(57)【要約】  磁気トンネル接合積層体が提供される。この磁気トンネル接合積層体は、自由層と偏極子層との間の非磁性スペーサ層であって、自由層に作用するスピントルクを均衡させる酸化マグネシウムおよび窒化タンタル材料から形成される非磁性スペーサ層を備える。提供されるこの設計は、記憶層の確定的な最終的状態を可能にすると共に、トンネル磁気抵抗値と、ＭＲＡＭ用途用の磁気トンネル接合のスイッチング特性とを顕著に改善する。
2017532752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層であって、窒化タンタルのキャッピング材料の層を含む非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子と、
を備える磁気装置。
【請求項２】
前記非磁性スペーサ層が酸化マグネシウムの層をさらに備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項３】
前記酸化マグネシウムの層の厚さが約０．３ナノメートルである、請求項２に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項３に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約１．０ナノメートルである、請求項４に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約５．０ナノメートルである、請求項４に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記磁気装置が直交スピントルク構造である、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記基準層および前記自由層がそれぞれＣｏＦｅＢの薄膜層を備え、その厚さはそれぞれ約２．３ナノメートルおよび１．８５ナノメートルである、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約１．０ナノメートルである、請求項９に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約３．０ナノメートルである、請求項９に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約５．０ナノメートルである、請求項９に記載の磁気装置。
【請求項１３】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、約１．０ナノメートルである、請求項３に記載の磁気装置。
【請求項１４】
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層であって、窒化タンタルのキャッピング材料の層を含む非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子と、
を備える少なくとも１つのビットセルを含むメモリアレイ。
【請求項１５】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約０．３ナノメートルの酸化マグネシウムの層をさらに備える、請求項１４に記載のメモリアレイ。
【請求項１６】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項１５に記載のメモリアレイ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのビットセルが直交スピントルク構造である、請求項１４に記載のメモリアレイ。
【請求項１８】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、請求項１４に記載のメモリアレイ。
【請求項１９】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項１８に記載のメモリアレイ。
