(57)【要約】【課題】  周囲からの磁気的な影響を低減し、安定した磁気情報の書込をおこなうことのできる、高集積化に適した磁気トンネル接合型メモリセルを提供する。【解決手段】  本発明では、基板９０上に下部電極３５を介して設けられた円形の水平断面を有するＭＴＪ素子１０が、基板９０の側からシード層７５と、下部反強磁性層７０と、ＳｙＡＰ層６０と、トンネルバリア層５０と、一軸磁気異方性を有する磁化自由層４０と、この磁化自由層４０と交換結合した上部反強磁性層４５と、保護層４７とを順に有するようにしたので、形状の不規則性などに伴う磁界変動の影響が抑制される。よって、高集積化した場合であっても安定した磁気情報の書込をおこなうことができる。【選択図】    図１
2005210126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体を用意する工程と、
前記基体上に、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、上部反強磁性層と、保護層とを順に形成してなる積層膜を形成する工程と、
前記積層膜を外部磁界中においてアニール処理することにより、前記シンセティック反強磁性被固定層の磁化方向の設定および前記上部反強磁性層と前記磁化自由層との交換結合の形成を行い、前記磁化自由層における一軸磁気異方性を形成する工程と、
水平断面形状が円形となるように前記積層膜をパターニングすることにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項２】
ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），窒化チタン（ＴｉＮ），チタンタングステン合金（ＴｉＷ），タングステン（Ｗ），タンタルタングステン合金（ＴａＷ）のうちの少なくとも１種を用いて、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みをなすように前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項３】
イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）、鉄マンガンクロム合金（ＦｅＭｎＣｒ）、鉄マンガンロジウム合金（ＦｅＭｎＲｈ）、クロム白金マンガン合金（ＣｒＰｔＭｎ）、テルビウムコバルト合金（ＴｂＣｏ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）および白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）のうちの少なくとも１種を用いて、４ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚みをなすように前記下部反強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項４】
前記シンセティック反強磁性被固定層を形成する工程は、
前記下部反強磁性層上に、第１の強磁性層を形成する工程と、
前記第１の強磁性層上に、結合層を形成する工程と、
前記結合層上に、第２の強磁性層を形成する工程と
を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型メモリセルの製造方法。
【請求項５】
コバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みをなすように前記第１の強磁性層および第２の強磁性層をそれぞれ形成する
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項６】
ルテニウム（Ｒｕ）を用いて０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みをなすように、またはロジウム（Ｒｈ）を用いて０．５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みをなすように前記結合層を形成する
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項７】
酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），炭化ハフニウム（ＨｆＣ）のうちの少なくとも１種を用いて、０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みをなすように前記トンネルバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項８】
コバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて、０．３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みをなすように前記磁化自由層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項９】
イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）、鉄マンガンクロム合金（ＦｅＭｎＣｒ）、鉄マンガンロジウム合金（ＦｅＭｎＲｈ）、クロム白金マンガン合金（ＣｒＰｔＭｎ）、テルビウムコバルト合金（ＴｂＣｏ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）および白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）のうちの少なくとも１種を用いて、前記磁化自由層が一軸磁気異方性を示すように最適化された厚みをなすように前記上部反強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１０】
イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなすように前記上部反強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１１】
１００℃以上４００℃以下の温度下において（２５／π）×１０3Ａ／ｍ以上（５００／π）×１０3Ａ／ｍ以下の外部磁界を０．５ｈ以上２０ｈ以下に亘って印加することにより、前記アニール処理をおこなう
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１２】
水平断面において直径が０．３μｍ以下の円形となるように前記磁気トンネル接合素子をパターニングする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１３】
前記基体として、導電性のワード線を埋設して平坦化処理された絶縁体を用意したのち、前記絶縁体上の、前記ワード線に対応する領域に前記磁気トンネル接合素子を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１４】
前記磁気トンネル接合素子の上に、前記ワード線と直交して延在するビット線を形成する
ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１５】
基体と、円形の水平断面を有するように前記基体上に設けられた磁気トンネル接合素子とを含み、
前記磁気トンネル接合素子が、
前記基体の側から、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とが順に積層されたものであり、
前記磁化自由層が、前記上部反強磁性層との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている
ことを特徴とする磁気トンネル接合型メモリセル。
【請求項１６】
互いに直交するように延在する複数のワード線および複数のビット線と、
前記複数のワード線と複数のビット線との各交差点において、前記複数のワード線と複数のビット線とによって厚み方向に挟まれるようにそれぞれ配置された複数の磁気トンネル接合型メモリセルと
を備え、
前記複数の磁気トンネル接合型メモリセルは、それぞれ、
基体と、円形の水平断面を有するように前記基体上に設けられた磁気トンネル接合素子とを含み、
前記磁気トンネル接合素子が、
前記基体の側から、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とが順に積層されたものであり、
前記磁化自由層が、前記上部反強磁性層との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている
ことを特徴とする磁気トンネル接合型メモリセルアレイ。
【請求項１７】
基体を用意する工程と、
前記基体上に、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、上部反強磁性層と、保護層とを順に形成してなる積層膜を形成する工程と、
前記積層膜を外部磁界中においてアニール処理することにより、前記シンセティック反強磁性被固定層の磁化方向の設定および前記上部反強磁性層と前記磁化自由層との交換結合の形成を行い、前記磁化自由層における一軸磁気異方性を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法。
【請求項１８】
基体と、前記基体上に設けられた磁気トンネル接合素子とを含み、
前記磁気トンネル接合素子が、
前記基体の側から、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とが順に積層されたものであり、
前記磁化自由層が、前記上部反強磁性層との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている
ことを特徴とする磁気トンネル接合型メモリセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合素子を有する磁気トンネル接合型メモリセルおよびその製造方法ならびにそのような磁気トンネル接合型メモリセルを複数備えた磁気トンネル接合型メモリセルアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コンピュータやモバイル通信機器などの情報処理装置に用いられる汎用メモリとして、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）などの揮発性メモリが使用されている。これらの揮発性メモリは、常に電流を供給しておかなければ全ての情報が失われる。そのため、状況を記憶する手段としての不揮発性メモリ（例えば、フラッシュＥＥＰＲＯＭなど）を別途設ける必要がある。この不揮発性メモリに対しては、処理の高速化が強く求められていることから、近年、不揮発性メモリとしてＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memry）が注目されてきている。
【０００３】
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリセルがマトリクス状に配列されたアレイ構造をなすものである。磁気抵抗効果素子としては、より大きな抵抗変化率の得られる磁気トンネル接合（ＭＴＪ；magnetic tunnel junction）素子が好適である。このＭＴＪ素子は、トンネルバリア層によって隔てられた２つの強磁性層（磁化方向が印加磁界に応じて変化する磁化自由層および磁化方向が磁化容易軸に沿って平行をなすように恒久的に固着された磁化固着層）を有している。なお、磁化自由層は自由に回転可能な磁化方向を有するものであるが、結晶磁気異方性を示す磁化容易軸に沿って磁化方向が揃うことによりエネルギー的に安定する。トンネルバリア層は、絶縁材料からなる薄膜であり、量子力学に基づくトンネル効果によって電荷キャリア（一般的には電子）が透過できる程度の厚みをなしている。電荷キャリアが透過する確率は、２つの強磁性層の磁化方向と関連した電子スピン方向に依存するので、電圧を印加した状態において上記の磁化方向が変化すると、トンネル電流も変化することとなる。トンネル電流の大きさは、アップスピンとダウンスピンとの比によって左右される。
