(57)【要約】磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子構造とＭＴＪ素子構造の製造方法とが提供される。ＭＴＪ素子構造（１０）は、結晶質ピン層（２６）、非晶質固定層（３０）、および前記結晶質ピン層と前記非晶質固定層の間に配置された結合層（２８）を含み得る。非晶質固定層（３０）は結晶質ピン層（２６）に反強磁性的に結合される。前記ＭＴＪ素子は更に、自由層（３４）と、前記非晶質固定層と前記自由層の間に配置されたトンネル障壁層（３２）を含む。別のＭＴＪ素子構造（６０）は、ピン層（２６）、固定層（３０）、およびそれらの間に配置された非磁性結合層（２８）を含み得る。固定層（３０）と自由層（３４）の間にトンネル障壁層（３２）が配置される。トンネル障壁層（３２）と非晶質材料層（３０）に隣接してインタフェース層（６２）が配置される。第１インタフェース層（６２）は、非晶質材料（３０）のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成される。
2008507854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶質ピン強磁性層と、非晶質固定強磁性層と、前記結晶質ピン強磁性層と前記非晶質固定強磁性層の間に配置された非磁性結合層とを含み、前記非晶質固定強磁性層は前記結晶質ピン強磁性層に反強磁性的に結合された合成反強磁性体ピン構造と、
自由強磁性層を含む第１電極スタックと、
前記合成反強磁性体ピン構造と前記第１電極スタックとの間に配置されたトンネル障壁層と
を備えたことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記結晶質ピン強磁性層に近接して配置された反強磁性ピニング層を更に備え、前記結晶質ピン強磁性層は前記反強磁性ピニング層と交換結合されることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記非晶質固定強磁性層は化学式ＣｏＦｅＸを有する材料で構成され、前記Ｘはホウ素、タンタル、炭素、およびハフニウムからなるグループから選択された少なくとも一つの材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記自由強磁性層は非晶質材料または結晶質材料の一つで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記自由強磁性層は二つの強磁性層と前記二つの強磁性層の間に配置された非磁性層とを有するＳＡＦ構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記第１電極スタックは前記自由強磁性層に近接して配置された電極層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記結晶質ピン強磁性層は化学式ＣｏＦｅＸを有する材料で構成され、前記Ｘはホウ素、タンタル、ハフニウム、および炭素からなるグループから選択された少なくとも一つの材料で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記非磁性結合層はルテニウム、レニウム、オスミウム、ロジウム、およびそのいずれかの組み合わせからなるグループから選択された材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
ピン強磁性層と、固定強磁性層と、前記ピン強磁性層と前記固定強磁性層との間に配置された非磁性結合層とを含み、前記固定強磁性層は前記ピン強磁性層に反強磁性的に結合された合成反強磁性体ピン構造と、
自由強磁性層を含む第１電極スタックと、
前記合成反強磁性体ピン構造と前記第１電極スタックとの間に配置されたトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層と非晶質材料層とに隣接して配置された第１インタフェース層と
を備え、
