(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互にほぼ直交するように配列されたワード線とビット線の間に形成される半導体素子であって、
タンタルを有する成長層と、
前記成長層の直上に形成される反強磁性層と、
前記反強磁性層の直上に形成され、１つ又は複数のピン強磁性副層を有するピン層と、
前記ピン層上に形成され、酸化マグネシウムを有するトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成され、それぞれ前記ワード線及びビット線から４５度に配向された磁気異方性軸を有する２つ以上のフリー強磁性副層を有するフリー層とを有し、
前記反強磁性層は、イリジウムとマンガンとを有し、
前記ピン層とフリー層の強磁性副層は、鉄とコバルトとボロンを有し、
前記成長層は、後で堆積される前記強磁性副層の磁気異方性の分散が小さくなるように７５Åより大きい厚さであることを特徴とする、半導体素子。
【請求項２】
前記半導体素子は、磁気トンネル接合を有する、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
データをトグル書込み処理によって前記半導体素子に書き込むことができる、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記フリー層は、前記トンネル障壁上に形成される下側のフリー強磁性副層と、スペーサ副層によって前記下側のフリー強磁性副層と分離される上側のフリー強磁性副層とを有する、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記下側及び上側のフリー強磁性副層の磁気モーメント・ベクトルは、外部磁界が前記半導体素子に印加されないときに相互に反平行に配向される、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記スペーサ副層は、銅、クロム、モリブデン、ルテニウム、ニオブ、タングステン、オスミウム、イリジウム、又はタンタル、あるいはそれらの組合せを有する、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ピン層は、３つ以上のピン強磁性副層を有する、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記フリー層と前記トンネル障壁層とのインターフェイスが組み込まれる平面に対してほぼ平行な平面内の前記フリー層の最小寸法は、２００ナノメートル未満である、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項９】
相互にほぼ直交するように配列されたワード線とビット線の間に形成される少なくとも１つの半導体素子を有する集積回路であって、前記少なくとも１つの半導体素子は、
タンタルを有する成長層と、
前記成長層の直上に形成される反強磁性層と、
前記反強磁性層の直上に形成され、１つ又は複数のピン強磁性副層を有するピン層と、
前記ピン層上に形成され、酸化マグネシウムを有するトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成され、それぞれ前記ワード線及びビット線から４５度に配向された磁気異方性軸を有する２つ以上のフリー強磁性副層を有するフリー層と、を有し、
前記反強磁性層は、イリジウムとマンガンとを有し、
前記ピン層とフリー層の強磁性副層は、鉄とコバルトとボロンを有し、
前記成長層は、後で堆積される前記強磁性副層の磁気異方性の分散が小さくなるように７５Åより大きい厚さであることを特徴とする、集積回路。
【請求項１０】
前記半導体素子は、磁気トンネル接合を有する、請求項９に記載の集積回路。
【請求項１１】
前記集積回路は、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ回路を有する、請求項９に記載の集積回路。
【請求項１２】
相互にほぼ直交するように配列されたワード線とビット線の間の半導体素子を形成する方法であって、
タンタルを有する成長層を形成するステップと、
反強磁性層を前記成長層の直上に形成するステップと、
１つ又は複数のピン強磁性副層を有するピン層を前記反強磁性層の直上に形成するステップと、
酸化マグネシウムを有するトンネル障壁層を前記ピン層上に形成するステップと、
