(57)【要約】  よりＴＭＲ比が高く、成膜時に記録層および固定層の損傷を防ぐことができる磁気トンネル接合素子およびその製造方法を提供するために、積層順に、強磁性体から成り磁化方向が固定である固定層、非磁性体から成る磁気結合層、強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、非磁性体から成る障壁層および強磁性体から成る記録層を積層して構成、または、積層順に、強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、非磁性体から成る障壁層および非磁性体から成る挿入層を第１および第２の強磁性層で挟んで成る記録層を積層して構成、あるいは、前記積層順とは逆順で積層して構成する磁気トンネル接合素子を製造するに際し、磁気結合層および挿入層を、当該磁気結合層および当該挿入層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜する。
2018020730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層順に、
強磁性体から成り磁化方向が固定である固定層、
非磁性体から成る磁気結合層、
強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、
非磁性体から成る障壁層および
強磁性体から成る記録層
を積層して構成または前記積層順とは逆順で積層して構成する磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記磁気結合層を、当該磁気結合層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２】
積層順に、
強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、
非磁性体から成る障壁層および
非磁性体から成る挿入層を第１および第２の強磁性層で挟んで成る記録層
を積層して構成または前記積層順とは逆順で積層して構成する磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記挿入層を、当該挿入層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
請求項１に記載の前記磁気結合層および請求項２に記載の前記挿入層は、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくともいずれか１つ含む非磁性体である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記スパッタリングガスは、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項５】
積層順に、
強磁性体から成り磁化方向が固定である固定層、
非磁性体から成り、当該非磁性体である元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜された磁気結合層、
強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、
非磁性体から成る障壁層および
強磁性体から成る記録層
の積層体または前記積層順とは逆順の積層体から構成される磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
積層順に、
強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、
非磁性体から成る障壁層および
非磁性体からなる挿入層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜された当該挿入層を第１および第２の強磁性層で挟んで成る記録層
の積層体または前記積層順とは逆順の積層体から構成される磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
請求項５に記載の磁気トンネル接合素子であって、
前記記録層は、非磁性体から成る挿入層を第１および第２の強磁性体から成る層で挟む構造を有し、前記挿入層が、当該挿入層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜される
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子であって、
前記記録層の前記障壁層とは反対側に隣接して設けられる保護層を有する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ、以下では、「ＳＴＴ」という）を用いた磁化反転は、素子サイズが小さくなるほど書き込みに要する電流値が小さくなるため、高密度で消費電力の小さいメモリ素子に適している。近年、このＳＴＴによる磁化反転を用いた磁気メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）が注目を集めている。【０００３】
ＳＴＴによる磁化反転を利用する磁気メモリは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子（以下、「ＭＴＪ素子」という場合がある）で構成されている。ＭＴＪ素子は、磁化の向きが固定された参照（固定）層と磁化の向きが変化する記録（自由）層とで、トンネル障壁層（トンネル絶縁膜）をサンドイッチした構成を有している。【０００４】
ＭＴＪ素子の性能は、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）、熱安定性および閾値電流で表される。トンネル磁気抵抗比は、（Ｒａｐ−Ｒｐ）／Ｒｐ  （ここで、Ｒｐ：障壁層に隣接する参照層の磁化と記録層の磁化とが平行に配列した時の抵抗値、Ｒａｐ：障壁層に隣接する参照層の磁化と記録層の磁化とが反平行に配列した時の抵抗値）で定義される値である。また、熱安定性は、Ｋｅｆｆ・Ｖ／ｋＢＴ  （ここで、Ｋｅｆｆ：記録層の実効磁気異方性エネルギー密度、Ｖ：記録層の体積、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）に比例する値である。一般に、ＭＴＪ素子は、トンネル磁気抵抗比が大きい方が好適であり、また、熱安定性を閾値電流で除した値が大きいほど好適である。【０００５】
ＭＴＪ素子が、垂直磁化型のとき、ＳＴＴにより磁化を反転させる場合と熱的な反転が生じる場合とでは、磁化の通る方向が同じになる。一方、面内磁化型のとき、ＳＴＴにより磁化を反転させる場合と熱的な反転が生じる場合とでは、磁化が違う方向を通る。この場合、ＳＴＴによる反転では、磁化は反磁界が大きな面直方向を通り、熱的反転では、磁化は反磁界が小さな面内方向を通る。その結果、面内磁化型では、閾値電流に対する熱安定性の比が、垂直磁化型に比べて小さくなる。このため、近時では、垂直磁化型のＭＴＪ素子がより注目されており、垂直磁化型のＭＴＪ素子が用いられるようになってきている。【０００６】
