(57)【要約】  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するフェリ磁性のＲＥ−ＴＭ合金から形成されるフリー層を含む。ＭＴＪは、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層であって、ピンド層は、フリー層およびピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層を備える、をさらに含む。
2017517879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）であって、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金から形成されるフリー層と、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層と、前記ピンド層は、前記フリー層および前記ピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層を備え、
を備える、ＭＴＪ。
【請求項２】
前記フリー層と前記ピンド層間に障壁層をさらに備える、請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項３】
前記フリー層は、前記ＲＥ−ＴＭ合金の前記ＲＥ組成のサブラティスモーメントによって占められている前記正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金と前記障壁層間に形成される単一のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤをさらに備える、請求項２に記載のＭＴＪ。
【請求項４】
前記ピンド層は、ＣｏＦｅＢベースの、またはＦｅベースの挿入層をさらに備える、請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項５】
前記フリー層およびピンド層は、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＧｄＦｅＣｏ、ＧｄＦｅ、またはＧｄＣｏを備える材料から形成される、請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項６】
前記１つ以上のアモルファス薄挿入層は、タンタラム（Ｔａ）、タンタラム（ＴａＮ）、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化物（ＴｉＮ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの任意の組み合わせのうちの１つ以上の層を備える、請求項１に記載のＭＴＪ。
【請求項７】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）であって、
ピンド層であって、前記ピンド層は、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金を備える第１の層と、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の遷移金属（ＴＭ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金を備える第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層間で層間結合を提供するために前記第１の層と前記第２の層間に形成される薄ＣｏＦｅＢ、Ｆｅベース、またはＣｏベースの層と、ここにおいて、前記ピンド層の前記正味磁気モーメントは、低い、またはゼロに等しい、
を備え、
を備える、ＭＴＪ。
【請求項８】
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている前記正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金から形成されるフリー層をさらに備える、請求項７に記載のＭＴＪ。
【請求項９】
前記フリー層は、単一のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤをさらに備える、請求項８に記載のＭＴＪ。
【請求項１０】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法であって、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金からフリー層を形成することと、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層を形成することと、前記ピンド層は、前記フリー層および前記ピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層を備え、
を備える、方法。
【請求項１１】
前記フリー層と前記ピンド層間に障壁層を形成することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
単一のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤから前記フリー層を形成することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ピンド層の中のＣｏＦｅＢベースの、またはＦｅベースの挿入層を形成することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記フリー層およびピンド層を形成することは、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＧｄＦｅＣｏ、またはＧｄＣｏを備える材料からである、をさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
