(57)【要約】磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域及び磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域を備える磁気記録層と、固定された磁化を有する磁化固定層と、磁化反転領域と磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層とを具備する。磁化反転領域の少なくとも一部は、（ａ）酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第１複合強磁性材料、（ｂ）窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第２複合強磁性材料、及び（ｃ）炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第３複合強磁性材料のいずれかで形成されている。
2007119748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記磁化反転領域の少なくとも一部は、
（ａ）酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第１複合強磁性材料、
（ｂ）窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第２複合強磁性材料、及び
（ｃ）炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第３複合強磁性材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
前記金属強磁性材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びガドリウム（Ｇｄ）からなる群から選択された１種の金属、又は前記群から選択された２以上の元素の合金からなる強磁性材料が使用され、
前記非磁性材料として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された２種以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
前記磁化反転領域は、
前記スピン偏極電流注入領域に前記面内方向において隣接し、且つ、前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高ＭＲ比強磁性部と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
前記磁化反転領域は、
前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部と、
を備え、
前記複合強磁性部は、前記金属強磁性部と前記スピン偏極電流注入領域の間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
前記トンネルバリア層の少なくとも一部は、前記金属強磁性部に直接に接合されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
前記磁化反転領域は、更に、
前記金属強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記金属強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高ＭＲ比強磁性部を備えている
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、スピン偏極電流注入領域と、前記磁化反転領域と前記スピン偏極電流注入領域との間に設けられた複合材料領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記スピン偏極電流注入領域は、前記複合材料領域を介して前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用され、
前記複合材料領域は、
（ａ）酸化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の酸化物とが複合化された第１複合材料、
（ｂ）窒化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の窒化物とが複合化された第２複合材料、及び
（ｃ）炭化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の炭化物とが複合化された第３複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
前記第１材料は、強磁性材料であり、前記第２材料は、非磁性材料であることを特徴とする請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
前記第１材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びガドリウム（Ｇｄ）からなる群から選択された金属、又は前記群から選択された２以上の元素の合金からなる金属強磁性材料が使用され、
前記第２材料として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された２以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
前記第１材料及び前記第２材料の両方が、非磁性材料であることを特徴とする請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
前記第１材料として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、オスミウム（Ｏｓ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びアンチモン（Ｓｂ）からなる群から選択された元素の材料、又は前記群から選択された２以上の元素からなる材料が使用され、
前記第２材料として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された２以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
基板の上方に第１及び第２スピン偏極電流注入領域を形成する工程と、
前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域を被覆する複合材料膜を形成する工程と、
前記複合材料膜をエッチバックして、前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域の側面に複合材料領域を形成する工程と、
前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域及び前記複合材料領域を被覆する第１強磁性膜を形成する工程と、
前記第１強磁性膜を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を被覆する第２強磁性膜を形成する工程と、
前記第２強磁性膜の上方に、前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域の間に位置するようにマスクを形成する工程と、
前記第１強磁性膜、前記絶縁膜及び前記第２強磁性膜を、前記絶縁膜及び前記第２強磁性膜のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第１強磁性膜のうち前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程と、
とを具備し、
前記複合材料膜は、
（ａ）酸化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の酸化物とが複合化された第１複合材料、
