(57)【要約】【課題】  磁気モーメントの低いフリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合セル及びそれを含む磁気ＲＡＭを提供する。【解決手段】  下部電極及び下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含み、上部磁性膜は厚さが５ｎｍ以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするＭＴＪセル。ここで、ＭＴＪセルの縦横比は２以下であり、フリー磁性膜の磁気モーメントは８００×１０3Ａ/ｍ（８００ｅｍｕ／cm3）以下である。【選択図】      図６
2005150746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極及び前記下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含むＭＴＪセルにおいて、
前記上部磁性膜は厚さが５ｎｍ以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするＭＴＪセル。
【請求項２】
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが８００×１０3Ａ/ｍ以下の磁性膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＴＪセル。
【請求項３】
前記ＭＴＪセルの縦横比は２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＴＪセル。
【請求項４】
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが４００×１０3Ａ/ｍより小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが６００×１０3Ａ/ｍより小さな非晶質遷移金属化合物膜及びＦｅＴｂ膜のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項２に記載のＭＴＪセル。
【請求項５】
前記フリー磁性膜は順次に積層されたＣｏＦｅ膜及びＮｉＦｅ膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＴＪセル。
【請求項６】
前記フリー磁性膜は前記トンネリング膜との間に、前記磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のＭＴＪセル。
【請求項７】
前記フィルタリング膜はＣｏＦｅ膜であることを特徴とする請求項６に記載のＭＴＪセル。
【請求項８】
前記下部磁性膜は順次に積層されたピンニング膜及びＳＡＦ膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＴＪセル。
【請求項９】
トランジスタと、前記トランジスタに連結されたＭＴＪセルと、前記トランジスタ及び前記ＭＴＪセルを取り囲む層間絶縁膜と、を含む磁気ＲＡＭにおいて、
前記ＭＴＪセルの縦横比は２以下であることを特徴とする磁気ＲＡＭ。
【請求項１０】
前記ＭＴＪセルは厚さが５ｎｍ以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気ＲＡＭ。
【請求項１１】
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが８００×１０3Ａ/ｍ以下の磁性膜を備えることを特徴とする請求項１０に記載の磁気ＲＡＭ。
【請求項１２】
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが４００×１０3Ａ/ｍより小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが６００×１０3Ａ/ｍより小さな非晶質遷移金属化合物膜及びＦｅＴｂ膜のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１１に記載の磁気ＲＡＭ。
【請求項１３】
前記フリー磁性膜は順次に積層されたＣｏＦｅ膜及びＮｉＦｅ膜を含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁気ＲＡＭ。
【請求項１４】
前記フリー磁性膜は前記磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気ＲＡＭ。
【請求項１５】