タンタラム（Ｔａ）、タンタラム（ＴａＮ）、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化物（ＴｉＮ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの任意の組み合わせのうちの１つ以上の層から前記１つ以上のアモルファス薄挿入層を形成することを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法であって、
ピンド層を形成することであって、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金を備える第１の層を形成することと、
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の遷移金属（ＴＭ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金を備える第２の層を形成することと、
前記第１の層と前記第２の層間で層間結合を提供するために前記第１の層と前記第２の層間に薄ＣｏＦｅＢ、Ｆｅベース、またはＣｏベースの層を形成することと、ここにおいて、前記ピンド層の前記正味磁気モーメントは、低い、またはゼロに等しい、
を備える、ピンド層を形成すること、
を備える、方法。
【請求項１７】
希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている前記正味モーメントを有する前記ＲＥ−ＴＭ合金からフリー層を形成することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フリー層の中の単一のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤを形成すること、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  開示されている実施形態は、正味磁化（net magnetization）が低く、飽和保磁力（coercivity）（Ｈｃ）、磁気異方性（magnetic anisotropy）（Ｋｕ）、および熱安定性（thermal stability）が高いような、ＣｏＦｅＢから形成された挿入層を持つ、フェリ磁性の希土類（ferrimagnetic rare earth）（ＲＥ）ｒｉｃｈ材料（rich materials）と遷移金属（transition metal）（ＴＭ）ｒｉｃｈ材料との組み合わせから形成されるフリー層およびピンド層（pinned layers）を備えるスピントランスファ磁化反転磁気トンネル接合（spin-transfer switching magnetic tunnel junctions）に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive random access memory）（ＭＲＡＭ）は、揮発性メモリに匹敵する応答（読み取り／書き込み）時間を有する不揮発性メモリ技術である。電荷または電流フローとしてデータを記憶する従来のＲＡＭ技術とは対照的に、ＭＲＡＭは、磁気素子（magnetic elements）を使用する。図１Ａおよび１Ｂに例示されているように、垂直磁気トンネル接合（perpendicular magnetic tunnel junction）（ＭＴＪ）記憶素子、ＭＴＪ１００は、２つの磁気層１１０および１３０から形成されることができ、それらの各々は、絶縁（トンネル障壁）層１２０によって隔てられている、磁場を保持することができる。２つの層のうちの１つ（例えば、固定、またはピンド層１１０）は、特定の極性に設定される。もう１つの層（例えば、フリー層１３０）の極性１３２は、適用されることができる外部場（external field）のそれに適合するように自由に変化する。フリー層１３０の極性１３２における変化は、ＭＴＪ１００の抵抗を変化させることとなる。例えば、極性がそろえられる（aligned）とき、図１Ａ（パラレル「Ｐ」磁化低抵抗状態「０」）、低抵抗状態は、存在する。極性がそろえられないとき、図１Ｂ（アンチパラレル（anti-parallel）「ＡＰ」磁化高抵抗状態「１」）、高抵抗状態は、存在する。ＭＴＪ１００の例示は、簡略化されており、当業者は、例示された各層が、材料の１つ以上の層を備え得ることを理解するであろう。
【０００３】
[0003]  図２を参照すると、従来のＭＲＡＭのメモリセル２００は、読み取り動作のために例示される。メモリセル２００は、トランジスタ２１０、ビット線２２０、デジット線２３０、およびワード線２４０を含む。メモリセル２００は、ＭＴＪ１００の電気抵抗を測定することによって読み取られることができる。例えば、特定のＭＴＪ１００は、関連したトランジスタ２１０をアクティベートすること（トランジスタオン）によって選択されることができ、それは、ＭＴＪ１００を通してビット線２２０からの電流を切り替えることができる。トンネル磁気抵抗効果のため、ＭＴＪ１００の電気抵抗は、上記に論述されたように、２つの磁気層（例えば、ピンド層１１０およびフリー層１３０）の中の極性の方向（orientation）に基づいて変化する。任意の特定のＭＴＪ１００の内部の抵抗は、フリー層１３０の極性によって生じる、電流から決定されることができる。従来、ピンド層１１０およびフリー層１３０が同じ極性を有する場合、抵抗は、低く、「０」が、読み取られる。固定層１１０およびピンド層１３０が反対の極性を有する場合、抵抗は、高く、「１」が読み取られる。
【０００４】
[0004]  従来のＭＲＡＭと違い、垂直スピントランスファトルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、薄膜（thin film）（スピンフィルタ）を通過した電子としてスピン偏極した（spin-polarized）ものとなる電子を使用する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭはまた、スピントランスファトルクＲＡＭ（ＳＴＴ−ＲＡＭ）、スピントルクトランスファ磁化反転ＲＡＭ（スピンＲＡＭ）、スピンモーメンタムトランスファＲＡＭ（spin momentum transfer RAM）（ＳＭＴ−ＲＡＭ）、または単に、垂直スピントランスファ磁化反転磁気素子として既知である。書き込み動作の間、スピン偏極した電子は、フリー層上でトルクを働かせ（exert a torque on a free layer）、それは、フリー層の極性を反転する（switch）ことができる。読み取り動作は、先に論述したように、ＭＴＪ記憶素子の抵抗／論理状態を検出するために電流が使用されるという点において、従来のＭＲＡＭと類似している。図３Ａに例示されるように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル３００は、ＭＴＪ３０５、トランジスタ３１０、ビット線３２０、およびワード線３３０を含む。トランジスタ３１０は、論理状態が読み取られ、または書き込まれることができるように、電流がＭＴＪ３０５を通して流れることを可能にするために、読み取り動作と書き込み動作の両方に対してオンに切り替えられる（switched on）。