（ｂ）窒化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の窒化物とが複合化された第２複合材料、及び
（ｃ）炭化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の炭化物とが複合化された第３複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）に関し、特に、スピン偏極電流を用いて磁化を反転させてデータを書き込むＭＲＡＭに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、提案されている有力なＭＲＡＭの書き込み方式の一つが、スピン偏極電流を磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化を反転させるスピン注入磁化反転方法（spin momentum transfer）である。電流磁界による磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に、必要な電流が増大するのに対し、スピン注入磁化反転方法では、メモリセルのサイズが小さくなると共に必要な電流が減少する。従って、スピン注入磁化反転方法は、大容量のＭＲＡＭを実現する有力な方法であると考えられている。【０００３】
しかしながら、スピン注入磁化反転方法を磁気トンネル接合素子（magnetic tunnel junction device）に適用する場合には、トンネルバリア層の破壊の問題を克服する必要がある。スピン注入磁化反転方法によって磁化を反転させようとすると、現状では、数ｍＡ以上のスピン偏極電流を磁気記録層に注入する必要がある。しかし、このような大きな電流を磁気トンネル接合に流すことは、トンネルバリア層の破壊を招く恐れがある。【０００４】
このような問題を克服するためのアプローチの一つが、磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことによって磁化反転を起こす技術である。このような技術は、例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されている。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことにより、磁気記録層の磁壁を移動させ、及び／又は磁気記録層の磁化にトルクを作用され、磁気記録層の磁化を反転させることができる。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流す技術は、トンネルバリア層に書き込み電流を流すことを不要化し、トンネルバリア層の破壊の問題を有効に回避することができる。【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】特開２００５−１２３６１７号公報
【特許文献３】米国特許第６，７８１，８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＭＲＡＭの一つの要求は書き込み電流値の低減であり、このためにはデータの書き込み、即ち、磁化反転に必要な電流を更に低減することが望ましい。このため、書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流を低減する技術の開発が望まれている。【０００７】
本発明の目的は、ＭＲＡＭの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、更に一層低減させることができる磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、以下に示す構成を有する。なお、以下の記載において、図面の参照符号を付すが、これは、単に、特許請求の範囲の記載と実施形態との対応を明らかにするためのものであり、本発明の技術的範囲が、図面に開示された実施形態に限定されるものではないことは勿論である。【０００９】
本願第１の観点に係る磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域（８）と、磁化反転領域（８）に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域（９、１０）とを備える磁気記録層（１）と、固定された磁化を有する磁化固定層（３）と、前記磁化反転領域（８）と前記磁化固定層（３）との間に設けられたトンネルバリア層（２）とを具備する。磁化反転領域（８）の少なくとも一部は、
（ａ）酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第１複合強磁性材料、
（ｂ）窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第２複合強磁性材料、及び
（ｃ）炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第３複合強磁性材料のいずれかで形成されている。【００１０】
このような構成の磁気ランダムアクセスメモリは、磁化反転領域（８）に複合強磁性材料が使用されていることにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きい部分では磁化反転が起こりやすいから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁化反転領域（８）の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域（８）の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域（８）全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で磁化反転領域（８）を形成することにより、磁化反転領域（８）の磁化を小さなスピン偏極電流で反転することができる。【００１１】
前記金属強磁性材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガドリウム（Ｇｄ）、又はこれらの少なくとも２の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記非磁性材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）から選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用されることが好適である。【００１２】
磁化反転領域（８）は、スピン偏極電流注入領域（９、１０）に前記面内方向において隣接し、且つ、複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部（８ａ）と、複合強磁性部（８ａ）と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層（２）との間に設けられた、金属の強磁性体で形成された高ＭＲ比強磁性部（８ｂ）とを備えることが好適である。【００１３】
磁化反転領域（８）は、複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部（８ｃ）と、前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部（８ｄ）とを備え、複合強磁性部（８ｃ）は、金属強磁性部（８ｄ）とスピン偏極電流注入領域（９、１０）の間に設けられていることが好ましい。【００１４】
この場合、トンネルバリア層（２）の少なくとも一部が、金属強磁性部（８ｄ）に直接に接合されることが好ましい。高いＭＲ比を実現するためには、磁化反転領域（８）は、金属強磁性部（８ｄ）と前記面内方向に垂直な方向で接合され、金属強磁性部（８ｄ）と前記トンネルバリア層（２）との間に、金属の強磁性体で形成された高ＭＲ比強磁性部（
８ｂ）が設けられることが一層に好適である。【００１５】