それぞれ前記ワード線及びビット線から４５度に配向された磁気異方性軸を有する２つ以上のフリー強磁性副層を有するフリー層を前記トンネル障壁層上に形成するステップとを有し、
前記反強磁性層は、イリジウムとマンガンとを有し、
前記ピン層とフリー層の強磁性副層は、鉄とコバルトとボロンを有し、
前記成長層は、後で堆積される前記強磁性副層の磁気異方性の分散が小さくなるように７５Åより大きい厚さであることを特徴とする、方法。
【請求項１３】
前記成長層を形成する前記ステップは、物理蒸着を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記２つ以上のフリー強磁性副層の内の少なくとも１つを形成する前記ステップは、印加磁界の存在下の物理蒸着を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記トンネル障壁を形成する前記ステップは、イオン・ビーム堆積を有する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に集積回路に関するものであり、より詳細には磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリで使用される磁気トンネル接合に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、しばしば情報が磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を使用して記憶されるメモリ技術である。基本的なＭＴＪは、ピン層と、フリー層と、その間に介在するトンネル障壁とを有する。ピン層は典型的には反強磁性層上に堆積された１つ又は複数のピン強磁性副層を有する。前記ピン層と前記反強磁性層の相互作用は、前記ピン強磁性副層内の安定な磁気方向を数百又は数千エルステッドまでの印加磁界に対して確立する働きをする。フリー層は、強磁性材料の単純な薄層あるいは強磁性副層及びスペーサ副層を有する多層構造を有する。前記トンネル障壁は、前記ピン層と前記フリー層の間で成長する薄い金属副層（通常Ａｌ又はＭｇ）を酸化することによってあるいは酸化物層又は窒化物層を堆積させることによって形成されることが多い。更に、基本的なＭＴＪは１つ又は複数のキャップ層及び成長層を有することもできる。キャップ層はいくつかの目的を果たすことができる。キャップ層は前記フリー層の磁気特性を改善するのに使用することができ、熱拡散障壁として働くこと又は前記ＭＴＪ素子との接着性を高めることあるいはその両方を可能にすることができる。一方、成長層は通常前記ＭＴＪの底部付近で発見され、後に堆積される層の高品質の成長を促すように設計される。
【０００３】
前記ＭＴＪの抵抗は、前記ピン層に対する前記フリー層の相対極性（平行又は反平行）に応じて高くなり又は低くなる。前記各層の磁極性が相互に平行である場合には、前記トンネル障壁の両端間の抵抗は通常低くなるが、前記各層の前記磁極性が反平行である場合には、前記抵抗は通常高くなる。ＭＴＪ素子のスイッチング（すなわちメモリ・セルに対する書込み）を行うには、特定の磁界パルス・シーケンスを前記素子の近くに配置されたワード線及びビット線を通るオンチップ電流パルスを使用して前記ＭＴＪに印加する。前記特定の磁界パルス・シーケンスは、前記フリー層が１つの強磁性副層から成るものであるのかそれとも２つ以上の強磁性副層から成るものであるのかに応じて異なる。単一の強磁性副層を含むフリー層を有するＭＴＪに対する書込み（典型的にはＳｔｏｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈ法を使用してスイッチングされる）については、例えば参考として本明細書に援用するＤ．Ｗｏｒｌｅｄｇｅの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  Ｔｏｇｇｌｅ  ＭＲＡＭ」ＩＢＭ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１、６９頁（２００６年１月）に記載されている。２つの強磁性副層を含むフリー層を有するＭＴＪに対する書込み（トグル・スイッチング又は回転スイッチングと呼ばれることが多い）については、例えば先に引用した雑誌論文、並びにやはり参考として「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｗｒｉｔｉｎｇ  ｔｏ  Ｓｃａｌａｂｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｅｌｅｍｅｎｔ」と題する米国特許第６５４５９０６号に記載されている。