【０００５】
[0005]  図３Ｂを参照すると、ＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル３０１は、読み取り／書き込み回路を伴って例示される。ＭＴＪ３０５、トランジスタ３１０、ビット線３２０、およびワード線３３０のような前に論述された素子に加えて、ソース線３４０、センス増幅器３５０、読み取り／書き込み回路３６０、およびビット線参照３７０が、例示される。上記に論述されたように、読み取り動作の間、読み取り電流（read current）は、生成され、それは、ＭＴＪ３０５を通してビット線３２０とソース線３４０間を流れる。電流がトランジスタ３１０を介して流れることを許可されるとき、ＭＴＪ３０５の抵抗（論理状態）は、ビット線３２０とソース線３４０間の電圧差に基づいてセンスされることができ、それは、参照３７０と比較され、それからセンス増幅器３５０によって増幅される。
【０００６】
[0006]  ＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル３００−３０１のＭＴＪ３０５のような、垂直スピントランスファ磁化反転磁気素子の上記の一般的な構造および動作を念頭に置いて、これらのＭＴＪ記憶素子の従来の構造に多い（prevalent）いくつかのイシュー（issues）が次の通りに論述される。従来、ＭＴＪ３０５のフリー層１３０は、電流デバイス技術においておよそ１０−１５Ａの厚さ（thickness）を持つ、ＣｏＦｅＢのような材料から形成される。しかしながら、ＣｏＦｅＢは、低トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、低磁気異方性（Ｋｕ）、および質の悪い熱安定性（poor thermal stability）、のような望ましくない特徴を表示する。いくつかの従来のフリー層は、上記の特徴を改善しようとしてＣｏベースのマルチレイヤ（Co-based multilayer）から形成される。しかしながら、そのようなＣｏベースのマルチレイヤに対して、マルチレイヤの所望の組成（desired composition）を実現するための処理のバリエーションを制御することは難しいと考えられる。さらに、フリー層のそのようなマルチレイヤ構造はまた、高電流密度（high current density）（Ｊｃ）、高飽和磁化（high saturation magnetization）（Ｍｓ）、高減衰定数（high damping constant）、等、のような特徴に悩まされる（suffer from）。同様のイシューが、ＣｏＦｅＢ／Ｌ１０合金、またはＦｅＰｔ、のような合金から形成されるフリー層に対して考えられる。そのような合金は、形成のために高温処理（high temperature process）を要求する；ＭＴＪのための膜蒸着の処理（process of deposition of films）は、高温ではとても難しい。さらに、そのような合金はまた、高電流密度（Ｊｃ）、高飽和磁化（Ｍｓ）、高減衰定数、等、のような特徴に悩まされる。
【０００７】
[0007]  従来のフリー層に関して上記に考えられた問題（difficulties）と類似して、ピンド層１１０のような、従来のピンド層の構造もまた、いくつかの望ましくない特性に悩まされる。ピンド層もまた、従来、電流デバイス技術においておよそ１０−１２Ａの厚さを持つ、ＣｏＦｅＢのような材料から形成される。前述したように、ＣｏＦｅＢは、低トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、低磁気異方性（Ｋｕ）、および質の悪い熱安定性、のような望ましくない特徴を表示する。ピンド層が形成されたＣｏＦｅＢである、ＭＴＪｓの特性のバリエーションを制御することも難しいと考えられる；大きい漂遊磁界（large stray fields）が観測される。いくつかの従来のピンド層は、Ｃｏベースの合成反強磁性（ＳＡＦ）マルチレイヤ（Co-based synthetic antiferromagnetic (SAF) multilayers）から形成され、それらは、複雑な構造を有する；そのようなピンド層のためのオフセットフィールドは、不安定である傾向があり、それらは、低ＴＭＲを表示する。Ｌ１０合金またはＦｅＰｔ合金から構成されるピンド層のために、この場合も、そのような合金の形成のために要求される高温処理が、ピンド層およびＭＴＪの形成における問題を引き起こす。
【０００８】
[0008]  したがって、前記の問題を避ける垂直スピントランスファ磁化反転磁気素子の効率的な設計のための技術が必要である。
【発明の概要】
【０００９】
[0009]  典型的な実施形態は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメント（sublattice moment）によって占められている（dominated by）正味モーメント（net moment）を有するフェリ磁性のＲＥ−ＴＭ合金から形成されるフリー層を含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に向けられる。ＭＴＪは、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するフェリ磁性のＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層であって、ピンド層は、フリー層およびピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層（amorphous thin insertion layers）を備える、ピンド層をさらに含む。