【請求項２０】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、約１．０ナノメートルである、請求項１５に記載のメモリアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文献は、全体としてはスピントランスファトルク磁気ランダムアクセスメモリに関し、さらに具体的には、電流の極性によって確定的に規定される記憶層の最終的な磁気状態を提供する直交磁化層を備えた磁気トンネル接合層の積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｒａｎｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ」）は、磁気記憶素子を通じてデータを保存する不揮発性のメモリ技術である。これらの素子は、磁界を保持することができると共に非磁性金属などの非磁性材料又は絶縁体によって分離された２つの強磁性プレート又は電極である。一般に、プレートのうちの一方は、その磁化がピン留めされており（即ち、「基準層」である）、これは、この層が、他方の層よりも高い保磁力を有し、その磁化の向きを変化させるために、相対的に大きな磁界又はスピン偏極電流を必要とすることを意味している。第２のプレートは、通常、自由層と呼称され、その磁化方向は、基準層よりも、相対的に小さな磁界又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装置は、自由層の磁化の向きを変化させることにより、情報を保存する。特に、自由層が基準層に対して平行アライメント状態にあるのか又は反平行アライメント状態にあるのかに基づいて、「１」又は「０」をそれぞれのＭＲＡＭセル内において保存することができる。セルの電気抵抗値は、スピン偏極電子トンネル効果に起因し、２つの層の磁界の向きに従って変化する。セルの抵抗値は、平行状態及び反平行状態において異なることになり、従って、セルの抵抗値を使用することにより、「１」と「０」を弁別することができる。ＭＲＡＭ装置の１つの重要な特徴は、不揮発性メモリ装置であるという点にあり、その理由は、電源がオフされた場合にも、情報を保持するからである。２つのプレートは、横方向のサイズが１ミクロン未満であってもよく、且つ、磁化方向は、熱変動に対して依然として安定状態でありうる。
【０００４】
相対的に新しい技法であるスピントランスファートルク又はスピントランスファースイッチングは、磁気トンネル接合内における自由層の磁化の向きを変更するべく、スピンアライメント（「偏極」）電子を使用している。一般に、電子は、スピンを有し、スピンとは、その電子に固有の所定の角運動量の量子化された数値である。電流は、一般に、偏極されてはおらず、即ち、５０％のスピンアップ電子及び５０％のスピンダウン電子から構成されている。磁性層に電流を流すことにより、電子は、磁性層（即ち、偏極子）の磁化方向に対応したスピンの向きによって偏極され、これにより、スピン偏極電流が生成される。スピン偏極電流が磁気トンネル接合装置内の自由層の磁性領域に伝達された場合に、電子は、そのスピン角運動量の一部分を磁化層に伝達して自由層の磁化に対するトルクを生成することになる。従って、トルクは、自由層の磁化をスイッチングすることが可能であり、この結果、自由層が基準層に対して平行状態又は反平行状態のいずれにあるのかに基づいて、「１」又は「０」が書き込まれる。
【０００５】
図１は、従来のＭＲＡＭ装置の磁気トンネル接合（「ＭＴＪ：ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ」）積層体１００を示している。図示のように、積層体１００は、上部に堆積される層内において望ましい結晶質成長を開始するべく積層体１００の底部において提供された１つ又は複数のシード層１１０を備える。ピン層１１２が、シード層１１０の上部において配置されており、且つ、合成反強磁性層（「ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層」）１２０が、ピン層１１２の上部において配置されている。更には、ＭＴＪ１３０が、ＳＡＦ層１２０の上部において堆積されている。ＭＴＪ１３０は、基準層１３２、障壁層（即ち、絶縁体）１３４、及び自由層１３６を備える。基準層１３２は、実際には、ＳＡＦ層１２０の一部分であるが、障壁層１３４及び自由層１３６が基準層１３２上において形成される際に、ＭＴＪ１３０の強磁性プレートのうちの１つを形成することを理解されたい。合成反強磁性構造１２０内の第１磁性層は、ピン層１１２に対して交換結合され、この結果、反強磁性結合を通じて、基準層１３２の磁化が固定される。更には、非磁性スペーサ１４０が、ＭＴＪ１３０の上部において配置され、且つ、垂直偏極子１５０が、非磁性スペーサ１４０の上部において配置されている。