目的は後述する。その後、ステップ２３２で、熱的安定性強化層３８０を非磁性熱的安定性強化結合層３７５の上に作製する。ある実施形態において、熱的安定性強化層３８０は、０．３５ｎｍと１．５ｎｍとの間の厚さの垂直異方性をもつCoFeB強磁性層を備えている一方、非磁性熱的安定性強化結合層３７５はMgO層を備えていてもよく、０．６〜１．２ｎｍで可変の厚さを有してもよい。MgOの厚さは、フリー層３６５に対する異なる磁気結合強度を実現することができるように選択される。MgOの厚さが約０．６ｎｍ〜０．７５ｎｍであれば、フリー層に対する熱的安定性強化層３８０の磁気結合は強固であり、フリー層の安定性を最適化することができる。ある実施形態では、非磁性熱的安定性強化結合層３７５は０．７ｎｍのMgO層からなる。非磁性熱的安定性強化結合層３７５のMgOの厚さが厚くなるにつれ、磁気結合は指数関数的に低減する。熱的安定性強化層３８０は、非磁性熱的安定性強化結合層３７５のMgOの厚さが厚くなると、フリー層３６５に対して次第に弱く結合されるようになり、最終的にはMgOの厚さがほぼ１．２ｎｍを超えると切り離される。非磁性金属あるいは金属層で、本実施形態において非磁性熱的安定性強化結合層３７５に用いられているMgOを置き換えることができる。
【００５０】
図３に示す装置３００の一実施形態において、熱的安定性強化層３８０は、非磁性熱的安定性結合層３７５の上に配置された０．３５ｎｍの厚さのCoFeBの層を備えている。他の実施形態においては、熱的安定性強化層３８０は、１．３ｎｍと１．５ｎｍとの間の厚さのCoFeB層を備えている。図３に示すように、熱的安定性強化層３８０は磁性であり、垂直異方性をもち、その面に対して垂直な（矢印で示す）磁気方向を有する。後で述べるが、熱的安定性強化層３８０の磁気方向は切り替えることができ、一般的にはフリー層３６５の磁気方向に追従する。
【００５１】
述べたように、非磁性熱的安定性結合層３７５は厚さ０．７ｎｍのMgO層を備えていてもよい。薄いCoFeB熱的安定性強化層３８０とMgO非磁性熱的安定性強化結合層３７５とによって、装置３００を製造するのに用いられるアニールプロセス中に、垂直磁気トンネル接合３５５の非磁性トンネルバリア層３６０のMgO及びフリー層３６５のCoFeBの再結晶化を向上させることが可能になる。非磁性トンネルバリア層３６０のMgO及びフリー層３６５のCoFeBの再結晶化を強化することで、垂直ＭＴＪ構造３５５の性能（熱的安定性を含む）が向上する。なお、代替的な実施形態においては、熱的安定性強化層３８０を、Co、Fe、Ni又はBの合金のようなCoFeB以外の材料で構成することができる。
【００５２】
プロセス２００の最終ステップ２３４は、熱的安定性強化層３８０の上へのキャップ構造の作製である。キャップ３８５は、２ｎｍのTaN層と１０ｎｍ厚のRu層とを備えていてもよい。
【００５３】
非磁性熱的安定性強化結合層３７５（例えばMgO層）は、熱的安定性強化層３８０をフリー層３６５に強磁性的に結合し、フリー層３６５の安定度を制御するのに用いられ得、したがってフリー層３６５の磁気方向を切り替えるのに必要なスイッチング電流を間接的に調整することを可能にする。熱的安定性強化層３８０の厚さは、異なる装置サイズについての熱的安定性とスイッチング電流とを最適化するように（０．１〜３ｎｍで）調整することができ、このような厚さの選択は、ＭＴＪ層の厚さを含む多くのファクタによって左右される。
【００５４】
これから図４及び図５を参照しながら述べるように、熱的安定性強化層３８０は装置３００の熱的安定性を向上させる。図４は、垂直磁気トンネル接合装置のさまざまな実施形態についての薄膜振動試料型磁力計（ＶＳＭ）のメジャーヒステリシスループデータのグラフである。これらのテストでは、それぞれのテストの装置サイズは、熱的安定性強化層３８０の厚さ以外は大まかには同じである。実施形態には、垂直磁気トンネル接合３５５を有するが熱的安定性強化層３８０を有さない装置を含めた。この実施形態のＶＳＭのメジャーヒステリシスループを曲線４０５で示す。第２の実施形態は、垂直磁気トンネル接合３５５と、１．３ナノメートルのCoFeB層を備える熱的安定性強化層３８０とを有する装置である。この実施形態のＶＳＭメジャーヒステリシスループは、曲線４１０で示される。第３の実施形態は、垂直磁気トンネル接合３５５と、１．５ナノメートルのCoFeB層を備える熱的安定性強化層３８０とを有する装置である。この実施形態のＶＳＭメジャーヒステリシスループは、曲線４１５で示される。
【００５５】
このデータを得るために、それぞれの面に垂直なＤＣ磁場を印加した。印加磁場は、その後＋７０００エルステッドという別の非常に大きな磁場に上げる前に、−７０００エルステッドから始まり、０．００エルステッドに下げた。その後、印加磁場を−７０００エルステッドまで上げる前に、＋７０００エルステッドから０．００エルステッドまで着実に下げた。ＤＣ印加磁場のプラス及びマイナスの符号は、磁場掃引の垂直印加磁場方向を示している。ＶＳＭ測定は、図４においてグラフのＹ軸上の正規化磁気モーメントとして示されるが、ＤＣ磁場を磁化容易軸に沿って印加しながら、すなわち、磁場を試料面に対して垂直に向けて行われた。垂直合成反強磁性構造３２０のCo/Ni層３２５、Co/Ni層３３５、（リファレンス層３４０の）CoFeB/Ta層３５０、フリー層３６５、及び熱的安定性強化層３８０の垂直異方性の磁気方向は、図４において、いろいろな磁場強度について矢印で示される。