前記フィルタリング膜はＣｏＦｅ膜であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気ＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体メモリ素子に係り、より詳細には磁気モーメントの低いフリー磁性膜を具備する磁気トンネリング接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；以下、ＭＴＪ）セル及びこれを含む磁気ＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：以下、ＭＲＡＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭはトランジスタ及びデータが保存されるＭＴＪセルで構成される。ＭＴＪセルは上下に積層された磁性膜の磁気分極方向によってその抵抗比（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：以下、ＭＲ比）が変わる。ＭＲＡＭはＭＴＪセルのこのような特性を利用してデータを記録するメモリ素子である。
ＭＲＡＭからデータを正確に再生するためにＭＲＡＭのセンシングマージンはできるだけ大きいことが望ましい。前記センシングマージンは大体ＭＴＪセルのＭＲ比により決定される。
ＭＴＪセルのＭＲ比を大きくするためにはＭＴＪセルの安定性及び均一性が確保される必要がある。このようにするためには、ＭＴＪセルのトンネリング酸化膜の厚さが均一でなければならないので、その製造工程上の安定性がまず確立される必要がある。
【０００３】
さらに、ＭＲＡＭでは選択性が確保されなければならない。つまり、いずれか一つのＭＴＪセルを選択する過程で、それに隣接した他のＭＴＪセルの影響を受けてはならない。ところが、現在まで知られたＭＲＡＭ（以下、従来のＭＲＡＭ）の場合、ＭＴＪセルにデータを記録する過程やデータを再生する過程でエッジピンニングとボルテックスピンニングのような異常現象が現れることが報告されている。
【０００４】
このような現象により、ＭＲＡＭにデータを記録する過程（以下、データ記録過程）及びＭＲＡＭからデータを再生する過程（以下、データ再生過程）で、さらに大きいスイッチングフィールド（スイッチング磁界）が要求される。そして、前記データ記録過程及びデータ再生過程でフェールビットが現れる恐れがある。前記フェールビットの発生は正常なスイッチングフィールドでＭＴＪセルがスイッチングされないからである。
【０００５】
図１は、従来のＭＴＪセルのデータ記録過程及びデータ再生過程でフリー磁性膜に現れるエッジピンニングを示す。図２は、このようなエッジピンニングによる磁気履歴特性の変化を示す。
図３は、従来のＭＴＪセルのデータ記録過程及びデータ再生過程でフリー磁性膜に現れるボルテックスピンニングを示す。そして図４は、このようなボルテックスピンニングによる磁気履歴特性の変化を示す。
【０００６】
図２及び図４で、参照図形■は磁場を印加した時の磁気履歴特性を表し、○は前記印加された磁場を除去した時の磁気履歴特性を表す。
図５は、従来のＭＲＡＭに対する前記データ記録過程で、フリー磁性膜が１０Å（1ｎｍ）のコバルト鉄（ＣｏＦｅ）と３０Å（３ｎｍ）のニッケル鉄（ＮｉＦｅ）とよりなる（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）ＭＴＪセルのスイッチング分布を示す。図５で参照符号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４は、正常なスイッチングフィールドでスイッチングされていないＭＴＪセル（フェールビット）の比率を表す。
【０００７】
図５を参照すると、正常なスイッチングフィールドでスイッチングされていないＭＴＪセルは、正常なスイッチングフィールドの範囲をはるかに超過するスイッチングフィールドでスイッチングされるか（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４）、または正常なスイッチングフィールドよりはるかに小さなスイッチングフィールドでスイッチングされる（Ｃ３）ことが分かる。
【０００８】
一方、従来のＭＲＡＭの場合、ＭＴＪセルの磁性膜、特にフリー磁性膜（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）の厚さを薄くする方法によりその集積度を高められる。ところが、前記フリー磁性膜の厚さが薄くなると、フリー磁性膜の磁気モーメントの熱的安定性が顕著に低下することがある。これはＭＴＪセルが熱的に不安定であることを意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであり、集積度を高めるために薄いフリー磁性膜を具備するが、エッジピンニングやボルテックスピンニングに起因するキンクの発生がなく、かつ熱的に安定したＭＲＡＭのＭＴＪセルを提供するところにある。