前記第１インタフェース層は前記非晶質材料層のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成されていることを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記非晶質材料層は化学式ＣｏＦｅＸを有する材料で構成され、前記Ｘはホウ素、タンタル、ハフニウム、および炭素からなるグループから選択された少なくとも一つの材料で構成され、前記第１インタフェース層はＣｏＦｅで構成されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記固定強磁性層は非晶質材料層で構成され、前記第１インタフェース層は前記トンネル障壁層と前記固定強磁性層との間に配置され、前記第１インタフェース層は前記固定強磁性層のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
前記自由強磁性層は非晶質材料で構成され、当該磁気トンネル接合素子は前記トンネル障壁層と前記自由強磁性層との間に配置された第２インタフェース層を更に備え、該第２インタフェース層は前記自由強磁性層のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１３】
前記自由強磁性層は非磁性結合層によって分離された二つの強磁性材料層を有するＳＡＦ構造で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１４】
前記自由強磁性層は非晶質材料層で構成され、前記第１インタフェース層は前記トンネル障壁層と前記自由強磁性層との間に配置され、前記第１インタフェース層は前記自由強磁性層のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１５】
前記自由強磁性層は非磁性結合層によって分離された二つの強磁性材料層を有するＳＡＦ構造で構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１６】
磁気トンネル接合素子の形成方法であって、
第１強磁性層の上に、表面を有する第１結合層を形成するステップと、
前記第１結合層の表面を第１表面改質剤に曝すステップと、
表面が改質された第１結合層の上に第２強磁性層を堆積させるステップと、
前記第２強磁性層の上にトンネル障壁層を形成するステップと、
前記トンネル障壁層の上に電極スタックを形成するステップと
で構成されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記第１結合層の表面を第１表面改質剤に曝すステップは、前記第１結合層の表面を酸素に曝すステップで構成されていることを特徴とする請求項１６に磁気トンネル接合素子の形成記載の方法。
【請求項１８】
前記第１結合層の表面を第１表面改質剤に曝すステップは、前記第１結合層の表面を空気、Ａｒ／Ｏ2混合物、またはＮ2／Ｏ2混合物に曝すステップで構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１９】
第１強磁性層の上に第１結合層を形成するステップは、ピン強磁性層の上に第１結合層を形成するステップで構成され、表面が改質された第１結合層の上に第２強磁性層を堆積させるステップは、表面が改質された第１結合層の上に固定強磁性層を堆積させるステップで構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２０】
前記トンネル障壁層の上に電極スタックを形成するステップは、前記トンネル障壁層の上に自由強磁性層を形成するステップで構成され、前記トンネル障壁層の上に自由強磁性層を形成するステップは、
前記トンネル障壁層の上に第３強磁性層を堆積させるステップと、
前記第３強磁性層の上に第２結合層を形成するステップと、
前記第２結合層の上に第４強磁性層を堆積させるステップと
で構成され、
前記第２結合層の上に第４強磁性層を堆積させるステップは、前記第２結合層の上に第４強磁性層を堆積させるステップの前に前記第２結合層を第２表面改質剤に曝すステップを更に備え、前記第２結合層の表面を第２表面改質剤に曝すステップは、前記第２結合層の表面を酸素に曝すステップで構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、磁気電子デバイスに関し、より詳しくは、磁気トンネル接合素子構造と磁気トンネル接合素子構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気電子デバイス、スピン電子デバイス、およびスピントロニクスデバイスは、主として電子スピンによって生じる効果を用いるデバイスに対する同義語である。磁気電子効果は、多くの情報デバイスにおいて用いられ、不揮発性、高信頼性、耐放射線性、および高密度のデータ蓄積および検索を実現する。多くの磁気電子情報デバイスは、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁気センサー、およびディスク駆動装置用読み取り書き込みヘッドを含むが、これらに限定されない。