【００５６】
図４からわかるように、印加磁場がほぼ−６５００エルステッドのときは、垂直合成反強磁性構造３２０の第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５、（リファレンス層３４０の）固定磁気方向層３５０、フリー層３６５、及び熱的安定性強化層３８０の磁気方向は、全て互いに対して平行である。磁場が、ＭＲＡＭ装置が実世界での応用で経験するであろう磁場よりもかなり大きな磁場であるほぼ−２５００エルステッドまで減少すると、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５及びリファレンス層３４０の固定磁気方向層３５０の磁気方向は、フリー層３６５に対して逆平行になるように切り替わる。しかしながら、大きな磁場を印加しても、フリー層３６５は切り替わっていない。
【００５７】
ほぼ０．００エルステッドの印加磁場をマイナスからプラスにすると、フリー層３６５及び熱的安定性強化層３８０の磁気方向が切り替わることが図４に示されている。しかしながら、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５及びリファレンス層３４０の固定磁気方向層３５０の磁気方向は、切り替わらない。これは、それぞれの実施形態（例えば熱的安定性強化層３８０がある装置、ない装置）で、リファレンス層３４０が切り替わらないことを示している。したがって、熱的安定性強化層３８０の存在は、リファレンス層３４０の性能に悪影響を与えない（つまり、リファレンス層３４０は依然として切り替わりにくい）ことを図４は示している。
【００５８】
印加磁場を、例えば＋５０００エルステッドで上げ始めると、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５及びリファレンス層３４０の固定磁気方向層３５０（及び垂直合成反強磁性構造３２０の第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５）の磁気方向は、これらの層のそれぞれの磁気方向が再び平行となるように切り替わることを図４は示している。これらの実施形態のそれぞれについてのＶＳＭメジャーヒステリシスループを完成するために、図４における曲線４０５、４１０及び４１５のそれぞれが示すように、印加磁場はその後０．００エルステッドに減らされ、その後上げられる。見てとれるように、垂直合成反強磁性構造３２０の第１の磁性ｐＳＡＦ層３２５、第２の磁性ｐＳＡＦ層３３５、（リファレンス層３４０の）固定磁気方向層３５０、フリー層３６５、及び熱的安定性強化層３８０のそれぞれのスイッチング特性は、ＶＳＭヒステリシスループのこの部分については類似している。
【００５９】
図４において、曲線４０５、４１０、及び４１５は、本例における各実施形態のフリー層３６５の磁気方向が、ほぼ０．００エルステッドで切り替わることを示す。また図４からわかるように、各実施形態の磁気モーメント（Ｙ軸）は、熱的安定性強化層３８０をもたない垂直ＭＴＪ装置のフリー層（曲線４０５を参照）と比べると、熱的安定性強化層３８０を有する実施形態（曲線４１０及び４１５参照）では増加する。したがって、フリー層の上に熱的安定性強化層３８０を有するように構成された実施形態はともに、個々の垂直ＭＴＪの磁気ボリュームが増加したことが示される。
【００６０】
熱的安定性強化層３８０とフリー層３６５との間の非磁性熱的安定性強化結合層３７５は、高い界面垂直磁気異方性（ＩＰＭＡ）をもたらし、これがフリー層３６５及び熱的安定性強化層３８０の両方の磁気方向を面外に維持するように働く。このため、熱的安定性強化層３８０及びフリー層３６５の磁化方向は、確実にそれらの面に対して垂直とされる。
【００６１】
図５は、熱的安定性強化層３８０をもたない装置に対して、熱的安定性強化層３８０を有する装置３００の性能データを比較している。第１行には、装置直径（ナノメートル）に対する保磁場Ｈｃ（エルステッド）の中央値が含まれる。第２行は、フリー層３６５に作用する磁場についてゼロ（０）エルステッドからのループシフトを示しており、これはフリー層３６５と、リファレンス層３４０を有する垂直合成反強磁性（ｐＳＡＦ）構造との間の静磁結合を示している。図４に示したテストと同様に、図５に示す各例の装置サイズは、熱的安定性強化層３８０の存在及び厚さ以外は同一とした。
【００６２】
特に、図５は、熱的安定性強化層３８０をもたない装置（列１）、１．３ナノメートルの厚さの熱的安定性強化層３８０を有する装置（列２）、及び１．５ナノメートルの厚さの熱的安定性強化層３８０を有する装置（列３）についての保磁場（Ｈｃ）を比較している。知られているように、保磁場（Ｈｃ）は、熱的安定性（これは直接計測するのは難しい）のよい指標である。６０ｎｍ、７０ｎｍ、９０ｎｍ及び１００ｎｍの幅を有する装置３００を各実施形態について作製してテストした。容易にわかるように、１．３ナノメートル厚の熱的安定性強化層３８０を有する装置３００は、このような層をもたない装置と比べると、著しく向上された熱的安定性をもつ。同様に、１．５ｎｍ厚の熱的安定性強化層３８０を有する装置３００は、熱的安定性をさらに向上させる。実際、図５からわかるように、熱的安定性強化層３８０を有する装置についての保磁場（Ｈｃ）は、ほぼ１００エルステッドからほぼ４００エルステッドまで増加する。これは、熱的安定性強化層３８０が存在すると、垂直磁気トンネル接合の熱的安定性が向上されることを示している。
