(57)【要約】  垂直合成反強磁性（ｐＳＡＦ）構造およびこのような構造を製造する方法が開示される。ｐＳＡＦ構造は、薄いルテニウム層によって分離された第１の高垂直磁気異方性（ＰＭＡ）多層と、第２の高ＰＭＡ層とを含む。各ＰＭＡ層は、ニッケル／コバルト多層によって分離された第１のコバルト層と、第２のコバルト層とから構成される。第１および第２のＰＭＡ層のそれぞれおよびルテニウム交換結合層が堆積された後、得られた構造は高温焼き鈍しステップに進み、これにより第１および第２のＰＭＡ層はそれぞれ垂直磁気異方性を有する。【選択肢】図６
2018519653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシード層と前記第１のシード層上に配置されるニッケル（Ｎｉ）シード層とから構成されるＰＭＡシード多層と、
前記ＰＭＡシード多層上に配置され、第１のコバルト（Ｃｏ）層および第２のＣｏ層を含むとともに、高温で焼き鈍しされ、その平面に垂直な磁気方向を有する第１の磁性垂直磁気異方性（ＰＭＡ）多層であって、前記第１のＣｏ層および前記第２のＣｏ層は第１のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層によって分離されている、第１の磁性ＰＭＡ多層と、
前記第１の磁性ＰＭＡ多層上に配置される薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層と、
前記薄いＲｕ層間交換結合層上に配置され、第３のコバルト（Ｃｏ）層および第４のＣｏ層を含むともに、高温で焼き鈍しされ、その平面に垂直な磁気方向を有する第２のＰＭＡ多層であって、前記第３のＣｏ層および前記第４のＣｏ層は第２のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層によって分離されている、第２の磁性ＰＭＡ多層と、
を備えており、
前記第１の磁性ＰＭＡ多層、前記薄いＲｕ層間交換結合層および前記第２の磁性ＰＭＡ多層は垂直合成反強磁性体を形成している、磁気デバイス。
【請求項２】
前記第１のシード層は、アルファ相の窒化タンタルを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記第１のシード層は、５ナノメートルの厚さを有する、請求項２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記第１のシード層は、タンタルを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記第１のシード層は、５ナノメートルの厚さを有する、請求項４に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記高温とは摂氏３５０度以上である、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記第１のＣｏ層は０．３ナノメートルの厚さを有し、前記第２のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．６ナノメートルの厚さを有するニッケル層と、０．２ナノメートルの厚さを有するコバルト層とを含む、請求項７に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層は５回繰り返される、請求項８に記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記ＰＭＡシード多層の前記Ｎｉシード層は、０．５ナノメートル〜０．９５ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１１】
前記ＰＭＡシード多層の前記Ｎｉシード層は０．９３ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１２】
前記薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層は、０．８５ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１３】
前記第１のＣｏ層は０．３ナノメートルの厚さを有し、前記第２のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有し、前記第３のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有し、前記第４のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１４】
前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．６ナノメートルの厚さを有する第１のＮｉ層と、０．２ナノメートルの厚さを有する第５のＣｏ層とを含む、請求項１３に記載の磁気デバイス。
【請求項１５】
前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含む、請求項１４に記載の磁気デバイス。
【請求項１６】
前記第２のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．２ナノメートルの厚さを有する第６のＣｏ層と、０．６ナノメートルの厚さを有する第２のＮｉ層とを含む、請求項１３に記載の磁気デバイス。
【請求項１７】
前記第２のＮｉ／Ｃｏ多層は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含む、請求項１６に記載の磁気デバイス。
【請求項１８】
前記第２の磁性ＰＭＡ多層上の非磁性トンネルバリア層と、
前記非磁性トンネルバリア層上の自由磁性層であって、前記自由磁性層は第１の方向と第２の方向との間で歳差運動することができる磁気方向を有し、前記非磁性トンネルバリア層が前記自由磁性層を前記第２の磁性ＰＭＡ多層から空間的に分離している、自由磁性層とをさらに備えており、
前記第２の磁性ＰＭＡ多層、前記非磁性トンネルバリア層および前記自由磁性層は、磁気トンネル接合を形成している、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１９】
その平面に垂直な磁気方向を有する合成反強磁性構造を製造する方法であって、
ＰＭＡシード多層を堆積させるステップであって、第１のシード層を堆積させることと、前記第１のシード層上にニッケル（Ｎｉ）シード層を堆積させることと、を含むステップと、
前記ＰＭＡシード多層上に第１の磁性垂直磁気異方性（ＰＭＡ）多層を堆積させるステップであって、前記ＰＭＡシード多層上に第１のコバルト（Ｃｏ）層を堆積させることと、前記第１のＣｏ層上に第１のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層を堆積させることと、前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層上に、前記第１のＮｉ／Ｃｏ多層によって前記第１のＣｏ層から分離される第２のＣｏ層を堆積させることと、を含むステップと、
前記第１の磁性ＰＭＡ多層上に薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層を堆積させるステップと、