【０００４】
上記のようなＭＴＪ素子では、ある基準状態からのトンネル電流の変化を検出することにより、磁化自由層および磁化固着層における各磁化方向の決定が可能となる。なぜなら、２つの強磁性層の磁化方向が互いになす角度に応じてＭＴＪ素子の抵抗が異なるからである。具体的には、磁化自由層の磁化方向が磁化固着層の磁化方向と反平行をなすとき、そのトンネル電流は最小（接合抵抗は最大）となり、一方で、自由層の磁化方向が磁化固着層の磁化方向と平行をなすとき、そのトンネル電流は最大（接合抵抗は最小）となるのである。
【０００５】
通常、ＭＲＡＭにおいては、２種類の電流供給線（ワード線およびビット線）が形成する複数の交点にＭＴＪ素子がそれぞれ配置される。あるＭＴＪ素子に情報を書き込むにあたっては、対応するワード線およびビット線に所定の大きさの書込電流を流し、それによって誘導される電流磁界を利用することによりそれらの交点に存在するＭＴＪ素子における磁化自由層の磁化方向を反転させ、相対的な磁化方向が平行または反平行な状態を形成する。一方、あるＭＴＪ素子から情報を読み出す際には、対応するワード線またはビット線のいずれかに読出電流を流し、ＭＴＪ素子の接合抵抗を検出する。このようなＭＴＪ素子は、Gallagher等によって開示されている（例えば、特許文献１参照）。Gallagher等は、固定された磁化方向が積層面内に存在する被固定層と、この被固定層の磁化方向と関連して回転する磁化方向を有する磁化自由層と、これら被固定層と磁化自由層とを隔てるように形成されたトンネルバリア層とを有するＭＴＪ素子の構成について説明している。
【特許文献１】米国特許第５６５０９５８号明細書
【０００６】
また、ＭＲＡＭをＤＲＡＭの代替品とするには、ＭＴＪ素子の寸法を微小化する必要がある。Gallagher等は、そのような微小な領域を有するＭＴＪ素子についても開示している（例えば、特許文献２参照）。そのＭＴＪ素子は、酸化アルミニウムの薄膜からなるトンネルバリア層を有している。さらにParkin等は、１０Ｍbit〜１００Mbitの範囲の容量を有するＤＲＡＭと競争するには、サブミクロン単位の寸法が必要であることについて触れている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献２】米国特許第６２２６１６０Ｂ１号明細書
【特許文献３】米国特許第６１６６９４８号明細書
【０００７】
Parkin等は、ＭＴＪ素子の微小化によって生じる重要な問題、特に超常磁性（super-paramagnetism）に関する問題に触れている。超常磁性（super-paramagnetism）とは、ある強磁性層において、自らの寸法が小さすぎて十分な磁気異方性を持つことができずに磁性の熱ゆらぎを生じ、自発磁化を消失した状態を示す。ここで、十分な磁気異方性とは、自らの磁化方向を維持することのできる程度の大きさを有していることを意味する。隣り合うＭＴＪ素子間、あるいは同一素子内で隣接する磁性層同士が過度の磁気結合を有することはＭＴＪ素子にとって望ましくない。このような結合は、書き込みの際にその妨げとなるからである。このような好ましくない磁気結合は、被固定層と磁化自由層との界面が平坦でないことに起因すると考えられている。これは、位相的な結合（topological coupling）として知られている。
【０００８】
Slaughter等は、基礎となる金属層とスペーサ層との間に追加層を設けることにより上記のような位相的結合を低減する方法について開示している（例えば特許文献４参照）。この追加層の結晶構造は、Ｘ線回折分析によるとアモルファスである。
【特許文献４】米国特許第６２０５０５２Ｂ１号明細書
【０００９】
書込電流が零であってもＭＴＪ素子が磁化方向を維持できるように、かつ、データを効率的に記録することができるようにするには、ある程度の磁気異方性を持たせる必要がある。近年、素子寸法が徐々に縮小し、固有の結晶磁気異方性が小さくなってきている。このため、様々な形状（矩形、菱形、楕円形など）の素子を形成することによって結晶磁気異方性の減少分を形状磁気異方性によって相殺するなど、磁気異方性の強度を調整する技術が探求されている。しかしながら、このような磁気異方性の調整によって生ずる問題がある。とりわけ、ＭＴＪ素子の形状に関連した端部磁界（edge-field）に起因する問題が重大である。この端部磁界は、形状磁気異方性（非円形の試料における特性）によって生成され、不均一な強度分布を示し、かつ制御が困難なものである。この端部磁界は、ＭＴＪ素子の端部において生じ、その大きさはランダムに方向付けされた磁化ベクトルの角度の大きさに依存する。このような端部磁界による効果（エッジ効果（edge effects））は、ＭＴＪ素子の寸法が縮小するに従い、データの書込および読出に対して悪影響を及ぼすことがあるので、端部磁界の制御はＭＴＪ素子中心部分における磁化の制御よりも相対的に重要となりつつある。なお、上記のような形状磁気異方性は、十分な大きさを有する場合に超常磁性の不利益な影響を低減することができる。しかし、一方で、データの記憶を目的としてＭＴＪ素子の磁化方向を変化させるために大きな電流を必要とするという短所を有している。
【００１０】