【０００４】
外部磁界の存在下で堆積される強磁性副層は、前記外部磁界の向き及び大きさで決まる磁気異方性軸によって特徴付けられる。すなわち、副層は、後に前記副層内のある磁気異方性軸に対して平行に印加された外部磁界に暴露されたときと、垂直に印加された外部磁界に暴露されたときとでは明白な振る舞いの違いを示す。前記副層の磁気モーメント・ベクトルは、無印加の磁界（ｚｅｒｏ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）ではそれ自体の磁気異方性軸に沿う方向を指す。更に、前記副層は、外部磁界が前記副層に前記副層の磁気異方性軸に対して平行方向に印加されるときは、磁極性間のスイッチングが容易となる。したがって、ＭＴＪの高品質のスイッチングを達成する１つの鍵となるものは、上記の磁気異方性を精密に制御することである。
【非特許文献１】Ｄ．Ｗｏｒｌｅｄｇｅの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  Ｔｏｇｇｌｅ  ＭＲＡＭ」ＩＢＭ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１、６９頁（２００６年１月）
【特許文献１】米国特許第６５４５９０６号
【特許文献２】米国特許出願第１０／８８４６９６号
【非特許文献２】Ｒ．Ｆ．Ｂｕｎｓｈａｈ監修の「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ」、Ｎｏｙｅｓ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ（１９９４年）
【非特許文献３】Ｄ．Ｗ．  Ａｂｒａｈａｍ等の「Ｒａｐｉｄ−ｔｕｒｎａｒｏｕｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ＭＲＡＭ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」ＩＢＭ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．  ５０、Ｎｏ．１、５５頁（２００６年１月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
とりわけ、本発明者らは最近ＭＴＪの成長層が結果的に後に堆積される強磁性層で前記磁気異方性の方向を分散させる影響を及ぼす可能性があることを発見した。多くの場合、この影響は顕著である。したがって、前記強磁性層の前記磁気異方性軸の精密な制御が可能となる構造を有するトグル・タイプのＭＴＪが必要とされている。そうすれば前記ＭＴＪの磁気スイッチング特性を最適化することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、磁気異方性軸が精密に制御される強磁性層を有する新規性あるトグル・タイプのＭＴＪを提供することによって上記の必要に対処するものである。有利なことに、このような精密な制御によって磁気スイッチング特性が最適化されることになる。
【０００７】
本発明の一態様によれば、ワード線とビット線の間に形成される半導体素子は、成長層と、前記成長層上に形成される反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成されるピン層と、前記ピン層上に形成されるトンネル障壁層と、前記トンネル障壁上に形成されるフリー層とを有する。前記ワード線及びビット線は実質的に相互に直交するように配列される。また、前記成長層はタンタルを有し、厚さは約７５オングストロームを超える。更に、前記ピン層は１つ又は複数のピン強磁性副層を有する。前記トンネル障壁は酸化マグネシウムを有する。最後に、前記フリー層は、それぞれ前記ワード線とビット線から約４５度に配向された磁気異方性軸を有する２つ以上のフリー強磁性副層を有する。
【０００８】