【００１０】
[0010]  例えば、典型的な実施形態は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金から形成されるフリー層と、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層であって、ピンド層は、フリー層およびピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層を備える、ピンド層と、を備える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に向けられる。
【００１１】
[0011]  別の典型的な実施形態は、ピンド層であって、ピンド層は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金を備える第１の層と、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の遷移金属（ＴＭ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金を備える第２の層とを備える、ピンド層、を備える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に向けられる。薄ＣｏＦｅＢ（thin CoFeB）、Ｆｅベース、またはＣｏベースの層は、第１の層と第２の層間で層間結合（interlayer coupling）を提供するために第１の層と第２の層間に形成され、ここにおいて、ピンド層の正味磁気モーメントは、低い、またはゼロに等しい。
【００１２】
[0012]  さらに別の典型的な実施形態は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法に向けられ、方法は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金からフリー層を形成することと、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金から形成されるピンド層を形成することと、ピンド層は、フリー層およびピンド層の正味磁気モーメントが低い、またはゼロに近いような１つ以上のアモルファス薄挿入層を備え、を備える。
【００１３】
[0013]  さらに別の典型的な実施形態は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法に向けられ、方法は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の希土類（ＲＥ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金を備える第１の層を形成することと、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金の遷移金属（ＴＭ）組成のサブラティスモーメントによって占められている正味モーメントを有するＲＥ−ＴＭ合金を備える第２の層を形成することと、を備えるピンド層を形成することを備える。方法は、第１の層と第２の層間で層間結合を提供するために第１の層と第２の層間に薄ＣｏＦｅＢ、Ｆｅベース、またはＣｏベースの層を形成すること、ここにおいて、ピンド層の正味磁気モーメントは、低い、またはゼロに等しい、をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
[0014]  添付の図面は、様々な実施形態のうちの実施形態の説明を助けるために提示され、実施形態の限定のためではなくそれらの例示のためだけに提供される。
【図１Ａ】[0015]  図１Ａおよび１Ｂは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子の例示である。
【図１Ｂ】[0015]  図１Ａおよび１Ｂは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子の例示である。
【図２】[0016]  図２は、読み取り動作の間の磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの例示である。
【図３Ａ】[0017]  図３Ａおよび３Ｂは、スピントランスファトルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルの例示である。
【図３Ｂ】[0017]  図３Ａおよび３Ｂは、スピントランスファトルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルの例示である。
【図４】[0018]  図４は、ＲＥ−ｒｉｃｈおよびＴＭ−ｒｉｃｈ材料に関する温度の関数としての飽和保磁力Ｈｃと磁化（magnetization）Ｍ間の関係性のグラフ図である。
【図５】[0019]  図５は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料のフリー層を含む典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子を例示する。
【図６】[0020]  図６は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料のフリー層およびＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料のピンド層を含む典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子を例示する。
【図７】[0021]  図７は、ＲＥ−ＴＭ組み合わせ材料（combination material）の中のＲＥ組成の関数としての飽和保磁力Ｈｃと磁化Ｍ間の関係性のグラフ図である。
【図８】[0022]  図８は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料のフリー層、ならびにＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料の層およびＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ材料の層から形成される複合ピンド層（composite pinned layer）を含む典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子を例示する。