【００６３】
保磁力Ｈｃが増えると同時に、臨界スイッチング電流は、性能問題を引き起こしかねない形では増加はしない。これは、当業者がこのような大容量磁化から予想することとは逆である。これは表１からわかる。特に、表１は、図５においてデータを取るのに用いられたものと同じテスト装置について、臨界スイッチングパラメータを示している。
【００６４】
【表１】
2019506745.tif 000003
【００６５】
表１において、Ｊｃ０は臨界スイッチング電流密度である。Ｖｃ０は臨界スイッチング電圧である。Ｄｅｌｔａは熱的安定性ファクタである。ＴＭＲはトンネル磁気抵抗である。ＲＡはトンネル接合の抵抗と面積の積である。また、「＋／−」は、テスト装置に印加される垂直電圧のプラス／マイナス方向を示している。表１のデータが示すように、垂直ＭＴＪ及び熱的安定性強化層３８０を有し、かつ熱的安定性強化層３８０及びフリー層３６５の厚さが合わせて３ｎｍであるＭＲＡＭメモリセルは、面外磁化と低臨界スイッチング電流との両方を実現する。
【００６６】
なお、図３に関連して述べた実施形態は、CoFeBから構成される熱的安定性強化層３８０を有しており、熱的安定性強化層３８０は、さまざまな他の強磁性材料を用いて構成されてもよい。他の強磁性材料は、例えばCo、Ni、Fe、及びこれらの合金である。特に、CoFeB（Ｍｓ〜１２００ｅｍｕ／ｃｃ）又はCoFe（Ｍｓ〜１５００ｅｍｕ／ｃｃ）を用いることができる。これらの材料を、又はこれらの材料の適切な合金化を用いることにより、熱的安定性強化層３８０について所望の磁化値を実現することができ、したがって、強磁性結合強度及びフリー層の熱的安定度を制御することが可能である。
【００６７】
ここで述べた垂直磁気トンネル接合及び熱的安定性強化層３８０を有するＭＲＡＭ装置３００は、薄膜堆積を用いて作製することができる。積層体を、市販の物理気相成長（ＰＶＤ）ツールを用いた従来のＤＣ及びＲＦスパッタリング法で堆積する。積層体を、磁場なしで３００℃、１時間のソーク時間で堆積した後、アニールすることができる。
【００６８】
要するに、本教示の一態様は、垂直磁気トンネル接合のフリー層に磁気結合される磁性層を形成することである。ここでＴＳＥ層として述べたこの磁性層は、その面に垂直な磁化方向を有しており、非磁性分離層でＭＴＪのフリー層から隔てられている。
【００６９】
当業者であれば、上記開示は特定の実施形態のみを述べるものであることを理解するであろう。さらに、ある層が他の層の上面の上に配置されたと述べられ、該上面を覆い、又は該上面の上にある場合であっても、介在する層を生じ得ることができることを理解すべきである。その理解はクレームにも適用される。さらに、ＭＴＪピラーは二次元断面図で示されたが、これらは三次元の物体であり、説明された層はＭＴＪピラーの三次元の上面、全ての側面、及び全ての周囲の谷部を覆ってもよいことを理解すべきである。
【００７０】
また、当業者は、複数の装置３００をＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置のビットセルのそれぞれとして製造し、提供することができることを理解すべきである。言い換えると、各装置３００は、複数のビットセルを有するメモリアレイのあるビットセルとして実現することができる。
【００７１】
上記説明及び図面は、具体的な実施形態を説明するものとのみ考えられ、これらによってここで述べた特徴及び利点が得られる。具体的なプロセス条件に対する変更及び代替を行うことができる。したがって、本特許文書における実施形態は、前述の説明及び図面によって限定されるものではないと考えられる。
【図１】
2019506745.tif 000004
【図２】
2019506745.tif 000005
【図３】
2019506745.tif 000006
【図４】
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【図５】
2019506745.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月29日(2018.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面における底面電極と、
第２の面における磁性リファレンス層を有する垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層は前記第２の面に垂直な磁化方向を有し、固定された磁化方向を有する、垂直合成反強磁性構造と、
第３の面において前記磁性リファレンス層の上に配置された非磁性トンネルバリア層と、
第４の面において前記非磁性トンネルバリア層の上に配置されたフリー磁性層であって、前記第４の面に垂直な磁化ベクトルを有し、かつ第１の磁化方向から第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記磁性リファレンス層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記フリー磁性層とで磁気トンネル接合を形成するフリー磁性層と、