好ましい一実施形態では、ワード線とビット線の間に形成されるＭＴＪは（下から上の順に）、１００オングストロームの窒化タンタル／１００オングストロームのタンタル／１２０オングストロームのイリジウム‐マンガン合金／１５オングストロームのコバルト‐鉄合金／１３オングストロームの酸化マグネシウム／４０オングストロームのコバルト‐鉄合金／６０オングストロームのルテニウム／５０オングストロームのコバルト‐鉄合金／１００オングストロームの窒化タンタル、を有する。前記コバルト‐鉄合金層は強磁性であり、各々の共通の磁気異方性軸が前記ワード線とビット線から約４５度に配向された状態で形成される。前記ＭＴＪは有利なことに非常に優れたトグル・スイッチング特性及び高い磁気抵抗を示す。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読めば明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の諸態様に係る例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明する。したがって、本明細書に記載の諸実施形態には様々な修正及び変更を施すことができ、その結果得られる諸実施形態物も依然として本発明の範囲に含まれる。本発明を本明細書に記載の特定の実施形態に限定することは本出願人の意図するところではなく、また、そのように解釈されるべきではない。
【００１１】
また、添付図面に図示される様々な層又は領域あるいはその両方は必ずしも縮尺どおりに描かれてはおらず、説明の便宜上、所与の図面には集積回路で一般に使用されるタイプの１つ又は複数の層又は領域あるいはその両方を明示的に示さないこともあることに留意していただきたい。このことは、明示的に図示しない前記層（単数又は複数）又は領域（単数又は複数）あるいはその両方が実際の集積回路から省略されていることを意味するものではない。
【００１２】
本明細書で使用する「層」という用語は、任意の物質層を包含するものとする。層は単一の材料を有することができ、あるいは様々な材料から成るいくつかの副層を有することができる。更に、強磁性膜とは、それ自体の磁気モーメントがＭＲＡＭで通常生成される大きさの印加磁界の存在下で実質上自由に回転しないときに「ピン止め」されるものを指す。一方、強磁性膜とは、それ自体の磁気モーメントをＭＲＡＭで通常生成される大きさの印加磁界で回転させることが可能であるときに「自由」な状態となるものを指す。
【００１３】
図１は、本発明の好ましい一実施形態に係るＭＴＪ１００の簡略断面図である。前記ＭＴＪは、ワード線１０２とビット線１０４の間に挟まれている。前記ワード線は前記ＭＴＪの上部に配置され、前記ビット線は前記ＭＴＪの底部に配置されているが、本発明では前記ワード線とビット線の諸代替構成も企図されている。
【００１４】
前記ＭＴＪ１００は、ピン層１１０と、フリー層１２０とを含む。これらの２つの層の間にトンネル障壁層１３０が置かれる。一方、前記フリー層は３つの副層を有し、より具体的には下側のフリー強磁性副層１２２と、上側のフリー強磁性副層１２４と、これらを分離するスペーサ副層１２６とを有する。前記スペーサ副層は、前記各フリー強磁性副層を交換結合することができ、あるいは単に非磁性スペーサとして働くことができる。前記ピン層１１０の下には反強磁性層１４０が置かれる。更に、前記ＭＴＪは、前記反強磁性層１４０の直下に形成される成長層１５０だけでなく、それぞれ下側と上側のキャップ層１６０と１７０も有する。前記下側のキャップ層及び上側のキャップ層はそれぞれ、前記ＭＴＪと前記ワード線１０２の間、及び前記ＭＴＪと前記ビット線１０４の間のインターフェイスを形成する。
【００１５】
前記ＭＴＪ１００において、前記下側のキャップ層１６０及び前記上側のキャップ層１７０は、約１００オングストロームの窒化タンタル（ＴａＮ）を有することが好ましい。窒化タンタルは、ワード線及びビット線で使用される銅等の一般的な元素を含めた多くの金属元素向けの熱拡散障壁として働く。一方、前記スペーサ層１５０は、約１００オングストロームのタンタル（Ｔａ）を有することが好ましい。前記反強磁性層１４０は、約１２０オングストロームのイリジウムとマンガンの化合物（ＩｒＭｎ）を有することが好ましい。更に、前記スペーサ副層１２６は、約６０オングストロームのルテニウム（Ｒｕ）を有することが好ましい。前記ピン層１１０及び前記フリー強磁性副層１２２、１２４は、ホウ素をドープしたコバルト‐鉄の合金（ＣｏＦｅＢ）を有することが好ましく、それによってそれらの各層が強磁性化されることが好ましい。前記ピン層の厚さは約１５オングストロームであることが好ましく、前記下側及び上側のフリー強磁性副層の厚さはそれぞれ約４０オングストローム及び約５０オングストロームであることが好ましい。これらの強磁性層の各磁気異方性軸は、各々の堆積中に一様な外部磁界を印加することによって規定することができる。
