(57)【要約】  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）（１０）は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）において有用なものであるが、合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造である自由層（１４）を有している。このＳＡＦ（１４）は、カップリング層（２８）によって分離される２つの強磁性層（２６，３０）から構成される。カップリング層（２８）は、非磁性のベース材料と、さらにはＳＡＦ（１４）の耐熱性、カップリング強度の制御性、および磁気抵抗比（ＭＲ）を改善する別の材料も有している。好ましいベース材料はルテニウムであり、好ましい別の材料はタンタルである。これらの利点を高めるために、タンタルと強磁性層のうちの１つとの間の界面にコバルト鉄が加えられる。また、カップリング層（２８）はより多く層をさらに（３８，４０）有してもよく、使用される材料は種々に異なり得る。また、カップリング層（２８）は、それ自体が合金であってもよい。
2007515075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）であって、
第１電極および第２電極；
第１電極と第２電極の間のトンネル障壁；
第１電極とトンネル障壁との間の自由な合成反強磁性体（ＳＡＦ）；
トンネル障壁と第２電極との間の固定層；
を備え、前記自由ＳＡＦが、
いずれも強磁性である第１層および第２層；
第１層と第２層の間の、ベース材料を含む第３層；
第３層と第２層の間の、タンタルを含む第４層；
を備えたＭＴＪ。
【請求項２】
第４層と第２層の間にさらに第５層を含み、第５層は第２層を形成するために使用されるのとは異なる強磁性材料を含む請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項３】
第５層はコバルトおよび鉄のうちの少なくとも１つを含む請求項２に記載のＭＴＪ。
【請求項４】
第４層と第５層は実質的に合一される請求項３に記載のＭＴＪ。
【請求項５】
ベース材料がルテニウムを含む請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項６】
ＭＴＪであって、
第１電極および第２電極；
第１電極と第２電極の間のトンネル障壁；
第１電極とトンネル障壁の間の自由な合成反強磁性体（ＳＡＦ）；
トンネル障壁と第２電極の間の固定層；
を備え、前記自由ＳＡＦが、
いずれも強磁性である第１層および第２層；
第１層と第２層の間の第３層であって、第１の材料と第２の材料を含み、第１の材料がルテニウム、ロジウム、イリジウムおよびオスミウムのうちの１つであり、第２の材料がホウ素、アルミニウム、炭素、タンタル、ニオブ、モリブデン、ジルコニウムおよびハフニウムのうちの１つである第３層；
を備えたＭＴＪ。
【請求項７】
第１の材料と第２の材料が合金を形成する請求項６に記載のＭＴＪ。
【請求項８】
第１の材料はルテニウムを含み、第２の材料はタンタルおよびホウ素のうちの１つを含む請求項７に記載のＭＴＪ。
【請求項９】
第２の材料はホウ素である請求項８に記載のＭＴＪ。
【請求項１０】
第３層は、第１の材料から成る第４層と、第２の材料から成る第５層とを含む請求項６に記載のＭＴＪ。
【請求項１１】
第４層はルテニウムを含み、第５層はタンタルを含む請求項１０に記載のＭＴＪ。
【請求項１２】
第５層はコバルトおよび鉄のうちの少なくとも１つをさらに含む請求項１１に記載のＭＴＪ。
【請求項１３】
第４層は第５層と第１層の間にあり、第５層と第２層の間に第１の材料から成る第６層をさらに備えた請求項１１に記載のＭＴＪ。
【請求項１４】
第６層と第２層の間に第２の材料から成る第７層をさらに含む請求項１３に記載のＭＴＪ
【請求項１５】
ＭＴＪであって、
第１電極および第２電極；
第１電極と第２の電極の間のトンネル障壁；
第１電極とトンネル障壁との間の自由な合成反強磁性体（ＳＡＦ）；
トンネル障壁と第２の電極との間の固定層；
を備え、前記自由ＳＡＦが、
いずれも強磁性である第１層および第２層；
第１層と第２層の間の、第１の材料から成る第３層であって、第１の材料はベース材料である第３層；
第３層と第２層の間の、第２の材料から成る第４層であって、第２の材料はニッケル鉄、コバルト鉄、タンタルおよびアルミニウムから選択される第４層；  
第４層と第２層との間の、前記第１の材料から成る第５層；
を備えたＭＴＪ。
【請求項１６】
第５層と第２層の間の、第２の材料から成る第６層；および
第６層と第２層の間の、第１材料から成る第７層；
をさらに備えた請求項１５に記載のＭＴＪ。
【請求項１７】
第２の材料はニッケルおよび鉄のうちの少なくとも１つを含む請求項１５に記載のＭＴＪ。
【請求項１８】
第２の材料はコバルトおよび鉄のうちの少なくとも１つを含む請求項１５に記載のＭＴＪ。
【請求項１９】
第１層はニッケル鉄合金を含む請求項１５に記載のＭＴＪ。
【請求項２０】
ニッケル鉄合金は約１６〜２０の原子パーセントが鉄である請求項１９に記載のＭＴＪ。
【請求項２１】