第５の面において前記フリー磁性層の上に配置された非磁性熱的安定性強化結合層であって、絶縁材料からなる前記非磁性熱的安定性強化結合層と、
前記磁気トンネル接合の前記フリー磁性層から物理的に隔てられ、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に結合された第６の面における磁性熱的安定性強化層であって、前記第６の面に垂直な磁化方向を有し、かつ前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向への前記磁性熱的安定性強化層のスイッチングが前記フリー磁性層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
第７の面において前記磁性熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
を備える磁気装置。
【請求項２】
前記第７の面における前記キャップ層と、第６の面における前記磁性熱的安定性強化層と、前記第５の面における前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記第４の面における前記フリー磁性層と、前記第３の面における前記非磁性トンネルバリア層と、前記第２の面における前記磁性リファレンス層と、前記第１の面における前記底面電極を通る電流の電流源をさらに備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項３】
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeB層を備える、請求項１又は２に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、請求項４に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、請求項５に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、第１の電極の上にあり、交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記第２の磁性ｐＳＡＦ層と前記磁性リファレンス層との間にある強磁性結合層をさらに備える、請求項７に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記磁性熱的安定性強化層は、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に磁気結合される、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記非磁性熱的安定性強化結合層はMgO層を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記MgO層は０．６〜１．２ｎｍの間の厚さを有する、請求項１０に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記MgO層は０．７ｎｍの厚さを有する、請求項１０に記載の磁気装置。
【請求項１３】
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向が前記第４の面に垂直なままを維持し、前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が前記第６の面に垂直なままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間で提供する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１４】
磁性リファレンス層及びフリー磁性層を有する垂直磁気トンネル接合であって、前記磁性リファレンス層及び前記フリー磁性層は非磁性トンネルバリア層によって隔てられており、前記磁性リファレンス層はその面に垂直な固定された磁気方向を有し、前記フリー磁性層は、第１の垂直磁気方向と第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有し、前記第１の垂直磁気方向及び前記第２の垂直磁気方向は前記フリー磁性層に垂直である、垂直磁気トンネル接合と、
前記磁気トンネル接合の前記フリー磁性層の上に配置された磁性熱的安定性強化層であって、前記第１の垂直磁気方向と前記第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有する磁性材料を備えており、前記磁性熱的安定性強化層の前記第１の垂直磁気方向から前記第２の垂直磁気方向へのスイッチングは、前記フリー磁性層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
前記磁気トンネル接合の前記フリー磁性層と前記磁性熱的安定性強化層との間に配置され、これらを物理的に隔てる非磁性熱的安定性強化結合層であって、前記フリー磁性層と前記磁性熱的安定性強化層とを磁気結合する非磁性熱的安定性強化結合層であって、絶縁材料からなる前記非磁性熱的安定性強化結合層と
を備える、磁気装置。
【請求項１５】
電極と、