【０００３】
一般的に、磁気記憶素子などの磁気電子デバイスは、少なくとも一つの非磁性層によって分離された多数の強磁性層を含む構造を有している。磁気記憶素子においては、情報は磁性層の中の磁化ベクトルの方向として記憶される。例えば、一つの磁性層の中の磁化ベクトルは磁気的に固定すなわちピンされるが、他の磁性層の磁化方向は、それぞれ「平行」状態および「逆平行」状態と呼ばれる同方向と反対方向の間で自由に切り替わることができる。平行状態と逆平行状態に応じて、磁気記憶素子は二つの異なる抵抗を表す。抵抗は、二つの磁性層の磁化ベクトルがほぼ同じ方向を向くとき最小値となり、ほぼ反対方向を向くとき最大値となる。従って、抵抗変化の検出により、ＭＲＡＭデバイスなどのデバイスが磁気記憶素子に記憶された情報を供給することができる。最小抵抗値と最大抵抗値の差を最小抵抗値で割った値は磁気抵抗比（ＭＲ）として知られている。
【０００４】
磁気記憶素子の一つの形式である磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、外部磁界に関して固定された磁化方向を有する固定強磁性層と、外部磁界と共に自由に回転することができる磁化方向を有する自由強磁性層とを備えている。固定層と自由層は絶縁トンネル障壁層によって分離されており、絶縁トンネル障壁層は、自由強磁性層と固定強磁性層の間の絶縁トンネル障壁層をトンネル通過するスピン偏極電子の現象に依拠している。トンネル現象は電子スピンに依存しており、ＭＴＪ素子の磁気応答を、自由強磁性層と固定強磁性層の間の伝導電子の相対位置とスピン偏極の関数にする。
【０００５】
トンネル障壁層は、ＭＲがトンネル障壁品質に強く依存しているので、ＭＴＪ素子の性能にとって重要である。特に、トンネル障壁の表面平滑性は、高品質ＭＴＪデバイスを作るのに重大な役割を果たす。一般的に、トンネル障壁の表面粗さは、障壁を通じての非トンネル電流の流れまたは下部強磁性層内の最重要部の過剰酸化のために、ＭＲの減少につながり、このことは結果として、ＭＴＪデバイス製造における信頼性、従ってプロセス歩留まりを減少させる。また、磁気電子デバイスの未来世代、例えばＭＲＡＭは寸法がますます小さくされるために、より薄いトンネル障壁層が要求される。従って、将来デバイスにおいてトンネル障壁層が薄くなるにつれて、表面平滑性がますます重要となる。
【０００６】
従って、表面粗さの少ないトンネル障壁層を有するＭＴＪ素子を提供することは望ましい。更に、改善された電気特性を有するＭＪＴ素子の製造プロセスを提供することは望ましい。また、本発明の他の望ましい特徴と特性は、添付図面および背景技術と共に、本発明の後述する詳細な説明および特許請求の範囲から明らかとなる。
【０００７】
本発明を以下に添付図面と共に説明する。添付図面において同様の数字は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の以下の詳細な説明は、本質的には単に例であって、本発明または本発明の応用と使用方法を制限するものではない。また、前述の背景技術または本発明の以下の詳細な説明に示されたいかなる理論によっても束縛されるものではない。
【０００９】
図１を参照すると、本発明の一つの典型的な実施態様によるＭＴＪ素子１０は、基板１６、第１電極の多層スタック１４、第２電極の多層スタック１２、および第１電極の多層スタック１４と第２電極の多層スタック１２の間に配置された絶縁トンネル障壁層３２を備えている。基板１６は、例えば誘電材料などの適当な絶縁材料で構成することができる。第１電極の多層スタック１４と第２電極の多層スタック１２は、以下により詳しく説明するように、強磁性層を含んでいる。トンネル障壁層３２は誘電材料で形成されるのが好ましく、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）で形成されるのが更に好ましい。トンネル障壁層３２は、適当な厚みを有することができるが、約７オングストロームから約１５オングストロームの範囲の厚みを有するのが好ましい。第１多層スタック１４、第２多層スタック１２、およびトンネル障壁層３２の各層は、例えば、イオンビーム蒸着、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）などの適当な堆積プロセスによって形成することができる。
