(57)【要約】【課題】  熱的耐久性を向上させる。【解決手段】  実施形態の磁気抵抗素子は、可変の磁化方向を有する第１磁性層１３と、不変の磁化方向を有する第２磁性層１６と、第１磁性層１３と第２磁性層１６との間に設けられた第１非磁性層１４と、第２磁性層１６の磁化方向を固定し、第２磁性層１６と反強磁性結合する第３磁性層１８と、第２磁性層１６と第３磁性層１８との間に設けられた第２非磁性層１７とを含む。第２非磁性層１７は、ルテニウム（Ｒｕ）と金属元素とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変の磁化方向を有する第１磁性層と、
不変の磁化方向を有する第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第２磁性層の磁化方向を固定し、前記第２磁性層と反強磁性結合する第３磁性層と、
前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第２非磁性層と
を具備し、
前記第２非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）と金属元素とを含み、
前記金属元素は、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びモリブデン（Ｍｏ）の群から選択される
磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第２磁性層、及び前記第３磁性層の磁化方向は、膜面に垂直である
請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第２非磁性層を介した前記第２磁性層と前記第３磁性層との間の交換結合磁界は、前記第２非磁性層の膜厚が厚くなるにつれて小さくなる波形状の第１特性を有し、
前記第１特性は、交換結合磁界が最も大きい第１ピークを有し、
前記第２非磁性層は、前記第１ピークの膜厚に設定される
請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
ＳＡＦ（synthetic antiferromagnetic）構造の非磁性層にルテニウム（Ｒｕ）を用いた場合の交換結合磁界は、非磁性層の膜厚が厚くなるにつれて小さくなる波形状の第２特性を有し、
前記第２特性は、交換結合磁界が最も大きい第１ピークと、前記第１ピークの次に交換結合磁界が大きい第２ピークとを有し、
前記第２非磁性層の膜厚は、前記第１ピークの膜厚より大きく、かつ前記第２ピークの膜厚より小さい
請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第２磁性層は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第３磁性層は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む
請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第１非磁性層は、酸化マグネシウム(ＭｇＯ)を含む
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体記憶装置の一種としてＭＲＡＭ（magnetoresistive random access memory）が知られている。ＭＲＡＭは、情報を記憶するメモリセルに磁気抵抗効果（magnetoresistive effect）を持つ磁気抵抗素子を用いたメモリデバイスである。ＭＲＡＭの書込み方式には、スピン注入書き込み方式がある。このスピン注入書き込み方式は、磁性体のサイズが小さくなる程、磁化反転に必要なスピン注入電流が小さくなるという性質を有するため、高集積化、低消費電力化、及び高性能化に有利である。
【０００３】
磁気抵抗素子は、記憶層の磁化方向に応じて２値データを記憶する。したがって、高性能のＭＲＡＭを実現するためには、記憶層のデータ保持特性を向上することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８３２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、データ保持特性を向上させつつ、熱的耐久性を向上させることが可能な磁気抵抗素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る磁気抵抗素子は、可変の磁化方向を有する第１磁性層と、不変の磁化方向を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第２磁性層の磁化方向を固定し、前記第２磁性層と反強磁性結合する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第２非磁性層とを具備する。前記第２非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）と金属元素とを含み、前記金属元素は、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びモリブデン（Ｍｏ）の群から選択される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係るＭＴＪ素子の断面図。