【００１６】
前記ＭＴＪ１００の前記トンネル障壁１３０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を有する。前記トンネル障壁の厚さは、約１３オングストロームであることが好ましいが、他の適当な厚さも依然として本発明の範囲に含まれる。ＭＴＪにおけるＭｇＯトンネル障壁の使用及び形成については、例えば参考として「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｂａｒｒｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ」と題する米国特許出願第１０／８８４６９６号に記載されている。ＭｇＯトンネル障壁は、例えばまず極薄（例えば約３オングストローム）の金属マグネシウム層を堆積し、次に追加的なマグネシウムを酸素の存在下で堆積することによって堆積することができる。有利なことに、ＭｇＯトンネル障壁は、ＭＴＪに適切な形で取り込まれたときに高い磁気抵抗特性を示す。ＭｇＯトンネル障壁を使用することによって、例えば１００％を超えるトンネル磁気抵抗（すなわち前記ＭＴＪの高い方の電気抵抗状態と低い方の電気抵抗状態の電気抵抗差）が容易に達成される。
【００１７】
上記の材料選択、厚さ、及び堆積方法の多くは単に好ましい実施形態を例示するものに過ぎず、したがって他の材料選択、厚さ、及び堆積方法も依然として本発明の範囲に含まれることに留意していただきたい。例えば、前記スペーサ副層１２６はルテニウムを有する代わりに、銅、クロム、モリブデン、ニオブ、タングステン、オスミウム、イリジウム、又はタンタル、あるいはそれらの組合せを有することもできる。本発明の範囲に含まれる好ましい実施形態について可能な変更形態が当業者に明らかとなるであろう。
【００１８】
上述の各元素の堆積方法は、半導体処理の技術分野の当業者には明らかであろう。前記各元素は、例えば従来の半導体処理で容易に利用される物理蒸着法又はイオン・ビーム堆積法あるいはその両方を使用して堆積することができる。これらの堆積技法については、例えばＲ．Ｆ．Ｂｕｎｓｈａｈ編集の「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ」、Ｎｏｙｅｓ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ（１９９４年）等を含めたいくつかの容易に入手可能な参考文献に詳細に記載されている。
【００１９】
前記ピン層１１０及び前記フリー強磁性副層１２２、１２４は各々の強磁性特性の故に、それぞれ図１の符号１１１、１２３、及び１２５の矢印で図示される関連する磁気モーメント・ベクトルを有することになる。外部磁界の影響がないとすれば、これらの磁気モーメント・ベクトルは各々の強磁性層の前記磁気異方性軸に対して平行に整列する傾向がある。双極子結合と、前記スペーサ副層１２６によって提供される任意の交換結合との組合せの故に、前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５は相互に反平行のままとなる傾向がある。
【００２０】
図１に図示される好ましい実施形態では、ピン層の磁気モーメント・ベクトル１１１は、前記ＭＴＪ１００で通常生成される大きさの印加磁界の存在下では自由に回転しない。こうした回転の制約は、主にピン層１１０と隣接する反強磁性層１４０の間の結合によって生じる。したがって、前記ピン層は参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）の働きをする。一方、前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５は、前記ワード線１０２及びビット線１０４内の電流フローによって生成されることがある印加磁界の存在下で自由に回転する。それによって前記フリー層１２０内の前記フリー磁気モーメント・ベクトルの方向は、前記ＭＴＪの状態をデジタル情報が記憶されるように確立する働きをする。
【００２１】