このような垂直磁化型のＭＴＪ素子として、ＣｏＦｅＢから形成される強磁性層とＭｇＯ絶縁膜とを用いることにより、高いトンネル磁気抵抗比と高い熱安定性、低い閾値電流を有するものが開発されており（例えば、特許文献１参照）、現在、この材料系を用いた検討が活発に行われている。【０００７】
また、垂直磁気異方性を向上させるため、ＭｇＯ（障壁層）／ＣｏＦｅＢ（記録層）／ＭｇＯ（保護層）構造のように、記録層（ＣｏＦｅＢ）を、酸素を含む障壁層（ＭｇＯ）と保護層（ＭｇＯ）とで挟んだ構造（二重界面構造）を有するものも開発されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、保護層として導電性酸化物層を用いた二重界面構造を有するものや、その保護層の上に金属キャップ層を配置したものも開発されている（例えば、特許文献２参照）。【０００８】
このような二重界面構造を有するＭＴＪ素子は、記録層の下と記録層の上のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面に生じる２つの垂直磁気異方性によって、ＭｇＯの保護層がないトンネル接合素子よりも記録層の膜厚を大きくすることができる。熱安定性は、記録層の膜厚に比例して増加するため、膜厚を大きくすることにより熱安定性を向上させることができる。また、同時に、記録層の膜厚を大きくすることにより、記録層のダンピング定数αを低減することも可能となる。書き込み電流の値はダンピング定数αに比例するため、書き込み電流の値を同時に低減することができる。これらの結果、二重界面構造を有するＭＴＪ素子は、熱安定性が高く、書き込み電流が小さい、すなわち、熱安定性を閾値電流で除した値が大きいものとなっている。【０００９】
一方、ＭｇＯの保護層がないＭＴＪ素子では、記録層の上に、ＭｇＯ保護層の代わりにＴａ等の保護層を積層している。この場合、熱処理によってＴａがボロンを吸収するため、ＣｏＦｅＢが結晶化し、高いＴＭＲ比が得られる。【００１０】
しかし、特許文献１および２に記載された二重界面構造を有するＭＴＪ素子は、ＭｇＯでＣｏＦｅＢを挟んでおり、Ｔａ等のキャップがないため熱処理によるボロンの拡散が起きにくい。このため、ＣｏＦｅＢが熱処理によって結晶化せず、ＴＭＲ比が低下してしまうという問題があった。【００１１】
そこで、このようなＴＭＲ比の低下を防ぐために、記録層の間に薄いＴａ等の非磁性層を挿入したＭＴＪ素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このＭＴＪ素子では、熱処理によりＴａ等の非磁性層がボロンを吸収してＣｏＦｅＢが結晶化しているため、高いＴＭＲ比が得られている。【００１２】
また、磁化固定層として［Ｃｏ／Ｐｔ］多層膜のような垂直磁気異方性の高い膜の上に、磁気結合層といわれる４Å程度の薄いＴａを間に挟んでＣｏＦｅＢの参照層を積層したＭＴＪが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢのトンネル接合では、ＣｏＦｅＢとＭｇＯはｂｃｃ結晶配向した時に高いＴＭＲ比が得られる。［Ｃｏ／Ｐｔ］はｆｃｃの結晶配向性を持つため、この上にＣｏＦｅＢの参照層を直接積層すると、［Ｃｏ／Ｐｔ］のｆｃｃ結晶方向にＣｏＦｅＢが結晶配向するため高いＴＭＲ比が得られない。磁気結合層は、［Ｃｏ／Ｐｔ］の結晶配向をここでいったん切ることによって、ＣｏＦｅＢをｂｃｃ方向に配向し、高いＴＭＲ比を得るために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１４−２０７４６９号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／０６９０９１号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｈ．Ｓａｔｏ，Ｍ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ，Ｓ．Ｉｋｅｄａ，Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，Ｆ．Ｍａｔｓｕｋｕｒａ，ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，“Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ  ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２０１２，１０１，０２２４１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述した非特許文献１に記載のＭＴＪ素子では、記録層の間に挿入されたＴａ等の非磁性層、および、［Ｃｏ／Ｐｔ］の固定層とＣｏＦｅＢの参照層との間に挿入されたＴａ等の非磁性体から成る磁気結合層を、３５０℃以上の高温で熱処理すると、Ｔａ等が記録層内あるいは参照層内のＣｏＦｅＢを拡散して障壁層まで到達させるという現象が生じる。また、非磁性体から成る層として、ＴａやＷ等の耐熱性の高い高融点金属が用いられるところ、これらの材料は原子量が大きいため、スパッタリングによる成膜時にＴａやＷ等の材料が記録層あるいは［Ｃｏ／Ｐｔ］の固定層に衝突することにより、記録層あるいは［Ｃｏ／Ｐｔ］の固定層を損傷させるという現象が生じる。この現象については、本発明に係る実施例で後述するが、図１０の上図に示すように、ＥＤＸ線（エネルギー分散型Ｘ線）分析により固定層を構成するＰｔが拡散することが観測されたことにより判明した。
これらは、成膜時に磁性膜を損傷させＴＭＲ比の低下を引き起こす課題を呈するものである。【００１６】
本発明は、上述した課題に着目してなされたもので、これら課題を解決して、よりＴＭＲ比が高く、成膜時に記録層および固定層の損傷を防ぐことができる磁気トンネル接合素子の製造方法および該製造方法によって生成した磁気トンネル接合素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気トンネル接合素子の製造方法は、積層順に、強磁性体から成り磁化方向が固定である固定層、非磁性体から成る磁気結合層、強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、非磁性体から成る障壁層および強磁性体から成る記録層を積層して、または当該積層順とは逆順で積層して、磁気トンネル接合素子を構成するに際して、磁気結合層を、当該磁気結合層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜し、また、積層順に、強磁性体から成り磁化方向が固定である参照層、非磁性体から成る障壁層および非磁性体から成る挿入層を第１と第２の強磁性層で挟んで成る記録層を積層して、または当該積層順とは逆順で積層して、磁気トンネル接合素子を構成するに際して、挿入層を、当該挿入層に用いる元素の質量数を自らの質量数で割り算した比の値が２．２以下であるスパッタリングガスを使って成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、磁気トンネル接合素子を、一方の表面側に少なくとも参照層、障壁層および記録層を成膜するための基層を有し、これら参照層、障壁層および記録層を、基層の一方の表面側にスパッタリング等で成膜することにより、製造するものである。この製造時に、非磁性体から成る挿入層あるいは磁気結合層と質量数の近いスパッタガスを用いて上記成膜を行うことにより、本発明に係る磁気トンネル接合素子は、第１の強磁性層や固定層がダメージを受けること、また、ＴａやＷ等が拡散してＴＭＲ比が低下することを防ぐことができる。このため、本発明に係る磁気トンネル接合素子は、固定層や記録層を損傷させることなく、高いＴＭＲ比を有することを可能にする。