他の観点において、本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域（８）と、スピン偏極電流注入領域（９、１０）と、磁化反転領域（８）とスピン偏極電流注入領域（９、１０）との間に設けられた複合材料領域（１７〜２０）とを備える磁気記録層（１）と、固定された磁化を有する磁化固定層（３）と、磁化反転領域（８）と磁化固定層（３）との間に設けられたトンネルバリア層（２）とを具備する。スピン偏極電流注入領域（９、１０）は、複合材料領域（１７〜２０）を介して前記磁化反転領域（８）に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用される。複合材料領域（１７〜２０）は、
（ａ）酸化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の酸化物とが複合化された第１複合材料、
（ｂ）窒化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の窒化物とが複合化された第２複合材料、及び
（ｃ）炭化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の炭化物とが複合化された第３複合材料
のいずれかで形成されている。【００１６】
本発明の一態様では、前記第１材料は、強磁性材料であり、前記第２材料は、非磁性材料である。この場合、前記第１材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガドリウム（Ｇｄ）、又はこれらの少なくとも２の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記第２材料として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）から選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。【００１７】
本発明の他の態様では、前記第１材料、前記第２材料の両方が非磁性材料である。この場合、前記第１材料として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、オスミウム（Ｏｓ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用され、前記第２材料として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）から選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。【００１８】
本発明の更に他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、
基板（３１）の上方に第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）を形成する工程と、
前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）を被覆する複合材料膜（３３）を形成する工程と、
前記複合材料膜（３３）をエッチバックして、前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）の側面に複合材料領域（１７〜２０、２７〜３０）を形成する工程と、
前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）及び前記複合材料領域（１７〜２０、２７〜３０）を被覆する第１強磁性膜（３４）を形成する工程と、
前記第１強磁性膜（３４）を被覆する絶縁膜（３５）を形成する工程と、
前記絶縁膜（３５）を被覆する第２強磁性膜（３６）を形成する工程と、
前記第２強磁性膜（３６）の上方に、前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）の間に位置するマスク（３９）を形成する工程と、
前記第１強磁性膜（３４）、前記絶縁膜（３５）及び前記第２強磁性膜（３６）を、前記絶縁膜（３５）及び前記第２強磁性膜（３６）のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第１強磁性膜（３４）のうち前記第１及び第２スピン偏極電流注入領域（９、１０）の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程とを具備する。【００１９】
前記複合材料膜（３３）は、
（ａ）酸化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の酸化物とが複合化された第１複合材料、
（ｂ）窒化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の窒化物とが複合化された第２複合材料、及び
（ｃ）炭化されていない第１材料と、前記第１材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第２材料の炭化物とが複合化された第３複合材料
のいずれかで形成されている。【００２０】
このような磁気ランダムアクセスメモリの製造方法によれば、磁化反転領域（８）の両端に複合強磁性部（８ｃ）を形成し、又は、磁化反転領域（８）とスピン偏極電流注入領域（９、１０）との間に複合材料領域（１７〜２０、２７〜３０）を備えたメモリセルを形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＭＲＡＭの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、著しく低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態のＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＭＲＡＭの構成を示す平面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。
【図３】図３は、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域において電流が流れる経路を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜の電気的特性を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜の磁気的特性を示すグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜におけるコバルトの酸化状態を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第１の実施形態のＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＭＲＡＭの構成を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７ＡのＭＲＡＭの構成を示す平面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭの更に他の構成を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭの更に他の構成を示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第３の実施形態のＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第３の実施形態のＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第３の実施形態のＭＲＡＭの更に他の構成を示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第３の実施形態のＭＲＡＭの更に他の構成を