更に、前記ピン層１１０及びフリー強磁性副層１２２、１２４は、前記ワード線１０２及びビット線１０４の各方向から約４５度の角度で配向された磁気異方性軸を有するように構成されることが好ましい。この配向を用いると、前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５を、特定のワード線及びビット線電流シーケンスを使用してスイッチングすることが可能となり、これについては以下で詳細に説明する。図２は、前記ワード線及びビット線を備える前記ＭＴＪ１００の簡略平面図である。前記ワード線及びビット線は相互に直交することが好ましい。更に、図２には、前記フリー磁気モーメント・ベクトルと前記ワード線／ビット線の間の角度が４５度であることが明示されている。図２には、前記ワード線及びビット線内の正電流フローの方向もそれぞれＩｗ及びＩｂとして図示されている。前記ワード線及びビット線内の正電流フローはそれぞれ円周磁界Ｈｗ及びＨｂを発生させる。
【００２２】
図１に図示される前記フリー層１２０のような３層構造は、トグル書込み処理を使用してスイッチングすることができる。そのような書込み処理については、先に引用し参考として援用する米国特許第６５４５９０６号に詳しく記載されている。簡潔にいえば、トグル書込み処理は、前記ワード線１０２及びビット線１０４内でタイミングがとられた特定の電流パルス・シーケンスを使用して達成される。図３は、正と負の両方の電流極性の電流パルスから発生する印加磁界Ｈｗ及びＨｂを図示している。時間ｔ０では、電流フローはワード線にもビット線にも存在せず、前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５は、フリー磁気副層１２２、１２４の前記磁気異方性軸に沿って前記ワード線１０２及びビット線１０４から４５度の方向に配向された状態を保っている。時間ｔ１では、ワード線電流がオンに切り換えられ、それによって磁界Ｈｗが生み出され、前記フリー磁気モーメント・ベクトルは、その印加フィールド方向と名目上直行するはさみのような状態（ｓｃｉｓｓｏｒ−ｌｉｋｅ  ｓｔａｔｅ）でそれ自体が配向されるように前記ワード線電流の前記極性に応じて時計回り又は反時計回りに回転し始める。後の時間ｔ２では、前記ワード線電流がオンの状態にある間に前記ビット線電流がオンにスイッチングされる。前記ビット線に電流が加わると前記ワード線電流によって回転が引き起こされるので、前記フリー磁気モーメント・ベクトルは同じ方向に更に回転する。この時点で、前記フリー磁気モーメント・ベクトルは、前記ワード線及びビット線に対して４５度の平均印加磁界方向Ｈｗ＋Ｈｂと名目上直交する。
【００２３】
時間ｔ３では、前記ワード線電流がオフにスイッチングされ、それによって前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５は、前記ビット線１０４によって生成された印加磁界Ｈｂによってのみ更に回転される。この時点で、前記磁気モーメント・ベクトルは一般に、各々の困難軸の不安定点を過ぎて回転された状態となる。したがって、時間ｔ４では、前記ビット線電流がオフにスイッチングされたときに、前記フリー磁気モーメント・ベクトル１２３、１２５は再びフリー磁気副層１２２、１２４の前記磁気異方性軸に沿って整列する傾向がある。この時点で、前記フリー磁気モーメント・ベクトルが１８０度回転された状態となり、前記ＭＴＪ１００がトグルされることになる。
【００２４】
上述したように、前記成長層の構成及び厚さの慎重な選択は、後に堆積される強磁性層で前記磁気異方性の方向を実質的に分散させる影響を及ぼす。最適な成長層構成を判定するために、Ｋｅｒｒ磁気測定研究を上述の前記ＭＴＪの好ましい実施形態に係るブランケット積層膜に関して実施した。一部の積層膜はタンタル成長層を含有しないものの、他の積層膜は様々な厚さのタンタル成長層を含有するものとした。ＭＲＡＭ素子の強磁性膜の磁気異方性を研究するためのＫｅｒｒ磁気測定の使用については、例えばＤ．Ｗ．  Ａｂｒａｈａｍ等の「Ｒａｐｉｄ−ｔｕｒｎａｒｏｕｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ＭＲＡＭ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」ＩＢＭ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．  ５０、Ｎｏ．１、５５頁（２００６年１月）等を含めた多数の参考文献に記載されている。
【００２５】