【図２】スペーサ層の交換結合磁界Ｈｅｘを説明するグラフ。
【図３】複数種類のＲｕＸ合金における交換結合磁界Ｈｅｘを説明するグラフ。
【図４】交換結合磁界Ｈｅｘの減少率とアニール時間との関係を説明するグラフ。
【図５】複数種類のＲｕＸ合金におけるＨｅｘ減少率の傾きを説明する図。
【図６】第２実施形態に係るＭＲＡＭの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
【０００９】
［第１実施形態］
以下に、磁気記憶装置（磁気メモリ）に含まれる磁気抵抗素子（magnetoresistive element）について説明する。磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子）は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。
【００１０】
［１］  ＭＴＪ素子の構造
図１は、第１実施形態に係るＭＴＪ素子１０の断面図である。図１に示したＭＴＪ素子１０は、図示しない下地構造上に設けられる。下地構造は、半導体基板、選択トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）、及び層間絶縁層等を含む。ＭＴＪ素子１０の下面には下部電極（図示せず）が設けられ、下部電極を介してＭＴＪ素子１０と選択トランジスタとが電気的に接続される。ＭＴＪ素子１０の上面には上部電極（図示せず）が設けられ、上部電極を介してＭＴＪ素子１０とビット線（図示せず）とが電気的に接続される。
【００１１】
図１に示すように、ＭＴＪ素子１０は、バッファ層（ＢＬ）１１、下地層（ＵＬ）１２、記憶層（ＳＬ：storage layer）１３、トンネルバリア層（ＴＢ）１４、界面層（ＩＬ）１５、参照層（ＲＬ：reference layer）１６、スペーサ層１７、シフトキャンセル層（ＳＣＬ：Shift Cancelling Layer）１８、及びキャップ層（Ｃａｐ）１９が順に積層されて構成される。記憶層１３は、自由層（free layer）とも呼ばれる。参照層１６は、固定層（fixed layer）とも呼ばれる。シフトキャンセル層１８は、シフト調整層（shift adjustment layer）とも呼ばれる。ＭＴＪ素子１０の平面形状については特に制限はなく、例えば円や楕円である。
【００１２】
バッファ層１１は、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、或いはバナジウム（Ｖ）等を含む。また、これらのホウ化物を含んでもよい。ホウ化物は、２種類の元素からなる二元化合物に限らず、２種類の元素からなる三元化合物でもよい。つまり、二元化合物の混合物でもよい。例えば、バッファ層１１は、ホウ化ハフニウム(ＨｆＢ)、ホウ化マグネシウムアルミニウム(ＭｇＡｌＢ)、ホウ化ハフニウムアルミニウム(ＨｆＡｌＢ)、ホウ化スカンジウムアルミニウム(ＳｃＡｌＢ)、ホウ化スカンジウムハフニウム(ＳｃＨｆＢ)、或いはホウ化ハフニウムマグネシウム(ＨｆＭｇＢ)であってもよい。また、これらの材料が積層されていてもよい。高融点金属、及びそれらのホウ化物を用いることで、バッファ層材料の磁性層への拡散を抑制でき、ＭＲ比（magnetoresistance ratio）の劣化を防ぐことができる。ここで、高融点金属とは、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）より融点が高い材料であり、例えばジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、或いはこれらの合金である。
【００１３】
下地層１２は、記憶層の結晶性及び粒径などを制御するための層である。下地層１２は、酸化マグネシウム(ＭｇＯ)、窒化マグネシウム(ＭｇＮ)、窒化ジルコニウム(ＺｒＮ)、窒化ニオブ(ＮｂＮ)、窒化シリコン(ＳｉＮ)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ハフニウム(ＨｆＮ)、窒化タンタル(ＴａＮ)、窒化タングステン(ＷＮ)、窒化クロム(ＣｒＮ)、窒化モリブデン(ＭｏＮ)、窒化チタン(ＴｉＮ)、或いは窒化バナジウム(ＶＮ)などの窒素化合物又は酸素化合物を含む。さらに、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、及びバナジウム（Ｖ）のうち２つを含む窒素化合物又は酸素化合物であってもよい。つまり、２種類の元素からなる二元化合物に限らず、３種類の元素からなる三元化合物、例えば、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）などでもよい。窒素化合物及び酸素化合物は、それらに接する磁性層のダンピング定数上昇を抑制し、書き込み電流低減の効果が得られる。さらに、高融点金属の窒素化合物又は酸素化合物を用いることで、下地層材料の磁性層への拡散を抑制でき、ＭＲ比の劣化を防ぐことができる。