以上のとおり、本発明によれば、よりＴＭＲ比が高く、成膜時に記録層の損傷を防ぐことができる磁気トンネル接合素子およびそれを用いた磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る磁気トンネル接合素子を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の、実際の構造の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の、（ａ）低抵抗状態、（ｂ）高抵抗状態を示す説明図である。
【図４】図４は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の第１の変形例を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の第２の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る磁気トンネル接合素子を用いた磁気メモリを示すブロック回路図である。
【図７】図７は、本発明に係る製造方法の実施例１として、磁気結合層を、スパッタリングガスＫｒを使用してＫｒガス成膜する構成を示す図である。
【図８】図８は、実施例１につき、磁気結合層のＷをＡｒおよびＫｒでスパッタした場合の、ＴＭＲ比の値の磁気結合層膜厚に対する依存性を示した図である。
【図９】図９は、実施例１につき、磁気結合層のＷをＡｒガスおよびＫｒガスで成膜した時の、固定層に対するダメージを示した断面イメージ図である。
【図１０】図１０は、実施例１につき、磁気結合層のＷをＡｒガスおよびＫｒガスで成膜した時の、ＭＴＪの断面をＥＤＸ線分析した結果を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る製造方法の実施例２として、挿入層を、スパッタリングガスＫｒまたはＸｅを使用してＫｒガス成膜またはＸｅ成膜をする構成を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例２につき、挿入層のＷをＡｒおよびＫｒでスパッタした場合の、ＴＭＲ比の値の第１の強磁性層膜厚に対する依存性を示した図である。
【図１３】図１３は、実施例２につき、挿入層のＷをＡｒガスおよびＫｒガスで成膜した時の、第１の強磁性層に対するダメージを示した断面イメージ図である。
【図１４】図１４は、実施例２につき、挿入層のＷをＫｒ、ＸｅおよびＡｒでスパッタした場合の、ＴＭＲ比の値の第１の強磁性層膜厚に対する依存性を示した図である。
【図１５】図１５は、実施例２につき、挿入層のＷをＫｒ、ＸｅおよびＡｒでスパッタした場合の、ＴＭＲ比の値の挿入層膜厚に対する依存性を示した図である。
【図１６】図１６は、実施例３につき、本発明に係る磁気トンネル接合素子を、３端子のＳＯＴ素子に適用したときの磁気メモリを示すブロック回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明に係る磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子の構造に関して幾つかの例を示している。
その中で図１乃至図３では、磁気トンネル接合素子１０は、参照層１１、障壁層１２、記録層１３および保護層１４をこの順番で積層した構造と、これらの各層をスパッタリング等で成膜するための基層１５とを有している。以下、各層について順に説明する。
【００２１】
基層１５を構成する固定層２５は、強磁性体であって、磁化方向が膜面に対して垂直方向で固定になっている。
基層１５を構成する磁気結合層２６は、非磁性体であって、例えば、厚さ０．４ｎｍのＴａの膜から成る。Ｔａ以外では、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの少なくともいずれか１つから成る膜であってもよい。
【００２２】
参照層１１は、強磁性体であって、磁化方向が膜面に対して垂直方向で固定になっていて、例えば、厚さ１．０〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢの膜から成っている。
障壁層１２は、酸素を含む非磁性体であって、例えば、厚さ１．０〜１．３ｎｍのＭｇＯの膜から成っている。ただし、非磁性体として酸素を含めることを限定するものではない。
【００２３】
記録層１３は、第１の強磁性層２１、挿入層２２および第２の強磁性層２３を、この順番で積層した構造を有している。
第１の強磁性層２１は、磁化方向が膜面に対して垂直方向で可変になっており、例えば、厚さ１．４〜１．５ｎｍのＣｏＦｅＢの膜から成っている。
【００２４】
挿入層２２は、非磁性体であって、例えば、厚さ０．２〜０．５ｎｍのＴａまたはＷの膜から成っている。ＴａまたはＷ以外では、先の磁気結合層２６と同様に、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの少なくともいずれか１つから成る膜であってもよい。
第２の強磁性層２３は、磁化方向が膜面に対して垂直方向で可変になっており、例えば、厚さ１．０〜１．５ｎｍのＣｏＦｅＢの膜から成っている。
【００２５】
第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３は、挿入層２２を介して磁気的に結合している。また、障壁層１２は、記録層１３を構成する第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３のいずれの側に配置されていてもよい。図１は、その具体的な一例であって、第１の強磁性層２１の側に障壁層１２が配置されている。
【００２６】
保護層１４は、酸素を含む非磁性体であって、例えば、厚さ１．０〜１．１ｎｍのＭｇＯの膜から成っている。ただし、非磁性体として酸素を含めることを限定するものではない。また、保護層１４は、導電性酸化物膜から成っていてもよい。ここで、導電性酸化物膜としては、例えば、以下の酸化物を用いることができる。