前記電極に結合された垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層を含む垂直合成反強磁性構造と、
前記磁性熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
をさらに備える、請求項１４に記載の磁気装置。
【請求項１６】
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、前記電極の上にあり、非磁性交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、請求項１５に記載の磁気装置。
【請求項１７】
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeBを備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１８】
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１９】
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、請求項１８に記載の磁気装置。
【請求項２０】
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、請求項１９に記載の磁気装置。
【請求項２１】
前記キャップ層と、前記磁性熱的安定性強化層と、前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記フリー磁性層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記垂直合成反強磁性構造と、前記電極を通る電流の電流源をさらに備える、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項２２】
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向及び前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が面外のままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間に提供する、請求項１４から２１のいずれか一項に記載の磁気装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
上記説明及び図面は、具体的な実施形態を説明するものとのみ考えられ、これらによってここで述べた特徴及び利点が得られる。具体的なプロセス条件に対する変更及び代替を行うことができる。したがって、本特許文書における実施形態は、前述の説明及び図面によって限定されるものではないと考えられる。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
第１の面における底面電極と、
第２の面における磁性リファレンス層を有する垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層は前記第２の面に垂直な磁化方向を有し、固定された磁化方向を有する、垂直合成反強磁性構造と、
第３の面において前記磁性リファレンス層の上に配置された非磁性トンネルバリア層と、
第４の面において前記非磁性トンネルバリア層の上に配置されたフリー磁性層であって、前記第４の面に垂直な磁化ベクトルを有し、かつ第１の磁化方向から第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記磁性リファレンス層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記フリー磁性層とで磁気トンネル接合を形成するフリー磁性層と、
第５の面において前記フリー磁性層の上に配置された非磁性熱的安定性強化結合層と、
前記フリー磁性層から物理的に隔てられ、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に結合された第６の面における磁性熱的安定性強化層であって、前記第６の面に垂直な磁化方向を有し、かつ前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向に切り替わることができる磁化方向を有しており、前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向への前記磁性熱的安定性強化層のスイッチングが前記磁性フリー層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
第７の面において前記熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
を備える磁気装置。
（項目２）
前記第７の面における前記キャップ層と、第６の面における前記磁性熱的安定性強化層と、前記第５の面における前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記第４の面における前記フリー磁性層と、前記第３の面における前記非磁性トンネルバリア層と、前記第２の面における前記磁性リファレンス層と、前記第１の面における前記底面電極を通る電流の電流源をさらに備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目３）