第２の強磁性層は約１８原子パーセントが鉄であるニッケル鉄を含む請求項２０に記載のＭＴＪ。
【請求項２２】
第１電極および第２電極；
第１電極と第２電極の間のトンネル障壁；
第１電極とトンネル障壁の間の自由な合成反強磁性体（ＳＡＦ）；および
トンネル障壁と第２電極の間の固定層；
を備えたＭＴＪにおいて、
トンネル障壁の上に第１の強磁性層を形成する工程；
第１の強磁性層の上にタンタルを堆積する工程；
タンタルの上にベース材料を堆積する工程；および
ベース材料の上に第２の強磁性層を形成する工程；
から成る自由ＳＡＦを形成する方法。
【請求項２３】
第１の強磁性層の上にタンタルを堆積する工程の前に、第１の強磁性層の上に第３の強磁性層を堆積する工程をさらに含み、該第３の強磁性層はコバルトおよび鉄のうちの少な
くとも１つを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ベース材料はロジウムおよびルテニウムのうちの１つを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
第１の強磁性層はニッケル鉄合金を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
ニッケル鉄合金は約１６〜２０原子パーセントが鉄である請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ニッケル鉄合金は約１８原子パーセントが鉄である請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）であって、
第１電極および第２電極；
第１電極と第２電極の間のトンネル障壁；
第１電極とトンネル障壁の間の自由な合成反強磁性体（ＳＡＦ）；
トンネル障壁と第２電極の間の固定層；
を備え、前記自由ＳＡＦが、
いずれも強磁性である第１層および第２層；
第１層と第２層の間の、ベース材料を含む第３層；
第３層と第２層の間の、導電性の第４層；
第４層と第２層の間の、コバルトおよび鉄のうちの少なくとも１つを含む第５層；
を備えたＭＴＪ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に関し、詳細には自由層に合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造を使用したＭＴＪ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）は高速、不揮発性かつ高密度等の多くの利点を有することで知られている。しかしながら、工業的製造可能な方法でＭＲＡＭを製作するには課題がある。対処されている課題の１つは、ＭＲＡＭセルに確実に書き込むことに関する課題である。これは、書き込み方法と先に使用された層の上の自由層の構造との両方を変更するトグルビットを用いて有効に対処されている。この特別な解決策では、通常、自由層にＳＡＦ構造を使用する。自由層にＳＡＦ構造を使用して書き込みの問題を解決することにより、ＭＲＡＭビットセル、特にＭＲＡＭビットセルのＭＴＪ部分の改善のために必要な考慮事項が変わった。ＭＲＡＭに関して絶えず要望されていることの１つは磁気抵抗（ＭＲ）比を改善することである。ＭＲ比とは、低抵抗状態の抵抗に対する２つの論理状態間の抵抗変化の比である。一つの自由層をＳＡＦの自由層に取り替えると、ＭＲが減少し得る。感知回路に利用可能な信号はＭＲに比例するため、ＳＡＦ自由層を有するＭＴＪでＭＲを増加させる改善では、感知速度が改善されるだろう。
【０００３】
別の問題は、自由層ＳＡＦの反強磁性のカップリングの強度を制御する能力である。書込み電流が許容範囲内に維持されるように、このカップリングは制御される必要がある。別の問題は耐久性、特に耐熱性である。ＭＴＪ材料はいくつかの半導体プロセスで使用されている材料よりも高温に対して高い感度を有する傾向がある。詳細には、ＳＡＦ材料は高温で、反強磁性カップリング強度の低下を引き起こす故障モードを有する。
【０００４】
したがって、ＭＲＡＭ開発に対し、耐熱性、ＭＲ比、および書き込み電流の制御のうちの１または複数を改善する必要性が継続して存在する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明は、一例として示されており、添付図面によって限定されるものではない。添付図面において、同様な参照番号は同様な要素を示す。
図中の要素は単純化と明確化のための示されたものであり、必ずしも一定の比率で描かれていないことは当業者にとって明らかである。例えば、図中の要素のいくつかの寸法を、本発明の実施態様の理解を高めるために役立つように、他の要素に対して誇張する場合がある。
【０００６】
１態様では、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、これは磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に有用なものであるが、合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造である自由層を有している。このＳＡＦは、カップリング層によって分離された２つの強磁性層から構成される。カップリング層は、非磁性のベース材料を有すると共に、耐熱性、ＳＡＦのカップリング強度の制御性、およびＭＲを改善する別の材料も有している。好ましいベース材料はルテニウムであり、好ましい別の材料はタンタルおよびコバルト鉄合金である。これは図面と以下の説明を参照することにより一層よく理解される。