（１）ＲｕＯ２、ＶＯ２、ＣｒＯ２、ＮｂＯ２、ＭｏＯ２、ＷＯ２、ＲｅＯ２、ＲｈＯ２、ＯｓＯ２、ＩｒＯ２、ＰｔＯ２、Ｖ３Ｏ５およびＴｉ３Ｏ５などのルチル−ＭｏＯ２型酸化物、
（２）ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ、ＬａＯ、ＮｄＯ、ＳｍＯ、ＥｕＯ、ＳｒＯ、ＢａＯおよびＮｉＯなどのＮａＣｌ型酸化物、
（３）ＬｉＴｉ２Ｏ４、ＬｉＶ２Ｏ４およびＦｅ３Ｏ４などのスピネル型酸化物、
（４）ＲｅＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３、ＬａＣｕＯ３、 ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３およびＢａＴｉＯ３などのペロブスカイト−ＲｅＯ３型酸化物、
（５）Ｔｉ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３およびＲｈ２Ｏ３などのコランダム型酸化物、
（６）ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３およびＷＯ３などの酸化物半導体、
（７）ＴａＯ２、など
【００２７】
図１では、基層１５として、固定層２５および磁気結合層２６を有している。また、基層１５は、参照層１１の障壁層１２側とは反対側の面に配置されている。
固定層２５は、図３に示すように、第３の強磁性層３１、第４の強磁性層３２および双方の間に挟まれた非磁性層３３を有している。
第３の強磁性層３１は、例えば、厚さ０．５ｎｍのＣｏ膜と厚さ０．３ｎｍのＰｔ膜とをそれぞれ交互に４回積層した上に、厚さ０．５ｎｍのＣｏ膜を積層した膜から成っている。
第４の強磁性層３２は、例えば、厚さ０．５ｎｍのＣｏ膜と厚さ０．３ｎｍのＰｔ膜とをそれぞれ交互に２回積層した上に、厚さ０．５ｎｍのＣｏ膜を積層した膜から成っている。
【００２８】
非磁性層３３は、例えば、厚さ０．９ｎｍのＲｕ膜から成っている。
そして、固定層２５は、非磁性層３３を介して、第３の強磁性層３１および第４の強磁性層３２の磁化の向きが、ＲＫＫＹ相互作用により、膜面に対して垂直方向で互いに反対向きになっている。
【００２９】
磁気結合層２６は、非磁性体であって、固定層２５と参照層１１との間に挟まれ、例えば、厚さ０．４ｎｍのＴａ膜から成っている。
また、固定層２５は、第４の強磁性層３２が磁気結合層２６と接するように設けられている。
なお、参照層１１は、磁気結合層２６を介して固定層２５と磁気的に結合しており、磁化方向が膜面に対して垂直方向で一方向に固定されている。
【００３０】
磁気トンネル接合素子１０は、障壁層１２を介して、参照層１１と記録層１３との間に磁気トンネル接合が生成されている。また、図１に示すように、磁気トンネル接合素子１０は、記録層１３を障壁層１２と保護層１４とで挟んだ二重界面構造を有し、第１の強磁性層２１が障壁層１２に、第２の強磁性層２３が保護層１４に接触している。これにより、磁気トンネル接合素子１０は、第１の強磁性層２１と障壁層１２との界面、および、第２の強磁性層２３と保護層１４との界面に、それぞれ垂直磁気異方性が生じ、第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３の磁化方向が膜面に対して垂直になっている。また、磁気トンネル接合素子１０は、第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３の磁化方向が、スピン注入磁化反転により変化するようになっている。
【００３１】
磁気トンネル接合素子１０は、基層１５の上に、参照層１１、障壁層１２、第１の強磁性層２１、挿入層２２、第２の強磁性層２３および保護層１４を順に成膜した後、熱処理を行うことにより製造することができる。各層の堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタリングや分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などを用いることができる。熱処理の温度は、３５０℃〜４５０℃が好ましい。
【００３２】
実際には、磁気トンネル接合素子１０は、例えば図２に示すように、基板２７の上に、下部電極層２８および下地層２９を形成し、この下地層２９の上に、固定層２５、磁気結合層２６、参照層１１、障壁層１２、第１の強磁性層２１、挿入層２２、第２の強磁性層２３、保護層１４および上部電極層３０の順に積層された構成を有している。この場合にも、基板２７の上に各層を成膜した後、熱処理を行うことにより製造することができる。なお、図２では、基板２７、下部電極層２８、下地層２９、固定層２５および磁気結合層２６が、基層１５を成している。
【００３３】
ここにおいて、基板２７は、トランジスタや多層の配線層を含んだ構成を有している。
下部電極層２８は、例えば、厚さ２０〜５０ｎｍ程度の導電層であって、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ、ＡｇおよびＲｕなどの金属材料またはその合金などから成っている。また、下部電極層２８は、複数の金属材料を積層した構造、例えば、Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａといった構造であってもよい。下部電極層２８は、上部の各層を形成するための下地となる層であり、成膜後、化学機械研磨（ＣＭＰ）やガスクラスターイオンビオーム（ＧＣＩＢ）等により、表面が平坦に形成されている。
【００３４】
下地層２９は、例えば、厚さ５ｎｍ程度のＴａの膜から成っている。下地層２９は、Ｔａの他にも、Ｐｔ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ、Ａｇ、ＲｕおよびＨｆなどの金属材料またはその合金などから成っていてもよい。また、下地層２９は、複数の金属材料を積層した構造、例えば、Ｔａ／Ｐｔといった構造であってもよい。
【００３５】
上部電極層３０は、例えば、厚さ１０〜１００ｎｍ程度の導電層であって、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ、ＡｇおよびＲｕなどの金属材料またはその合金などから成っている。また、上部電極層３０は、複数の金属材料を積層した構造、例えば、Ｔａ／Ｒｕといった構造であってもよい。
【００３６】
次に、作用について説明する。
磁気トンネル接合素子１０は、記録層１３として、第１の強磁性層２１と第２の強磁性層２３との間に、ＴａまたはＷを含む挿入層２２を挿入しているため、製造時の熱処理によって、第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３に含まれるボロン（Ｂ）を挿入層２２が吸収し、第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３の結晶化を促進して、ＴＭＲ比を高めることができる。