【００１０】
第１電極の多層スタック１４は、基板１６の上に形成された第１電極層すなわちベース電極層１８を備えている。第１電極層１８は一つの導電材料または層で構成してもよいし、あるいは、第１電極層１８は２以上の導電材料または層の多層スタックとしてもよい。いずれの場合においても、第１電極層１８は第１電極の多層スタック１４の各層と電気的に接触する。
【００１１】
本発明の一実施態様では、第１電極の多層スタック１４は第１電極層１８の上に堆積されたシード層２０を含んでいる。シード層２０は、以下に更に詳細に説明する反強磁性ＡＦピニング層２４のその後の形成を支援するのに適した適当な材料で形成することができる。シード層２０を形成するのに適した材料の例としては、例えば、タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮｘ）があり、これらは、比較的薄い、好ましくは、１００オングストロームよりも少ない、最も好ましくは約５０オングストロームよりも少ないタンタル層の、反応性スパッタリング、または、プラズマまたはイオンビーム窒化によって製作される。シード層２０は第１電極層１８とは別の層としてもよいし、または第１電極層１８と同じ層で構成してもよい。第１電極の多層スタック１４はまた、シード層２０の上のオプションのテンプレート層２２を含み得る。テンプレート層２２は、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合金、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、または、反強磁性ピニング層２４の成長を助長するのに適した他の材料で構成することができる。反強磁性ピニング層２４は、シード層２０とテンプレート層２２またはそのいずれかの上に配置される。反強磁性ピニング層２４は、適当な反強磁性材料から形成することができるが、一般組成ＭｎＸのマンガン合金で構成するのが好ましい。ここで、Ｘは、好ましくはプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、または鉄（Ｆｅ）のグループから選択された１または複数の材料である。
【００１２】
反強磁性ピニング層２４の上にはピン強磁性層２６が形成され、反強磁性ピニング層２４と交換結合され、反強磁性ピニング層２４はピン強磁性層２６の磁気モーメントを一方向に固定すなわちピンする。ピン強磁性層２６は構造が結晶質であり、例えば、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＸなどのコバルト鉄合金で形成することができる。ここで、Ｘは、ホウ素（Ｂ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、または炭素（Ｃ）で構成することができる。ピン強磁性層２６の上にある金属結合層２８の上には非晶質固定強磁性層３０が形成されている。本書において使用されるとき、用語「非晶質」は、通常のＸ線回折測定を用いて容易に識別可能なピークを生じさせるか、電子回折測定を用いて識別可能パターンイメージを生じさせるような長距離結晶秩序がない１または複数の材料を意味するものとする。本発明の一実施態様では、非晶質固定強磁性層３０は、コバルト（Ｃｏ）と鉄（Ｆｅ）とホウ素（Ｂ）の合金で形成することができる。例えば、非晶質固定層３０は、コバルト７１．２原子数％、鉄８．８原子数％、ホウ素２０原子数％からなる合金で形成することができる。この組成はホウ素が追加されたＣｏＦｅ合金であり、（Ｃｏ89Ｆｅ11）80Ｂ20と表すことができる。しかしながら、他の適当な合金組成、例えば、ＣｏＦｅＸ（Ｘは、タンタル、ハフニウム、ホウ素、炭素などの１または複数とすることができる）、または、コバルトと鉄またはそのいずれかからなる合金を使って非晶質固定層３０を形成することができることは明らかである。金属結合層２８は、結晶質ピン層２６と非晶質固定層３０を反強磁性的に結合するのに役立つ適当な材料、例えば、ルテニウム、レニウム、オスミウム、ロジウム、またはそれらの合金で形成することができるが、ルテニウムで形成するのが好ましい。金属結合層２８と結晶質ピン層２６と非晶質固定層３０は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造３８を作る。金属結合層２８を通じてもたらされるＳＡＦ構造の反強磁性結合は、印加磁界の中でＭＴＪ素子１０をより安定にする。更に、強磁性層２６と３０の厚みを変えることによって、自由層に対する静磁気結合を相殺することができ、ヒステリシス曲線を中央に持ってくることができる。