【００１０】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、このようなＭＴＪセルを含むＭＲＡＭを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を達成するために、本発明は下部電極及び前記下部電極上に順次に積層された下部磁性膜、トンネリング膜、上部磁性膜及び上部電極を含み、前記上部磁性膜は厚さが５ｎｍ以下のフリー磁性膜を含むことを特徴とするＭＴＪセルを提供する。
【００１２】
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが８００ｅｍｕ／cm3（８００×１０3Ａ/ｍ）以下の磁性膜、または順次に積層されたＣｏＦｅ膜及びＮｉＦｅ膜である。
前記ＭＴＪセルの縦横比（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ：以下、ＡＲ）は２以下である。
前記フリー磁性膜は磁気モーメントが４００ｅｍｕ／cm3（４００×１０3Ａ/ｍ）より小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜、磁気モーメントが６００ｅｍｕ／cm3（６００×１０3Ａ/ｍ）より小さな非晶質遷移金属化合物膜及びＦｅＴｂ膜のうちいずれか一つである。
前記フリー磁性膜は前記トンネリング膜との間に、前記フリー磁性膜より磁気モーメントの大きいフィルタリング膜をさらに具備する。
前記下部磁性膜は順次に積層されたピンニング膜及びＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）膜を含む。
【００１３】
前記他の技術的課題を達成するために、本発明はトランジスタと、前記トランジスタに連結されたＭＴＪセルと、前記トランジスタ及び前記ＭＴＪセルを取り囲む層間絶縁膜と、を含むＭＲＡＭにおいて、前記ＭＴＪセルのＡＲは２以下であることを特徴とするＭＲＡＭを提供する。
【００１４】
前記ＭＴＪセルは厚さが５ｎｍ以下のフリー磁性膜を含む。
前記フリー磁性膜に関する特徴は前記ＭＴＪセルと関連して記述した通りである。
【００１５】
本発明を利用すれば、ＭＴＪセルにエッジピンニング及びボルテックスピンニングのような異常スイッチング現象が現れることを防止でき、スイッチングフィールドの強度を低減できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるＭＲＡＭのＭＴＪセルを利用する場合、フリー磁性膜の厚さを薄くして集積度を高めながらも熱的安定性を確保でき、キンクの発生がなくなる。また、フリー磁性膜の磁気モーメントが小さいため、スイッチングフィールドの強度を低減すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例によるＭＴＪセル及びこれを含むＭＲＡＭを添付した図面を参照して詳細に説明する。説明の目的のため、層や領域の厚さは誇張して図示している。
【００１８】
図６を参照すると、本発明の実施形態によるＭＴＪセル（以下、本発明のＭＴＪセル）はスイッチング素子、例えばトランジスタと連結されるパッド導電層１０（以下、下部電極）を具備する。下部電極１０は、例えばタンタル（Ｔａ）電極、チタンナイトライド（ＴｉＮ）電極である。本発明のＭＴＪセルはまた下部電極１０上に順次に積層されたシード膜１２、ピンニング膜１４、ピンド膜（Ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）１６、トンネリング膜１８、フリー磁性膜２０及びキャッピング膜２２を具備する。キャッピング膜２２上に上部電極（図示せず）が積層されている。シード膜１２は、例えば非晶質金属膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜またはニッケル鉄（ＮｉＦｅ）膜である。ピンニング膜１４は、反強磁性膜、例えばイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）膜、白金マンガン（ＰｔＭｎ）膜である。ピンド膜１６は単一膜でも、複数の物質膜を含んでいてもよい。ピンド膜１６が複数の物質膜を含む場合、ピンド膜１６は図８に図示したように、順次に積層された第１ピンド膜１６ａ、中間膜１６ｂ及び第２ピンド膜１６ｃを含むＳＡＦ膜である。この場合、第１ピンド膜１６ａは反強磁性膜、例えばコバルト鉄膜であり、中間膜１６ｂは金属膜、例えばルテニウム膜である。そして第２ピンド膜１６ｃは反強磁性膜、例えばコバルト鉄膜である。
【００１９】