【００１４】
記憶層１３は、強磁性材料で構成される。記憶層１３は、例えば垂直磁気異方性を有し、その容易磁化方向は、膜面に対して垂直又はほぼ垂直である。“ほぼ垂直”とは、残留磁化の方向が膜面に対して、４５°＜θ≦９０°の範囲内にあることを含むものとする。記憶層１３の磁化方向は、可変であり、反転可能である。“磁化方向が可変”とは、ＭＴＪ素子１０に所定の書き込み電流を流した場合に、記憶層１３の磁化方向が変化できることを意味する。
【００１５】
記憶層１３は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む化合物又は合金から構成される。記憶層１３は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）に加えてコバルト（Ｃｏ）を含んでいてもよい。例えば、記憶層１３は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、又はホウ化鉄（ＦｅＢ）から構成される。
【００１６】
トンネルバリア層１４は、非磁性材料で構成される。トンネルバリア層１４は、記憶層１３と界面層１５との障壁として機能する。例えば、トンネルバリア層１４は、絶縁材料で構成され、具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。
【００１７】
界面層１５は、参照層１６と磁気的に結合する。界面層１５は、例えば高い偏極率を有する強磁性材料で構成される。界面層１５を導入したＭＴＪ素子１０は、大きなＴＭＲ（tunneling magneto resistive）効果を得ることができる。界面層１５は、トンネルバリア層１４と格子不整合が小さい材料から選択されることが望ましい。界面層１５は、例えば、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含む。なお、界面層１５と参照層１６とを纏めて参照層と呼ぶ場合もある。
【００１８】
参照層１６は、強磁性材料で構成される。参照層１６は、例えば垂直磁気異方性を有し、その容易磁化方向は、膜面に対してほぼ垂直である。参照層１６の磁化方向は、不変であり、一方向に固定される。“磁化方向が不変”とは、ＭＴＪ素子１０に所定の書き込み電流を流した場合に、参照層１６の磁化方向が変化しないことを意味する。
【００１９】
参照層１６は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む化合物又は合金から構成される。参照層１６は、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）に加えてコバルト（Ｃｏ）を含んでいてもよい。例えば、参照層１６は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、又はホウ化鉄（ＦｅＢ）から構成される。若しくは、参照層１６は、例えば、コバルト（Ｃｏ）と、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、或いはパラジウム（Ｐｄ）とを積層した人工格子膜、又はＣｏと、Ｐｔ、Ｎｉ、或いはＰｄとによる合金膜を含む。具体的には、例えば、人工格子膜としてＣｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、或いはＣｏ／Ｐｄといった磁性層と非磁性層との組み合わせで積層された膜が用いられてもよく、合金膜としてコバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、或いはコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）が用いられてもよい。
【００２０】
スペーサ層１７は、非磁性材料で構成され、参照層１６とシフトキャンセル層１８とを反強磁性結合させる機能を有する。すなわち、参照層１６、スペーサ層１７、及びシフトキャンセル層１８は、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnetic）構造を有する。参照層１６とシフトキャンセル層１８とは、スペーサ層１７を介して反強磁性結合する。スペーサ層１７は、ルテニウム（Ｒｕ）を含む合金で構成される。スペーサ層１７の具体的な構成については後述する。
【００２１】