簡潔にいえば、Ｋｅｒｒ磁気測定は、研究対象の磁気材料の表面で反射される光の偏光回転を印加磁界の関数として測定する。Ｋｅｒｒ信号は、基準となる較正定数によってサンプル磁気モーメントに関する変更回転量毎の定量的な測定値が与えられるが、試験対象となるサンプル磁気モーメントに比例する。それにも関わらず、１つのサンプル又は１組の同様のサンプルが与えられた場合に、前記Ｋｅｒｒ信号は一連のすべてのサンプルと同じ較正定数を伴う光ビームと平行な前記サンプル磁気モーメントに比例する。Ｋｅｒｒ磁気測定は民間利用可能である。１つの民間製造業者としては、例えばＡＤＥ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社（マサチューセッツ州ウエストウッド）がある。
【００２６】
図４及び５は、タンタル成長層を伴わない積層膜を対象とするＫｅｒｒ磁気測定の測定値を図示している。より具体的には、研究対象となる前記積層膜は（下から上の順に）、１００オングストロームのＴａＮ／１２０オングストロームのＩｒＭｎ／１５オングストロームのＣｏＦｅＢ／１８オングストロームのＭｇＯ／３５オングストロームのＣｏＦｅＢを有するものとした。対照的に、図６及び７は、１００オングストロームのタンタル成長層を含有する積層膜を対象とするＫｅｒｒ磁気測定の測定値を図示している。より具体的には、本積層膜は（下から上の順に）、１００オングストロームのＴａＮ／１００オングストロームのＴａ／１２０オングストロームのＩｒＭｎ／１５オングストロームのＣｏＦｅＢ／１８オングストロームのＭｇＯ／３５オングストロームのＣｏＦｅＢを有するものとした。すべての場合において、前記強磁性層（すなわちＣｏＦｅＢ層）は、各積層膜内の共通の磁気異方性軸を定義する印加磁界の影響下で堆積させた。図４及び６は、前記Ｋｅｒｒ信号を、前記強磁性層における前記磁気異方性軸の前記方向と平行な前記サンプルに印加される磁界の関数として図示している。一方、図５及び７は、同じサンプルに関する前記Ｋｅｒｒ信号であるが、前記外部磁界が前記強磁性層における前記磁気異方性軸と直交する軸に沿って印加される前記Ｋｅｒｒ信号を図示している。それぞれの場合において、前記印加磁界は、図示のループが作り出されるまで一方の極性から他方の極性に複数回掃引した。
【００２７】
図４及び６に図示されるループの直角度並びに図５及び７に図示されるループの開度サイズは、それらに関連するサンプルの前記磁気異方性に関する制御の程度を指示している。図４の前記ループのラウンド及び図５に図示される前記ループの比較的大きな開度は、前記タンタル成長層を伴わない前記サンプル内の前記強磁性層の両端間の前記磁気異方性軸の前記方向が大きく分散されていることを指示している。したがって、そのような積層膜がＭＴＪ内に実装された場合、そのような積層膜は低いトグル・スイッチング特性によって特徴付けられるはずである。対照的に、図６の前記ループの直角度及び図７の前記ループの緊密度は、前記磁気異方性の前記方向が殆ど分散されない高品質の強磁性膜であることを指示している。そのような積層膜がＭＴＪ１００のようなＭＴＪに組み込まれたときは、そのような積層膜は、前記サンプルの両端間の前記磁気異方性の前記方向の均一性の故に非常に優れたトグル・スイッチング特性を示す。
【００２８】
図８は、１００オングストロームのＴａＮ／ｘオングストロームのＴａ（ｘ＝０，５０，７５，１００，１２５，１５０）／１２０オングストロームのＩｒＭｎ／１５オングストロームのＣｏＦｅＢ／１８オングストロームのＭｇＯ／３５オングストロームのＣｏＦｅＢを有する積層膜を対象とするＫｅｒｒ磁気測定の測定値の概要を図示している。図８のｙ軸は、前記Ｋｅｒｒ信号ループの割合開度（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ  ｏｐｅｎｉｎｇ）であり、この場合前記印加磁界は前記強磁性層における前記磁気異方性軸に直交する軸に沿って印加されている。したがって、図８は図５（Ｔａ成長層なし、ｘ＝０）及び図７（１００オングストロームのＴａ成長層、ｘ＝１００）の前記ループから取得されたデータを含んでいる。図８は、前記磁気異方性の前記方向の分散を実質的により良い形で制御することが約７５オングストローム超の厚さのタンタル成長層を使用することによって達成されることを明示している。
【００２９】