垂直偏極子１５０は、ＭＴＪ構造１００に印加された電子の流れ（「スピンアライメント電子」）を偏極させるべく、備えられている。更には、ＭＴＪ積層体１００の下方の層を保護するべく、１つ又は複数のキャップ層１６０を垂直偏極子１５０の上部において備えてもよい。最後に、ハードマスク１７０が、キャップ層１６０上において堆積されており、これは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈ）プロセスを利用することにより、下にあるＭＴＪ構造１００の層をパターン化するべく、備えられている。
【０００６】
図1に示す積層体１００のようなＭＴＪ構造を有するＭＲＡＭ製品は、大規模なデータストレージ装置内において既に使用されている。このようなＭＴＪ構造は、記憶層（すなわち自由層）の磁化反転を瞬時に開始するために、その磁化が記憶層に直交している垂直偏極子を利用する。このような構成における１つの重要な限界は、記憶層の最終的な磁気ベクトル状態を制御できないという点である。
【０００７】
最終的な磁気ベクトル状態の制御用として提案された一解決策は、第１の電流極性に磁化反転プロセスを開始させ、第２の電流極性に、規定された磁化状態において自由層の磁化の歳差運動を停止させる方法である。しかし、この技術／設計の実施は、特に１００ピコ秒の範囲内におけるパルス制御の技術的限界のためにまだ可能ではない。さらに、従来型のＭＴＪ設計における非磁性導体層は、高いトンネル磁気抵抗値（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｖａｌｕｅ：ＴＭＲ）を得て、このようなデバイスに必要なスイッチング特性を実現するには不十分である。記憶層の最終的な磁気状態の制御用として提案された別の解決策は、基準層からのスピントルクを偏極子からのスピントルクより大きくすることである。しかし、この方式は、本質的に理論的なものに過ぎず、これまでに成功した製造例はない。
【０００８】
さらに、有効なＭＴＪ構造は大きなスイッチング電流を必要とし、それが、その商業的応用を制限する。スイッチング電流の必要サイズを制御する少なくとも２つの重要なパラメータが存在する。すなわち、自由層構造に関する有効磁化Ｍｅｆｆおよび減衰定数である。いくつかの既存の設計は、自由層構造の厚さを薄くすることによって必要なスイッチング電流を低下させようと試みてきた。このような設計は、Ｍｅｆｆを有効に低下させる磁化の垂直成分を助長するが、相当程度のＭｅｆｆの低下は、自由層が極めて薄い場合（例えば１ナノメートル）にしか生じない。しかし、このような薄い自由層は重大な結果をもたらす。例えば、（１）トンネル磁気抵抗値（ＴＭＲ）の顕著な低下、（２）熱安定性の低下、（３）自由層に関する減衰定数の増大、などである。
【０００９】
図２は、銅（Ｃｕ）の非磁性スペーサ１４０を備える従来型のＭＴＪ構造に関するＴＭＲ値とＣｏＦｅＢ自由層の厚さとの関係を示すグラフである。図から分かるように、２．３ｎｍのＣｏＦｅＢ自由層を有する従来型のＭＴＪ構造に関するＭＴＲ値は約８０％である。図に明らかなように、スイッチング電流を低下させるために自由層の厚さを低減するとＴＭＲ値が急速に低下する。例えば、ＣｏＦｅＢ自由層の厚さが１．５ｎｍになるとＴＭＲ値は９％である。さらに、１．８ｎｍの厚さのＣｏＦｅＢ自由層のデバイスの場合でさえＴＭＲ値は約３８％である。
【００１０】
これらのＴＭＲ値は、ＭＲＡＭ用途用としては全く不十分である。実際には、ＭＲＡＭの要件および仕様に適合するためには、約１２０％以上のＴＭＲ値が必要である。先行技術のＯＳＴ−ＭＴＪは、単にこの高いＴＭＲを実現し得ないだけでなく、（ｉ）自由層および偏極子の間に用いられる（例えば銅の）スペーサ層（すなわち図１の非磁性スペーサ層１４０）と、（ｉｉ）自由層の不十分な磁気特性とによって、スイッチング特性が劣っているという欠点をも有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本明細書に開示するＭＲＡＭデバイスは、ＭＴＪ構造に、大幅に改良されたＴＭＲ値と、最適化された自由層の磁気特性、特に有効磁化（Ｍｅｆｆ）値とを備えさせることによって、この先行技術の限界を克服する。このＭＴＪ構造は、直交磁化層（偏極子）を備えたＭＴＪ層の積層体を含み、この直交磁化層は、電流の極性によって確定的に規定される記憶層の最終的な磁気ベクトル状態を提供する。このＭＴＪ構造は、偏極子からのスピントルクと基準層からのスピントルクを均衡させて、確定的なスイッチング特性を実現する。