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０ＡのＭＲＡＭの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０ＡのＭＲＡＭの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１０ＡのＭＲＡＭの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１０ＡのＭＲＡＭの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１０ＡのＭＲＡＭの製造工程を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の好適な配置を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の他の好適な配置を示す平面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域が図１２Ｂに図示されているように配置されている場合における、好適なＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１：磁気記録層
２：トンネルバリア層
３：磁化固定層
４：反強磁性層
５：コンタクト層
６：ビア
７：配線
８：磁化反転領域
９、１０：スピン偏極電流注入領域
１１、１３：ビア
１２、１４：配線
１５：下部電極
１６：上部電極
１７、１８、２７、２８：複合強磁性体領域
１９、２０、２９、３０：複合非磁性体領域
２１：強磁性結晶粒
２２：非磁性粒界部
２３：強磁性結晶粒
２４：非磁性粒界部
２５：強磁性結晶粒
２６：強磁性−非磁性複合結晶粒
３１：基板
３２：絶縁層
３３：複合強磁性体膜
３４：強磁性膜
３５：絶縁膜
３６：強磁性膜
３７：反強磁性膜
３８：金属導電膜
３９：マスク
４１：ビア
４２：配線
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適実施形態について説明する。図において、同一又は類似する構成要素は、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。【００２５】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態のＭＲＡＭのメモリセル１００の構成を示す断面図であり、図１Ｂは、メモリセル１００の構成を示す平面図である。図１Ａに示されているように、メモリセル１００は、順次に積層された磁気記録層１と、トンネルバリア層２と、磁化固定層３と、反強磁性層４と、コンタクト層５とを備えている。【００２６】
磁気記録層１は、磁化反転領域８と、スピン偏極電流注入領域９、１０とを備えている。磁化反転領域８は、その磁化の方向として１ビットのデータを記憶する領域である。図１Ｂに示されているように、磁化反転領域８は、ｘ軸方向に長い形状を有しており、磁化反転領域８の磁化は、ｘ軸方向に平行に向けられている。磁化反転領域８は、磁気的にソフトな強磁性体で形成されており磁化反転領域８の磁化は反転可能である。本実施形態では、磁化反転領域８の磁化の方向が＋ｘ方向である状態がデータ「１」に対応付けられ、磁化反転領域８の磁化の方向が−ｘ方向である状態が、データ「０」に対応付けられている。【００２７】
スピン偏極電流注入領域９、１０は、スピン偏極電流を磁化反転領域８に面内方向に注入するために使用される領域であり、いずれも強磁性体で形成されている。スピン偏極電流注入領域９、１０は、磁化反転領域８の両端に接合されている。スピン偏極電流注入領域９、１０は、磁化反転領域８にｘ軸方向において隣接しており、図１Ｂに示されているように、ｘ軸方向に長い形状を有している。スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化の方向は、いずれも、磁化反転領域８に向かう方向に向けて固定されている。具体的には、スピン偏極電流注入領域９の磁化は、＋ｘ方向に向けて固定されており、スピン偏極電流注入領域１０の磁化は、−ｘ方向に向けて固定されている。その代わりに、スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化の方向は、いずれも、磁化反転領域８から離れる方向に向けて固定されてもよい。この場合、スピン偏極電流注入領域９の磁化は、−ｘ方向に向けて固定され、スピン偏極電流注入領域１０の磁化は、＋ｘ方向に向けて固定される。スピン偏極電流注入領域９は、ビア１１を介して配線１２に接続され、スピン偏極電流注入領域１０は、ビア１３を介して配線１４に接続されている。【００２８】
図１Ａを参照して、トンネルバリア層２は、磁化反転領域８と磁化固定層３との間でトンネル電流を流すための薄い絶縁層である。トンネルバリア層２は、典型的には、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成される。【００２９】
磁化固定層３は、磁化が固定されている強磁性層である。磁化固定層３は、磁気的にハードな強磁性体で、例えば、ＣｏＦｅで形成されている。図１Ｂに示されているように、磁化固定層３は、ｘ軸方向に長い形状を有しており、磁化固定層３の磁化は、−ｘ方向に向けられている。磁化反転領域８、トンネルバリア層２、及び磁化固定層３は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成しており、その磁気トンネル接合の抵抗は、磁化反転領域８と磁化固定層３の磁化の相対方向に依存している。【００３０】
図１Ａを再度に参照して、反強磁性層４は、ＩｒＭｎ等の反強磁性体で形成されており、磁化固定層３に交換相互作用を及ぼすことによって磁化固定層３の磁化を固定する。コンタクト層５は、磁化固定層３と、反強磁性層４に電気的接続を提供すると共に、製造工程において磁化固定層３と、反強磁性層４を保護する役割を有している。コンタクト層５は、典型的には、タンタルで形成される。コンタクト層５は、ビア６を介して配線７に接続されている。【００３１】
磁化反転領域８へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域９又は１０から磁化反転領域８にスピン偏極電流を注入することによって行われる。データ「１」を書き込む場合、配線１２から配線１４に電流が流れるように、即ち、磁気記録層１を＋ｘ方向に電流が流れるように、配線１２と配線１４の間に電圧が印加される。これにより、（磁化が＋ｘ方向に固定されている）スピン偏極電流注入領域９から磁化反転領域８にスピン偏極電流が注入される。注入されたスピン偏極電流によって磁化反転領域８の磁壁が＋ｘ方向に押され、又は、磁化にトルクが作用され、磁化反転領域８の磁化が＋ｘ方向に向けられる。これにより、データ「１」が磁気記録層に書き込まれる。一方、データ「０」を書き込む場合、（磁化が−ｘ方向に固定されている）スピン偏極電流注入領域１０から磁化反転領域８にスピン偏極電流が注入される。これにより、磁化反転領域８にの磁化が−ｘ方向に向けられる。【００３２】
磁化反転領域８に記憶されているデータの読み出しには、ＴＭＲ効果が利用される。磁化反転領域８、トンネルバリア層２、及び磁化固定層３で構成される磁気トンネル接合の抵抗は、ＴＭＲ効果により磁気記録層１と磁化固定層３の磁化の相対方向に依存している。磁化反転領域８と磁化固定層３の磁化が反平行（anti-parallel）である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に高い抵抗を示し、磁化反転領域８と磁化固定層３の磁化が平行である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に低い抵抗を示す。磁気トンネル接合の抵抗の変化を検出することにより、磁気記録層１に記憶されているデータが識別される。磁気トンネル接合の抵抗の変化は、磁気トンネル接合に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を測定することにより、又は、磁気トンネル接合に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を測定することにより識別可能である。【００３３】