前記薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層上に第２の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップであって、前記薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層上に第３のＣｏ層を堆積させることと、前記第３のＣｏ層上に第２のＮｉ／Ｃｏ多層を堆積させることと、前記第２のＮｉ／Ｃｏ多層上に、前記第２のＮｉ／Ｃｏ多層によって前記第３のＣｏ層から分離される第４のＣｏ層を堆積させることと、を含むステップと、
前記第１の磁性ＰＭＡ多層がその平面に垂直な磁気方向を有し、前記第２の磁性ＰＭＡ多層がその平面に垂直な磁気方向を有するように、前記第１の磁性ＰＭＡ多層および前記第２の磁性ＰＭＡ多層の垂直磁気異方性を増加させるのに十分な時間、高温で焼き鈍しするステップと、
を備えている、方法。
【請求項２０】
前記焼き鈍しするステップは、摂氏３５０度以上で焼き鈍しすることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記焼き鈍しするステップは、少なくとも２時間焼き鈍しすることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップは、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって実行される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップは、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって実行される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のシード層上にＮｉシード層を堆積させるステップは、前記Ｎｉシード層が少なくとも０．９３ナノメートルの厚さを有するように前記Ｎｉシード層を堆積させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のシード層を堆積させるステップは、アルファ相の窒化タンタル層を堆積させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記アルファ相の窒化タンタル層を堆積させるステップは、少なくとも０．５ナノメートルの厚さを有するアルファ相の窒化タンタル層を堆積させることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層を堆積させるステップは、０．８５ナノメートルの厚さを有するＲｕ層を堆積させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の磁性ＰＭＡ多層上に非磁性トンネルバリア層を堆積させるステップと
前記非磁性トンネルバリア層上に自由磁性層を堆積させるステップであって、前記自由磁性層は第１の方向と第２の方向との間で歳差運動することができる磁気方向を有し、前記非磁性トンネルバリア層は前記自由磁性層を前記第２の磁性ＰＭＡ多層から空間的に分離し、 前記第２の磁性ＰＭＡ多層、前記非磁性トンネルバリア層および前記自由磁性層は、磁気トンネル接合を形成する、ステップと、
をさらに備えている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文献は、一般に、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリに関し、より詳細には、磁気トンネル接合構造における自由層の性能を著しく改善した磁気トンネル接合スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、磁気記憶素子を介してデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。ある種のＭＲＡＭにおいて、磁気記憶素子は、磁場を保持することができ、非磁性金属または絶縁体のような非磁性体によって分離された２つの強磁性板または電極を備える。このような構造は磁気トンネル接合と呼ばれている。一般に、一方の板は、その磁化が固定されており（すなわち、「基準層」）、これは、この層が他方の層よりも高い保磁力を有し、その磁化配向を変化させるためにより大きな磁場またはスピン偏極電流を必要とすることを意味する。第２の板は、典型的には自由層と呼ばれ、その磁化方向は、基準層に対してより小さな磁場またはスピン偏極電流によって変化させることができる。
【０００３】
ＭＲＡＭデバイスは、自由層の磁化配向を変えることによって情報を記憶する。特に、自由層が基準層に対して平行または反平行の配列にあるかどうかに基づいて、「１」または「０」のいずれかを各ＭＲＡＭセルに記憶することができる。スピン偏極した電子トンネル効果により、セルの電気抵抗は、２つの層の磁場の配向により変化する。セルの抵抗は、平行状態と反平行状態とでは異なるため、セルの抵抗を使用して「１」と「０」とを区別することができる。ＭＲＡＭデバイスの１つの重要な特徴は、電源がオフになっても情報を保持するため、不揮発性メモリデバイスであることである。２つの板は、横方向のサイズがサブミクロンであり得、磁化方向は、熱揺らぎに対して依然として安定し得る。
【０００４】
スピン注入トルクまたはスピン注入スイッチングは、磁気トンネル接合内の自由層の磁化配向を変化させるためにスピンの向きがそろった（「偏極」）電子を用いる。一般に、電子は電子に固有の角運動量の量子化された数であるスピンを有する。電流は、一般的に非偏極であり、すなわち、５０％のスピンアップ電子と５０％のスピンダウン電子とからなる。磁性層に電流を流すことによって、磁性層（すなわち、偏光子）の磁化方向に対応するスピンの向きで電子を偏極させ、これによりスピン偏極電流を生成する。スピン偏極電流を磁気トンネル接合デバイスの自由層の磁性領域に通すと、電子はそのスピン角運動量の一部を磁性層に伝達し、自由層の磁化にトルクを発生させる。このように、このスピン注入トルクは、自由層の磁化を切り替えることができ、それにより実際は自由層が基準層に対して平行または反平行の状態にあるかどうかに基づいて、「１」または「０」のいずれかを書き込む。
【０００５】
ＭＲＡＭデバイスは、広範囲のメモリ用途のための次世代構造であると考えられている。あるＭＲＡＭ技術は、垂直磁気トンネル接合デバイスを使用する。垂直ＭＴＪデバイスでは、自由層および基準層は、スピン偏極トンネルのための薄い絶縁体層によって分離される。自由層および基準層は、それらの平面に垂直な磁気方向を有し、したがって、垂直磁気トンネル接合（ｐＭＴＪ）を作り出す。ｐＭＴＪ構造は、面内ＭＴＪ技術、厚い反強磁性層を使用する必要のない簡略化された積層構造、および４０ｎｍ未満のデバイスサイズの縮小と比較すると、より低い臨界スイッチング電流を提供し得る。
【０００６】
図１は、従来のＭＲＡＭデバイス用のｐＭＴＪスタック１００を示す。図示されているように、スタック１００は、スタック１００の底部に設けられた１つ以上のシード層１１０を含み、上記の堆積層において所望の結晶成長を開始する。垂直合成反強磁性層（「ｐＳＡＦ層」）１２０はシード層１１０上に配置される。ＭＴＪ１３０は、合成反強磁性（ＳＡＦ）層１２０上に堆積される。ＭＴＪ１３０は、磁性層である基準層１３２、非磁性トンネルバリア層（すなわち、絶縁体）１３４、およびこれも磁性層である自由層１３６を含む。基準層１３２は、実際にはＳＡＦ層１２０の一部であるが、非磁性トンネルバリア層１３４および自由層１３６が基準層１３２上に形成されるとき、ＭＴＪ１３０の強磁性板の１つを形成することを理解されたい。図１に示すように、磁性基準層１３２は、その平面に垂直な磁化方向を有する。さらに図１に見られるように、自由層１３６も、その平面に垂直な磁化方向を有するが、その方向は１８０度変化することができる。