【００１２】
一実施形態によれば、本明細書に開示するＭＴＪ構造は、自由層に作用するスピントルクを均衡させる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および窒化タンタル（ＴａＮ）材料からなる非磁性スペーサ層（記憶／自由層と偏極子層の間に位置する）を備える。窒化タンタル層は、低抵抗のアルファ相結晶構造を有する。この構成によって、記憶層に関する確定的な最終的状態が可能になり、ＭＲＡＭ用途用のＭＴＪのＴＭＲおよびスイッチング特性が大幅に改善される。
【００１３】
さらに具体的に、例示的一実施形態は、基準層を含む反強磁性構造と、その基準層の上に配置される障壁層と、その障壁層の上に配置される自由層と、その自由層の上に配置される非磁性スペーサ層であって、窒化タンタルのキャッピング材料の層を含む非磁性スペーサ層と、その非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子とを備える磁気装置を提供する。
【００１４】
別の実施形態においては、前記非磁性スペーサ層が酸化マグネシウムの層をさらに含む。
【００１５】
さらに別の実施形態においては、前記酸化マグネシウムの層の厚さが約０．３ナノメートルである。
【００１６】
さらに別の実施形態においては、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである。
【００１７】
さらに別の実施形態においては、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約１．０ナノメートルである。
【００１８】
さらに別の実施形態においては、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約５．０ナノメートルである。
【００１９】
さらに別の実施形態においては、前記磁気装置が直交スピントランスファトルク構造である。
【００２０】
さらに別の実施形態においては、前記基準層および前記自由層が、それぞれ、約２．３ナノメートルおよび１．８５ナノメートルの厚さのＣｏＦｅＢ薄膜層を含む。
【００２１】
さらに別の実施形態においては、前記非磁性スペーサ層が約５．０ナノメートルの厚さの銅の層を含み、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さは約１．０〜５．０ナノメートルである。
【００２２】
さらに別の実施形態においては、前記非磁性スペーサ層が約１０ナノメートルの厚さの銅の層をさらに含み、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さは約１．０ナノメートルである。
【００２３】
さらに別の実施形態においては、例示的な磁気装置がメモリアレイのビットセルを形成する。
【００２４】
本明細書の一部分として含まれている添付図面は、現時点において好適な実施形態を示しており、且つ、上述の概略説明及び後述される詳細説明と共に、本明細書において記述されているＭＴＪ装置の原理を説明及び教示するべく機能する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＭＲＡＭ装置用の従来のＭＴＪ積層体を示す。
【図２】図２は、銅の非磁性スペーサを備える従来型のＭＴＪ構造に関するＴＭＲ値とＣｏＦｅＢ自由層の厚さとの関係を表すグラフを示す。
【図３】本明細書に記述されている新しいＭＴＪ層積層体の例示用の一実施形態によるＭＴＪ層積層体を示す。
【図４】図４は、従来型設計に関する磁気特性を、ＭｇＯ／ＴａＮスペーサ上に堆積された偏極子を有する本明細書に開示のＭＴＪ構造の例示的実施形態と比較したグラフを示す。
【図５】図５は、従来型設計の自由層の保磁力を、ＭｇＯおよびＴａＮからなる非磁性スペーサを有する本明細書に開示のＭＴＪ構造の例示的実施形態と比較したグラフを示す。
【図６】図６は、従来型設計の自由層の保磁力を、ＭｇＯおよびＴａＮからなる非磁性スペーサを有する本明細書に開示のＭＴＪ構造の例示的実施形態と比較したグラフを示す。
【図７】図７は、従来型のＭＴＪ構造に関するＴＭＲ値を、本明細書に開示のＭＴＪ構造の例示的実施形態のそれと比較したグラフを示す。