これらのエッジ効果を弱めるために、Shi等は楕円形状のＭＴＪ素子を開示している（例えば特許文献５参照）。このＭＴＪ素子では、その端部においても磁化ベクトルがＭＴＪ素子の主軸(major axis)に沿って整列する。すなわち、端部においても中心部分と一致した磁化ベクトルを示す。エッジ効果の低減を行うための他の方法がNakao等によって開示されている（特許文献６参照）。Nakao等は、リング状のＭＴＪ素子を形成し、円周状の磁界を生じるようにしている。
【特許文献５】米国特許第５７５７６９５号明細書
【特許文献６】米国特許第６３５１４１０号明細書
【００１１】
ＭＴＪ素子のパターン形状を形成する際には、一般にフォトリソグラフィやイオンミリングなどが用いられる。ところがこのような形成方法では、十分な精度をもってＭＴＪ素子の寸法、形状およびアスペクト比を抑制することが困難であり、特に端部において欠陥（寸法、形状およびアスペクト比などのばらつき）を生じることが多い。このような欠陥は、反転磁界（ＭＴＪセルの論理状態を変化させるのに要する磁界）の広範囲に亘る分布を引き起こすと共に、ＭＴＪ素子同士の望ましくない磁気結合を引き起こすこととなる。このように、ＭＲＡＭの構成に伴う多くの問題がＭＴＪ素子の形状およびその形状を形成するプロセスに起因している。従来のＭＴＪ素子は例えば矩形、楕円形または菱形をなしており、その形状の不均一さや端部の欠陥は、ＭＲＡＭのいたるところに分布した保磁力のばらつきとして現れる。形状に依存せずに磁気異方性を生み出す代替方法としては、強磁性層と隣接するように反強磁性層を設ける方法がある。こうすることにより、強磁性層と反強磁性層とを磁気的に結合させ、磁気異方性を生み出すことができる。
【００１２】
なお、非特許文献１には、強磁性層と反強磁性層との交換エネルギーを利用して、結晶成長方向における保磁力を低下させるバイアス効果を生み出す技術が開示されている。
【非特許文献１】Ｒ．ユングブルート，Ｒ．クーホルン，Ｍ．Ｔ．ジョンソン，Ｊ．アン・デ・シュテーケ，Ａ．ラインダース「方位依存性分子線エピタキシャル成長法により形成されたNi80Fe20/Fe50Mn50積層体における交換バイアス磁界の方向依存性」，応用物理学会誌，第７５巻，第１０号，ｐ．６６５９−６６６４，１９９４年５月１５日（R.Jungblut,R.Coehoorn,M.T.Johnson,J.aan de Stegge and A.Reinders,”Orientational dependence of the exchange biasing in molecular-beam-epitaxy-grown Ni80Fe20/Fe50Mn50 bilayers”,J.Appl.Phys.75(10),15 May 1994,pp.6659-6664）
【００１３】
また、Fujikata等は、非磁性層によって分離された２つの強磁性層を有し、そのうちの一方が反強磁性層と隣接して設けられたＭＲ膜を開示している（例えば特許文献７参照）。この反強磁性層は、面心立方構造をなすニッケルマンガン合金を含んでおり、隣接する強磁性層の保磁力Ｈｃを上回るバイアス磁界Ｈｒを、その強磁性層に対して及ぼすものである。この反強磁性層を設けることにより、磁化自由層の磁区構造の安定化が図られる。さらに、この反強磁性層は、磁化自由層の活性部分に対応する領域を覆わないように形成される。
【特許文献７】米国特許第５７６６７４３号明細書
【００１４】
さらに、Rizzo等は、ビット線およびデジット線（これらの線を流れる電流は、書込および読出を行う）が、隣接するＭＴＪ素子の不用意なスイッチングを回避するために強磁性層および反強磁性層を被覆するように形成された構成を開示している（例えば特許文献８参照）。このような構造により、反強磁性層と強磁性層との交換結合によって強磁性層の磁化方向を安定化し、シールド効果をも向上させている。
【特許文献８】米国特許第６４３００８４Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、最近では、ＭＲＡＭのさらなる高集積化が進んでいることから、ＭＲＡＭを構成要素であるＭＴＪ素子も縮小化し、その結晶磁気異方性がますます微弱化してきている。このため、上記した従来のＭＴＪ素子では、良好な書込動作を行うことが困難となってきている。したがって、微小かつ簡素な構成でありながら、形状の不規則性および端部欠陥によって引き起こされる磁界変動の影響を受けにくいＭＴＪ素子を備えた磁気メモリセルが望まれている。
【００１６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、周囲からの磁気的な影響を低減し、安定した磁気情報の書込をおこなうことのできる、高集積化に適した磁気トンネル接合型メモリセルおよびその製造方法を提供することにある。
【００１７】
さらに、本発明の第２の目的は、上記のような磁気トンネル接合型メモリセルを備えた磁気トンネル接合型メモリセルアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法は、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の各工程を含むようにしたものである。
（Ａ）基体を用意する工程。
（Ｂ）基体上に、シード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、上部反強磁性層と、保護層とを順に形成してなる積層膜を形成する工程。
（Ｃ）積層膜を外部磁界中においてアニール処理することにより、シンセティック反強磁性被固定層の磁化方向の設定および上部反強磁性層と磁化自由層との交換結合の形成を行い、磁化自由層における一軸磁気異方性を形成する工程。
【００１９】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、上記の各工程を含むことにより、上部反強磁性層と磁化自由層との交換結合を利用した、形状に依存することのない一軸磁気異方性を有する磁気トンネル接合型メモリセルが形成される。これに加え、水平断面形状が円形となるように積層膜をパターニングすると、形状磁気異方性が低減された磁気トンネル接合型メモリセルとなる。