【図９】[0023]  図９は、本開示の態様にしたがう典型的なＭＴＪを形成する方法のためのフロー図を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0024]  様々な実施形態の態様は、特定の実施形態に向けられる下記の説明および関連する図面において開示される。代替の実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく考案され得る。さらに、様々な実施形態の周知要素は、様々な実施形態の関連する詳細を不明瞭にしないように、詳細に説明されないか、省略されることとなる。
【００１６】
[0025]  「典型的（exemplary）」という言葉は、「例、実例、または例示としての役割を果たすこと」を意味するように本明細書で使用される。「典型的」として本明細書に説明される任意の実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましい、または利点を有すると解釈されるべきではない。同様に、「実施形態」という用語は、全ての実施形態が、論述される動作の特徴、利点、またはモードを含むことを要求しない。
【００１７】
[0026]  本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであって、実施形態の限定であることを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、コンテキスト（context）がそうではないと明確に示していない限り、複数形も含むように意図される。「備える」、「備えている」、「含む」、および／または「含んでいる」という用語は、本明細書で使用されるとき、記載される特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／またはそれらのグループの存在または追加を妨げないことはさらに理解されるだろう。
【００１８】
[0027]  典型的な実施形態は、フェリ磁性の希土類遷移金属合金（すなわち「ＲＥ−ＴＭ合金」、または「ＲＥ−ＴＭ組成」）を利用する形成で磁気トンネル接合の中の従来のフリー層およびピンド層構造と関連する問題を打開する（overcome）。一般的に、典型的な実施形態は、ＭＴＪのフリーおよびピンド層の形成において希土類（ＲＥ）および遷移金属（ＴＭ）材料の組成を制御することが上記に論述された従来のフリーおよびピンド層の多数の欠点を打開することができることを認識する。本明細書で使用される場合、「ＲＥ−ｒｉｃｈ」という用語は、ＲＥ−ＴＭ合金の中のＲＥ材料のサブラティスモーメントがＲＥ−ＴＭ合金の中のＴＭ材料のそれより大きいことを伝える。言い換えれば、「ＲＥ−ｒｉｃｈ」は、ＲＥ−ＴＭ合金の正味モーメントまたは磁化がＲＥ組成の磁気モーメントによって占められていることを示す。「ＲＥ−ｒｉｃｈ」という用語は、必ずしもＲＥ材料の（例えば、重さ、ボリューム、量、等による）含有量（content）がＲＥ−ＴＭ合金の中のＴＭ材料の含有量より高いことを伝えるわけではない。同様に、「ＴＭ−ｒｉｃｈ」という用語は、ＲＥ−ＴＭ合金の中のＴＭ材料のサブラティスモーメントがＲＥ−ＴＭ合金の中のＲＥ材料のそれより大きいことを伝える。言い換えれば、「ＴＭ−ｒｉｃｈ」は、ＲＥ−ＴＭ合金の正味モーメントまたは磁化がＴＭ組成の磁気モーメントによって占められていることを示す。「ＴＭ−ｒｉｃｈ」という用語は、必ずしもＴＭ材料の（例えば、重さ、ボリューム、量、等による）含有量がＲＥ−ＴＭ合金の中のＲＥ材料の含有量より高いことを伝えるわけではない。
【００１９】
[0028]  具体的には、典型的なフリー層に関して、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ合金を持つ、ＲＥ−ｒｉｃｈ組成（a RE-rich composition, with a RE-rich RE-TM alloys）は、動作温度（operating temperature）で高い飽和保磁力（Ｈｃ）をもたらすことができ、それは、ＭＴＪセルの中に記憶された値の良好な保持（good retention）をもたらすと考えられる。ＲＥ−ｒｉｃｈ組成は、ＴＭ元素（TM elements）からのコントリビューション（contribution）を相殺すること（balancing out）に基づいて全体に低い磁気モーメント（low magnetic moment）または飽和磁化（Ｍｓ）をもたらす。よって、ＧｄＦｅＣｏ、ＧｄＣｏ、またはＧｄＦｅのような、ＲＥ−ＴＭ合金またはフリー層を持つ、ＲＥ−ｒｉｃｈ組成は、高い磁気異方性（Ｋｕ）、（低い電流密度（Ｊｃ）も暗示する）低いＭｓ、ならびに高い飽和保磁力（Ｈｃ）をもたらす。
【００２０】
[0029]  同様に、典型的なピンド層は、ＲＥ−ｒｉｃｈ組成であるＲＥ−ＴＭ合金から形成されることができ、よって高いＨｃ、高いＫｕ、および低いＭｓの特徴を表示する。典型的なピンド層の形成で使用されることができるそのような材料は、ＴｂＦｅＣｏまたはＴｂＦｅを含むことができる。したがって、典型的な実施形態は、典型的なピンド層の正味Ｍｓがほとんどゼロ、またはゼロに等しいように維持することの望ましい特徴を表示する。
【００２１】
[0030]  いくつかの態様では、典型的な実施形態はまた、Ｍｓを制御するためにピンド層に挿入された薄ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、Ｆｅ、またはＦｅベースの合金層を備える。さらに、少ない薄Ｔａ層またはドーピング元素（doping elements）（例えば、ホウ素（Ｂ））は、結晶化温度を高めるためにピンド層に挿入されることができる。
【００２２】