【０００７】
垂直ＳＡＦ層１２０内の第１の磁性層１１４は、シード層１１０上に配置される。垂直ＳＡＦ層１２０はまた、第１の磁性層１１４上に配置された反強磁性結合層１１６を有する。垂直ＳＡＦ１２０の磁性層１１４および１３２の矢印から分かるように、層１１４および１３２は、それぞれの平面に垂直な磁気方向を有する。さらに、非磁性スペーサ１４０がＭＴＪ１３０上に配置され、所望により、偏光子１５０が非磁性スペーサ１４０上に配置されてもよい。偏光子１５０は、その面内に磁気方向を有する磁性層であるが、基準層１３２および自由層１３６の磁気方向に垂直である。偏光子１５０は、ｐＭＴＪ構造１００に印加された電子（「スピンアライメントされた電子」）の流れを偏極させるために設けられている。さらに、１つ以上のキャッピング層１６０を偏光子１５０上に設けてＭＴＪスタック１００の下にある層を保護できる。最後に、ハードマスク１７０がキャッピング層１６０上に堆積され、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを用いてＭＴＪ構造１００の下の層をパターニングするために設けられる。
【０００８】
ｐＭＴＪデバイスを製造する際の重要な課題の１つは、適切なデバイス動作のために面外構成で磁気的に安定な自由層および基準層を作り出す能力である。そのような基準層は、高い垂直結晶磁気異方性（ＰＭＡ）を必要とする。基準層を磁気的に固定するために、高い固定磁場（すなわち、３ｋＧより大きい）を有する垂直合成反強磁性構造が形成されなければならない。
【０００９】
さらに、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を達成することは、垂直ＭＲＡＭデバイスの開発において大きな課題である。このようなデバイスは、垂直に磁化されたＭＴＪ内の基準層として機能するように、ＰＭＡを有する固定層の作製を必要とする。さらに、そのような構造は、ＭＴＪと共に使用される下にあるＣＭＯＳ回路構造との集積化のために、摂氏４００度までの焼き鈍し（アニーリング）温度に耐える必要がある。
【００１０】
ＳＡＦ１２０のようなｐＳＡＦを作製するための従来のアプローチは、Ｃｏ／ＰｄまたはＣｏ／Ｐｔ多層を使用した。しかしながら、Ｃｏ／ＰｄまたはＣｏ／Ｐｔ多層から製造された垂直ＳＡＦ構造は、その垂直な磁気配向およびｐＳＡＦ構造におけるそれらの反平行配列を失うことにより、摂氏３５０度を超える温度で焼き鈍しされると損傷する。これは、３５０℃以上の温度での焼き鈍しを必要とするデバイスＣＭＯＳ集積化に重大な制限の１つである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、ＭＴＪデバイスと共に使用するためのｐＳＡＦが必要とされており、ここではＭＴＪをＣＭＯＳデバイスと集積化することができるように、ｐＳＡＦは高いＰＭＡを有し、高い焼き鈍し温度に耐えるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
磁気トンネル接合スタックと、高いＰＭＡを有し、高い焼き鈍し温度に耐えることができるｐＳＡＦとを有するＭＲＡＭデバイスが開示される。一実施形態では、第１のシード層およびニッケル（Ｎｉ）シード層から構成されるＰＭＡシード多層を含み、第１のシード層上にＮｉシード層が配置される、磁気デバイスが記載される。このデバイスは、ＰＭＡシード層上に配置され、第１のコバルト（Ｃｏ）層および第２のＣｏ層を含み、第１のＣｏ層および第２のＣｏ層が第１のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層によって分離されている、第１の磁性垂直磁気異方性（ＰＭＡ）多層を含む。第１の磁性ＰＭＡ多層は、高温で焼き鈍しされ、その平面に垂直な磁気方向を有する。このデバイスは、第１の磁性ＰＭＡ多層上に配置された薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層を含む。このデバイスはまた、薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層上に堆積された第２の磁性ＰＭＡ多層を含む。第２の磁性ＰＭＡ多層は、第３のＣｏ層および第４のＣｏ層を含み、第３のＣｏ層および第４のＣｏ層は、第２のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層によって分離されている。第２の磁性ＰＭＡ多層は、高温で焼き鈍しされ、その平面に垂直な磁気方向を有する。第１の磁性ＰＭＡ多層、薄いＲｕ層間交換結合層および第２の磁性ＰＭＡ多層は垂直合成反強磁性体を形成している。
【００１３】
一実施形態では、第１のシード層は、アルファ相の窒化タンタルを含む。
【００１４】
一実施形態では、第１のシード層は５ナノメートルの厚さを有する。
【００１５】
一実施形態では、第１のシード層はタンタルを含む。
【００１６】
一実施形態では、第１のシード層は５ナノメートルの厚さを有する。
【００１７】
一実施形態では、高温とは摂氏３５０度以上である。
【００１８】
一実施形態では、第１のＣｏ層は０．３ナノメートルの厚さを有し、第２のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有する。
【００１９】
一実施形態では、第１のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．６ナノメートルの厚さを有するニッケル層と、０．２ナノメートルの厚さを有するコバルト層とを含む。
【００２０】
一実施形態では、第１のＮｉ／Ｃｏ多層が５回繰り返される。
【００２１】
一実施形態では、ＰＭＡシード多層のＮｉシード層は、０．５ナノメートル〜０．９５ナノメートルの範囲の厚さを有する。
【００２２】
一実施形態では、ＰＭＡシード多層のＮｉシード層は０．９３ナノメートルの厚さを有する。
【００２３】
一実施形態では、薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層は、０．８５ナノメートルの厚さを有する。
【００２４】
一実施形態では、第１のＣｏ層は０．３ナノメートルの厚さを有し、第２のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有し、第３のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有し、第４のＣｏ層は０．１８ナノメートルの厚さを有する。
【００２５】
一実施形態では、第１のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．６ナノメートルの厚さを有する第１のＮｉ層と、０．２ナノメートルの厚さを有する第５のＣｏ層とを含む。
【００２６】
一実施形態では、第１のＮｉ／Ｃｏ多層は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含む。
【００２７】