【００３７】
また、磁気トンネル接合素子１０は、製造時に、ＴａまたはＷから成る挿入層２２をこの非磁性層の質量数に近いスパッタリングガスで成膜することで、ＴａまたはＷが第１の強磁性層２１に衝突して打ち込まれるのを防ぐことができる。これにより、第１の強磁性層２１がダメージを受けて記録層１３が損傷するのを防ぐことができる。
さらに、第１の強磁性層２１にＴａまたはＷが打ち込まれないため、製造時の熱処理によりＴａまたはＷが第１の強磁性層２１の内部に拡散するのを防ぐことができる。これにより、ＴＭＲ比が低下するのを防ぐことができると共に、熱処理の温度を上げることもできる。
以上のとおり、磁気トンネル接合素子１０は、記録層１３を損傷させずに、高いＴＭＲ比を有している。以上の成膜による製造方法については、以下の実施例１および２で詳述する。
【００３８】
そしてまた、磁気トンネル接合素子１０は、二重界面構造を有し、記録層１３の２つの界面にそれぞれ垂直磁気異方性が生じているため、記録層１３の膜厚を大きくして熱安定性を高めることができる。
【００３９】
磁気トンネル接合素子１０は、図３（ａ）に示すように、参照層１１の磁化方向と記録層１３の磁化方向が互いに平行で同一方向（Ｐ状態）のとき、下部電極層２８と上部電極層３０との間が低抵抗になる。一方、図３（ｂ）に示すように、参照層１１の磁化方向と記録層１３の磁化方向が反平行（平行で反対方向：ＡＰ状態）のとき、下部電極層２８と上部電極層３０との間が高抵抗になる。この抵抗値の高低を、ビット情報の「０」と「１」とに対応させることにより、情報を書き込むことができる。図３に示す一例では、低抵抗状態に「０」を、高抵抗状態に「１」を割り当てている。
【００４０】
磁気トンネル接合素子１０に情報を書き込む場合は、下部電極層２８と上部電極層３０との間に流す書き込み電流の方向を変えることにより、「０」または「１」を書き込むことができる。書き込み電流を上部電極層３０から下部電極層２８に向かって流すと、図３（ａ）に示すように、記録層１３の磁化が参照層１１の磁化と同一方向になるため、「０」が書き込まれる。一方で、書き込み電流を下部電極層２８から上部電極層３０に向かって流すと、図３（ｂ）に示すように、記録層１３の磁化が参照層１１の磁化と反対方向になるため、「１」が書き込まれる。
【００４１】
次に、磁気トンネル接合素子１０から情報を読み出す場合は、下部電極層２８と上部電極層３０との間に読み出し電圧を印加することにより、「０」または「１」のそれぞれの抵抗値に応じた電流が流れる。この電流を検出することにより、磁気トンネル接合素子１０に書き込まれている情報（「０」または「１」）を読み出すことができる。
【００４２】
なお、磁気トンネル接合素子１０の構成としては、図４に示すように、固定層２５から保護層１４までをひっくり返した逆の構成を有していてもよい。この場合、下地層２９と保護層１４とが接触し、固定層２５と上部電極層３０とが接触している。また、基板２７、下部電極層２８および下地層２９が、基層１５を成している。
【００４３】
また、磁気トンネル接合素子１０の別の構成として、図５に示すように、記録層１３と保護層１４との間に、記録層１３の側から順に、第２の障壁層１２ａ、第２の参照層１１ａ、第２の磁気結合層２６ａおよび第２の固定層２５ａを挿入して積層された構成を有していてもよい。
【００４４】
図６は、本発明に係る磁気トンネル接合素子１０を用いた磁気メモリ回路の構成を示している。
図６に示すように、磁気メモリ回路５０は、ソース線ＳＬ、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、Ｘドライバ（ワード線ＷＬドライバ）５１、Ｙドライバ（ビット線ＢＬドライバ）５２、ソース線ドライバ５３、センスアンプ５４および記憶セル５５を有している。
【００４５】
ソース線ＳＬは、複数から成り、互いに平行に配置されている。ワード線ＷＬは、複数から成り、各ソース線ＳＬと交差する方向に、互いに平行に配置されている。ビット線ＢＬは、複数から成り、各ソース線ＳＬに平行に配置されている。なお、各ソース線ＳＬと各ワード線ＷＬ、各ワード線ＷＬと各ビット線ＢＬは、互いに直接、電気的には接続されていない。
【００４６】
Ｘドライバ５１は各ワード線ＷＬに、Ｙドライバ５２は各ビット線ＢＬに、ソース線ドライバ５３は各ソース線ＳＬに、それぞれ接続されている。また、センスアンプ５４は、各ビット線ＢＬに接続されている。
【００４７】
記憶セル５５は、複数から成り、それぞれ各ワード線ＷＬと各ビット線ＢＬとが交差する位置付近に配置され、マトリックス状に配列されている。各記憶セル５５は、それぞれが１ビット分の情報を記憶可能であり、それぞれ選択トランジスタ５６と磁気トンネル接合素子１０とを有している。選択トランジスタ５６は、ゲート電極がいずれか１つのワード線ＷＬに電気的に接続され、ソース電極がいずれか１つのソース線ＳＬに電気的に接続されている。磁気トンネル接合素子１０は、下部電極層２８が選択トランジスタ５６のドレイン電極に電気的に接続され、上部電極層３０がいずれか１つのビット線ＢＬに電気的に接続されている。
【００４８】
各記憶セル５５は、電気的に接続された、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬおよびソース線ＳＬの組合せが互いに異なっている。磁気メモリ回路５０は、ビット線ＢＬおよびソース線ＳＬを介して、各記憶セル５５の磁気トンネル接合素子１０の膜面垂直方向に電流を印加可能になっている。
【００４９】
磁気メモリ回路５０は、Ｘドライバ５１、Ｙドライバ５２およびソース線ドライバ５３が、各ワード線ＷＬ、各ビット線ＢＬおよび各ソース線ＳＬを介して、いずれか１つの記憶セル５５を選択してデータを書き込むよう構成された書込部として機能するようになっている。また、Ｘドライバ５１、センスアンプ５４およびソース線ドライバ５３が、各ワード線ＷＬ、各ビット線ＢＬおよび各ソース線ＳＬを介して、いずれか１つの記憶セル５５を選択してデータを読み出すように構成された読出部として機能するようになっている。
【００５０】
次に、磁気メモリ回路５０が磁気トンネル接合素子１０に情報を書き込む態様を示す。Ｘドライバ５１が、書き込み対象の磁気トンネル接合素子１０に接続されたワード線ＷＬの電圧を制御して、対応する選択トランジスタ５６をオンにする。次に、Ｙドライバ５２とソース線ドライバ５３が、書き込み対象の磁気トンネル接合素子１０に接続されたビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に印加する電圧を調整して、磁気トンネル接合素子１０を流れる書き込み電流Ｉｗの向きと大きさとを制御する。これにより、スピン注入磁化反転でもって所望の情報（「０」または「１」）を書き込むことができる。
【００５１】