【図８】図８は、本明細書に開示のＭＴＪ構造の例示的実施形態による、ＴａＮの厚さが変化した場合のＴＭＲ値を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは、偏極子を備えないＭＴＪデバイスに関するスイッチング挙動を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、偏極子を備えるＭＴＪデバイスに関するスイッチング挙動を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
添付されている図は、必ずしも、縮尺が正確ではなく、且つ、類似の構造又は機能の要素が、一般に、図の全体を通じて、例示を目的として、同一の参照符号によって表されている。これらの図は、本明細書において記述されている様々な実施形態の説明を促進することを意図したものに過ぎず、これらの図は、本明細書において開示されている教示のすべての側面を表したものではなく、且つ、請求項の範囲を限定するものでもない。
【００２７】
本明細書には、磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）層積層体が開示されている。本明細書において開示されている特徴及び教示のそれぞれは、別個に、或いは、その他の特徴及び教示との関連において利用することができる。添付図面を参照し、これらの更なる特徴及び教示の多くを別個に且つ組合せにおいて利用した代表的な例について更に詳細に説明する。この詳細な説明は、本教示の好適な態様を実施するための更なる詳細について当業者に教示することを意図したものに過ぎず、且つ、請求項の範囲の限定を意図したものではない。従って、以下の詳細な説明において開示されている特徴の組合せは、教示を最も広範な意味において実施するべく必要とされない場合があり、且つ、その代わりに、本教示の特に代表的な例を記述するべく、教示されるものに過ぎない。
【００２８】
以下の記述においては、本明細書において記述されているＭＴＪ構造の十分な理解を提供するべく、特定の用語法を使用しているが、これは、説明を目的としたものに過ぎない。但し、これらの具体的な詳細は、例示を目的としたものに過ぎないことが当業者には明らかであろう。
【００２９】
本教示の更なる有用な実施形態を提供するべく、代表的な例及び従属請求項の様々な特徴を具体的且つ明示的に列挙されてはいない方式によって組み合わせてもよい。又、エンティティのグループのすべての値の範囲及び表示は、オリジナルの開示を目的としてのみならず、特許請求されている主題を限定することを目的として、すべての可能な中間値又は中間エンティティを開示していることを特別に強調しておきたい。又、図面に示されているコンポーネントの寸法及び形状は、例において示されている寸法及び形状の限定を意図したものではなく、本教示が実施される方法の理解を支援するように設計されていることについても特別に強調しておきたい。
【００３０】
本明細書に開示するＭＴＪ構造は、電流の極性によって確定的に規定される記憶層の最終的な磁気ベクトル状態を提供する直交磁化層（偏極子）を備えたＭＴＪ層の積層体を含む。このＭＴＪ構造は、偏極子および基準層からのスピントルクを均衡させて、確定的なスイッチング特性を実現する。以下に詳述するように、このＭＴＪ構造は、自由層に作用するスピントルクを均衡させるＭｇＯおよびＴａＮ材料からなるいくつかの非磁性スペーサ層（貯蔵／自由層と偏極子層の間に位置する）を備える。この設計によって、記憶層に関する確定的な最終的状態が可能になり、ＭＲＡＭ用途用のＭＴＪのＴＭＲおよびスイッチング特性が大幅に改善される。
【００３１】
特に図３を参照すると、例示的な一実施形態によるＭＴＪ層の積層体２００が示されている。ＭＴＪ積層体２００は、図１に示すＭＴＪ積層体１００の改良型である。図解目的のため、ＭＴＪ積層体２００の各層はｘ、ｙ平面内に形成され、それぞれがｚ方向の厚さを有する。
【００３２】
ＭＴＪ積層体２００は、上方に堆積される層（後述される）内において望ましい結晶質成長を開始するべく積層体２００の底部において提供された１つ又は複数のシード層２１０を備える。例示用の実施形態においては、シード層２１０は、タンタルの３ｎｍの層、窒化銅の４０ｎｍの層、及びタンタルの５ｎｍの層を含むように、３Ｔａ／４０Ｃｕｎ／５Ｔａラミネートであってもよい（本明細書において使用される「スラッシュ」／は、ラミネートされた構造の底部から始まっている各層が、「スラッシュ」／の左側から始まっていることを示している）。