[0031]  さらに、いくつかの態様では、ＭＴＪセルは、ほとんどゼロの、またはゼロに等しい正味Ｍｓを提供するために設計されるフリー層およびピンド層構造で形成されることができる。例えば、典型的な垂直ＭＴＪセルは、ＲＥ−ｒｉｃｈであるＲＥ−ＴＭ組成から形成されるフリー層、および２つのセグメント−ＴＭ−ｒｉｃｈであり、よって高いＫｕ、および高いＴＭＲを提供するように構成されるトップセグメント（すなわち、ピンド層をフリー層から分離する障壁層に最も近い）、ならびに高温で高いＫｕを提供するためのＲＥ−ｒｉｃｈであるボトムセグメント、から著しく（significantly）形成されるマルチレイヤのピンド層を備えることができ、ピンド層の全体のＭｓ（すなわち、トップＲＥ−ｒｉｃｈおよびボトムＴＭ−ｒｉｃｈセグメントを合わせて含む）をゼロに相殺する（compensate for）ことができる。いくつかの典型的な態様はまた、トップとボトムとセグメント間で層間結合層（interlayer coupling layer）を提供するためにトップとボトムセグメント間で形成される薄強磁性層（thin ferromagnetic layer）（例えば、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、Ｆｅ、またはＦｅベースの合金）層を含むことができる。
【００２３】
[0032]  図４を参照して、グラフ図は、ＲＥ−ｒｉｃｈ材料を持つ、およびＴＭ−ｒｉｃｈ材料を持つＲＥ−ＴＭのための温度の関数として飽和保磁力Ｈｃと磁化Ｍ間の関係性を提供する。ＭＴＭが、遷移金属（ＴＭ）のサブラティスモーメントを表すのに対して、ＭＲＥは、希土類（ＲＥ）のサブラティスモーメントを表す。ＭＮＥＴは、ＲＥ−ＴＭ材料の組成の正味磁化を表す。見られるように、室温（ＲＴ  ２５Ｃ）から始まって、Ｈｃは、温度がＲＥ−ｒｉｃｈ材料を持つＲＥ−ＴＭのためにおよそ８５−１０５Ｃの動作温度まで増加するにつれて上昇する。他方では、ＴＭ−ｒｉｃｈ材料を持つＲＥ−ＴＭのために、Ｈｃは、温度がキュリー温度（Ｔｃ）まで増加するにつれてゼロに向かって落ちる傾向がある。さらに、ＲＥ−ＴＭ材料のＲＥ（ＭＲＥ）とＴＭ（ＭＴＭ）間のサブラティスモーメントは、反強磁性結合である。それゆえに、ＲＥ−ＴＭ材料の正味モーメント（Ｍｎｅｔ）は、Ｔｃでゼロになることとなる。したがって、典型的な実施形態は、たとえ高温でも、ＲＥ−ＴＭ合金の組成を変えることによって典型的なＭＴＪビットセルにゼロの正味磁化を提供するように構成されることができる。
【００２４】
[0033]  図５を参照して、ＭＴＪ５０５を含む典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子が例示される。ＭＴＪ５０５は、ピンド層５１０、ＭｇＯ障壁または障壁層５２０、およびフリー層５３０を備える。より具体的には、ピンド層５１０は、ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースのマルチレイヤ５１２を含むマルチレイヤであり得る。フリー層５３０は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＧｄＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層５３２、および単一のＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤ５３４を持つ、複合層である。フリー層５３０は、高いＫｕおよび低いＭｓの上記に説明された有利な特徴を表示する。ＲＥ−ｒｉｃｈ  Ｇｄ−ＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層５３２の厚さおよび組成は、フリー層５３０のＫｕおよびＭｓを調整するためにチューニングされる（be tuned）ことができる。ＣｏＦｅＢ層５３４は、フリー層５３０のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を高めることができ、ＣｏＦｅＢ層５３４はまた、ＲＥ−ＴＭ  ＧｄＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層５３２のＴＭ元素ＦｅＣｏまたはＦｅのサブラティスモーメントを結合するためにサーブする（serves）。ＲＥ−ＴＭ  ＧｄＦｅＣｏ層を持つＣｏＦｅＢベースのフリー層５３０の正味磁化は、ＲＥサブラティスモーメントとＴＭサブラティスモーメント間の磁化補償（magnetization compensation）のためとても小さく（またはゼロに近く）なることとなる。動作温度でのＨｃは、図４のように、室温でのＨｃより高く、それはＭＴＪ５０５の良好な保持能力をもたらす。随意に、ＭＴＪ５０５はまた、ピンド層５１０がその上に形成されるシード層５５０、およびフリー層５３０のトップ上に形成されるキャップ層５４０を含み得る。
【００２５】
[0034]  図６を参照して、ＭＴＪ６０５を含む別の典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子が例示される。図５のＭＴＪ５０５に説明されたフリー層５３０と類似している、ＲＥ−ｒｉｃｈフリー層６３０に加えて、ＭＴＪ６０５もまた、ピンド層６１０を含み、それは、（例えば、ＴｂＦｅＣｏまたはＴｂＦｅでできている）ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層６１１およびＣｏＦｅＢまたはＦｅベースの挿入層６１２を備える複合ピンド層である。より具体的には、この場合も、フリー層６３０は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＧｄＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層６３２を持つ複合層であることができ、単一のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤ６３４を備え得る。フリー層６３０は、高いＫｕおよび低いＭｓの上記に説明された有利な特徴を表示する。
【００２６】