一実施形態では、第２のＮｉ／Ｃｏ多層は、０．２ナノメートルの厚さを有する第６のＣｏ層と、０．６ナノメートルの厚さを有する第２のＮｉ層とを含む。
【００２８】
一実施形態では、第２のＮｉ／Ｃｏ多層は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含む。
【００２９】
一実施形態では、デバイスは、第２の磁性ＰＭＡ多層上の非磁性トンネルバリア層と、非磁性トンネルバリア層上の自由磁性層とを含む。自由磁性層は、第１の方向と第２の方向との間で歳差運動することができる磁気方向を有する。非磁性トンネルバリア層は、自由磁性層を第２の磁性ＰＭＡ多層から空間的に分離する。第２の磁性ＰＭＡ多層、非磁性トンネルバリア層および自由磁性層は、磁気トンネル接合を形成している。
【００３０】
その平面に垂直な磁気方向を有する合成反強磁性構造を製造するための実施形態も記載されている。本方法は、ＰＭＡシード多層を堆積させるステップを含む。ＰＭＡシード多層の堆積させるステップは、第１シード層を堆積させ、第１シード層上にニッケル（Ｎｉ）シード層を堆積させることを含む。
【００３１】
本方法は、ＰＭＡシード多層上に第１の磁性垂直磁気異方性（ＰＭＡ）多層を堆積させるステップをさらに含む。第１の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップは、ＰＭＡシード多層上に第１のコバルト（Ｃｏ）層を堆積させることと、第１のＣｏ層上に第１のニッケル／コバルト（Ｎｉ／Ｃｏ）多層を堆積させることと、第１のＮｉ／Ｃｏ多層上に第２のＣｏ層を堆積させることとを含む。第２のＣｏ層は、第１のＮｉ／Ｃｏ多層によって第１のＣｏ層から分離される。
【００３２】
本方法は、第１の磁性ＰＭＡ多層上に薄いルテニウム（Ｒｕ）反強磁性層間交換結合層を堆積させるステップと、薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層上に第２の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップと、をさらに含む。第２の磁性ＰＭＡ多層ステップを堆積させるステップは、薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層上に第３のＣｏ層を堆積させることと、第３のＣｏ層上に第２のＮｉ／Ｃｏ多層を堆積させることと、第２のＮｉ／Ｃｏ多層上に第４のＣｏ層を堆積させることと、を含む。第４のＣｏ層は、第２のＮｉ／Ｃｏ多層によって第３のＣｏ層から分離される。
【００３３】
本方法はさらに、第１の磁性ＰＭＡ多層がその平面に垂直な磁気方向を有し、第２の磁性ＰＭＡ多層がその平面に垂直な磁気方向を有するように、第１の磁性ＰＭＡ多層および第２の磁性ＰＭＡ多層の垂直磁気異方性を増加させるのに十分な時間、高温で焼き鈍しするステップを含む。
【００３４】
一実施形態では、焼き鈍しするステップは、摂氏３５０度以上で焼き鈍しすることを含む。
【００３５】
一実施形態では、焼き鈍しするステップは、少なくとも２時間焼き鈍しすることをさらに含む。
【００３６】
一実施形態では、第１の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップは、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって実行される。
【００３７】
一実施形態では、第２の磁性ＰＭＡ多層を堆積させるステップは、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって実行される。
【００３８】
一実施形態では、第１のシード層上にＮｉシード層を堆積させるステップは、Ｎｉシード層が少なくとも０．９３ナノメートルの厚さを有するようにＮｉシード層を堆積させることを含む。
【００３９】
一実施形態では、第１のシード層を堆積させるステップは、アルファ相の窒化タンタル層を堆積させることを含む。
【００４０】
一実施形態では、アルファ相の窒化タンタル層を堆積させるステップは、少なくとも０．５ナノメートルの厚さを有するアルファ相の窒化タンタル層を堆積させることを含む。
【００４１】
一実施形態では、薄いＲｕ反強磁性層間交換結合層を堆積させるステップは、０．８５ナノメートルの厚さを有するＲｕ層を堆積させることを含む。
【００４２】
一実施形態では、本方法は、第２の磁性ＰＭＡ多層上に非磁性トンネルバリア層を堆積させることと、非磁性トンネルバリア層上に自由磁性層を堆積させることとを含む。自由磁性層は、第１の方向と第２の方向との間で歳差運動することができる磁気方向を有する。非磁性トンネルバリア層は、自由磁性層を第２の磁性ＰＭＡ多層から空間的に分離する。第２の磁性ＰＭＡ多層、非磁性トンネルバリア層および自由磁性層は、磁気トンネル接合を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本明細書の一部として含まれる添付図面は、現在好ましい実施形態を示しており、上に与えられた一般的な説明および以下の詳細な説明と共に、本明細書に記載のＭＴＪデバイスの原理を説明し、教示する役割を果たす。
【００４４】
【図１】図１は、ＭＲＡＭデバイス用の従来の垂直ＭＴＪスタックを示す。
【図２】図２は、本明細書に記載の概念を用いて磁気デバイスを製造するプロセスを示す。
【図３】図３は、本明細書に記載の教示に従って製造された磁気デバイスの様々な層を示す。
【図４】図４は、図３に示す磁気デバイスの正規化されたＫｅｒｒ信号に対する磁場（Ｏｅで測定）をプロットしたものである。点線と実線は、それぞれ高温焼き鈍しステップの前後のデバイスを示す。
【図５】図５は、本明細書に記載の概念を用いて垂直合成反強磁性構造を製造するプロセスを示す。
【図６】図６は、本明細書に記載の教示に従って製造された垂直合成反強磁性構造の様々な層を示す。
【図７】図７は、正規化されたＫｅｒｒ信号に対して、Ｏｅで磁場をプロットしたものであり、図３のような実施形態のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。
【図８】図８は、β相のＴａＮ層およびＮｉ層を有するシード多層を有する図３の構造のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。
【図９Ａ】図９Ａは、高温焼き鈍し前の本教示による垂直合成反強磁性構造のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、高温焼き鈍し後の本教示による垂直合成反強磁性構造のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図面は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、同様の構造や機能の要素は、一般的に全体的に図面を通して例示目的で同じ参照番号によって表される。図面は、本明細書に記載の様々な実施形態の説明を容易にすることのみを意図しており、図面は、本明細書に開示される教示のすべての態様を説明するものではなく、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００４６】