【００３３】
シード層２１０の上方には、ピン層２１２と、合成反強磁性（「ＳＡＦ」）構造２２０と、が存在している。例示用の一実施形態によれば、ピン層２１２は、好ましくは約２２ｎｍの厚さを有するプラチナマンガンＰｔＭｎ合金である。この例示用の実施形態においては、ＳＡＦ構造２２０は、層２２２、層２２４、及び基準層２３２という３つの層から構成されている（後述される）。好ましくは、層２２２は、好ましくは約２．１ｎｍの厚さを有するコバルト鉄合金であり、且つ、層２２４は、好ましくは約０．９０ｎｍの厚さを有するルテニウム金属である。
【００３４】
ＳＡＦ構造２２０の頂部にＭＴＪ構造２３０が形成される。ＭＴＪ構造２３０は、３個の別個の層、すなわち、ＳＡＦ構造２２０内に形成される基準層２３２と、障壁層２３４と、自由層２３６と、を備える。この例示的実施形態においては、基準層２３２および自由層２３６はコバルト−鉄−ホウ素（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）合金の薄膜であり、その場合、ＣｏＦｅＢ基準層２３２の厚さは約２．３ｎｍであり、ＣｏＦｅＢ自由層２３６の厚さは約１．８５ｎｍである。被ピン止め層２２２とピン止め層２１２との間の中間層の電子交換結合が、被ピン止め層２２２の磁化を前記の固定方向にピン止めする。基準層２３２の磁化は、合成反強磁性結合によって、ルテニウム層２２４を介して被ピン止め層２２２に固定される。さらに、この例示的実施形態においては、障壁層２３４が酸化マグネシウムＭｇＯから形成される。図示のように、ＭｇＯ障壁層２３４は、基準層２３２と自由層２３６との間に配置され、この２層の間のトンネル障壁として機能する。ＭｇＯ障壁層２３４の厚さは約１．０２ｎｍであることが好ましい。また、ＭｇＯ障壁層２３４の厚さは、それを通る電流を、スピン偏極電子の量子力学的トンネル効果によって確立できるように十分に薄いことが好ましい。
【００３５】
ＭＴＪ構造に関しては、従来、図１について前述したように、銅（Ｃｕ）の非磁性スペーサが自由層の上に配置される。上記の例示的実施形態においては、ＭＴＪ積層体２００は、自由層２３６の上に配置される非磁性スペーサ２４０であって、好ましくは０．３ｎｍ層の薄いＭｇＯ層２４２と、そのＭｇＯ層２４２の頂部の窒化タンタルＴａＮキャッピング材料の層２４４とから構成される非磁性スペーサ２４０を備える。この例示的実施形態においては、ＴａＮキャッピング材料の厚さは１．０〜５．０ｎｍである。ＭｇＯ層２４２およびＴａＮ層２４４の所望の厚さは、製造方法によって若干変化し得ることが当業者には理解されるべきである。
【００３６】
さらに、この例示的実施形態によれば、最初のスピントランスファトルクを実現するために、自由層２３６に垂直に磁化されるスピン偏極層を用いる直交スピントルク構造が記述されている。図示のように、ＭＴＪ積層体２００は、非磁性スペーサ２４０の上に配置される偏極子２５０を備える。偏極子２５０は、ＭＴＪ積層体２００に印加される電子の流れ（「スピン整列電子（ｓｐｉｎ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）」）を偏極するために設けられ、そして、偏極子２５０は、ＭＴＪ積層体２００の自由層２３６における磁化の向きを、自由層２３６の磁化の方向に垂直な角運動量を有する偏極電子から自由層２３６に付与されるトルクによって変えることを補助できる。さらに、偏極子２５０をＭＴＪ構造２３０から磁気的に絶縁するために、非磁性スペーサ２４０が設けられる。
【００３７】
この例示的実施形態においては、偏極子２５０は２つのラミネート層２５２、２５４から構成される。第１層２５２は、０．３Ｃｏ／［０．６Ｎｉ／０．０９Ｃｏ］×３のラミネート層、第２層２５４は、０．２１Ｃｏ／［０．９Ｐｄ／０．３Ｃｏ］×６から構成されるラミネート層であることが好ましい。
【００３８】
さらに、図３に示されるように、ＭＴＪ積層体２００の下部の層を保護するために、偏極子２５０の頂部に、１つ以上のキャッピング層２６０が設けられる。この例示的実施形態においては、キャッピング層２６０は、第１ラミネート層２６２、好ましくは５ｎｍのＴａＮ層と、第２ラミネート層２６４、好ましくは７ｎｍのＲｕ層とから構成できる。
【００３９】