【００１３】
非晶質構造の性質のために、即ち、非晶質構造が実質的な結晶粒界を持たないために、ＳＡＦ構造３８の非晶質固定層３０は、トンネル障壁層３２を結晶質または多結晶質固定層の上に成長させた場合よりも平滑な表面を有するトンネル障壁層３２の成長を助長する。トンネル障壁層のより平滑な表面はＭＴＪ素子１０の磁気抵抗を改善する。更に、ＳＡＦ構造３８の結晶質ピン層２６は十分な反強磁性結合強度を生じるので、ＳＡＦ構造は外部磁界の中で安定する。従って、非晶質固定層と結晶質ピン層は、ＭＴＪ素子１０の性能、信頼性、および製造可能性を改善するのに役立つ。
【００１４】
第２電極の多層スタック１２は、自由強磁性層３４と保護第２電極層３６で構成されている。第２電極層３６は、適当な導電材料、例えばタンタルで形成することができる。本発明の好ましい実施態様では、第２電極層３６は、２以上の材料層、例えばタンタル層とその上の窒化タンタル層で構成することができる。自由強磁性層３４の磁気モーメントは、交換結合によって実質的に固定またはピンされておらず、印加磁界のある所でほぼ自由に回転することができる。自由層３４は、非晶質または結晶質の構造を有することができ、適当な合金組成、例えば、ＣｏＦｅＸ（Ｘは、ホウ素、タンタル、ハフニウム、炭素などとすることができる）、または、ニッケルと鉄からなる合金、またはコバルトとニッケルと鉄からなる合金で形成することができる。自由層３４は、一つの材料層で構成してもよいし、多数の層で構成してもよい。例えば、本発明の一実施態様では、自由層３４は一つのＮｉＦｅＣｏ層で構成することができる。本発明の別の実施態様では、自由層３４は、例えば、ルテニウム、レニウム、オスミウム、ロジウム、それらの合金などの導電材料の結合層によって分離された、ＮｉＦｅなどの強磁性材料の二つの層で構成されたＳＡＦ構造とすることができる。
【００１５】
図１と上記付随説明は、ＡＦピニング層の上の結晶質ピン層と、前記結晶質ピン層の上の金属結合層と、前記結合層の上の非晶質固定層と、前記固定層の上のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層の上の自由層または自由ＳＡＦ構造とを有するＭＴＪ素子１０を開示しているが、本発明はそれに限定されないことは明らかである。それどころか、本発明は、自由層または自由ＳＡＦ構造の上のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層の上の非晶質固定層と、前記非晶質固定層の上の金属結合層と、前記金属結合層の上の結晶質ピン層と、前記ピン層の上のＡＦピニング層とを有する逆または反転構造を持ったＭＴＪ素子に対して使用することもできる。
【００１６】
図２は、本発明の別の実施態様によるＭＴＪ素子６０を示す。ＭＴＪ素子６０は図１のＭＴＪ素子１０と類似しており、同じ参照番号は同じまたは類似の層を示す。ＭＴＪ素子６０は、基板１６、第１電極の多層スタック１４、第２電極の多層スタック１２、および第１電極の多層スタック１４と第２電極の多層スタック１２の間に配置された絶縁トンネル障壁層３２を備えている。図１を参照してＭＴＪ素子１０に対して上述したように、第１電極スタック１４は、第１電極１８、シード層２０、テンプレート層２２、反強磁性ピニング層２４、結晶質強磁性ピン層２６、結合層２８、および非晶質強磁性固定層３０で構成することができる。同様に、ＭＴＪ素子６０の第２電極の多層スタック１２は、第２電極３６と自由層３４で構成することができ、自由層３４は一つの強磁性層で構成してもよいし、ＳＡＦ構造のような多数層で構成してもよい。
【００１７】