一方、磁気メモリ回路５０が磁気トンネル接合素子１０から情報を読み出す態様を示す。Ｘドライバ５１が、ワード線ＷＬに選択電圧を印加して、読み出し対象の磁気トンネル接合素子１０に接続された選択トランジスタ５６をオンにする。次に、Ｙドライバ５２とソース線ドライバ５３が、読み出し対象の磁気トンネル接合素子１０に接続されたビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に読み出し電圧を印加する。これにより、磁気トンネル接合素子１０に書き込まれた情報（「０」または「１」）の抵抗値に応じた電流が流れる。センスアンプ５４が、その電流を電圧に変換して書き込まれている情報を読み出すことができる。
磁気メモリ回路５０は、ＴＭＲ比の高い、すなわち読出し信号が高い磁気トンネル接合素子１０を有するため、高速に読出しを行うことができる。
【００５２】
次に、本発明に係る製造方法として、磁気結合層を、この磁気結合層を構成する非磁性体の質量数により近いスパッタリングガスで成膜した場合、および、記録層における挿入層を、この挿入層を構成する非磁性体の質量数により近いスパッタリングガスで成膜した場合を、それぞれ実施例１および実施例２として以下に説明する。
【実施例１】
【００５３】
図７は、本発明に係る製造方法の実施例１であって、磁気結合層２６をスパッタリングガスとして従来のアルゴン（Ａｒ）に替えてクリプトン（Ｋｒ）を使用してＫｒガス成膜する構成を示す図である。
また、比較のために、磁気結合層の成膜用スパッタリングガスとして、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）を使用した場合の、磁気トンネル接合素子１０の磁気特性の測定を行った。
ここで、磁気トンネル接合素子１０は、図１〜３および上述の積層体によるもので、磁気結合層としては、上述のように、非磁性体のＴａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｃ、Ｔｉ、ＶおよびＣｒのうちの少なくともいずれか１つから成る膜で構成されるところ、実施例１では、タングステン（Ｗ）をスパッタリングガスで成膜するターゲットとしている。また、磁気結合層２６直下の固定層２５は、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層体とし、磁気結合層２６直上の参照層１１は、ＣｏＦｅＢの膜としている（後述する図９および１０、参照）。なお、磁気トンネル接合素子１０は、各層を成膜した後、４００℃で１時間の熱処理を行って製造されたものである。【００５４】
磁気結合層を、Ｋｒでスパッタした場合、すなわちＫｒガス成膜の場合、および、Ａｒでスパッタした場合、すなわちＡｒガス成膜の場合、それぞれのＭＴＪのＴＭＲ比について、磁気結合層の膜厚に応じて測定した値を表１に示すと共に、図８にその特性グラフを示す。
【表１】
2018020730.tif 000003
【００５５】
図８に示すように、磁気結合層をＫｒでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比は、磁気結合層をＡｒでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比よりも、磁気結合層の膜厚０．２ｎｍから０．４ｎｍにおいて１０％から３０％向上し、すべての磁気結合層の膜厚において高い値を示す結果を得た。【００５６】
このように、ＴＭＲ比や垂直磁気異方性が向上するのは、以下の原因によるものと考えられる。それに先立ち、表２に、スパッタガスおよびターゲットに用いる元素およびその質量数との関係を示す。
【表２】
2018020730.tif 000004
【００５７】
スパッタリング時に、ターゲットから反跳されるスパッタリングガスのエネルギー（Ｅ）は、ターゲットとスパッタリングガスとの質量数の差（Ｍｔ−Ｍｇ）によって決定される。
Ｅ∝Ｍｔ−Ｍｇ
ここで、Ｅ  ：反跳されるスパッタリングガス（原子）のエネルギー
Ｍｔ：ターゲットの質量数
Ｍｇ：スパッタリングガスの質量数【００５８】
例えば、ターゲットがタングステン（Ｗ）、スパッタリングガスがアルゴン（Ａｒ）の場合、それぞれの質量数は表２に示すように、Ｗが１８３、Ａｒが４３であるので、Ａｒの質量数に対するＷの質量数の比（＝Ｗ／Ａｒ）は約４．６となる。一方、スパッタリングガスがクリプトン（Ｋｒ）の場合、表２からＫｒの質量数は８４であるから、Ｋｒの質量数に対するＷの質量数の比（＝Ｗ／Ｋｒ）は約２．２となり、Ａｒの場合の約半分となる。
従って、反跳されるスパッタリングガスのエネルギーが、Ｋｒ成膜による場合はＡｒ成膜の半分程度となる。【００５９】
ここにおいて、反跳したスパッタリングガスによる下層膜へのダメージの比較を図９により説明する。図９の左図に示すように、質量数の小さいＡｒをスパッタリングガスとした場合、スパッタリングガスがスパッタターゲットに衝突し、反跳したＡｒがターゲットであるＷと共にスパッタ膜表面に照射されることで、この反跳したＡｒが膜中に侵入することになる。その結果、Ａｒ成膜の場合には、反跳ＡｒによってＷが下層の固定層にダメージを与える。このダメージの影響は、ターゲットとスパッタリングガスとの質量数の差が大きいほど大きくなるものと推測される。【００６０】
一方、スパッタリングガスをＫｒにして成膜した場合は、ターゲットのＷとスパッタリングガスのＫｒとの質量数の差が、スパッタリングガスがＡｒの場合より小さくなるため、反跳したＫｒのエネルギーはより小さくなりスピードが落ちるため、図９の右図に示すように、膜中に侵入するに至らない。そのため、Ｋｒ成膜の場合には下層の固定層にダメージを与えないと考えられ、固定層がダメージを受けるのを防ぐことができる。すなわち、参照層（ＣｏＦｅＢ）と固定層（Ｃｏ／Ｐｔ）間の磁気結合の低下を抑制するものである。【００６１】
また、Ｋｒ成膜時には固定層にまでＷ等の材料が打ち込まれないため、製造時の熱処理によって、図９に示すように、固定層の構成原子のＰｔ等が、Ａｒ成膜時にはバリア（障壁層）側の参照層の内部に拡散していた現象が発生せず、参照層の内部へ拡散するのを防ぐことができる。【００６２】
この効果は、ＥＤＸ線（エネルギー分散型Ｘ線）分析の結果から確認することができる。図１０は、Ａｒ成膜時およびＫｒ成膜時において、成膜直後（ａｓ  ｄｅｐｏ）の状態と４００℃で１時間熱処理した状態とで、それぞれＥＤＸ線分析を実施した結果を示している。Ａｒ成膜時には、固定層の構成原子のＰｔが、バリア（障壁層ＭｇＯ）側の参照層に拡散している結果（熱処理により矢印方向にＰｔが拡散）が示されているが、Ｋｒ成膜時には、このＰｔの拡散現象は見られず、これにより、垂直磁気異方性の劣化を防ぐことができる。
以上のように、Ｋｒ成膜により、ＴＭＲ比および垂直磁気異方性の劣化を防ぐことができ、図８に示すような結果が得られると考えられる。
【実施例２】
【００６３】
図１１は、本発明に係る製造方法の実施例２であって、記録層１３を構成する第１の強磁性層２１および第２の強磁性層２３に挟まれる挿入層２２を、スパッタリングガスとして、従来のアルゴン（Ａｒ）に替えて、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）を使用してＫｒガス成膜またはＸｅガス成膜をする構成を示す図である。