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeB層を備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目４）
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目５）
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、項目４に記載の磁気装置。
（項目６）
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、項目５に記載の磁気装置。
（項目７）
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、第１の電極の上にあり、交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、項目１に記載の磁気装置。
（項目８）
前記第２の磁性ｐＳＡＦ層と前記磁性リファレンス層との間にある強磁性結合層をさらに備える、項目７に記載の磁気装置。
（項目９）
前記磁性熱的安定性強化層は、前記非磁性熱的安定性強化結合層によって前記フリー磁性層に磁気結合される、項目１に記載の磁気装置。
（項目１０）
前記非磁性熱的安定性強化結合層はMgO層を備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目１１）
前記MgO層は０．６〜１．２ｎｍの間の厚さを有する、項目１０に記載の磁気装置。
（項目１２）
前記MgO層は０．７ｎｍの厚さを有する、項目１０に記載の磁気装置。
（項目１３）
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向が前記第４の面に垂直なままを維持し、前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が前記第６の面に垂直なままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間で提供する、項目１に記載の磁気装置。
（項目１４）
磁性リファレンス層及び磁性フリー層を有する垂直磁気トンネル接合であって、前記磁性リファレンス層及び前記磁性フリー層は非磁性トンネルバリア層によって隔てられており、前記磁性リファレンス層はその面に垂直な固定された磁気方向を有し、前記磁性フリー層は、第１の垂直磁気方向と第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有し、前記第１の垂直磁気方向及び前記第２の垂直磁気方向は前記磁性フリー層に垂直である、垂直磁気トンネル接合と、
前記磁気トンネル接合の前記磁性フリー層の上に配置された磁性熱的安定性強化層であって、前記第１の垂直磁気方向と前記第２の垂直磁気方向との間で切り替わることができる可変磁気方向を有する磁性材料を備えており、前記磁性熱的安定性強化層の前記第１の磁化方向から前記第２の磁化方向へのスイッチングは、前記磁性フリー層におけるスイッチングに追従する、磁性熱的安定性強化層と、
前記磁気トンネル接合の前記磁性フリー層と前記磁性熱的安定性強化層との間に配置され、これらを物理的に隔てる非磁性熱的安定性強化結合層であって、前記フリー磁性層と前記磁性熱的安定性強化層とを磁気結合する非磁性熱的安定性強化結合層と
を備える、磁気装置。
（項目１５）
電極と、
前記電極に結合された垂直合成反強磁性構造であって、前記磁性リファレンス層を含む垂直合成反強磁性構造と、
前記磁性熱的安定性強化層の上に配置されたキャップ層と
をさらに備える、項目１４に記載の磁気装置。
（項目１６）
前記垂直合成反強磁性構造は、第１の磁性ｐＳＡＦ層と第２の磁性ｐＳＡＦ層とをさらに備え、前記第１の磁性ｐＳＡＦ層は、前記電極の上にあり、非磁性交換結合層によって前記第２の磁性ｐＳＡＦ層から隔てられている、項目１５に記載の磁気装置。
（項目１７）
前記磁性熱的安定性強化層はCoFeBを備える、項目１４に記載の磁気装置。
（項目１８）
前記磁性熱的安定性強化層は、１．３ナノメートルと１．５ナノメートルとの間の厚さを有するCoFeB膜を備える、項目１４に記載の磁気装置。
（項目１９）
前記フリー磁性層は、Ta中間層を有するCoFeBを備える、項目１８に記載の磁気装置。
（項目２０）
前記フリー磁性層は、１．６ナノメートルの合計厚さを有する、項目１９に記載の磁気装置。
（項目２１）
前記キャップ層と、前記磁性熱的安定性強化層と、前記非磁性熱的安定性強化結合層と、前記フリー磁性層と、前記非磁性トンネルバリア層と、前記垂直合成反強磁性構造と、前記電極を通る電流の電流源をさらに備える、項目１５に記載の磁気装置。
（項目２２）
前記非磁性熱的安定性強化結合層は、前記フリー磁性層の磁気方向及び前記磁性熱的安定性強化層の磁気方向が面外のままを維持するように、高い界面垂直磁気異方性を前記磁性熱的安定性強化層とフリー磁性層との間に提供する、項目１４に記載の磁気装置。
【国際調査報告】
2019506745.tif 000009
2019506745.tif 000010