【００２０】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），窒化チタン（ＴｉＮ），チタンタングステン合金（ＴｉＷ），タングステン（Ｗ），タンタルタングステン合金（ＴａＷ）のうちの少なくとも１種を用いて０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みをなすようにシード層を形成することが望ましい。また、下部反強磁性層については、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）、鉄マンガンクロム合金（ＦｅＭｎＣｒ）、鉄マンガンロジウム合金（ＦｅＭｎＲｈ）、クロム白金マンガン合金（ＣｒＰｔＭｎ）、テルビウムコバルト合金（ＴｂＣｏ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）および白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）のうちの少なくとも１種を用いて４ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚みをなすように形成することが望ましい。上部反強磁性層については、下部反強磁性層と同様の材料を用いて、磁化自由層が一軸磁気異方性を示すように最適化された厚み、例えば０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みをなすように形成することが望ましい。特に、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて上部反強磁性層を形成することが望ましい。
【００２１】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、シンセティック反強磁性被固定層を形成する工程において、下部反強磁性層上に第１の強磁性層を形成する工程と、第１の強磁性層上に結合層を形成する工程と、結合層上に第２の強磁性層を形成する工程とを含むようにしてもよい。その場合、コバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みをなすように第１の強磁性層および第２の強磁性層をそれぞれ形成し、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みをなすように、またはロジウム（Ｒｈ）を用いて０．５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みをなすように結合層を形成することが望ましい。
【００２２】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），炭化ハフニウム（ＨｆＣ）のうちの少なくとも１種を用いて、０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みをなすようにトンネルバリア層を形成することが望ましい。磁化自由層については、コバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて０．３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みをなすように形成することが望ましい。
【００２３】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、１００℃以上４００℃以下の温度下において（２５／π）×１０3Ａ／ｍ以上（５００／π）×１０3Ａ／ｍ以下（１００Ｏｅ以上２０００Ｏｅ以下）の外部磁界を０．５ｈ以上２０ｈ以下に亘って印加することにより、アニール処理をおこなうことが望ましい。
【００２４】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、水平断面において直径が０．３μｍ以下の円形となるように磁気トンネル接合素子をパターニングするようにしてもよい。
【００２５】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルは、基体と、円形の水平断面を有するように基体上に設けられた磁気トンネル接合素子とを含んでおり、この磁気トンネル接合素子が、基体の側からシード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とが順に積層された構造を有している。ここで、磁化自由層は、上部反強磁性層との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている。
【００２６】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルアレイは、互いに直交するように延在する複数のワード線および複数のビット線と、複数のワード線と複数のビット線との各交差点において、複数のワード線と複数のビット線とによって厚み方向に挟まれるようにそれぞれ配置された複数の磁気トンネル接合型メモリセルとを有し、複数の磁気トンネル接合型メモリセルが、それぞれ、基体と、円形の水平断面を有するように基体上に設けられた磁気トンネル接合素子とを含むようにしたものである。ここで、磁気トンネル接合素子は、基体の側からシード層と下部反強磁性層とシンセティック反強磁性被固定層とトンネルバリア層と、磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とが順に積層されたものである。磁化自由層は、上部反強磁性層との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている。