[0035]  述べたように、ピンド層６１０は、ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースの挿入層６１２およびＲＥ−ｒｉｃｈ層６１１を持つＲＥ−ＴＭを含むマルチレイヤである。ＲＥ−ｒｉｃｈ層６１１を持つＲＥ−ＴＭは、１つ以上のアモルファス薄挿入層６１４をさらに備えることができ、ここにおいて、アモルファス薄挿入層６１４は、タンタラム（Ｔａ）、タンタラム（ＴａＮ）、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化物（ＴｉＮ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの任意の組み合わせのうちの１つ以上の層を備えることができる。これらのアモルファス薄挿入層６１４は、ピンド層６１０の微細構造のためにほぼ＞４００Ｃのオーダーで結晶化温度Ｔｃを有利に高め得る。
【００２７】
[0036]  図６を続けて参照して、例示されたマーカ６１６は、ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースの挿入層６１２の磁気モーメントとＲＥ−ｒｉｃｈ層６１１を持つＲＥ−ＴＭの正味モーメントの組み合わせで、ピンド層６１０の正味磁化または磁気モーメント（Ｎｅｔ−Ｍ）が、ほとんどゼロ、またはゼロに等しいことを示す。ピンド層６１０の正味モーメントをできる限りゼロに近づけるために、ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースの挿入層６１２の厚さおよび／またはＲＥ−ｒｉｃｈ層６１１を持つＲＥ−ＴＭの組成は、調整されることができる。ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースの材料の代わりに、マルチレイヤ６１２の中のＴｂＦｅＣｏを使用することも可能である。
【００２８】
[0037]  ＭｇＯ障壁層６２０は、フリー層６３０とピンド層６１０間に提供され、この場合、随意に、ＭＴＪ６０５も、ピンド層６１０がその上に形成されるシード層６５０、およびフリー層６３０のトップ上に形成されるキャップ層６４０を含み得ることもまた、留意されることとなる。
【００２９】
[0038]  図７を参照して、図６の層６１１に関するピンド層６１０の態様、のような、層の飽和保磁力Ｈｃおよび磁化のグラフ図は、ＲＥ−ＴＭ合金材料の中のＲＥ組成の関数として、例示される。ＴＭ元素の量が減少するにつれて、または言い換えれば、ＲＥ元素の組成がゼロから組成補償点（composition compensation point）（Ｃｃｏｍｐとして例示されている）に増加するにつれて、Ｈｃは、増加し、正味磁気モーメント（ＭＮＥＴ）は減少する。Ｃｃｏｍｐ点を超えて、Ｈｃは、減少し始め、ＭＮＥＴは、ＲＥ組成が増加するにつれて増加する傾向がある。よって、ＲＥ組成がゼロＭＮＥＴおよび高いＨｃのような好ましい特徴を実現するためにＣｃｏｍｐに近いように、ＲＥ−ＴＭ合金ピンド層の組成は、調整される。
【００３０】
[0039]  図８を参照して、ＭＴＪ８０５を含む別の典型的なスピントランスファ磁化反転磁気素子が例示される。この場合も、それぞれ図５−６のＭＴＪｓ５０５および６０５で説明されたフリー層５３０および６３０と類似している、フリー層８３０は、複合層である。より具体的には、この場合も、フリー層８３０は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＧｄＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層８３２を含み、単一のＣｏＦｅＢまたはＦｅベースのマルチレイヤ８３４をさらに含み得る。フリー層８３０はまた、高いＫｕおよび低いＭｓの上記に説明された有利な特徴を表示する。
【００３１】
[0040]  ピンド層８１０に関しては、正味磁化をゼロにするために、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１６から形成される第１の層およびＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭセグメントすなわち層８１４から形成される第２の層を備える相補セグメント（complementary segments）は、提供される。第１の層（ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１６）と第２の層（ＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１４）間で形成される薄ＣｏＦｅＢ、Ｆｅベースの、またはＣｏベースの層８１５は、それぞれ第１と第２の層、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１６とＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１４間で層間結合層を提供するためにサーブする。
【００３２】
[0041]  いくつかの態様では、ＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１４は、ＴＭ材料の高い含有量のため高いＫｕおよび高いＴＭＲの特徴を有し、一方ＲＥ−ｒｉｃｈ層８１６は、高温で高いＫｕの特徴を表示し、ピンド層８１０の全体のＭｓをゼロにかなり近づけるために、ＴＭ−ｒｉｃｈ層８１４の反対磁化（opposite magnetization）を相殺する（compensate for）。ＴｂＦｅＣｏまたはＴｂＦｅは、ＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１４もＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１６も形成するために使用されることができる。ＣｏＦｅＢまたはＦｅベースのマルチレイヤ８１２はまた、ＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層８１４のトップ上に提供されることができる。ＭｇＯ障壁層８２０が、フリー層８３０とピンド層８１０間に提供され、この場合、随意に、ＭＴＪ８０５もまた、ピンド層８１０がその上に形成されるシード層８５０、およびフリー層８３０のトップ上に形成されるキャップ層８４０を含み得ることもまた、留意されることとなる。
【００３３】