本発明の一実施態様では、ＭＴＪ素子６０は、非晶質固定層３０とトンネル障壁層３２の間に形成されたインタフェース層６２を更に備えている。本発明の別の実施態様では、自由層３４が非晶質材料の一つの層または多数層である場合、ＭＴＪ素子は、トンネル障壁層３２と非晶質自由層３４の間に形成されたインタフェース層６４を備えることができる。本発明の更に別の実施態様では、ＭＴＪ素子６０はインタフェース層６２とインタフェース層６４の両方を備えることができる。ＭＴＪ素子６０の磁気抵抗はトンネル障壁層３２のどちらかの表面に隣接した各強磁性層のスピン偏極の積に比例するので、インタフェース層６２とインタフェース層６４またはそのいずれかをＭＴＪ素子６０の磁気抵抗を高めるために使用することができる。従って、インタフェース層６２と６４は非晶質、結晶質、または多結晶質とすることができ、「高スピン偏極材料」で形成することができる。本書において使用されるとき、用語「高スピン偏極材料」は、それが隣接した非晶質強磁性材料のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料を意味する。従って、インタフェース６２は非晶質固定層３０のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で形成することができる。同様に、インタフェース層６４は非晶質自由層３４のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で形成することができる。例えば、本発明の一実施態様では、非晶質固定層３０をＣｏＦｅＢで構成することができ、インタフェース層６２をＣｏＦｅで構成することができる。同様に、非晶質自由層３４をＣｏＦｅＢで構成することができ、インタフェース層６４をＣｏＦｅで構成することができる。しかしながら、インタフェース層６２と６４がＣｏＦｅＸでも構成できることは明らかである。ここで、Ｘは、ホウ素、タンタル、ハフニウム、炭素などで構成することができ、Ｘは５原子数％未満である。あるいは、インタフェース層６２と６４は他のコバルト含有合金または他の鉄含有合金で構成してもよい。インタフェース層６２かインタフェース層６４またはその両方の使用は、例えば、ＭＴＪ素子の目標磁気特性、ＭＴＪ素子の目標電気特性、ＭＴＪ素子の用途などの種々の要因によって決めることができる。
【００１８】
インタフェース層６２と６４は十分薄いので、それらは固定層３０と自由層３４またはそのいずれかが非晶質性であるためのＭＴＪデバイス性能の改善を妨げることはない。本発明の一実施態様では、インタフェース層６２と６４は１５オングストローム以下の厚みを有している。インタフェース層６２と６４は１０オングストローム以下の厚みを有するのが好ましく、５オングストローム以下の厚みを有するのが更に好ましい。また、固定層３０と自由層３４またはそのいずれかの非晶質性は、ＭＴＪ素子６０の電気特性、例えば、磁気抵抗の大きさ、磁気抵抗の安定性、反強磁性結合強度（飽和磁界（Ｈsat）によって決定される）などを改善することができるが、ＭＴＪ素子６０の中のインタフェース層６２とインタフェース層６４またはそのいずれかの存在もまた、ＭＴＪ素子の磁気抵抗を増やすことによって電気特性を改善することができる。
【００１９】
図３は、図１および図２に示された構造を始めとする半導体構造を製造するための本発明の典型的な実施態様によるプロセス１００のフローチャートである。このプロセス１００は、基板、例えば図１および図２の基板１６を提供し（ステップ１０２）、基板１６の上に第１電極層１８を形成する（ステップ１０４）ことによって始まり得る。上に述べたように、第１電極層１８は、その後に形成される層と電気接触を行う金属または他の導電材料の１または複数の層で構成することができる。シード層２０は、第１電極層１８の上に堆積させることができる（ステップ１０６）。シード層２０は第１電極層１８とは別の層としてもよいし、あるいは、第１電極層１８と同じ層で構成してもよい。次に、オプションのテンプレート層２２を、シード層２０と第１電極層１８またはそのいずれかの上に作ることができる（ステップ１０８）。
【００２０】
プロセス１００は更に、オプションのテンプレート層２２、シード層２０および第１電極層１８の少なくともいずれか一つの上に反強磁性ピニング層２４を堆積させるステップ（ステップ１１０）と、反強磁性ピニング層２４の上に結晶質ピン強磁性層２６を、ピン強磁性層２６が反強磁性ピニング層２４と交換結合されるように形成するステップ（ステップ１１２）を含むことができる。次に、金属結合層２８をピン強磁性層２６の上に堆積させる（ステップ１１４）。上に述べたように、金属結合層２８は、適当な厚みの、結晶質ピン層２６を上にある非晶質固定層３０と反強磁性的に結合させるのに役立つ適当な材料で形成することができる。金属結合層２８を形成するのに適した材料には、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、レニウムなどと、それらの合金がある。金属結合層２８はルテニウムで形成するのが好ましい。
【００２１】