【００２７】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルおよび磁気トンネル接合型メモリセルアレイでは、基体上に設けられた磁気トンネル接合素子が、基体の側からシード層と下部反強磁性層とシンセティック反強磁性被固定層とトンネルバリア層と一軸磁気異方性を有する磁化自由層とこの磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と保護層とを順に有しているので、全体として、上部反強磁性層と磁化自由層との交換結合を利用した、形状に依存することのない一軸磁気異方性を有するものとなる。特に、磁気トンネル接合素子が円形の水平断面を有するようにすると、全体の形状磁気異方性が低減される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法によれば、基体上に、シード層と下部反強磁性層とシンセティック反強磁性被固定層とトンネルバリア層と磁化自由層と上部反強磁性層と保護層とを順に積層して積層膜を形成する工程と、その積層膜を外部磁界中においてアニール処理することにより、シンセティック反強磁性被固定層の磁化方向の設定および上部反強磁性層と磁化自由層との交換結合の形成を行い、磁化自由層における一軸磁気異方性の形成をおこなう工程とを含むようにしたので、形状の不規則性および端部欠陥によって生ずる書込動作時における磁界変動の影響を抑制することができる。よって、安定した磁気情報の書込が可能な高集積化に適した磁気トンネル接合型メモリセルが得られる。特に、水平断面形状が円形となるように積層膜をパターニングすると形状磁気異方性の影響を低減することができ、磁気情報の書込動作がより安定化するので、高集積化にいっそう好適なものとなる。
【００２９】
本発明の磁気トンネル接合型メモリセルまたはそれを備えた磁気トンネル接合型メモリセルアレイによれば、基体上に設けられた磁気トンネル接合素子が、基体の側からシード層と、下部反強磁性層と、シンセティック反強磁性被固定層と、トンネルバリア層と、一軸磁気異方性を有する磁化自由層と、この磁化自由層と交換結合した上部反強磁性層と、保護層とを順に有するようにしたので、形状の不規則性および端部欠陥によって生ずる書込動作時における磁界変動の影響を抑制することができる。よって、安定した磁気情報の書込が可能となり、高集積化に対応することができる。特に、磁気トンネル接合素子が円形の水平断面を有するようにすると形状磁気異方性の影響を低減することができるので、磁気情報の書込動作がより安定化し、高集積化にいっそう好適なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気トンネル接合型メモリセルの構成について説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態の磁気トンネル接合型メモリセル１（以下、単にＭＴＪセル１という。）の積層断面構成を表す概略図である。図２は、ＭＴＪセル１の平面構成を表す概略図である。なお、本発明の磁気トンネル接合型メモリセルアレイは、全体としてマトリクス状をなすように、互いに直交するように延在する複数のビット線２０および複数のワード線３０と、それらの各交差点に配置された複数のＭＴＪセル１とを備えたものである。各ＭＴＪセル１は、交差点においてビット線２０とワード線３０との間に挟まれるように配設されたものである。ＭＴＪセル１は、例えばＸ軸方向へ配列されて複数の行を形成すると共にこれらと直交するようにＹ軸方向へ配列されて複数の列を形成している。なお、図１および図２では、磁気トンネル接合型メモリセルアレイの一部のみ（１つのＭＴＪセル１に対応する部分のみ）を代表して図示する。
【００３３】
各ＭＴＪセル１は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などからなる絶縁性の基板９０上に下部電極３５が形成された基体と、この基体上に設けられ、かつ、円形の水平断面（図２参照）を有する磁気トンネル接合素子１０（以下、単にＭＴＪ素子１０という。）とをそれぞれ備えたものである。基板９０にはワード線３０が埋設されている。ＭＴＪ素子１０の下面は下部電極３５と接し、ＭＴＪ素子１０の上面は１つのビット線２０と接している。下部電極３５は、各ワード線３０とは絶縁されており、読出動作を行う際に、ＭＴＪ素子１０を流れるトンネル電流が流れる経路として機能する。ＭＴＪ素子１０は、基体の側から、シード層７５と、下部反強磁性層７０と、シンセティック反強磁性被固定層６０（Synthetic Antiferromagnetic pinned layer；以下、ＳｙＡＰ層６０という。）と、トンネルバリア層５０と、磁化自由層４０と、上部反強磁性層４５と、保護層４７とが順に積層されたものである。
【００３４】
シード層７５は、下部反強磁性層７０を形成する際に、その結晶成長を補助し、結晶構造が改善されるようにするために設けられる。例えば、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），窒化チタン（ＴｉＮ），チタンタングステン合金（ＴｉＷ），タングステン（Ｗ），タンタルタングステン合金（ＴａＷ）などを含んで構成され、例えば０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００３５】