ハードマスク２７０が、キャップ層２６０上において堆積されており、これは、例えば、タンタルＴａなどの金属を有してもよいが、この代わりに、ハードマスク２７０は、その他の金属を有してもよい。好ましくは、Ｔａハードマスク２７０は、約７０ｎｍの厚さを有する。ハードマスク２７０は、開口されるか又はパターン化されており、且つ、例えば、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用することにより、ＭＴＪ積層体２００の基礎をなす層をパターン化するべく、提供されている。
【００４０】
前記のように、この例示的実施形態のＭＴＪ積層体２００の特徴は、自由層２３６の上に配置される非磁性スペーサ２４０であって、薄いＭｇＯ層２４２と、そのＭｇＯ層２４２の頂部の窒化タンタルＴａＮキャッピング材料の薄い層２４４とから構成される非磁性スペーサ２４０の堆積である。従来は、ＭＴＪ構造の自由層の上に配置される非磁性スペーサ用として、別の材料、例えば銅（Ｃｕ）が用いられていた。しかし、このような従来型の設計は、最適運転に要求されるスイッチング電流を低減しながら、ＭＴＪ構造の自由層の性能パラメータを改良することに失敗している。
【００４１】
試験を実施して、本明細書に記述するＭＴＪ構造の性能パラメータを、先行技術の従来型設計の構成と比較した。図４は、偏極子を銅スペーサの上に堆積した場合と、例示的一実施形態に従って偏極子をＭｇＯ／ＴａＮスペーサの上に堆積した場合との磁気特性を比較するグラフである。図から分かるように、０．３ｎｍＭｇＯ／１０ｎｍ銅スペーサの上に堆積された垂直偏極子を備える従来型設計は不十分な偏極子磁気特性しか有していないのに対して、０．３ｎｍＭｇＯ／５．０ＴａＮスペーサの上に堆積された偏極子を有する本明細書に開示の設計の場合は、偏極子保磁力が大幅に改善されており、さらに、ヒステリシスループは、０．３ｎｍＭｇＯ／５．０ＴａＮスペーサの上に堆積された偏極子がより高くかつより明確な垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ：ＰＭＡ）を呈することを示している。
【００４２】
同様に、図５および図６は、従来型設計の自由層の保磁力を、ＭｇＯおよびＴａＮから構成される非磁性スペーサを有する本明細書に開示の設計と比較したグラフを示す。図５から分かるように、飽和磁化（ＭＳ）は、本例示的実施形態の設計の場合、１０ｎｍ銅スペーサが自由層の上に配置された非磁性スペーサを有する従来型設計と比較すると大幅に低下している。図６は、同様に、ＭＴＪ特性が改善されたＭｇＯ／ＴａＮ非磁性スペーサを有する設計を示す。
【００４３】
図７は、従来型のＭＴＪ構造に関するＴＭＲ値を、本明細書に開示するＭＴＪ構造の例示的実施形態のそれと比較したグラフを示す。この図では、１．５ｎｍ、１．８ｎｍまたは２．３ｎｍの厚さの銅（Ｃｕ）の非磁性スペーサを備える従来型ＭＴＪ構造に関する図２の実例と、約１．８ｎｍの厚さのＭｇＯ／ＴａＮ非磁性スペーサを有する本例示的実施形態の設計と、を比較している。すぐ分かるように、図７は、従来型設計の場合の約３８％のＴＭＲから、本例示的実施形態の場合の約１６０％のＴＭＲへのＴＭＲにおける大幅な改善（約４倍）を示している。本例示的実施形態においては、非磁性スペーサのＭｇＯ層の厚さは、それが、ＣｏＦｅＢ自由層との所要の界面を提供するが全ＭＴＪ抵抗を増大しないように、１０オングストローム未満、好ましくは５オングストローム未満である。
【００４４】
図８は、本例示的実施形態による、ＴａＮの厚さが変化した場合のＴＭＲ値を示すグラフである。ＴａＮはスピン拡散層であるので、ＭＴＪ設計者は、偏極子から生じる本例示的設計のスピントルクを、ＴａＮの厚さを調整することによって、例えば１ｎｍ〜２ｎｍから５ｎｍに調整することによって調整できる。有利には、図８は、非磁性スペーサのＴａＮ層の厚さの範囲を調整することによって、ＴＭＲ値に影響を及ぼすことなく偏極子のスピントルクを有利に調整できることを示している。
【００４５】
表１は、先行技術のＯＳＴ−ＭＴＪ設計と、本例示的実施形態のＭＴＪ設計との性能パラメータを比較する。特に、表１は、従来型ＭＴＪ構造の場合の１０ｎｍ銅非磁性スペーサと、本明細書に記述の例示的実施形態による、自由層２３６の上に堆積された本発明のＭｇＯ／ＴａＮ非磁性スペーサの構造との間の性能パラメータの比較を示す。また、表１は、０．３ｎｍの厚さのＭｇＯ層２４２と、１．０ｎｍ、２．０ｎｍまたは５．０ｎｍのいずれかの厚さのＴａＮ層２４４とに関するデータを示す。
【００４６】
【表１】
2017532752.tif 000003