本発明の一実施態様によれば、金属結合層２８は次に、金属結合層２８の露出表面を改質させる表面改質剤に曝される（ステップ１１６）。本書において使用されるとき、用語「表面改質剤」は、金属結合層２８の上にそれに続いて形成される固定層３０が、その上にトンネル障壁層が形成されることができる平滑な表面であって、金属結合層がそのように改質されなかったならば表さないであろうよりも平滑な表面を表すように、金属結合層２８の表面を改質する適当な材料を意味する。従って、表面改質剤はＭＴＪ素子のＭＲを増加させる。表面改質剤はまた、降伏電圧を改善し、ＭＴＪ素子の中のトンネルホットスポットを少なくすることができ、従って、歩留まりを増やすことができ、ＭＴＪ素子アレイのビット抵抗分散を狭くすることができる。
【００２２】
本発明の一実施態様では、表面改質剤は酸素で構成される。この点については、金属結合層２８は、室温において約１０−５トルから約１０−１トルの量（圧力ｘ露出時間）を有する酸素環境に曝すことができる。金属結合層２８は、酸素が金属結合層２８の露出表面を改質させるのに十分長い時間であるが、金属結合層２８によってもたらされる反強磁性結合が実質的に減少しないほど十分短い時間、酸素環境に曝される。本発明の一実施態様では、金属結合層は、標準的な測定技術によって識別できる厚みに酸素を堆積ない十分短い時間、酸素環境に曝される。本発明の好ましい実施態様では、金属結合層２８は、酸素の２より多い単一層を金属結合層２８の露出表面に堆積させない時間、酸素環境に曝される。表面改質剤は、例えば、空気、アルゴン（Ａｒ）／酸素（Ｏ2）混合物、または窒素（Ｎ2）／酸素（Ｏ2）混合物などの、酸素以外の材料か酸素に付加された材料で構成することができることは明らかである。
【００２３】
金属結合層２８の露出表面の改質後、金属結合層２８の上に固定強磁性層を堆積させることができる（ステップ１１８）。本発明の一実施態様では、固定強磁性層は、例えば、ＣｏＦｅまたは他の適当なコバルト合金と鉄合金またはそのいずれかといった結晶質強磁性材料で形成することができる。本発明の更に別の好ましい実施態様では、固定強磁性層は非晶質とすることができ、例えば、図１および図２を参照して上述した非晶質固定層３０とすることができる。この点については、非晶質固定層は、ＣｏＦｅＸ（Ｘはホウ素、炭素、タンタル、ハフニウムなどとすることができる）などの非晶質強磁性合金で形成してもよいし、またはコバルトと鉄またはそのいずれかの他の合金で形成してもよい。
【００２４】
本発明の別の実施態様では、固定層が非晶質材料で構成される場合、プロセス１００は更に、第１インタフェース層、例えば図２のインタフェース層６２を固定層の上に堆積させるステップ（ステップ１２０）を備えることができる。インタフェース層６２は、非晶質固定層３０のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で形成することができる。例えば、固定層はＣｏＦｅＢの非晶質層で構成することができ、第１インタフェース層はＣｏＦｅで構成することができる。しかしながら、本発明の別の実施態様では、第１インタフェース層はＣｏＦｅＸで構成することができる。ここで、Ｘはホウ素、タンタル、炭素、ハフニウムなどで構成することができ、Ｘは５原子数％未満である。本発明の更に別の実施態様では、第１インタフェース層は、他のコバルト含有合金または他の鉄含有合金で構成することができる。
【００２５】
次に、絶縁トンネル障壁層、例えば図１および図２のトンネル障壁層３２を、第１インタフェース層と固定層またはそのいずれかの上に形成することができる（ステップ１２２）。トンネル障壁層は、トンネル障壁層を形成するための半導体産業において知られた適当な絶縁材料を用いて形成することができる。例えば、トンネル障壁層は、当該技術分野において良く知られているように、第１インタフェース層と固定層またはそのいずれかの上にアルミニウムの層を堆積させ、このアルミニウム層を酸化させることによって形成することができる。
【００２６】
次に、自由強磁性層、例えば自由強磁性層３４をトンネル障壁層の上に形成することができる（ステップ１２６）。上に述べたように、自由層は非晶質または結晶質の構造を有することができ、ＣｏＦｅＸ（Ｘはホウ素、炭素、タンタル、ハフニウムなどとすることができる）、ＮｉＦｅ合金、またはコバルト、鉄、およびニッケルからなる他の合金のような適当な合金組成で形成することができる。本発明の別の実施態様では、自由層は、例えば、ルテニウム、レニウム、オスミウム、ロジウムなど、およびそれらの合金のような絶縁材料の金属結合層によって分離されたＮｉＦｅなどの強磁性材料の二つの層からなるＳＡＦ構造とすることができる。