下部反強磁性層７０は、その上に形成されるＳｙＡＰ層６０の磁化方向を固定するように作用するものである。例えば、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）、鉄マンガンクロム合金（ＦｅＭｎＣｒ）、鉄マンガンロジウム合金（ＦｅＭｎＲｈ）、クロム白金マンガン合金（ＣｒＰｔＭｎ）、テルビウムコバルト合金（ＴｂＣｏ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）および白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）の少なくとも１種を含んで構成され、例えば４ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００３６】
ＳｙＡＰ層６０は、磁化方向が下部反強磁性層７０によって固定されたものであり、下部反強磁性層７０の上に、第１の強磁性層６２と、結合層６４と、第２の強磁性層６６とが順に積層された３層からなるシンセティック構造をなしている。第１の強磁性層６２および第２の強磁性層６６は、例えばコバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなり、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みをなしている。第１の強磁性層６２と第２の強磁性層６６との間に挟まれた非磁性の結合層６４は、例えばロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），クロム（Ｃｒ）または銅（Ｃｕ）により構成されたものであり、０．２ｎｍから４．０ｎｍの厚みを有している。特に、ルテニウム（Ｒｕ）を用いた場合には０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有することが好ましく、ロジウム（Ｒｈ）を用いた場合には０．５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。この結合層６４を設けることにより、第１の強磁性層６２および第２の強磁性層６６が、互いに逆平行の磁化方向を示すように磁気的に結合することとなる。なお、第１の強磁性層６２および第２の強磁性層６６の構成材料の組成および厚みは、それらの磁化の強さが互いに等しくなるように選択される。したがって、第１の強磁性層６２および第２の強磁性層６６の各磁化方向が互いに逆方向となるように固定されることにより、ＳｙＡＰ層６０全体のネット磁気モーメントが実質的に零となる。ＳｙＡＰ層６０全体のネット磁気モーメントを実質的に零とすることにより、書込動作をおこなう際、ビット線２０およびワード線３０が形成する電流磁界によって磁化自由層４０の磁化方向を反転するのに有利となる。
【００３７】
トンネルバリア層５０は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），炭化ハフニウム（ＨｆＣ）をのうちの少なくとも１種を含んで構成されており、例えば０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００３８】
トンネルバリア層５０によってＳｙＡＰ層６０と分離された磁化自由層４０は、例えばコバルト（Ｃｏ）またはコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなり、上部反強磁性層４５との交換結合によって一軸磁気異方性を示すように構成されている。磁化自由層４０は、例えば０．３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００３９】
この磁化自由層４０と交換結合した上部反強磁性層４５は、磁化自由層４０に対してその面内方向に一軸磁気異方性を示すように作用する。上部反強磁性層４５は、下部反強磁性層７０と同様に、例えばイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）、鉄マンガンクロム合金（ＦｅＭｎＣｒ）、鉄マンガンロジウム合金（ＦｅＭｎＲｈ）、クロム白金マンガン合金（ＣｒＰｔＭｎ）、テルビウムコバルト合金（ＴｂＣｏ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）および白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）のうちの少なくとも１種を含んでいる。上部反強磁性層４５は、例えば０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有している。特に、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて上部反強磁性層４５を構成することが望ましい。上部反強磁性層４５の構成材料および厚みは、磁化自由層４０の保磁力（coercivity）を最適化するように選択される。
【００４０】
保護層４７は、上部反強磁性層４５を覆うように、例えばルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），チタン（Ｔｉ），チタンタングステン合金（ＴｉＷ），タンタル（Ｔａ），ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ），クロム（Ｃｒ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）のいずれかにより構成されている。保護層４７は、空気中の酸素を遮断し、上部反強磁性層を保護するように機能する。
【００４１】
続いて、図１および図２を参照して、本実施の形態の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法について説明する。本実施の形態の磁気トンネル接合型メモリセルの製造方法では、水平断面において、複数のＭＴＪセル１をＸ軸方向へ配列して複数の行を形成すると共にＹ軸方向へ配列して複数の列を形成することにより、全体としてマトリクスを形成することが望ましい。
【００４２】