【０００７】
図１に示すように、ＭＴＪ  １０は、上部電極１２、上部電極１２の直下の自由ＳＡＦ
１４、ＳＡＦ  １４の直下のトンネル障壁１６、トンネル障壁１６の直下の固定ＳＡＦ
１８、固定ＳＡＦ  １８の直下のピニング（pinning ）層２０、層２０の直下のシード層２２、シード層２２の直下の底部電極２４を備えている。自由ＳＡＦ  １４は、上部電
極１２の直下の強磁性層２６と、強磁性層２６の直下のカップリング層２８と、カップリング層２８の直下の強磁性層３０とを備えている。固定ＳＡＦ  １８は、トンネル障壁１６の直下の強磁性層３２と、強磁性層３２の直下のカップリング層３４と、カップリング層３４の直下の強磁性層３６とを備えている。強磁性層３２および３６はコバルトと鉄を含む合金で好ましくは構成される。
【０００８】
カップリング層２８が複数材料の組み合わせ、好ましくはルテニウムとタンタルから成り、強磁性層３０は好ましくはコバルトと鉄をカップリング層２８との界面に含むという点を除くと、ＭＴＪ  １０は当業者によく知られているものである。固定層３２の磁気モーメントベクトルが自由層の切り替えに使用される印加電場で実質的に移動しないように、固定ＳＡＦ  １８を、トンネル障壁１６と接触する磁気固定層３２を提供するシングル・ピン強磁性層を始めとする他の構造と取り替えることができることは当業者に周知である。
【０００９】
図２に示すように、ＳＡＦ１４は、強磁性層２６および３０と、挿入層４１と、カップリング層２８とを備え、カップリング層２８は強磁性層２６の直下のベース層３８と、ベース層３８の直下の挿入層４０とを備えている。挿入層４１は強磁性層３０と挿入層４０の間にある。挿入層４１は、鉄とコバルトの強磁性材料を有し、強磁性層３０の一部として磁気的に機能する。挿入層４１は好ましくはコバルト鉄合金であるが、代わりにコバルトまたは鉄のような他の材料であってもよい。ベース層３８は好ましくはルテニウムを含むが、ロジウム、イリジウムおよびオスミウムのような別のベース材料も含み得る。本明細書に使用する場合、ベース材料とは、それ自体がＳＡＦ中の２つの強磁性材料間に必要な反強磁性カップリングを提供するのに十分である材料を意味する。挿入層４０は好ましくはタンタルであり、ＳＡＦ  １４の特性を改善するために挿入される。挿入層４１は好ましくはコバルト鉄であり、やはりＳＡＦ  １４の特性を改善するために挿入される。強磁性層２６および３０は好ましくは鉄が１６〜２０原子パーセント、より好ましくは鉄が約１８原子パーセントのニッケル鉄合金である。
【００１０】
挿入層４１は、コバルト鉄ターゲットを使用したイオンビーム蒸着により好ましくは堆積されるが、別のプロセスを使用することも可能である。１つの代替例はマグネトロンスパッタリングである。この挿入層４１は好ましくは強磁性層３０の上に直接堆積される。次に、挿入層４０がタンタルターゲットを使用したイオンビーム蒸着により挿入層４１の上に直接堆積されるが、マグネトロンスパッタリングのような別のプロセスを使用することも可能である。
【００１１】
公差（tolerance ）はできるだけ厳しく維持されるが、カップリング層２８の厚さ範囲は６〜１０オングストロームであり得る。ベース層３８は好ましくは６．０〜６．５オングストロームであり、挿入層４０は好ましくは２．５オングストロームの厚さに堆積され、挿入層４１は好ましくは２．５オングストロームに堆積されるが、これはできるだけ厳しく維持されるが１．５〜５オングストロームの範囲であってよい。これらの寸法はカップリングピーク中心が７〜８オングストロームであるベース材料としてルテニウムを使用することに基づいている。これらの寸法に重要な影響を及ぼす別のピークを使用してもよい。原子より小さい厚さに挿入層４０および４１を堆積すると、挿入層４０および４１は一つの合金層のように見える場合がある。したがって、ＭＴＪ  １０のような完成したＭＴＪでは、層４０および４１を現実に区別するのは難しい場合がある。
【００１２】
ベース層３８は、反強磁性配列を達成するのに十分なカップリングを強磁性層２６と３０の間に提供する。また、挿入層４０および４１の追加は、生じたＳＡＦ  １４の特定の特性を改善する。例えば、１つの改善は耐熱性にある。ＳＡＦ  １４の故障が起こる温度はルテニウムのみが使用される場合より高い。別の改善は強磁性層２６と３０の間のカッ
プリング強度の制御にある。ベース層３８の厚さをプロセスの変化に対して変化させずに保つことは難しい。カップリング強度はこの厚さに応じて変化する。挿入層４０および４１が追加されると、ベース層の厚さの変化に応じたカップリング強度の変化率が小さくなり、カップリング強度の制御性が増す。さらに別の改善はＭＴＪ  １０のＭＲ比の改善である。例えば挿入層４０および４１を追加する前のＭＲ比が約３０パーセントだった場合、挿入層４０および４１の挿入により３パーセントの増加が観察されるが、これは約１０パーセントの改善である。追加層４０および４１のうちの１つを除去することが有益であろう環境もあり得る。