【００２７】
本発明の更なる別のオプションの実施態様では、自由層が非晶質材料で構成される場合、第２インタフェース層、例えばインタフェース層６４を、非晶質自由強磁性層を形成する前にトンネル障壁層の上に堆積させることができる（ステップ１２４）。第２インタフェース層は、自由層のスピン偏極よりも大きいスピン偏極を有する材料で構成することができる。例えば、自由層は非晶質ＣｏＦｅＢで構成することができ、第２インタフェース層はＣｏＦｅで構成することができる。しかしながら、本発明の別の実施態様では、第２インタフェース層はＣｏＦｅＸで構成することができる。ここで、Ｘはホウ素、タンタル、ハフニウム、炭素などで構成することができ、Ｘは５原子数％未満である。本発明の更に別の実施態様では、第２インタフェース層は他のコバルト含有合金と他の鉄含有合金またはそのいずれかで構成することができる。
【００２８】
自由層の形成後、第２電極層、例えば第２電極層３６を自由層の上に堆積させることができる（ステップ１２８）。上に述べたように、第２電極層は、タンタルなどの適当な導電材料で形成することができる。本発明の好ましい実施態様では、第２電極層は、２以上の材料層、例えばタンタル層とその上の窒化タンタル（ＴａＮｘ）層で構成することができる。
【００２９】
図３を参照して上に述べられたプロセス１００の各層の形成は、例えば、イオンビーム蒸着、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）などの半導体産業において知られている適当な従来の堆積方法を用いて行うことができる。また、本発明のプロセスは図３を参照して上に述べられたようなステップの順に限定されないことは明らかである。それどころか、これらのステップを逆順に行って、自由層または自由層ＳＡＦ構造の上のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層の上の固定層と、前記固定層の上のピン層とを有する磁気トンネル接合素子を製造してもよい。この点については、自由層が上に述べたようなＳＡＦ構造である場合、第２電極の形成後に、自由ＳＡＦ構造の第１強磁性層を堆積させ、その後に金属結合層を堆積させることができる。次に、金属結合層を、金属結合層の露出表面を改質する表面改質剤に曝すことができる。表面改質剤は、金属結合層の上にそれに続いて形成される第２強磁性層が、その上にトンネル障壁層が形成されることができる平滑な表面であって、金属結合層がそのように改質されなかったならば表さないであろうよりも平滑な表面を表すように、金属結合層の表面を改質する。金属結合層の表面の改質後、自由ＳＡＦ層の第２強磁性層を金属結合層の上に堆積させることができる。プロセスは次にトンネル障壁層と固定ＳＡＦ構造の形成に着手することができる。本発明の別の実施態様において、固定ＳＡＦ構造の金属結合層と自由ＳＡＦ構造の金属結合層の両方を表面改質剤に曝した後に、その上の層を堆積させて、その上の層の物理的品質を改善することができることは明らかである。
【００３０】
少なくとも一つの典型的な実施態様を本発明の上記の記詳細な説明の中で示したが、多くの変形例が存在することは明らかである。また、上記の典型的な実施態様は単に例であって、いかなる点でも本発明の範囲、適用可能性、または構成を制限するものではないことは明らかである。それどころか、上記の詳細な説明は当業者に本発明の典型的な実施態様を実行するための便利な指針を提供し、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなしに、典型的な実施態様で述べられた要素の機能と配置において種々の変更を行うことができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一つの典型的な実施態様による磁気トンネル接合素子構造の断面図。
【図２】本発明の別の典型的な実施態様による磁気トンネル接合素子構造の断面図。
【図３】図１または図２の磁気トンネル接合素子構造を始めとする磁気トンネル接合素子構造を製造するための本発明の典型的な実施態様によるプロセスのフローチャート。
【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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