例えば、トンネリング膜１８は所定厚さの酸化膜、例えば１５Å（１．５ｎｍ）程度のアルミニウム酸化膜（ＡｌＯX）である。フリー磁性膜２０は所定の厚さで所定の磁気モーメントを持つ物質膜、例えば厚さが５ｎｍ以下であり磁気モーメントが８００ｅｍｕ／cm3（８００×１０3Ａ/ｍ）以下の非晶質物質膜である。前記磁気モーメントが８００ｅｍｕ／cm3（８００×１０3Ａ/ｍ）以下の非晶質物質膜は、第１非晶質化合物膜または第２非晶質化合物膜に分けられる。前記第１非晶質化合物膜は、例えば磁気モーメントが４００ｅｍｕ／cm3（４００×１０3Ａ/ｍ）より小さな非晶質希土類遷移金属化合物膜であることが望ましいが、他の物質膜でもよい。そして前記第２非晶質化合物膜は、例えば、磁気モーメントが６００ｅｍｕ／cm3（６００×１０3Ａ/ｍ）より小さな非晶質遷移金属化合物膜であることが望ましいが、他の物質膜でもよい。前記非晶質希土類電気金属化合物膜は、例えばコバルトテルビウム（ＣｏＴｂ）膜である。また、前記非晶質遷移金属化合物膜は、例えばコバルトジルコニウム化合物（ＣｏＺｒＸ）膜である。ここで、“Ｘ”は、例えばテルビウム（Ｔｂ）、ニオビウム（Ｎｂ）である。
【００２０】
非晶質化合物膜以外では、フリー磁性膜２０として鉄テルビウム（ＦｅＴｂ）膜が用いられる。また、上記の厚さを満足する条件で、コバルト鉄膜及びニッケル鉄膜を含む物質膜が用いられる。後者の場合、例えば、フリー磁性膜２０は３Å（０．３ｎｍ）のＣｏＦｅ膜と３０Å（３ｎｍ）のＮｉＦｅ膜とが積層された膜であり、５Å（０．５ｎｍ）のＣｏＦｅ膜と３０Å（３ｎｍ）のＮｉＦｅ膜とが積層された膜である。
【００２１】
一方、このようなフリー磁性膜２０は単一膜であるが、ＭＲ比の増加を考慮すると、図７及び図８に図示したように二重膜であることが望ましい。
具体的には、図７に示すように、フリー磁性膜２０は順次に積層された第１及び第２磁性膜２０ａ、２０ｂを含む。第１磁性膜２０ａはフリー磁性膜２０のＭＲ比を増加させるためのフィルタリング膜であって、分極率の大きい強磁性膜、例えばコバルト鉄膜である。第２磁性膜２０ｂは、前記磁気モーメントが８００ｅｍｕ／cm3（８００×１０3Ａ/ｍ）以下の非晶質物質膜である。フリー磁性膜２０が第１及び第２磁性膜２０ａ、２０ｂで構成された場合にも全体厚さは５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
フリー磁性膜２０上に積層されたキャッピング膜２２はエッチング工程でフリー磁性膜２０を保護するための膜であって、例えばルテニウム膜である。
【００２３】
次いで、前記本発明のＭＴＪセルの特性について説明する。
図９は、５Å（０．５ｎｍ）のＣｏＦｅ膜及び３０Å（３ｎｍ）のＮｉＦｅ膜で構成されたフリー磁性膜を含む本発明のＭＴＪセルよりなるアレイでのフェールビットの発生程度を示す。
【００２４】
図９と従来例を示す図５とを比較すると、本発明のＭＴＪセルよりなるアレイでのフェールビットの発生程度がかなり低いことが分かる。これは、本発明のＭＴＪセルの大部分は正常にスイッチングされることを意味する。
【００２５】
図１０及び図１１は、それぞれ従来のＭＴＪセル及び本発明のＭＴＪセルの磁気抵抗特性曲線を示す。図１０で参照符号Ｐ１、Ｐ２はボルテックスピンニングに起因した磁気抵抗特性曲線の歪曲された部分を表し、Ｐ３はエッジピンニングに起因した磁気抵抗特性曲線の歪曲された部分を表す。
【００２６】
図１０と図１１とを比較すると、図１１には図１０に現れる歪曲された部分Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が全く現れないことが分かる。このような結果は、本発明のＭＴＪセルではエッジピンニングやボルテックスピンニングに起因したキンクの発生がないということを示す。
【００２７】
図１２ないし図１４は、ＭＴＪセルのＡＲとフリー磁性膜の厚さとＭＴＪセルのキンクとの相関関係を示す。図１２ないし図１４で参照符号Ａ１はキンクのない領域であり、Ａ２はキンクが存在する領域を表す。
【００２８】
まず、図１２を参照すると、ＭＴＪセルのＡＲが１である時、フリー磁性膜の厚さが５ｎｍ程度で、フリー磁性膜の磁気モーメント（Ｍｓ）が８００ｅｍｕ／cm3（８００×１０3Ａ/ｍ）程度であれば、ＭＴＪセルではキンクの発生がないということが分かる。そして、フリー磁性膜の厚さが、例えば３ｎｍ以下まで薄くなると、フリー磁性膜の磁気モーメント（Ｍｓ）が１０００ｅｍｕ／cm3（１０００×１０3Ａ/ｍ）より大きい場合であっても、ＭＴＪセルではキンクの発生がないことが分かる。
このような傾向は、ＭＴＪセルのＡＲが１．５である時、キンクが発生しない領域とそうでない領域とを示す図１３の場合にもそのまま当てはまる。
【００２９】
図１４は、ＭＴＪセルのＡＲが２である時、ＭＴＪセルにおいてキンクが発生しない条件を示す。
図１４を参照すると、フリー磁性膜の厚さが５ｎｍより大きい場合、ＭＴＪセルではキンクが発生する可能性があるということが分かる。
【００３０】