以下の説明は、当業者が、高いＰＭＡを有し、高い焼き鈍し温度に耐えることができる垂直合成反強磁性デバイスを使用するＭＴＪをＣＭＯＳデバイスに集積化することができるように、そのようなｐＳＡＦを作成し使用することを可能にするために提示される。本明細書で開示される特徴および教示の各々は、開示されたシステムおよび方法を実施するために、別々にまたは他の特徴と併せて利用され得る。これらの追加の特徴および教示の多くを、別々にかつ組み合わせて利用する代表的な実施例を、添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明する。この詳細な説明は、単に本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示するためのものであり、特許請求の範囲を限定することを意図していない。したがって、以下の詳細な説明に開示される特徴の組み合わせは、最も広い意味での教示を実施するために必要でなくてもよく、代わりに、単に本教示の特に代表的な実施例を説明するために教示される。
【００４７】
以下の説明では、説明のみを目的として、本教示の完全な理解を提供するために特定の専門用語を説明する。しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細が本教示を実施するために必要とされないことが明らかであろう。
【００４８】
ここで述べられるように、本明細書に記載のデバイスは、特別に開発されたタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タンタル／ニッケル（ＴａＮ／Ｎｉ）シード層上に直接堆積された磁性コバルトニッケルＣｏ／Ｎｉ多層を有し、次いで高温焼き鈍しプロセス（すなわち、３５０℃超）を経て、安定した垂直磁化構造を実現する。このような構造は、高保磁力磁場を持つ面外磁化容易軸を有する垂直合成反強磁性体（ｐＳＡＦ）を製造する場合に使用することができる。ｐＳＡＦとして使用する場合、５ｋＧまでの高い固定磁場を得ることができる。本明細書に記載のデバイスの利点の１つは、ＴａまたはＴａＮおよびＮｉシード層が使用される場合、高温焼き鈍しによって安定なＰＭＡを得ることができることである。
【００４９】
以下で分かるように、この新しい構造は、ＭＲＡＭ用途の垂直磁化基準層の作製のための高温焼き鈍しおよび高固定磁場に対するＰＭＡ安定性を改善する。新しい構造はまた、直交スピン注入トルクデバイス内の垂直偏極層の作製を可能にする。
【００５０】
ＭＲＡＭデバイスに使用される垂直磁化構造では、デバイスを製造するために使用される特定の薄膜の磁化方向が、デバイスの平面に対して垂直であり、この磁化方向は、外部磁場の印加なしに存在する。このような垂直磁化構造は、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）および白金（Ｐｔ）等の薄い磁性層および非磁性層を含む多層構造を作製することによって得ることができる。このような多層を続けて反復することによって、強制的に個々の磁性層の磁気モーメントを薄膜平面に垂直に向ける。これらの多層構造における垂直磁気異方性は、Ｌ１０型強磁性相で規則化された面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を形成して合金化することから生じることがすでに見出されている。Ｌ１０強磁性相で規則化されたｆｃｃ結晶構造は、結晶方向に沿った磁化容易軸を有し、したがって一軸性の面外磁化容易軸方向を形成する。
【００５１】
しかしながら、一軸性の面外対称性を得るためには、適切なシード層を使用しなければならない。シード層は、Ｌ１０磁性相を開始させるために、好ましくはｆｃｃ規則の鋳型を提供しなければならない。このことは、一般的に使用される熱的に安定な非磁性シード層、例えばタンタル（Ｔａ）の大部分が、面内磁気規則を好む体心立方（ｂｃｃ）結晶構造を有するため達成が困難である。さらに、銅（Ｃｕ）またはパラジウム（Ｐｄ）等のシード層材料は一般に使用され、熱安定性が低いことが知られている。銅（Ｃｕ）またはパラジウム（Ｐｄ）もまた、焼き鈍しプロセス中に拡散し、したがってトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を低下させることによってデバイスの性能を低下させることが知られている。
【００５２】
これらの欠点のないｆｃｃ結晶構造を使用する利点を達成するために、本明細書に記載の様々な実施形態は、ＤＣマグネトロンスパッタリングによってタンタル／ニッケル（Ｔａ／Ｎｉ）またはアルファ相窒化タンタル／ニッケル（ＴａＮ／Ｎｉ）シード層に直接堆積されるコバルトニッケルＣｏ／Ｎｉ多層（合成反強磁性構造の磁性層を形成する）を利用する。図３および図６と関連して論じられるように、α−ＴａＮ／Ｎｉシード層の使用は、Ｃｏ／Ｎｉ構造のＰＭＡ特性を促進するが、これは焼き鈍し後のみである。本明細書で使用する場合、α−ＴａＮとはアルファ相の窒化タンタルを指すことに留意されたい。
【００５３】
ここで、図２および図３を参照して、本教示による磁性構造３００の実施形態を説明する。高い焼き鈍し温度に耐えることができるシード層を有する構造３００を形成する材料のスタックを作製するためのプロセス２００が図２に示されているが、得られるデバイス３００は図３に示されている。ステップ２０２では、下部電極３１０が堆積される。このような下部電極３１０は、半導体ウェハまたは他の適切な基板構造上に堆積させることができる。下部電極３１０は、Ｔａ／ＣｕＮ多層を含むことができる。一実施形態では、多層のＴａ層は３ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲を有することができる。一実施形態では、多層のＣｕＮ層は４０ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、ＣｕＮ層は、２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲を有することができる。
【００５４】
ステップ２０４では、ＰＭＡシード多層３６０が堆積される。一実施形態では、ＰＭＡシード多層の堆積は窒素（Ｎ２）雰囲気中で行われる。ＰＭＡシード多層は、いくつかの層を含むことができる。ステップ２０６では、第１のシード層３１４が堆積される。第１のシード層３１４は、Ｔａ層またはα−ＴａＮ層のいずれかを含むことができる。ステップ２０８では、Ｎｉ層３１８が第１のシード層３１４上に堆積される。第１のシード層３１４がα−ＴａＮ層を含むとき、ステップ２０６は、窒素（Ｎ２）雰囲気中でα相のＴａＮをスパッタリングすることによって行うことができる。第１のシード層３１４がＴａ層である場合、第１のシード層３１４は５ナノメートルの厚さを有することができ、他の実施形態では０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。同様に、第１のシード層３１４がα−ＴａＮの層を含む場合、第１のシード層３１４は０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。Ｎｉ層３１８は、０．９３ｎｍの厚さを有することができ、他の実施形態では、０．２ｎｍ〜２ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００５５】