第１の実施形態のメモリセル１００の一つの特徴は、磁気記録層１の磁化反転領域８が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅのような金属強磁性材料と、当該金属強磁性材料よりもそれぞれ酸化物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合強磁性材料で形成されている点にある。金属強磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で磁化反転領域８に存在している。金属強磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、磁化反転領域８は強磁性を失うとともに、導電性を失ってしまうため好ましくない。金属強磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい非磁性材料を複合強磁性材料に混ぜることにより、非磁性材料を選択的に（又は、優先的に）酸化、窒化、又は炭化することができる。【００３４】
詳細には、磁化反転領域８は、組成式がＦＭＭＯｘ、ＦＭＭＮｘ、又はＦＭＭＣｘで表される材料で構成されている。ここで、ＦＭは金属強磁性体材料を意味している。一方、Ｍは、ＦＭＭＯｘについては金属強磁性体ＦＭよりも酸化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、ＦＭＭＮｘについては金属強磁性体ＦＭよりも窒化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、ＦＭＭＣｘについては金属強磁性体ＦＭよりも炭化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味している。【００３５】
金属強磁性体材料ＦＭとしては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガドリウム（Ｇｄ）又はこれらの少なくとも２の元素の合金（例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ）が使用され得る。【００３６】
一方、非磁性材料Ｍとしては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）から選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料を使用できる。材料Ｍとしては、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、マグネシウム、チタン、リチウム、シリコン、ニオブなどは、強磁性元素と比較して、より酸化、窒化、炭化されやすく安定であり、特に、酸化物は絶縁性も高いので、特に好適である。【００３７】
図２Ａ乃至図２Ｃは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域８がとり得る微細構造を示す概念図である。非磁性材料Ｍの組成が比較的に少ないとき、磁化反転領域８は、金属強磁性体ＦＭで形成された柱状結晶である強磁性結晶粒２１と、その粒界に存在するＭＯｘ、ＭＮｘ、又はＭＣｘで形成された非磁性粒界部２２とで構成された微細構造を有している。一方、非磁性材料Ｍの組成が比較的に多い場合には、磁化反転領域８は、材料Ｍを構成する元素の原子半径に応じた構造をとる。非磁性材料Ｍを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体ＦＭを構成する元素の原子半径よりも小さい場合には、図２Ｂに示されているように、磁化反転領域８は、金属強磁性体ＦＭで形成された粒状結晶である強磁性結晶粒２３と、その粒界に存在するＭＯｘ、ＭＮｘ、又はＭＣｘで形成された非磁性粒界部２４とで構成された微細構造を有している。一方、材料Ｍを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体ＦＭを構成する元素の原子半径よりも大きい場合には、金属強磁性体ＦＭのみで形成された柱状結晶である強磁性結晶粒２５と、金属強磁性体ＦＭと材料Ｍとの酸化物、窒化物、又は炭化物で形成された強磁性−非磁性複合結晶粒２６とで構成される。これらの何れの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域８は、金属強磁性体ＦＭで形成された結晶粒を有している。【００３８】
図２Ａ乃至図２Ｃのいずれの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域８に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。これは、少ない電流で磁化反転領域８の磁化を反転させることを可能にする。例えば、磁化反転領域８が、図２Ｂに示されているように、金属強磁性体ＦＭで形成された強磁性結晶粒２３と、その粒界に存在するＭＯｘ、ＭＮｘ、又はＭＣｘで形成された非磁性粒界部２４とで構成された微細構造を有している場合には、図３に示されているように、スピン偏極電流は、隣接した強磁性結晶粒２３が接触している部分のみを選択的に流れる。これは、酸化物、窒化物、又は炭化物で形成された非磁性粒界部２４は、絶縁体であるため電気抵抗が大きいからである。従って、磁化反転領域８に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きい部分では磁化反転が起こりやすいから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁化反転領域８の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域８の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域８全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域８は、小さなスピン偏極電流で磁化を反転させることができる。【００３９】
加えて、磁化反転領域８への複合強磁性材料の使用は、磁化反転領域８の磁化の反転に必要な反転磁場Ｈｃそのものも小さくし、書き込みに必要な電流を減少させるという効果も奏する。複合強磁性材料で形成された磁気記録層では、非磁性材料Ｍの酸化物、窒化物、又は炭化物が存在することにより、金属強磁性体ＦＭで形成された結晶粒が分断され、結晶粒の粒径が小さくなる。当業者に知られているように、（磁化反転領域８が全体として強磁性を発現する範囲では）金属強磁性体ＦＭの結晶粒の粒径が小さくなると、反転磁場Ｈｃも小さくなる。反転磁場Ｈｃが小さくなることにより、磁化反転領域８の磁化が反転しやすくなり、よって書き込みに必要な電流も小さくなる。【００４０】
一実施形態では、磁化反転領域８は、金属強磁性体ＦＭとしてＣｏＦｅ、非磁性材料ＭとしてＴａが使用されている複合強磁性材料である（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜で構成され得る。作製条件を最適化することにより、Ｔａのみが選択的に酸化されている（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜を形成することが可能であり、そのような（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜は、磁化反転領域８を構成する複合強磁性材料として好適に使用可能である。【００４１】