シフトキャンセル層１８は、参照層１６からの漏れ磁場を低減し、この漏れ磁場が記憶層１３に印加されて記憶層１３の保磁力（或いは磁化曲線）がシフトするのを抑制する機能を有する。シフトキャンセル層１８は、強磁性材料で構成される。シフトキャンセル層１８は、例えば垂直磁気異方性を有し、その容易磁化方向は、膜面に対してほぼ垂直である。シフトキャンセル層１８の磁化方向は、不変であり、一方向に固定される。シフトキャンセル層１８と参照層１６との磁化方向は、反平行に設定される。シフトキャンセル層１８は、例えば参照層１６と同じ強磁性材料で構成される。シフトキャンセル層１８は、参照層１６の材料として列挙した強磁性材料のうち、参照層１６と異なる材料から選択してもよい。なお、記憶層１３、参照層１６、及びシフトキャンセル層１８の磁化方向は、垂直方向に限定されず、面内方向であってもよい。
【００２２】
キャップ層１９は、非磁性の導電層であり、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、又はルテニウム（Ｒｕ）等を含む。
【００２３】
ＭＴＪ素子１０は、例えば、スピン注入書き込み方式によりデータの書き換えが可能である。スピン注入書き込み方式では、ＭＴＪ素子１０に直接に書き込み電流を流し、この書き込み電流によってＭＴＪ素子１０の磁化状態を制御する。ＭＴＪ素子１０は、記憶層１３と参照層１６との磁化の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態と高抵抗状態とのいずれかを取り得る。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、可変抵抗素子である。
【００２４】
ＭＴＪ素子１０に対して、記憶層１３から参照層１６へ向かう書き込み電流を流すと、記憶層１３と参照層１６との磁化の相対関係が平行になる。この平行状態の場合、ＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も低くなり、ＭＴＪ素子１０は低抵抗状態に設定される。ＭＴＪ素子１０の低抵抗状態を、例えばデータ“０”と規定する。
【００２５】
一方、ＭＴＪ素子１０に対して、参照層１６から記憶層１３へ向かう書き込み電流を流すと、記憶層１３と参照層１６との磁化の相対関係が反平行になる。この反平行状態の場合、ＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も高くなり、ＭＴＪ素子１０は高抵抗状態に設定される。ＭＴＪ素子１０の高抵抗状態を、例えばデータ“１”と規定する。
【００２６】
これにより、ＭＴＪ素子１０を１ビットデータ（２値データ）を記憶可能な記憶素子として使用することができる。ＭＴＪ素子１０の抵抗状態とデータとの割り当ては任意に設定可能である。
【００２７】
ＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合は、ＭＴＪ素子１０に読み出し電圧を印加し、この時にＭＴＪ素子１０に流れる読み出し電流に基づいてＭＴＪ素子１０の抵抗値を、センスアンプなどを用いて検知する。この読み出し電流は、スピン注入によって磁化反転する閾値よりも十分小さい値に設定される。
【００２８】
［２］  ＳＡＦ構造について
次に、参照層１６、スペーサ層１７、及びシフトキャンセル層１８からなるＳＡＦ構造についてより具体的に説明する。
【００２９】
図２は、スペーサ層１７の交換結合磁界Ｈｅｘを説明するグラフである。図２の横軸がスペーサ層１７の膜厚ＴＨＫ（オングストローム）、図２の縦軸がスペーサ層１７の交換結合磁界Ｈｅｘ（任意単位：ａ．ｕ．）である。
【００３０】
図２の実線は、スペーサ層としてＲｕ単体を用いた場合のグラフである。交換結合磁界Ｈｅｘは、波形の特性を有し、この特性の波高値（ピーク）は、膜厚ＴＨＫが厚くなるにつれて、小さくなる。すなわち、交換結合磁界Ｈｅｘは、複数のピークを有し、複数のピークは、膜厚ＴＨＫが厚くなるにつれて、小さくなる。最も交換結合磁界Ｈｅｘが大きいピークを第１ピーク、第１ピークの次に交換結合磁界Ｈｅｘが大きいピークを第２ピークと呼ぶ。
【００３１】
Ｒｕスペーサ層では、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを得るために、第１ピークとなる一番薄い膜厚条件を適用する必要があるが、そのスペーサ層の膜厚条件が非常に薄いため、外部温度印加による原子拡散の影響が大きくなり、磁気特性の熱的耐久性（thermal endurance）が劣化する。
【００３２】
本実施形態では、参照層１６とシフトキャンセル層１８とを反強磁性結合させるスペーサ層１７は、ルテニウム（Ｒｕ）と金属Ｘとの合金で構成される。ルテニウム（Ｒｕ）を含む合金をＲｕＸ合金（ルテニウム系合金）と呼ぶ。図２には、スペーサ層１７としてのＲｕＸ合金、及び金属Ｘ単体のグラフも載せている。
【００３３】