ステップ２１０では、磁性ＰＭＡ多層３７０が堆積される。図２および図３で分かるように、磁性ＰＭＡ多層３７０は、Ｎｉ／Ｃｏ多層３２６によって分離された第１のコバルト層３２２および第２のコバルト層３３０を含む。磁性ＰＭＡ多層３７０を堆積させるプロセス（ステップ２１０）は、Ｃｏ多層３２２が堆積されるステップ２１２と、Ｎｉ／Ｃｏ多層３２６が堆積されるステップ２１４と、Ｃｏ層３３０が堆積されるステップ２１６と、から構成される。ステップ２１２、２１４および２１６は、ＤＣマグネトロンスパッタリング技術を用いて行うことができる。磁性ＰＭＡ多層３７０は、堆積後に実際にはＰＭＡを示さないことに留意されたい。磁性ＰＭＡ多層３７０がＰＭＡを示すためには、焼き鈍しステップである（後述の）ステップ２２２を行わなければならない。
【００５６】
一実施形態では、Ｃｏ層３２２は０．３ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態では、Ｎｉ／Ｃｏ多層３２６は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含むことができ、Ｎｉ層は０．６ｎｍの厚さを有し、Ｃｏ層は０．２ｎｍの厚さを有する。他の実施形態では、各Ｎｉ／Ｃｏ多層３２６は、０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有するＮｉ層と、０．１〜３ｎｍの範囲の厚さを有するＣｏ層とを含むことができる。同様に、一実施形態では、Ｃｏ層３３０は０．１８ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００５７】
ステップ２１０において磁性ＰＭＡ多層３７０を堆積させた後、任意の残りのＭＲＡＭ層を所望に応じて堆積させることができる。例えば、ステップ２１８において、残りのＭＴＪ層（例えば、非磁性トンネルバリア層３３４および自由層３３８）、偏光子層（図示せず）および存在する場合にはＲｕ層３４２が堆積される。これは必須ではなく、したがって図２は、任意のステップとしての（すなわち、点線で）ステップ２１８を示すことに留意されたい。その後、ステップ２２０において、キャップ３９０を堆積させることができる。一実施形態では、キャップ３９０は、Ｔａ層またはα−ＴａＮ層（層３４６として示される）のいずれかから製造でき、Ｔａ層（使用する場合）が２ｎｍの厚さを有するのに対し、α−ＴａＮ層（使用する場合）は２ｎｍの厚さを有する。他の実施形態では、Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができるのに対し、α−ＴａＮ層は０．５〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。キャップ３９０は、Ｒｕ層３５０をさらに含むことができる。一実施形態では、Ｒｕ層３５０は５ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では、Ｒｕ層３５０は０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００５８】
Ｔａまたはα−ＴａＮ多層およびＮｉ層３１８から構成されるＰＭＡシード多層上にＣｏ層３２２および３３０ならびにＮｉ／Ｃｏ多層３２６を堆積させることは、必ずしもＬ１０強磁性相で規則化されたｆｃｃ結晶構造の成長を促進しない。このことは図４で見て取れ、図４は、正規化されたＫｅｒｒ信号に対する磁気方向（その磁場としてＯｅで測定）をプロットしたものである。図４において、点線４０２で示すヒステリシスループは、堆積しただけの（すなわち、焼き鈍しなしの）磁性ＰＭＡ多層３７０（述べたようにコバルトおよびニッケルから製造される）が、面内有効反磁場Ｈｅｆｆ＝１２００Ｏｅにて面内で弱く磁化されることを示している。
【００５９】
本明細書に記載の方法および構造では、焼き鈍しするステップ２２２が実行される。３５０℃（またはそれ以上）で２時間焼き鈍しすると、磁化容易軸が垂直方向に反転する。これは図４に示す実線から分かる。見ると、摂氏３５０度で２時間焼き鈍しした後、構造３００（偏光子またはＭＴＪ層なし）の極性磁気光学カー効果（極性ＭＯＫＥ）測定値は、薄膜平面に垂直に（磁化容易軸に沿って）印加された磁場で測定されたときに完全に正方形のヒステリシスループを示す。したがって、図３の磁性ＰＭＡ多層３７０は、その平面に垂直な磁気方向を有し、これは、図３では、磁性ＰＭＡ多層３７０の隣の垂直な矢印によって示されている。
【００６０】
図５および図６を参照して、本教示による垂直合成反強磁性ｐＳＡＦ構造６００の実施形態を説明する。高い焼き鈍し温度に耐え得るシード層を有するＭＲＡＭセル６００のためのｐＳＡＦ構造を作製するためのプロセス５００が図５に示されているが、得られるデバイス６００は図６に示されている。ステップ５０２では、下部電極５１０が堆積される。一般に、下部電極５１０は、半導体ウェハ（図示せず）上に予め堆積されたＣＭＯＳ回路と集積化される。下部電極５１０は、Ｔａ／ＣｕＮ多層を含むことができる。一実施形態では、多層のＴａ層は３ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲を有することができる。一実施形態では、多層のＣｕＮ層は４０ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、ＣｕＮ層は、２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲を有することができる。
【００６１】
ステップ５０４では、ＰＭＡシード多層６６０が堆積される。一実施形態では、ＰＭＡシード多層６６０の堆積は窒素Ｎ２雰囲気中で行われる。ＰＭＡシード多層６６０は、いくつかの層を含むことができる。一実施形態では、ＰＭＡシード多層６６０は、ステップ５０６において第１のシード層６１４を堆積させることによって形成される。第１のシード層６１４は、Ｔａ層またはα−ＴａＮ層のいずれかを含むことができる。ステップ５０８では、Ｎｉ層６１８が堆積される。ステップ５０６は、Ｎ２雰囲気中でスパッタリングすることによりα相のＴａＮを堆積させることによって行うことができる。一実施形態では、Ｔａからなる第１のシード層６１４は５ナノメートルの厚さを有することができる。同様に、α−ＴａＮ６１４からなる第１のシード層６１４も５ナノメートルの厚さを有することができる。他の実施形態では、Ｔａ層から製造される第１のシード層は０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。同様に、一実施形態では、α−ＴａＮ層から製造される第１のシード層６１４は０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態では、Ｎｉ層６１８は、０．９３ｎｍの厚さを有することができ、他の実施形態では、０．２ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００６２】
ステップ５１０では、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０が堆積される。図５および図６で分かるように、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０は、Ｎｉ／Ｃｏ多層６２６によって分離された第１のコバルト層６２２および第２のコバルト層６３０を含む。第１の磁性ＰＭＡ多層６７０を堆積させるプロセス（ステップ５１０）は、Ｃｏ層６２２が堆積されるステップ５１２と、Ｎｉ／Ｃｏ層６２６が堆積されるステップ５１４と、Ｃｏ層６３０が堆積されるステップ５１６と、から構成される。ステップ５１２、５１４および５１６は、ＤＣマグネトロンスパッタリング技術を用いて行うことができる。