発明者は、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜を作成し、その電気的、磁気的特性の測定を行った。（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜は、アルゴンガスと酸素ガスが混合されたスパッタリングガスを使用する反応性スパッタリングによって形成された。ターゲットの材料としては、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘが使用された。スパッタリングガスにおける酸素ガスの分圧を様々に変化させて（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜が作製され、作製された（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜の電気的、磁気的特性が測定された。酸素ガスの分圧は、アルゴンガスに対する酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒで調節された。ここで、酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒは、スパッタガスのうちの酸素ガスの流量を［Ｏ２］（ｓｃｃｍ）、アルゴンガスの流量を［Ａｒ］（ｓｃｃｍ）として下記式：
ｒＯ２／Ａｒ＝［Ｏ２］／［Ａｒ］，
によって定義されるパラメータである。【００４２】
図４Ａ〜図４Ｃは、測定された（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜の電気的、磁気的特性を示すグラフである。酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒが０．２以上になると、図４Ａに示されているように、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜の比抵抗が急激に増大し、また、図４Ｂに示されているように、飽和磁化が急激に減少する。この結果は、酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒが０．２未満である場合には、Ｔａのみが選択的に酸化され、Ｃｏ９０Ｆｅ１０が酸化されない状態で（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜に存在していることを示唆している。このことは、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分析）によって（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜に含まれるコバルトの酸化状態を調べることによって裏付けられた。図４Ｃは、ＸＰＳによって得られた、Ｃｏ２ｐスペクトル結果を示すグラフである。酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒが０．１３である条件で作製された（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜では、金属コバルトＣｏに対応する結合エネルギーにおいて、光電子強度のピークが見られた。一方、酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒが０．５４である条件で作製された（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜では、酸化コバルトＣｏＯに対応する結合エネルギーにおいて、光電子強度のピークが見られた。このことは、酸素ガスの流量比ｒＯ２／Ａｒが０．２未満である場合には、Ｔａのみが選択的に酸化され、Ｃｏが酸化されていないことを示している。Ｔａのみが選択的に酸化された（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８５Ｔａ１５Ｏｘ膜は、磁化反転領域８を構成する複合強磁性材料として使用可能である。【００４３】
図１Ａに図示されているメモリセル１００では、磁気記録層１の上にトンネルバリア層２、磁化固定層３、及び反強磁性層４が形成されているが、図５Ａに示されているように、反強磁性層４、磁化固定層３、及びトンネルバリア層２の積層体の上に磁気記録層１が形成されることも可能である。詳細には、図５Ａのメモリセル１００Ａでは、下部電極１５の上に反強磁性層４、磁化固定層３、及びトンネルバリア層２が順次に形成され、更に、磁化反転領域８がトンネルバリア層２と接合されるようにトンネルバリア層２の上に磁気記録層１が形成される。磁化反転領域８の上には、上部電極１６が接合される。【００４４】
このように構成されたメモリセル１００Ａでは、図１Ａのメモリセル１００と同様に、磁化反転領域８へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域９又は１０から磁化反転領域８にスピン偏極電流を注入することによって行われる。一方、磁化反転領域８に記憶されているデータの読み出しは、下部電極１５と上部電極１６との間に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を検出することによって、磁気トンネル接合の抵抗を識別することによって行われる。磁気トンネル接合の抵抗の識別は、下部電極１５と上部電極１６との間に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を検出することによって行われてもよい。【００４５】
（第２の実施形態）
上述の複合強磁性材料で磁化反転領域８を構成することの一つの問題は、複合強磁性材料が本質的に結晶性に劣るため、磁化反転領域８とトンネルバリア層２と磁化固定層３とで構成される磁気トンネル接合のＭＲ比が小さくなることである。これは、読み出し動作時のＳＮ比を低下させるために好ましくない。第２の実施形態では、磁気トンネル接合のＭＲ比を向上させるための技術が提供される。【００４６】
図６は、本発明の第２の実施形態のＭＲＡＭのメモリセル１００Ｂの構成を示す断面図である。図６のメモリセル１００Ｂでは、磁気記録層１の磁化反転領域８が、複合強磁性部８ａと、複合強磁性部８ａの上に形成された高ＭＲ比強磁性部８ｂとで構成される。複合強磁性部８ａは、第１の実施形態で説明された複合強磁性材料で形成される。一方、高ＭＲ比強磁性層８ｂは、高いＭＲ比を発現する金属強磁性材料、好適には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢで形成される。トンネルバリア層２は、高ＭＲ比強磁性部８ｂの上に形成されている。トンネルバリア層２が酸化マグネシウム膜（ＭｇＯ）で形成される場合には、高ＭＲ比強磁性層８ｂがアモルファスのＣｏＦｅＢで形成されることは特に好適である。高ＭＲ比強磁性層８ｂをアモルファスのＣｏＦｅＢで形成することにより、その上にトンネルバリア層２として形成されるＭｇＯ膜の結晶性を良好にすることができる。【００４７】
図６のメモリセル１００Ｂでは、磁化反転領域８を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが概ね複合強磁性部８ａによって支配され、磁気トンネル接合のＭＲ比が概ね高ＭＲ比強磁性部８ｂによって支配される；複合強磁性部８ａの磁化が反転すれば、それに直接に接合されている高ＭＲ比強磁性部８ｂの磁化も反転することに留意されたい。したがって、図６に図示されているメモリセル１００Ｂは、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合のＭＲ比の向上とを、同時に実現することができる。【００４８】
図７Ａ及び図７Ｂに示されているように、磁化反転領域８が、複合強磁性部８ｃと、金属強磁性部８ｄとで構成されていることも好適である。複合強磁性体部８ｃは、上述の複合強磁性材料で形成され、金属強磁性部８ｄは、（複合強磁性材料よりも高いＭＲ比を発現する）金属強磁性体、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢで形成されている。複合強磁性体部８ｃは、磁化反転領域８の両端部に設けられている。言い換えれば、複合強磁性体部８ｃは、金属強磁性部８ｄの両端に接合されている。トンネルバリア層２は、金属強磁性部８ｄの上に形成されている。【００４９】