[0042]  実施形態が、本明細書で開示される処理、関数、および／またはアルゴリズムを実行するための様々な方法を含むことが理解されるだろう。例えば、図９に例示されているように、実施形態は、垂直ＳＴＴ−ＭＲＡＭまたは典型的な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成する方法を含むことができ、方法は、ピンド層を形成すること−ブロック９０２−ここにおいて、ピンド層は、単一の層または複合ピンド層（例えば、ピンド層８１０）であり得る、を備える。したがって、ブロック９０２は、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層（例えば、８１６）を形成すること−ブロック９０４、薄ＣｏＦｅＢ、Ｆｅベース、またはＣｏベースの結合層（例えば、８１５）を形成すること−ブロック９０６、結合層（８１５）がＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層（８１６）とＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層（８１４）間で形成されるようなＴＭ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層（例えば、８１４）を形成すること−ブロック９０８に関連する随意的なサブブロックをさらに備え得る。
【００３４】
[0043]  一旦、単一のまたは複合のピンド層が（上記のブロック９０４−９０８をさらに備え得る）ブロック９０２で形成されると、方法は、ピンド層上で１つ以上のＣｏＦｅＢまたはＦｅベースのマルチレイヤ（例えば、８１２）を形成すること−ブロック９１０、およびＣｏＦｅＢまたはＦｅベースのマルチレイヤ（８１２）上でトンネリング障壁またはＭｇＯ層（例えば、８２０）を形成することを備えることができる。点線によって示されているように、いくつかの代替の態様では、ブロック９０６−９０８は、省略されることができ、ここにおいて、一旦、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ層がブロック９０４で形成されると、方法は、ブロック９１０に直接進み得ることもまた、留意されることとなる。
【００３５】
[0044]  方法は、複合フリー層（例えば、８３０）を形成すること−ブロック９１４をさらに備えることができる。ブロック９１４はまた、トンネル障壁層上にＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤ（例えば、８３４）を形成すること−ブロック９１６、およびＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢベースのマルチレイヤ上にＲＥ−ｒｉｃｈ  ＲＥ−ＴＭ（例えば、ＲＥ−ｒｉｃｈ  ＧｄＦｅＣｏまたはＧｄＦｅ層８３２）を形成すること−ブロック９１８を加えて備え得る。
【００３６】
[0045]  当業者は、情報および信号は、多様な異なる技術および技法のいずれを使用しても表される得ることを理解するだろう。例えば、上記の説明全体にわたって参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場または磁気粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組み合わせによって表わされ得る。
【００３７】
[0046]  さらに、当業者は、本明細書に開示された実施形態に関連して説明された様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはそれら両方の組み合わせとしてインプリメントされ得ることを理解するだろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に例示するために、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、一般にそれらの機能の観点から上記に説明されている。そのような機能が、ハードウェアとしてインプリメントされるか、あるいはソフトウェアとしてインプリメントされるかは、特定のアプリケーションおよび全体のシステムに課せられる設計制約に依存する。当業者は、説明された機能を特定のアプリケーションごとに様々な方法でインプリメントし得るが、そのようなインプリメンテーションの決定は、本発明の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
【００３８】
[0047]  本明細書に開示された実施形態に関連して説明された方法、シーケンスおよび／またはアルゴリズムは、ハードウェアで、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで、またはそれら２つの組み合わせで、直接的に具現化され得る。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）メモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または当該技術分野において既知の記憶媒体の任意の他の形態に存在し得る。典型的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替では、記憶媒体は、プロセッサと一体化され得る。
【００３９】
[0048]  したがって、本発明の実施形態は、ＲＥおよびＴＭ材料の組み合わせで垂直ＳＴＴ−ＭＲＡＭを形成するための方法を具現化するコンピュータ可読媒体を含むことができる。したがって、本発明は、例示された例に限定されず、本明細書に説明された機能を実行するためのあらゆる手段が本発明の実施形態に含まれる。
【００４０】
[0049]  先の開示は本発明の例示的な実施形態を示すが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正が本明細書においてなされ得ることに留意されたい。本明細書に説明された本発明の実施形態にしたがって方法の請求項の機能、ステップ、および／またはアクションは、任意の特定の順序で実施される必要はない。さらに、本発明の要素は、単数形で説明または特許請求され得るが、単数形への限定が明記されていない限り、複数形が考慮される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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