金属（金属元素）Ｘは、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びモリブデン（Ｍｏ）の群から選択される。オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、及び白金（Ｐｔ）は、白金族金属からなる。
【００３４】
白金族金属、又はクロム（Ｃｒ）を添加したＲｕＸ合金については、あくまでも交換結合磁界Ｈｅｘは、Ｒｕ単体よりも劣化してしまうが、第１ピークをとるスペーサ層の膜厚を、Ｒｕ単体よりも厚くできる（外部温度印加による原子拡散の影響を小さくできる）ため、交換結合磁界Ｈｅｘの熱的耐久性を向上させることができる。
【００３５】
タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びモリブデン（Ｍｏ）は、高融点金属からなる。金属Ｘとして高融点金属を用いることで、ＲｕＸ合金自体の耐熱性を向上させることができる。また、第１ピークをとるスペーサ層の膜厚を、Ｒｕ単体よりも厚くできるため、ＲｕＸ合金の耐熱性を向上させることができる。
【００３６】
図２に示すように、ＲｕＸ合金の第１ピークは、Ｒｕ単体の第１ピークより若干小さく、Ｒｕ単体の第２ピークより大きい。スペーサ層１７としてのＲｕＸ合金の膜厚は、ＲｕＸ合金の交換結合磁界Ｈｅｘの第１ピークの膜厚、或いは第１ピーク付近の膜厚の範囲内に設定される。“第１ピーク付近”とは、第１ピークを中心とし、第１ピークの波高値の８０％以上の範囲を意味する。又は、ＲｕＸ合金の膜厚は、Ｒｕ単体の第１ピークの膜厚より大きく、かつＲｕ単体の第２ピークの膜厚より小さい。
【００３７】
スペーサ層１７としてＲｕＸ合金を用いることで、従来のＲｕ単体でスペーサ膜厚を厚くした第２ピークにおけるＨｅｘよりも十分に大きなＨｅｘを維持しながら、スペーサ層１７の膜厚を厚くできる。
【００３８】
図３は、複数種類のＲｕＸ合金における交換結合磁界Ｈｅｘを説明するグラフである。図３の横軸がスペーサ層１７の膜厚ＴＨＫ（オングストローム）、図３の縦軸がスペーサ層１７の交換結合磁界Ｈｅｘ（任意単位）である。図３では、ＲｕＸ合金における交換結合磁界Ｈｅｘの第１ピークを主として示している。図３には、Ｒｕ単体、ルテニウムタンタル（ＲｕＴａ）、及びルテニウムタングステン（ＲｕＷ）のグラフを載せている。また、図３には、Ｔａの組成（ａｔ％：原子パーセント）が１５ａｔ％であるＲｕＴａ１５ａｔ％、Ｔａが３０ａｔ％であるＲｕＴａ３０ａｔ％、Ｗが１５ａｔ％であるＲｕＷ１５ａｔ％、Ｗが３０ａｔ％であるＲｕＷ３０ａｔ％のグラフを載せている。
【００３９】
図３に示すように、ＲｕＴａ及びＲｕＷを含むＲｕＸ合金を用いることで、交換結合磁界Ｈｅｘの第１ピークを、膜厚が厚くなる方向にシフトさせることができる。これにより、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを維持しつつ、スペーサ層１７の膜厚を厚くすることができる。特に、ＲｕＴａ１５ａｔ％、及びＲｕＷ１５ａｔ％では、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを得ることができる。
【００４０】
図４は、交換結合磁界Ｈｅｘの減少率（Ｈｅｘ減少率）とアニール時間との関係を説明するグラフである。図４の横軸がアニール時間（ｓｅｃ）、図４の縦軸がＨｅｘ減少率（％）である。図４には、Ｒｕ単体の他に、一例として、ＲｕＷ１５ａｔ％、及びＲｕＷ３０ａｔ％のグラフを載せている。ＭＴＪ素子１０を製造する工程において、ＳＡＦ構造には、高温での複数回のアニール（熱処理）が行われる。
【００４１】
図４に示すように、Ｒｕ単体に比べて、ＲｕＸ合金では、Ｈｅｘ減少率が小さい。また、金属Ｘの組成が大きい方がＨｅｘの減少率が小さい。よって、高温での複数回のアニールが行われるＭＴＪ素子１０では、ＲｕＸ合金を用いることが望ましことが理解できる。
【００４２】
図５は、複数種類のＲｕＸ合金におけるＨｅｘ減少率の傾き（ｓｌｏｐｅ）を説明する図である。図５には、Ｒｕ単体（Ｒｅｆ． Ｒｕ）、ＲｕＴａ１５ａｔ％、ＲｕＴａ３０ａｔ％、ＲｕＷ１５ａｔ％、及びＲｕＷ３０ａｔ％の数値を載せている。図５には、０〜１２０秒のアニール時間における傾き（ｓｌｏｐｅ（０−１２０））と、１２０〜３００秒のアニール時間における傾き（ｓｌｏｐｅ（１２０−３００））とに分けて数値を算出している。
【００４３】
図５に示すように、Ｒｕ単体に比べて、ＲｕＸ合金では、Ｈｅｘ減少率が小さい。また、ＲｕＷは、Ｈｅｘ減少率がより小さいことが理解できる。
【００４４】
なお、上述した実施形態では、図１に示すように、ＭＴＪ素子１０は、参照層１６を含むＳＡＦ構造が記憶層１３の上方に配置されるトップＳＡＦ構造を有している。しかし、この構造に限定されず、ＭＴＪ素子１０は、参照層１６を含むＳＡＦ構造が記憶層１３の下方に配置されるボトムＳＡＦ構造を有していてもよい。具体的には、ＭＴＪ素子１０は、バッファ層１１、下地層１２、シフトキャンセル層１８、スペーサ層１７、参照層１６、トンネルバリア層１４、界面層１５、記憶層１３、及びキャップ層１９が順に積層されて構成される。ボトムＳＡＦ構造においても、ＳＡＦ構造の特性を向上できる。