【００６３】
一実施形態では、Ｃｏ層６２２は０．３ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態では、Ｎｉ／Ｃｏ多層６２６は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含むことができ、Ｎｉ層は０．６ｎｍの厚さを有し、Ｃｏ層は０．２ｎｍの厚さを有する。他の実施形態では、各Ｎｉ／Ｃｏ多層６２６は、０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有するＮｉ層と、０．１〜３ｎｍの範囲の厚さを有するＣｏ層とを含むことができる。同様に、一実施形態では、Ｃｏ層６３０は０．１８ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００６４】
ステップ５１８では、交換結合層６３４が第１の磁性ＰＭＡ多層６７０上に堆積される。一実施形態では、薄い交換結合層６３４は、０．８５ｎｍの厚さを有するＲｕの層から構成される。他の実施形態では、交換結合層６３４を形成するＲｕ層は、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲の厚さを有する。この薄いルテニウム（Ｒｕ）層６３４を用いて、Ｃｏ／Ｎｉ多層構造、すなわち上述の第１の磁性ＰＭＡ多層６７０と、以下に説明する第２のＰＭＡ多層６８０とからなるｐＳＡＦの２つの構成要素間の反強磁性層間交換結合を提供する。
【００６５】
ステップ５２０において、第２のＰＭＡ多層６８０が堆積される。一実施形態では、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０は、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０と同じ材料を使用して構成される。しかしながら、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０は、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０とは異なる厚さをその層に用いることができる。同様に、一実施形態では、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０は、後述するように、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０の磁気方向とは反対の磁気方向を有する。
【００６６】
図５および図６から分かるように、第２のＰＭＡ多層６８０は、Ｎｉ／Ｃｏ多層６４２によって分離された第１のコバルト層６３８および第２のコバルト層６４６を含む。第２のＰＭＡ多層６８０を堆積させるプロセス（ステップ５２０）は、Ｃｏ層６３０が堆積されるステップ５２２と、Ｎｉ／Ｃｏ多層６４２が堆積されるステップ５２４と、Ｃｏ層６４６が堆積されるステップ５２６と、から構成される。ステップ５２２、５２４および５２６は、ＤＣマグネトロンスパッタリング技術を用いて行うことができる。
【００６７】
一実施形態では、Ｃｏ層６３８は０．１８ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態では、Ｎｉ／Ｃｏ多層６４２は５つのＮｉ／Ｃｏ多層を含むことができ、Ｃｏ層は０．２ｎｍの厚さを有し、Ｎｉ層は０．６ｎｍの厚さを有する。他の実施形態では、各Ｎｉ／Ｃｏ多層６４２は、０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有するＣｏ層と、０．１〜３ｎｍの範囲の厚さを有するＮｉ層とを含むことができる。同様に、一実施形態では、Ｃｏ層６４６は０．２１ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では０．１〜０．３ｎｍの範囲の厚さを有することができる。磁性ＰＭＡ多層３７０は、堆積後に実際にはＰＭＡを示さないことに留意されたい。第１および第２の磁性ＰＭＡ多層６７０、６８０がＰＭＡを示すためには、焼き鈍しするステップである（後述の）ステップ５３２を行わなければならない。
【００６８】
ステップ５２８において、所望であれば、ＭＲＡＭ層を堆積させることができる。例えば、ＭＴＪ６９５の層（例えば、非磁性トンネルバリア層６４８および自由層６５２）および存在する場合には（図６には図示されていない）任意の偏光子層が堆積される。ステップ５２８は必須ではないため、図６の機能的デバイスを作るために任意のものとして（すなわち、点線で）示されている。その後、ステップ５３０において、キャップ６９０を堆積させることができる。一実施形態では、キャップ６９０は、Ｔａ層またはα−ＴａＮ層６５６のいずれかから製造でき、Ｔａ層は、使用時には２ｎｍの厚さを有することができるのに対し、α−ＴａＮ層は、使用時には２ｎｍの厚さを有する。他の実施形態では、Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができ、α−ＴａＮ層は０．５〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。キャップ６９０は、Ｒｕ層６５８をさらに含むことができる。一実施形態では、Ｒｕ層６５８は５ｎｍの厚さを有し、他の実施形態では、Ｒｕ層６５８は０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
【００６９】
図２および図３に関して上述した実施形態と同様に、（Ｃｏ層６２２および６３０ならびにＮｉ／Ｃｏ多層６２６からなる）第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および（Ｃｏ層６３８および６４６ならびにＣｏ／Ｎｉ多層５４２からなる）第２の磁性ＰＭＡ多層６８０を、Ｔａまたはα−ＴａＮのいずれかを含む第１のシード層およびＮｉ層６１８からなるＰＭＡシード多層６６０上に堆積させることは、必ずしもＬ１０強磁性相で規則化されたｆｃｃ結晶構造の成長を促進しない。述べたように、これが、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０が作製されると、本実施形態が高温焼き鈍しするステップ５３２を実行する理由である。焼き鈍しするステップ５３２は、３５０℃で２時間の焼き鈍しを含むことができ、これは、述べたように、磁化容易軸を垂直方向に反転させる。
【００７０】
焼き鈍しするステップ５３２は、それぞれの平面に垂直な磁気方向を有する第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０をもたらす。これは、図６では、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０のそれぞれの隣の矢印によって示されている。図６に見られるように、一実施形態では、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０の磁気方向は、それぞれの平面に対して垂直であるが、互いに逆平行の関係にある。第１の磁性ＰＭＡ多層６７０、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０、および薄いＲｕ交換結合層６３４は、共にｐＳＡＦ構造６８５を形成する。