このような構成でも、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合のＭＲ比の向上とを、同時に実現することができる。複合強磁性体層８ｃの磁化の反転により、それに直接に接合されている金属強磁性部８ｄの磁化の反転が誘起されるから、図６Ｂの構成では、磁化反転領域８を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが、概ね複合強磁性体層８ｃによって支配される。一方、磁気トンネル接合のＭＲ比は、概ね、複合強磁性材料よりも高い金属強磁性部８ｄによって支配される。したがって、書き込みに必要なスピン偏極電流が有効に低減される一方で、磁気トンネル接合のＭＲ比が有効に向上される。【００５０】
複合強磁性体部８ｃが設けられる位置は、磁化反転領域８の両端部には限られない。図７Ｃに示されているように、トンネルバリア層２の少なくとも一部が金属強磁性部８ｄに接合されている限りにおいて、複合強磁性体部８ｃが磁化反転領域８の中間位置に設けられることも可能である。また、図７Ｄに示されているように、磁化反転領域８の一端にのみ合強磁性体部８ｃが設けられることも可能である。【００５１】
しかしながら、複合強磁性体部８ｃが磁化反転領域８の両端に設けられる構成は、下記の点で好適である。第１に、複合強磁性体部８ｃが磁化反転領域８の両端に設けられていることにより、磁化反転のときに、磁壁を磁化反転領域８の両端において最初に動かすことができる。これは、磁化反転領域８に複数のドメインが発生することを有効に抑制する。第２に、複合強磁性体部８ｃが磁化反転領域８の両端に設けられる構成は、磁壁を磁化反転領域８の両端でピン止めし、磁壁を安定化させることを可能にする。ＭＲＡＭを安定的に動作させるためには、書き込み時における磁壁の移動が、磁化が固定されているべきスピン偏極電流注入領域９、１０に波及しないことが求められる。複合強磁性体部８ｃが磁化反転領域８の両端に設けられている構成は、磁化反転領域８とスピン偏極電流注入領域９、１０との間の磁気的結合を弱め、磁化反転領域８の両端部において磁壁をピン止めする。このため、磁壁の移動がスピン偏極電流注入領域９、１０に波及することを防ぎ、ＭＲＡＭの動作をより安定にする。【００５２】
図８に示されているように、磁化反転領域８が、複合強磁性体部８ｃと、金属強磁性部８ｄとに加えて、高ＭＲ比強磁性部８ｂを備えていることも好適である。高ＭＲ比強磁性部８ｂは、金属強磁性部８ｄの上に形成され、トンネルバリア層２は、高ＭＲ比強磁性部８ｂの上に形成される。高ＭＲ比強磁性層８ｂは、高いＭＲ比を発現する金属強磁性材料、好適には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢで形成される。このような構成は、一層に磁気トンネル接合のＭＲ比を向上させるために好適である。【００５３】
（第３の実施形態）
図９Ａは、本発明の第３の実施形態のメモリセル１００Ｄの構成を示す断面図である。本実施形態では、磁化反転領域８がＮｉＦｅのような金属強磁性体で形成される一方、磁化反転領域８と、スピン偏極電流注入領域９、１０との間に、複合強磁性体領域１７、１８が設けられる。複合強磁性体領域１７、１８は、第１の実施形態で説明されている複合
強磁性材料で形成される。【００５４】
複合強磁性体領域１７、１８は、第２の実施形態の磁化反転領域８の複合強磁性体部８ｃとは異なり、それ自身の磁化の反転は起こさないように形成される。複合強磁性体領域１７の磁化は、スピン偏極電流注入領域９の磁化と同一の方向に固定され、複合強磁性体領域１８の磁化は、スピン偏極電流注入領域１０の磁化と同一の方向に固定される。【００５５】
このような構成のメモリセル１００Ｄは、複合強磁性体領域１７、１８の磁化反転が容易に起こることによって磁化反転領域８の反転を促進するものではない。しかしながら、複合強磁性体領域１７、１８は、磁化反転領域８に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁化反転領域８に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させる。したがって、複合強磁性体領域１７、１８を設けることにより、磁化反転領域８の磁化を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。加えて、磁化反転領域８が金属強磁性層で構成されていることにより、高いＭＲ比を実現することができる。【００５６】
図９Ｂに示されているように、複合強磁性体領域１７、１８の代わりに、複合非磁性体領域１９、２０が設けられてもよい。複合非磁性体領域１９、２０は、第１の非磁性材料と、第１の非磁性材料よりもそれぞれ酸化物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い第２の非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合非磁性材料で形成される。第１の非磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で複合強磁性体領域１７、１８に存在している。第１の非磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、複合強磁性体領域１７、１８は、導電性を失ってしまうため好ましくない。第１の非磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい第２の非磁性材料を複合非磁性材料に混ぜることにより、第２の非磁性材料を選択的に（又は、優先的に）酸化、窒化、又は炭化することができる。【００５７】
詳細には、複合非磁性体領域１９、２０は、組成式がＮＭＭＯｘ、ＮＭＭＮｘ、又はＮＭＭＣｘで表される材料で構成されている。ここで、ＮＭは第１の非磁性材料を意味している。一方、Ｍは、ＮＭＭＯｘについては第１の非磁性材料ＮＭよりも酸化物生成エネルギーが低い元素からなる第２の非磁性材料を意味し、ＮＭＭＮｘについては第１の非磁性材料ＮＭよりも窒化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、ＮＭＭＣｘについては第１の非磁性材料ＮＭよりも炭化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味している。【００５８】
第１の非磁性材料ＮＭとしては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、オスミウム（Ｏｓ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用され得る。一方、第２の非磁性材料Ｍとしては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの２以上の元素で構成された材料が使用され得る。これらの材料は、非磁性元素の中でも、特に酸化、窒化、炭化されやすい性質を持つ。【００５９】
このような複合非磁性材料で形成された複合非磁性体領域１９、２０を使用することにより、磁化反転領域８に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁化反転領域８に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることができる。したがって、複合非磁性体領域１９、２０を設けることにより、磁化反転領域８の磁化を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。加えて、磁化反転領域８が金属強磁性層で構成されていることにより、高いＭＲ比を実現することができる。【００６０】