【００１３】
図３に、図１のＳＡＦ  １４と置き換えた代替ＳＡＦ  ４２を示す。ＳＡＦ  ４２は、上部電極１２の直下の強磁性層４６、強磁性層４６の直下のカップリング層４８、カップリング層４８の直下の強磁性層５０を備えている。この場合、カップリング層４８は、ベース材料と、耐熱性およびカップリング強度の制御性を改善する別の材料との合金である。ベース材料の例はルテニウム、ロジウム、イリジウムおよびオスミウムである。合金を形成するために加えられる追加材料は、ホウ素、アルミニウム、炭素、タンタル、ニオブ、モリブデン、ジルコニウムおよびハフニウムから選択される。好ましい組み合わせはルテニウムとホウ素である。というのも、それはルテニウムのみで達成される同じカップリング強度を有するＳＡＦと比較して高温アニール下でより優れた耐久性を実証するためである。カップリング層４８は好ましくは６〜１０オングストロームの範囲である。繰り返しになるが、これらの寸法がカップリングピーク中心が７〜８オングストロームであるベース材料としてルテニウムを使用することに基づいている。これらの寸法に重要な影響を及ぼす別のピークを使用してもよい。
【００１４】
図４に、図１のＳＡＦ  １４と置き換えたもう一つの代替ＳＡＦ  ６０を示す。ＳＡＦ
６０は、上部電極１２の直下の強磁性層６４、強磁性層６４の直下のカップリング層６２、およびカップリング層の直下の強磁性層６６を備えている。この場合、カップリング層６２は、強磁性層６６上の層７８、層７８上の層７６、層７６上の層７４、層７４上の層７２、層７２上の層７０、および層７０上の層６８を備えた多層から成る複合体である。この多層構成は、ＳＡＦ  ６０従ってＭＴＪ  １０の特性を改善するためにベース材料と追加材料が交互になっているものである。このうち、層６８，７２および７６はベース材料であり、層７０，７４および７８は追加材料である。これは６層の例であるが、より少ない場合やより多い場合もあり得る。追加材料は、ニッケル鉄、コバルト鉄、タンタルおよびアルミニウムのうちの１つであってよい。これらはカップリング強度を制御するという利点を有することが示されている。カップリング層６２の全体厚さは、６〜１０オングストロームの範囲とする。この６層の例では、カップリング層６２の所望の厚さを達成するために、各層６８−７８は１〜１．７オングストロームの範囲とする。これらの小さな寸法では、個々の層を区別するのは難しいかもしれない。この多層アプローチはカップリング強度を選択する際に、より多くの制御性を与えることが示されている。好ましい材料はベース材料にはルテニウムであり、追加材料としてはタンタルである。
【００１５】
上記明細書において、本発明を特定の実施態様に関して説明した。しかしながら、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱しなければ、種々の改変および変更を行うことができることは、当業者にとって明らかである。従って、明細書および図面は、限定的な意味というよりも説明的な意味において考えられるべきであって、すべてのそのような改変は、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００１６】
上記において、利点、他の効果、および課題に対する解決策を、特定の実施態様に関して説明した。しかしながら、上記の利点、課題に対する解決策、および、何らかの利点または解決策を生じさせるか一層明確にするすべての要素は、いずれかのまたはすべての特許請求の範囲の、決定的であるか、必要であるか、または、実質的である特徴または要素
と見なされるべきものではない。本書で使用されるように、用語「備える（comprises ）」、「備えた(comprising)」、または、それらのすべての他の変形例は、非排他的包含を含むことが意図されているので、多くの要素からなるプロセス、方法、物品、または装置は、それらの要素を含むのみならず、そのようなプロセス、方法、物品、または装置に対して明示的に列挙されていないか固有ではない他の要素を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施態様によるＭＲＡＭに使用される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の断面図。
【図２】本発明の一実施態様による図１のＭＴＪの一部分の断面図。
【図３】図２に示した実施態様の代替実施態様による図１のＭＴＪの一部分の断面図。
【図４】図２に示した実施態様の別の代替実施態様による図１のＭＴＪの一部分の断面図。
【図１】
2007515075.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007515075.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2007515075.tif 000007
2007515075.tif 000008