図９は、前記ＭＴＪ１００に関するトグル書込みデータを図示している。上述したように、本ＭＴＪは、１００オングストロームの厚さのタンタル成長層１５０を有する。本実験は、前記ＭＴＪを高抵抗状態（すなわち前記ピン層の磁気モーメント・ベクトル１１１及び下位のフリー強磁性副層の磁気モーメント・ベクトル１２３が相互に反平行である状態）にすることから開始する。これらの実験では、前記ワード線１０２及びビット線１０４は、図３に図示されるボックスパターンを介して電力パルスが次第に大きくなる正方向に掃引される。図９のＨｂｏｘと標記されたｘ軸は、前記ワード線及びビット線によって生み出される前記磁界のそれぞれの大きさを示している。前記ＭＴＪは、Ｈｂｏｘが約１２５エルステッドと等しくなったときに前記各電流パルスを掃引しながら電気抵抗状態間を交互にスイッチングすることから開始することが図面から分かるだろう。有利なことに、そのようなトグル・スイッチングの振る舞いは、典型的なワード線及びビット線の駆動回路において過剰な電流を発生させる機能が存在しない場合にも本ＭＴＪの設計が現代の集積回路の形でも支障なく実装できることを示している。上述したように、前記タンタル成長層の厚さが約７５オングストロームを下回る場合には、前記トグル特性は図９に図示される特性よりも実質的に劣るはずである。
【００３０】
本明細書に記載の前記装置及び方法は集積回路を形成するように実装することができることに留意していただきたい。集積回路を形成する際は、複数の同一ダイが典型的には半導体ウェハーの表面上の繰り返しパターンで製作される。各ダイは本明細書に記載される本発明の諸態様に従って形成された素子を含むが、他の構造又は回路を含むこともできる。個々のダイは前記ウェハーからカットされ又はダイシングされた後、集積回路としてパッケージングされる。当業者ならウェハーのダイシング方法及びダイをパッケージングして集積回路を製造する方法を認識しているはずである。そのように製造される集積回路は本発明の一部と見なされる。
【００３１】
更に、本明細書では添付の図面を参照しながら本発明の例示的な諸実施形態について説明してきたが、本発明は特にそれらの厳密な実施形態に限定されるものではなく、また、当業者なら添付の特許請求範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正をそれらの実施形態に施すことができることも強調しておくべきであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に係るＭＴＪの断面図である。
【図２】図１のＭＴＪの平面図である。
【図３】図１のＭＴＪをスイッチングする磁界パルス・シーケンスを示すグラフである。
【図４】タンタル成長層を伴わない試験積層膜について、Ｋｅｒｒ磁気測定信号を前記磁気異方性軸に対して平行方向に印加される外部磁界の関数として示す図である。
【図５】タンタル成長層を伴わない試験積層膜について、Ｋｅｒｒ磁気測定信号を前記磁気異方性軸に対して垂直方向に印加される外部磁界の関数として示す図である。
【図６】１００オングストロームのタンタル成長層を伴う試験積層膜について、Ｋｅｒｒ磁気測定信号を前記磁気異方性軸に対して平行方向に印加される磁界の関数として示す図である。
【図７】１００オングストロームのタンタル成長層を伴う試験積層膜について、Ｋｅｒｒ磁気測定信号を前記磁気異方性軸に対して垂直方向に印加される外部磁界の関数として示す図である。
【図８】前記Ｋｅｒｒ磁気測定ループの割合開度を、前記試験積層膜の前記磁気異方性軸に対して垂直方向に印加される外部磁界に対するタンタル成長層の厚さの関数として示す図である。
【図９】図３の前記磁界パルス・シーケンスに応じた図１の前記ＭＴＪの磁気抵抗を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００  磁気トンネル接合
１０２  ワード線
１０４  ビット線
１１０  ピン層
１１１  ピン層の磁気モーメント・ベクトル
１２０  フリー層
１２２  下側のフリー強磁性副層
１２３、１２５  フリー磁気モーメント・ベクトル
１２４  上側のフリー強磁性副層
１２６  スペーサ副層
１３０  トンネル障壁層
１４０  反強磁性層１４０
１５０  成長層１５０
１６０  下側のキャップ層
１７０  上側のキャップ層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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