図１０Ａは、複合強磁性体領域１７、１８が設けられているメモリセル１００Ｄの、より現実的な構造を示す断面図である。図１０Ａのメモリセル１００Ｄは、磁化反転領域８とスピン偏極電流注入領域９の間に複合強磁性体領域１７が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域９の、磁化反転領域８と反対側の端に複合強磁性体領域２７が設けられる。更に、磁化反転領域８とスピン偏極電流注入領域１０の間に複合強磁性体領域１８が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域１０の、磁化反転領域８と反対側の端に複合強磁性体領域２８が設けられる。【００６１】
図１１Ａ乃至図１１Ｅは、図１０Ａのメモリセル１００Ｄを形成するための好適な製造工程を示す断面図である。まず、図１１Ａに示されているように、基板３１を被覆する絶縁層３２に、配線１２、１４とビア１１、１３とが形成され、更に、絶縁層３２の上にスピン偏極電流注入領域９、１０が形成される。スピン偏極電流注入領域９、１０は、強磁性体膜を絶縁層３２の全面に形成した後、形成された強磁性膜をフォトリソグラフィーによってパターンニングすることによって形成される。【００６２】
続いて、図１１Ｂに示されているように、上述の複合強磁性材料で形成された複合強磁性体膜３３が、絶縁層３２の全面に形成される。このときに形成する膜厚によって、最終的に形成されるべき複合強磁性体領域１７、１８の幅をナノメートル単位で容易に精密に制御することが可能である。これは、本形成方法が有する実用上の利点である。【００６３】
複合強磁性体膜３３の形成の後、図１１Ｃに示されているように、全面エッチバックが行われる。全面エッチバックにより、スピン偏極電流注入領域９、１０の側面にのみ選択的に複合強磁性体膜３３が残され、複合強磁性体領域１７、１８、２７、２８が形成される。【００６４】
続いて、図１１Ｄに示されているように、強磁性膜３４、絶縁膜３５、強磁性膜３６、反強磁性膜３７、及び金属導電膜３８が順次に形成される。後述されるように、強磁性膜３４、絶縁膜３５、強磁性膜３６、反強磁性膜３７、及び金属導電膜３８は、それぞれ、後の工程によって磁化反転領域８、トンネルバリア層２、磁化固定層３、反強磁性層４、及びコンタクト層５に加工される膜である。【００６５】
強磁性膜３４、絶縁膜３５、強磁性膜３６、反強磁性膜３７、及び金属導電膜３８の形成の後、図１１Ｅに示されているように、トンネルバリア層２、磁化固定層３、反強磁性層４、及びコンタクト層５に対応する部分を被覆するマスク３９がフォトリソグラフィーによって形成される。続いて、マスク３９を用いてエッチングを行うことにより、絶縁膜３５、強磁性膜３６、反強磁性膜３７、及び金属導電膜３８がパターニングされ、磁化固定層３、反強磁性層４、及びコンタクト層５が形成される。加えて、強磁性膜３４のうち複合強磁性体領域１７、１８の間にある部分のみを選択的に残存させるように強磁性膜３４をエッチングすることにより、磁化反転領域８が形成される。このような製造工程により図１０Ａに示されているメモリセル１００Ｄが形成される。また、マスク３９を形成する前に、ＣＰＭ（Chemical Mechanical Polishing）などによって全体を平坦化してもよい。その場合、エッチングされるべき残膜量がデバイス全体でより均一になり、接合部の
形成をより高精度に行うことができるので好適である。【００６６】
図７Ａに図示されているメモリセル１００Ｃと、図９Ａに図示されているメモリセル１００Ｄは構造としては同一であるから、上記の製造工程が図７Ａに図示されているメモリセル１００Ｃの形成に適用可能であることは、当業者には自明的であろう。【００６７】
また、複合強磁性体膜３３の代わりに、上述の複合非磁性材料で形成された複合非磁性体膜を形成すれば、同一の製造工程によって、複合非磁性体領域１９、２０が設けられているメモリセル１００Ｄを形成することができる。この場合、図１０Ｂに示されているように、スピン偏極電流注入領域９の、磁化反転領域８と反対側の端に複合非磁性体領域２
９が設けられ、更に、スピン偏極電流注入領域１０の、磁化反転領域８と反対側の端に複合非磁性体領域３０が設けられる。【００６８】
なお、第１〜第３の実施形態のいずれにおいても、磁気記録層１における磁化反転領域８とスピン偏極電流注入領域９、１０の幾何学的な配置は、図１に示されているような、磁化反転領域８とスピン偏極電流注入領域９、１０が一直線上に並んでいる配置に限定されない。例えば、図１２Ａに示されているように、磁化反転領域８がｘ軸方向に長く形成される一方で、スピン偏極電流注入領域９、１０がｙ軸方向に長く形成されることも可能である。この場合、スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化は、いずれも、＋ｙ方向に固定される。その代わりに、スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化が、いずれも−ｙ方向に固定されることも可能である。このような構成は、スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化の方向が同一であるため、製造工程においてスピン偏極電流注入領域９、１０の磁化を所望の方向に向けることが容易である。図１Ｂの構成では、スピン偏極電流注入領域９、１０の磁化の方向が逆であることに留意されたい。【００６９】
また、図１２Ｂに示されているように、スピン偏極電流注入領域９、１０の両方が磁化反転領域８の一方の端に接続されることも可能である。図１２Ｂの構成では、スピン偏極電流注入領域９は、＋ｘ方向に対して反時計回りに１２０°の角度をなす＋Ｓ方向に長く形成され、スピン偏極電流注入領域１０は、＋ｘ方向に対して時計回りに１２０°の角度をなす＋Ｔ方向に長く形成される。スピン偏極電流注入領域９の磁化Ｍ１は、−Ｓ方向（即ち、磁化反転領域８から離れる方向）に向けられ、スピン偏極電流注入領域１０の磁化Ｍ２は、＋Ｔ方向（即ち、磁化反転領域８から離れる方向）に向けられる。スピン偏極電流注入領域９の磁化Ｍ１が＋Ｓ方向（即ち、磁化反転領域８に向かう方向）に向けられ、スピン偏極電流注入領域１０の磁化Ｍ２が−Ｔ方向（即ち、磁化反転領域８に向かう方向）に向けられてもよい。この場合、図１２Ｃに示されているように、磁化反転領域８の他方の端には、ビア４１を介して配線４２が接続される。【００７０】
図１２Ｂに図示された構成のＭＲＡＭでは、データ「１」を書き込む場合、書き込み電流が配線１２から配線４２に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域９から磁化反転領域８に注入される。これにより、磁化反転領域８の磁化が＋ｘ方向に向けられてデータ「１」が書き込まれる。一方、データ「０」を書き込む場合、書き込み電流が配線１４から配線４２に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域１０から磁化反転領域８に注入される。これにより、磁化反転領域８の磁化が−ｘ方向に向けられてデータ「１」が書き込まれる。【００７１】
図１２Ｂに図示されている構成の利点は、−ｙ方向、又は、＋ｙ方向に磁場を印加することによってスピン偏極電流注入領域９、１０の磁化を所望の方向に向けることができる点にある。これは、製造工程においてスピン偏極電流注入領域９、１０の磁化を所望の方向に向けることを容易にするため好適である。【００７２】
図１２Ｃに図示されているように、スピン偏極電流注入領域９、１０の両方が磁化反転領域８の一方の端に接続される場合、複合強磁性体領域１７（又は複合非磁性体領域１９）は、磁化反転領域８の一方の端にしか設けられる必要がない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、スピン偏極電流を用いて磁化を反転させてデータを書き込むＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）において、スピン偏極電流の低減に有効である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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