図１２ないし図１４に図示された結果から、図６ないし図８に図示したＭＴＪセルでキンクが発生しないためには、フリー磁性膜２０が前述した厚さ及び磁気モーメントを持つ物質膜であることが望ましく、ＭＴＪセルのＡＲは２以下であることが望ましいということが分かる。
【００３１】
一方、本発明の実施例によるＭＲＡＭ（以下、本発明のＭＲＡＭ）は基板上に形成された通常のトランジスタ、例えば電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ：ＦＥＴ）と、このトランジスタに連結された図６、図７または図８に図示したＭＴＪセルと、これらを取り囲む層間絶縁膜とを含む。また、ＭＴＪセルは、データを記録する際に使われるデータラインを含んでもよい。
【００３２】
ＭＴＪセルは前述した通りであり、その他の要素は公知であるため、本発明のＭＲＡＭの構成についてさらなる説明は省略する。
【００３３】
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態として解釈されなければならない。例えば、当業者であれば前述したようなフリー磁性膜の厚さ及び磁気モーメントを満足しながらも前述した物質膜以外の物質膜でフリー磁性膜を形成することも可能である。また、フリー磁性膜を３重膜で形成することもできる。したがって、本発明の範囲は前述した実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明はコンピュータの記憶装置、各種デジタル製品（例、デジタルカメラ、カムコーダ、携帯電話、ＰＤＡ、ＧＰＳ、デジタルＴＶ、冷蔵庫、ＭＰ３、光ディスクプレーヤーなど）に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のＭＲＡＭにデータを記録する過程でＭＴＪセルのフリー磁性膜に発生するエッジピニングを示す図面である。
【図２】図１に図示されたエッジピンニングによるＭＴＪセルの磁気履歴特性の変化を示すグラフである。
【図３】従来のＭＲＡＭにデータを記録する過程でＭＴＪセルのフリー磁性膜に発生するボルテックスピンニングを示す図面である。
【図４】図３に図示されたボルテックスピンニングによるＭＴＪセルの磁気履歴特性の変化を示すグラフである。
【図５】従来のＭＲＡＭに対するデータ記録過程でＭＴＪセルのスイッチング分布を示す分布図である。
【図６】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪセルの断面図である。
【図７】図６に図示したＭＴＪセルでフリー磁性膜が二つの磁性膜を含む場合を示す断面図である。
【図８】図６に図示したＭＴＪセルでフリー磁性膜が二つの磁性膜を含み、ピンド膜がＳＡＦ膜よりなる場合を示す断面図である。
【図９】本発明のＭＲＡＭにデータを記録する過程でＭＴＪセルのスイッチング分布を示す分布図である。
【図１０】従来のＭＴＪセルに対する磁気抵抗特性を示すグラフである。
【図１１】本発明のＭＴＪセルに対する磁気抵抗特性を示すグラフである。
【図１２】ＭＴＪセルのＡＲとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないＭＴＪセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。
【図１３】ＭＴＪセルのＡＲとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないＭＴＪセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。
【図１４】ＭＴＪセルのＡＲとフリー磁性膜の磁気モーメントと厚さとの相関関係を通じてキンクの発生しないＭＴＪセルの条件及びフリー磁性膜の条件を示す図面である。
【符号の説明】
【００３６】
１０      パッド導電層（下部電極）
１２      シード膜
１４      ピンニング膜
１６      ピンド膜
１８      トンネリング膜
２０      フリー磁性膜
２２      キャッピング膜
【図１】
2005150746.tif 000003
【図２】
2005150746.tif 000004
【図３】
2005150746.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005150746.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005150746.tif 000011
【図１０】
2005150746.tif 000012
【図１１】
2005150746.tif 000013
【図１２】
2005150746.tif 000014
【図１３】
2005150746.tif 000015
【図１４】
2005150746.tif 000016