また、比較のために、この挿入層２２の成膜用スパッタリングガスとして、アルゴン（Ａｒ）を使用した場合を含め、これら３つのガスによる成膜時の磁気トンネル接合素子１０の磁気特性の測定を行った。
ここで、磁気トンネル接合素子１０は、図１〜３および上述の積層体によるもので、挿入層２２としては、上述のように、非磁性体のＴａまたはＷの膜で構成されるところ、実施例２では、タングステン（Ｗ）をスパッタリングガスで成膜するターゲットとしている。また、挿入層２２直下の第１の強磁性層２１は、ＣｏＦｅＢの膜としている（後述する図１３、参照）。なお、磁気トンネル接合素子１０は、各層を成膜した後、４００℃で１時間の熱処理を行って製造されたものである。【００６４】
挿入層２２を、Ｋｒでスパッタした場合、すなわちＫｒガス成膜の場合、および、Ａｒでスパッタした場合、すなわちＡｒガス成膜の場合、それぞれのＭＴＪのＴＭＲ比について、第１の強磁性層の膜厚１．４ｎｍから１．６ｎｍについて測定した値を表３に示すと共に、図１２にその特性グラフを示す。
【表３】
2018020730.tif 000005
【００６５】
図１２に示すように、挿入層をＫｒでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比は、挿入層をＡｒでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比よりも、第１の強磁性層の膜厚１．４ｎｍから１．６ｎｍにおいて２０％から３０％向上し、すべての第１の強磁性層の膜厚において高い結果を得た。【００６６】
このように、ＴＭＲ比や垂直磁気異方性が向上する原因は、実施例１の場合と同様の原因（現象）によるものと考えられる。スパッタリング時にターゲットから反跳されるスパッタガスのエネルギーは、ターゲットとスパッタリングガスとの質量数の差によって決定される。すなわち、実施例１の場合と同様に、Ａｒの質量数に対するＷの質量数の比（＝Ｗ／Ａｒ）は約４．６のところ、Ｋｒの質量数に対するＷの質量数の比（＝Ｗ／Ｋｒ）は約２．２でＡｒの場合の約半分となり、反跳されるスパッタリングガスのエネルギーは、Ｋｒ成膜の場合はＡｒ成膜の半分程度となる。その結果として、図１３に示すように、Ａｒ成膜の場合は、反跳Ａｒによって挿入層が、下層の第１の強磁性層にダメージを与える（図１３の左図）。一方、Ｋｒ成膜の場合は、第１の強磁性層にダメージを与えないと考えられ（図１３の右図）、これにより、第１の強磁性層がダメージを受けるのを防ぐことができる。【００６７】
また、第１の強磁性層にＷ等の材料が打ち込まれないため、製造時の熱処理で、Ｗが内部に拡散するのを防ぐことができる。これにより、ＴＭＲ比および垂直磁気異方性の劣化を防ぐことができ、図１２に示すような結果が得られると考えられる。【００６８】
以上で説明した実施例１および２では、スパッタリングガスとしてＫｒを使用して、ＴＭＲ比および垂直磁気異方性の劣化を防いだところ、Ｋｒに限定されるものではない。同じく希ガスでさらに質量数の大きいキセノン（Ｘｅ）を使用してもよい。【００６９】
続いて、挿入層２２をＫｒガス成膜に加えてＸｅガス成膜をした場合の、第１の強磁性層の膜厚に対するＭＴＪのＴＭＲ比の測定結果について、その測定値および特性グラフを示す。また、比較のためにＡｒ成膜時の測定値も併記することとし、表４に、Ｋｒ、ＸｅおよびＡｒの各ガスによる成膜時の測定値を、第１の強磁性層の膜厚０．６ｎｍから０．２ｎｍ毎に１．４ｎｍまでについて示す。
【表４】
2018020730.tif 000006
【００７０】
図１４は、表４に基づいて示した特性グラフである。
図１４に示すように、挿入層をＫｒまたはＸｅでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比は、挿入層をＡｒでスパッタした場合のＭＴＪのＴＭＲ比よりも、第１の強磁性層の膜厚が０．６ｎｍから１．４ｎｍにおいて、Ｋｒの場合で１４％から９９％向上し、Ｘｅの場合で７％から１１９％向上した。すなわち、Ｘｅの場合も、Ｋｒの場合と同様にすべての第１の強磁性層の膜厚において高い結果を得た。また、Ａｒの場合には、第１の強磁性層の膜厚が１．０ｎｍ以下になると、急激にＴＭＲ比は低下する傾向にあるが、Ｋｒの場合もＸｅの場合も、その傾向は大幅に改善された。ＫｒとＸｅを比較すると、Ｘｅの方が総体的に高い結果が得られた。【００７１】
Ｘｅ成膜の場合には、Ｘｅの質量数に対するＷの質量数の比（＝Ｗ／Ｘｅ）は約１．４でＡｒの場合の約１／３となり、先のＫｒの場合よりさらに小さくなる。すなわち、反跳されるスパッタリングガスのエネルギーは、Ｋｒ成膜の場合よりさらに減少する。その結果、図１３に示すＫｒ成膜の場合と同様に、第１の強磁性層にダメージを与えず、第１の強磁性層の膜厚が薄くなるとＫｒ成膜の場合より効果が上がると推測される。【００７２】
次に、挿入層２２をＫｒガス成膜またはＸｅガス成膜をした場合の、挿入層の膜厚に対するＭＴＪのＴＭＲ比の測定結果について、その測定値および特性グラフを示す。上述した第１の強磁性層の膜厚依存性の測定では、挿入層の膜厚は０．３ｎｍ固定で行ったが、挿入層の膜厚依存性の測定では、第１の強磁性層の膜厚を１．０ｎｍ固定とした。また、比較のためにＡｒ成膜時の測定値も併記することとし、表５に、Ｋｒ、ＸｅおよびＡｒの各ガスによる成膜時の測定値を、挿入層の膜厚０．２ｎｍ、０．３ｎｍおよび０．５ｎｍについて示す。
【表５】
2018020730.tif 000007
【００７３】
図１５は、表５に基づいて示した特性グラフである。
図１５に示すように、総体的に挿入層の膜厚が薄い方がＴＭＲ比は高い傾向にあり、その膜厚が厚くなるに従い低下していく傾向にある。膜厚に応じて低下していく割合は、質量数の大きいＸｅほど小さく、質量数が小さくなるＫｒ、Ａｒの順に大きくなっていくことが分かる。この傾向は、図８に示す磁気結合層をＫｒでスパッタした場合の結果と一致している。図８に示すデータよりも、図１５に示すデータの方が全体的にＴＭＲ比が高くなっているが、これは参照層とトンネルバリアの成膜条件を改善したためである。【００７４】
表６は、ターゲット（「Ｔ」とする）が、タングステン（Ｗ、質量数１８３）、タンタル（Ｔａ、質量数１８０）、加えて、磁気結合層および挿入層の構成膜として先に示した、ハフニウム（Ｈｆ、質量数１７８）、モリブデン（Ｍｏ、質量数９６）、ニオブ（Ｎｂ、質量数９３）、ジルコニウム（Ｚｒ、質量数９１）、イットリウム（Ｙ、質量数８９）、スカンジウム（Ｓｃ、質量数４５）、チタン（Ｔｉ、質量数４７）、バナジウム（Ｖ、質量数５１）およびクロム（Ｃｒ、質量数５２）のそれぞれである場合に、スパッタリングガス（「Ｇ」とする）として、アルゴン（Ａｒ、質量数４０）、クリプトン（Ｋｒ、質量数８４）およびキセノン（Ｘｅ、質量数１３１）をそれぞれ使用した場合における、質量数比（「Ｔ／Ｇ」の値）を示したものである。
【表６】
2018020730.tif 000008