【００４５】
［３］  第１実施形態の効果
ＳＡＦ構造に含まれる非磁性層（スペーサ層）としてルテニウム（Ｒｕ）を用いた場合、交換結合磁界Ｈｅｘが一番大きい第１ピークのスペーサ膜厚は非常に薄いため、熱的耐久性が劣化する。ＭＴＪ素子は、その製造工程において、高温での複数回のアニールが行われる。このため、スペーサ層の熱的耐久性を向上させる必要がある。
【００４６】
そこで、第１実施形態では、ＭＴＪ素子１０は、参照層１６、スペーサ層１７、及びシフトキャンセル層１８からなるＳＡＦ構造を有し、スペーサ層１７を、ルテニウム（Ｒｕ）と金属Ｘとの合金であるＲｕＸ合金で構成するようにしている。
【００４７】
従って第１実施形態によれば、従来のＲｕ単体でスペーサ膜厚を厚くした第２ピークにおける交換結合磁界Ｈｅｘよりも十分に大きな交換結合磁界Ｈｅｘを維持しながら、スペーサ層１７の膜厚を厚くできる。これにより、参照層１６からの漏れ磁場が記憶層１３に印加されるのを抑制できるとともに、スペーサ層１７の熱的耐久性を向上できる。この結果、磁化方向を記憶する記憶層１３の磁化が安定し、ＭＴＪ素子のデータ保持特性を向上できる。また、ＭＴＪ素子１０の熱的耐久性も向上できる。
【００４８】
また、スペーサ層１７としてＲｕＸ合金を用いることで、ＭＴＪ素子１０に高温でのアニールが行われた場合でも、交換結合磁界Ｈｅｘが減少するのを抑制できる。
【００４９】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いた磁気記憶装置（磁気メモリ）、すなわちＭＲＡＭ（magnetoresistive random access memory）の構成例である。図６は、第２実施形態に係るＭＲＡＭ３０の断面図である。
【００５０】
半導体基板３１は、Ｐ型半導体基板から構成される。Ｐ型半導体基板３１は、半導体基板に設けられたＰ型半導体領域（Ｐ型ウェル）であってもよい。
【００５１】
半導体基板３１内には、選択トランジスタ３２が設けられる。選択トランジスタ３２は、例えば、埋め込みゲート（buried gate）構造を有するＭＯＳトランジスタから構成される。なお、選択トランジスタ３２は、埋め込みゲート型ＭＯＳトランジスタに限定されず、プレーナー型ＭＯＳトランジスタで構成してもよい。
【００５２】
選択トランジスタ３２は、ゲート電極３３、キャップ層３４、ゲート絶縁膜３５、ソース領域３６、及びドレイン領域３７を備える。ゲート電極３３は、ワード線ＷＬとして機能する。
【００５３】
ゲート電極３３は、ロウ方向に延び、半導体基板３１に埋め込まれる。ゲート電極３３の上面は、半導体基板３１の上面より低い。ゲート電極３３上には、絶縁材料で構成されるキャップ層３４が設けられる。ゲート電極３３の底面及び両側面には、ゲート絶縁膜３５が設けられる。半導体基板３１内かつゲート電極３３の両側には、ソース領域３６及びドレイン領域３７が設けられる。ソース領域３６及びドレイン領域３７は、半導体基板３１に高濃度のＮ型不純物を導入して形成されたＮ＋型拡散領域から構成される。
【００５４】
ドレイン領域３７上には、ピラー状の下部電極３８が設けられ、下部電極３８上には、ＭＴＪ素子１０が設けられる。ＭＴＪ素子１０上には、ピラー状の上部電極３９が設けられる。上部電極３９上には、ロウ方向に交差するカラム方向に延びるビット線ＢＬが設けられる。
【００５５】
ソース領域３６上には、コンタクトプラグ４０が設けられる。コンタクトプラグ４０上には、カラム方向に延びるソース線ＳＬが設けられる。例えば、ソース線ＳＬは、ビット線ＢＬより下層の配線層で構成される。半導体基板３１とビット線ＢＬとの間には、層間絶縁層４１が設けられる。
【００５６】
第２実施形態によれば、第１実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。また、データ保持特性に優れ、かつ熱的耐久性に優れたＭＲＡＭを実現できる。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１０…ＭＴＪ素子、１１…バッファ層、１２…下地層、１３…記憶層、１４…トンネルバリア層、１５…界面層、１６…参照層、１７…スペーサ層、１８…シフトキャンセル層、１９…キャップ層、３１…半導体基板、３２…選択トランジスタ、３３…ゲート電極、３４…キャップ層、３５…ゲート絶縁膜、３６…ソース領域、３７…ドレイン領域、３８…下部電極、３９…上部電極、４０…コンタクトプラグ、４１…層間絶縁層
【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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