【００７１】
図６のような構造を使用するＭＲＡＭデバイスでは、ｐＳＡＦ構造６８５の第２の磁性ＰＭＡ多層６８０は、非磁性トンネルバリア層６４８および自由層６５２を有して形成されたＭＴＪ６９５の基準層として機能する。非磁性トンネルバリア層６４８は、磁性自由層６５２を第２の磁性ＰＭＡ層６８０から空間的に分離する。第１の磁性ＰＭＡ多層６７０は、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０に対する固定層として機能する。言い換えれば、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０は、第２の磁性ＰＭＡ多層６８０の磁気方向を固定するように機能するため、その平面に垂直なままであり、これによって第２の磁性ＰＭＡ多層６８０をＭＴＪの基準層として機能させる。
【００７２】
上述したように、高温焼き鈍しステップ５３２の利点の１つは、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０の磁気方向を各層の平面に対して垂直にすることである。この挙動は、大部分がＰＭＡシード多層６６０のＮｉ層６１８およびＴａ／α−ＴａＮ多層６１４における低抵抗α相ＴａＮの使用の影響を受けている。Ｎｉ層６１８の厚さを０．４５ｎｍから０．９３ｎｍに増加させると、ＰＭＡが改善される。これは図７に見られ、約５００Ｏｅから約８００Ｏｅへの保磁力Ｈｃの増加が見られる。特に、図７は、図３の実施形態のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示しているが、図６に示すような実施形態に対する結果は非常に似ている。図７の点線は、５ｎｍの厚さを有するαＴａＮ層３１４と０．９３ｎｍの厚さを有するＮｉ層３１８とを有するＰＭＡシード多層３６０のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図７の実線は、５．０ｎｍの厚さを有するαＴａＮ層３１４と０．４５ｎｍの厚さを有するＮｉ層３１８とを有するＰＭＡシード多層のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図７から、５．０ｎｍのα窒化タンタル上に０．４５ｎｍのＮｉまたは０．９３ｎｍのＮｉのいずれかを堆積させると、焼き鈍し後にＰＭＡが誘起されることが推定できる。しかしながら、５．０ｎｍのα窒化タンタルシード層上の０．９３ｎｍのＮｉで観察されるより大きな保磁力は、ＰＭＡがより高い値に達し、したがって垂直ＳＡＦ構造の安定性をさらに改善することを示す。
【００７３】
さらに、ＰＭＡシード多層６６０の多層６１４の低抵抗α相ＴａＮの代わりに多層６１４で高抵抗相のβＴａＮを使用すると、ＰＭＡを示さない。これは図８から分かる。特に、図８は、図３に示す構造のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図８の点線は、ＰＭＡシード多層３６０がβＴａＮ層３１４および０．９３ｎｍの厚さを有するＮｉ層３１８を有する場合のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。点線は焼き鈍し前のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。実線は、摂氏３５０度で２時間焼き鈍しした後の図３の構造のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。当業者であれば、丸い傾斜ループによりＰＭＡが存在しないことを示していると認識するであろう。これは、焼き鈍しプロセス中のＬ１０規則化を誘導するための適切なＴａＮ相の重要性を実証している。要するに、α相のＴａＮは、高温焼き鈍しプロセス中にＬ１０規則化を誘起するが、β相のＴａＮはそうすることができない。
【００７４】
本明細書に記載の概念は、図６に示す垂直合成反強磁性体構造（ｐＳＡＦ）６８５の作製に及ぶものである。上述したように、ルテニウム（Ｒｕ）の膜から製造される薄い交換結合層６３４を用いて、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０と第２の磁性ＰＭＡ多層６８０と（すなわち、ｐＳＡＦ６８５の２つの構成要素）の間の反強磁性層間相互交換結合を提供する。第１および第２の磁性ＰＭＡ多層６７０、６８０はそれぞれ、上述のようにＣｏ／Ｎｉ多層構造を含む。ＰＭＡシード多層６６０は、上述したように、Ｔａまたはα−ＴａＮからなるシード層６１４と、Ｎｉ層６１８とから構成される。図９Ａおよび図９Ｂは、垂直合成反強磁性体（ｐＳＡＦ）６８５のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図９Ａは、堆積された（すなわち、焼き鈍しステップ５３２の前の）ｐＳＡＦ構造６８５のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図９Ｂは、焼き鈍しステップ５３２が摂氏３５０度で２時間行われた後のｐＳＡＦ構造６８５のポーラーＭＯＫＥヒステリシスループを示す。図９Ｂに見られる正方形のループは、焼き鈍し後のｐＳＡＦ構造６８５が、平面に対して垂直である磁気方向を有し、したがって垂直な磁化容易軸を有することを示している。図９Ｂに見られるように、強力な反強磁性結合（すなわち、高い固定磁場）が焼き鈍し後に存在する。高い固定磁場Ｈｅｘは５ｋＯｅに等しい。
【００７５】
このように、見て取れるように、第１の磁性ＰＭＡ多層６７０および第２の磁性ＰＭＡ多層６８０の成長のために、Ｔａ層６１４およびＮｉ層６１８またはα相ＴａＮ層６１４およびＮｉ層６１８からなるＰＭＡシード多層６６０を用いることにより、構造は高い焼き鈍し温度、例えば摂氏３５０度以上の焼き鈍し温度に耐えることができる。先の解決策では、２５０℃を超える焼き鈍し後にＰＭＡを有する高い固定磁場を得ることができなかった。
【００７６】
別の実施形態では、直交スピン注入トルク構造における偏光子層として、本明細書に記載のｐＳＡＦ構造６８５を使用することができる。
【００７７】
ＭＲＡＭデバイスのそれぞれのビットセルとして、複数の構造６００を製造し、提供できることが、当業者には理解されるはずである。換言すれば、各構造６００は、複数のビットセルを有するメモリアレイのためのビットセルとして実装することができる。
【００７８】
上記の説明および図面は、単に本明細書に記載された特徴および利点を達成する特定の実施形態を例示するものであるとみなされる。特定のプロセス条件に対する変更および置換を行うことができる。したがって、この特許文献の実施形態は、上記の説明および図面によって限定されるものではないと考えられる。
【図１】
2018519653.tif 000003
【図２】
2018519653.tif 000004
【図３】
2018519653.tif 000005
【図４】
2018519653.tif 000006
【図５】
2018519653.tif 000007
【図６】
2018519653.tif 000008
【図７】
2018519653.tif 000009
【図８】
2018519653.tif 000010
【図９Ａ】
2018519653.tif 000011
【図９Ｂ】
2018519653.tif 000012
【国際調査報告】
2018519653.tif 000013
2018519653.tif 000014