【００７５】
上述のとおり、スパッタリングガスとしてＫｒおよびＸｅを使用することにより、本発明による効果が期待できることから、ターゲットとの質量数比として、少なくとも２．２以下となるスパッタリングガスを選定することを要する。
また、実施例１および実施例２を組み合わせて、すなわち、磁気結合層を実施例１により成膜し、さらに記録層における挿入層を実施例２により成膜することにより、磁気トンネル接合素子を製造してもよい。
【実施例３】
【００７６】
本発明に係る磁気トンネル接合素子は、ＳＴＴ素子だけではなく、３端子のＳＯＴ（Ｓｐｉｎ  Ｏｒｂｉｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）素子にも適用可能である。図１６は、このＳＯＴ素子に、本発明に係る磁気トンネル接合素子を適用した場合の磁気メモリのブロック回路図である。【００７７】
図１６に示す磁気メモリセルでは、磁気トンネル接合素子１０が、第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２、ワード線ＷＬおよびグラウンド線ＧＬに接続されている。すなわち、磁気トンネル接合素子１０の上部に繋がる端子が、グラウンド線ＧＬに接続されている。また、下部電極層２８の両端が、下部接続層４１を経由して、第１セルトランジスタＴｒ１および第２セルトランジスタＴｒ２のソースまたはドレインに接続されている。第１セルトランジスタＴｒ１および第２セルトランジスタＴｒ２のゲート電極は、ワード線ＷＬに接続されている。また、第１セルトランジスタＴｒ１および第２セルトランジスタＴｒ２のソースおよびドレインのうちの磁気トンネル接合素子１０に接続される側とは反対側の端子は、それぞれ第１ビット線ＢＬ１および第２ビット線ＢＬ２に接続されている。【００７８】
このＳＯＴ素子による磁気メモリセルにおいて、情報を書き込む場合は、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定することにより、第１セルトランジスタＴｒ１および第２セルトランジスタＴｒ２が０Ｎ状態になる。さらに、第１ビット線ＢＬ１および第２ビット線ＢＬ２のいずれかをＨｉｇｈレベルに設定することにより、磁気トンネル接合素子１０への情報の書き込みが可能となる。【００７９】
情報を読み出す場合は、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定することにより、第１セルトランジスタＴｒ１および第２セルトランジスタＴｒ２が０Ｎ状態になる。さらに、第１ビット線ＢＬ１および第２ビット線ＢＬ２の両方をＨｉｇｈレベルに設定する、或いは、一方をＨｉｇｈレベルに、他方をＯｐｅｎに設定することにより、磁気トンネル接合素子１０からの情報の読み出しが可能となる。
【符号の説明】
【００８０】
１０  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子
１１  参照層
１２  障壁層
１３  記録層
１４  保護層
１５  基層
２１  第１の強磁性層
２２  挿入層
２３  第２の強磁性層
２５  固定層
２６  磁気結合層
２７  基板
２８  下部電極層
２９  下地層
３０  上部電極層
３１  第３の強磁性層
３２  第４の強磁性層
３３  非磁性層
４１  下部接続層
５０  磁気メモリ回路
５１  Ｘドライバ
５２  Ｙドライバ
５３  ソース線ドライバ
５４  センスアンプ
５５  記憶セル
５６  選択トランジスタ
【図１】
2018020730.tif 000009
【図２】
2018020730.tif 000010
【図３】
2018020730.tif 000011
【図４】
2018020730.tif 000012
【図５】
2018020730.tif 000013
【図６】
2018020730.tif 000014
【図７】
2018020730.tif 000015
【図８】
2018020730.tif 000016
【図９】
2018020730.tif 000017
【図１０】
2018020730.tif 000018
【図１１】
2018020730.tif 000019
【図１２】
2018020730.tif 000020
【図１３】
2018020730.tif 000021
【図１４】
2018020730.tif 000022
【図１５】
2018020730.tif 000023
【図１６】
2018020730.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月16日(2017.8.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層順に、
強磁性体から成る固定層、
非磁性体から成る磁気結合層、
強磁性体から成る参照層、
非磁性体から成る障壁層および
強磁性体から成る記録層
を積層して構成または前記積層順とは逆順で積層して構成する磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記固定層および前記参照層を、磁化方向が固定の垂直磁化膜とし、
前記記録層を、磁化方向が可変で前記障壁層との界面に垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜とし、
前記磁気結合層を成す前記非磁性体として、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）を用い、
前記磁気結合層を、クリプトン（Ｋｒ）をスパッタリングガスとして用いて成膜する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記固定層は白金（Ｐｔ）を含む
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項３】
積層順に、
強磁性体から成る参照層、
非磁性体から成る障壁層および
非磁性体から成る挿入層を第１および第２の強磁性層で挟んで成る
記録層を積層して構成または前記積層順とは逆順で積層して構成する磁気トンネル接合素子の製造方法であって、
前記参照層を、磁化方向が固定の垂直磁化膜とし、
前記記録層を構成する前記第１の強磁性層を、磁化方向が可変で前記障壁層との界面に垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜とし、
前記挿入層を成す前記非磁性体として、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）を用い、
前記挿入層を、クリプトン（Ｋｒ）をスパッタリングガスとして用いて成膜する
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【国際調査報告】
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