まず、例えばＹ軸方向に延在するワード線３０が埋設されて上面が平坦化処理された基板９０を用意したのち、基板９０上の、ワード線３０に対応する一部領域に下部電極３５を形成し、さらにその下部電極３５の上に全面に亘ってＭＴＪ素子１０を形成する。具体的には、図１に示したように、ワード線３０を埋設した基板９０の全体を覆うように、下部電極３５を介してシード層７５と、下部反強磁性層７０と、第１の強磁性層６２と、結合層６４と、第２の強磁性層６６と、トンネルバリア層５０と、磁化自由層４０と、上部反強磁性層４５と、保護層４７とを順に形成し、積層膜を形成する。
【００４３】
次いで、上記の積層膜を外部磁界中においてアニール処理する。具体的には、１００℃以上４００℃以下の温度下において（２５／π）×１０3Ａ／ｍ以上（５００／π）×１０3Ａ／ｍ以下（１００Ｏｅ以上２０００Ｏｅ以下）の外部磁界を０．５時間以上２０時間以下に亘って印加することにより、アニール処理をおこなう。このアニール処理によって、ＳｙＡＰ層６０の磁化方向の設定がなされる。さらに、上部反強磁性層４５と磁化自由層４０とが、互いの界面を介して磁気的な相互作用を及ぼし合うことにより交換結合することとなる。このため、磁化自由層４０における一軸磁気異方性が形成される。
【００４４】
さらに、水平断面形状が円形となるように上記の積層膜をパターニングすることによりＭＴＪ素子１０を形成する。この際、直径が例えば０．３μｍ以下の円形をなすＭＴＪ素子１０となるように積層膜をパターニングする。パターニングは、円形のマスクを用いて、フォトリソグラフィ、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Rtching）などの方法により行う。パターニングは、アニール処理が完了したのちに行うことが望ましい。
【００４５】
ＭＴＪ素子１０と同一階層において、その周囲を取り囲むように絶縁層（図示せず）を形成し、さらに、ＭＴＪ素子１０の上に、ワード線３０と直交してＸ軸方向へ延在するビット線２０を形成する。
【００４６】
こののち、所定の工程を経ることにより、ＭＴＪ素子１０を備えたＭＴＪセル１の製造が完了する。
【００４７】
このように形成されたＭＴＪセル１では、ワード線３０およびビット線２０に書込電流が流れると電流磁界が発生し、その電流磁界の作用（強度や向き）によって磁化自由層４０の磁化方向が所定の方向に向くことにより、磁化自由層４０の磁化方向と、ＳｙＡＰ層６０（第２の強磁性層６６）の磁化方向とが磁化容易軸（例えば磁化自由層４０において一軸磁気異方性を示す方向）に沿って互いに平行または反平行な状態となる。このような状態を「０」，「１」の２値情報に対応させることで、情報の記憶がおこなわれる。一方、この情報を読み出す際には、ＭＴＪ素子１０を介してビット線２０および下部電極３５にセンス電流を流し、トンネル電流の大小（接合抵抗の大小）を利用することにより、平行または反平行な状態の検出がおこなわれる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態のＭＴＪセル１によれば、磁化自由層４０と接するように上部反強磁性層４５を設けるようにしたので、それらの相互間における交換結合を利用した、形状に依存することのない一軸磁気異方性を発現することができる。これに加え、水平断面形状が円形となるように積層体を形成するようにしたので、形状磁気異方性がより低減されたＭＴＪセル１となる。したがって、寸法精度や形状の欠陥（特に、水平断面における周縁部の欠損）に起因する磁界変動の影響を抑制し、安定した磁気情報の書込をおこなうことができる。さらに、このようなＭＴＪセル１を用いた磁気トンネル接合型メモリセルアレイによれば、ＭＴＪセル１同士における形状や寸法のばらつきに起因する保磁力のばらつきが抑制されるので、より高集積化した場合であっても安定した磁気情報の書込をおこなうことができる。
【００４９】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本発明の一具体例であり、本発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。例えば、上記実施の形態では、ＭＴＪセルに含まれるピンド層としてシンセティック構造を採用するようにしたが、これに限定されず、例えば、単層の強磁性層をピンド層としてもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、ピンド層（ＳｙＡＰ層６０）の磁化方向の設定を行うためのアニール処理と、上部反強磁性層４５と磁化自由層４０との交換結合を形成するためのアニール処理とを同時に一括して行うようにしたが、個別に行うようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、磁気トンネル接合素子の水平断面形状が円形をなすようにしたが、これに限定されず、正方形など他の形状であってもよい。ただし、形状磁気異方性をより低減することが可能な円形とすることが最も望ましい。他の形状となるようにパターニングする場合には、それぞれに応じた形状のマスクを用いることとする。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＭＴＪセルの積層断面構成を表す概略図である。
【図２】図１に示したＭＴＪセルにおける水平断面構成を表す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…磁気トンネル接合型メモリセル（ＭＴＪセル）、１０…ＭＴＪ素子、２０…ビット線、３０…ワード線、３５…下部電極、４０…磁化自由層、４５…上部反強磁性層、４７…保護層、５０…トンネルバリア層、６０…ＳｙＡＰ層、６２…第１の強磁性層、６４…結合層、６６…第２の強磁性層、７０…下部反強磁性層、７５…シード層。
【図１】
2005210126.tif 000003
【図２】
2005210126.tif 000004