【００４７】
表１から分かるように、本例示的実施形態によって、ＭＴＪ構造に関する重要な特性における大幅な改善が実現される。例えば、飽和磁化（ＭＳ）は大幅に約４０％低下し、有効磁化Ｍｅｆｆ（すなわち面内磁化）は３５％を超えて低減され、減衰定数は５０％を超えて低減されている。さらに、表１は、自由層の特性が、ＴａＮ層２４４の厚さとは無関係であることを示している。特に、ＴＭＲは、ＴａＮ層の厚さが１．０ｎｍ、２．０ｎｍまたは５．０ｎｍのいずれかである場合、１６２％〜１６３％である。その結果、前記のように、本例示的実施形態は、偏極子のスピントルクの調整を、ＭＴＪ構造の自由層の特性とＴＭＲ値とに影響を及ぼすことなく有利に容易にする。
【００４８】
図９Ａは、偏極子を備えないＭＴＪデバイスに関するスイッチング挙動を示す。これに対し、図９Ｂは、偏極子を備えるＭＴＪデバイスに関する同じデータを示す。図９Ｂに示すようにスイッチングは確定的であり、これは、図９Ａの共線の場合と同様に、正負の極性が最終的な磁化の状態を設定することを意味する。
【００４９】
表２は、本明細書の開示の別のいくつかの実施形態の性能パラメータの比較を示す。これらの構造のそれぞれは、その設計が図３に示されるＭＴＪ構造に類似しているが、自由層２３６の上に配置される非磁性スペーサに対する変形態を備えている。特に、表２の最後の４列は、非磁性スペーサ２４０の層の変形態を備えたＭＴＪ特性を示しており、その変形態は、（ｉ）１ｎｍＴａＮ／５ｎｍＣｕスペーサと、（ｉｉ）３ｎｍＴａＮ／５ｎｍＣｕスペーサと、（ｉｉｉ）５ｎｍＴａＮ／５ｎｍＣｕスペーサと、（ｉｖ）０．３ＭｇＯ／２．０ｎｍＴａＮ／１０ｎｍＣｕスペーサとを含む。また、これらの構造は、ＭＴＪ構造の反強磁性焼きなまし温度を３５０℃〜４００℃に拡大する。
【００５０】
【表２】
2017532752.tif 000004
【００５１】
これらの各例示的設計を、１０ｎｍの銅の層の非磁性スペーサを有する従来型のＭＴＪ構造（例えば表１参照）と比較すると、これらの別の設計のＭＴＪ特性が改良されていることが理解されるべきである。特に、これらの各設計は、飽和磁化（ＭＳ）の低下と、有効磁化Ｍｅｆｆ（すなわち面内磁化）の低減と、減衰定数の低減とを達成している。さらに、ＴＭＲ値は、前記のように従来型設計より大幅に高い値を維持している。
【００５２】
前記のように、本開示は、自由層と偏極子との間のスペーサ構造であって、自由層の上に作用する偏極子のスピントルクの調整を容易にするスペーサ構造を備えるＭＴＪ構造を提供する。さらに、この例示的ＭＴＪ構造は、基準層のスピントルクを最大化して、次の各項を促進する。すなわち、（ｉ）自由層の有効磁化（Ｍｅｆｆ）の低減と、（ｉｉ）減衰定数の低減と、（ｉｉｉ）磁気的に死んだ層を除去するための自由層との界面の敏感さと、（ｉｖ）より薄いＣｏＦｅＢ層によるＴＭＲ比の上昇とを促進し、および／または、（ｖ）全ＭＴＪ構造の抵抗を大幅に増大させることはない。その結果、高いＴＭＲと、低い減衰定数と、自由層に関する低い有効磁化とを組み合わせることによって、低いスイッチング電流と、急速な磁化反転プロセスとが実現され、しかもその場合、高いＭＳ（またはＭＳ／Ｍｅｆｆ比）を有することによる高い熱安定性が維持されるのである。さらに、このＭＴＪ構造は、電流の極性によって規定される記憶層の磁化方向を提供する。
【００５３】
さらに、図３に示すＭＴＪ積層体２００のすべての層を、薄膜スパッタ堆積システムによって形成し得ることが考えられるが、これは、当業者が認めるところであろう。薄膜スパッタ堆積システムは、必要ないくつかの物理蒸着（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）チャンバを備えることができ、そのチャンバは、それぞれ、１つ以上のターゲットと、１つの酸化チャンバと、１つのスパッタ清浄化チャンバとを有する。スパッタ堆積プロセスは超高真空の下でのスパッタガス（例えば、酸素、アルゴンなど）を含み、ターゲットは、基板上の被堆積金属または金属合金から作製できる。
【００５４】
さらに、（図３に示す）複数のＭＴＪ積層体２００を製造して、ＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスのそれぞれのビットセルとして提供できることが当業者には理解されるべきである。換言すれば、各ＭＴＪ積層体２００は、複数のビットセルを有するメモリアレイ用のビットセルとして実装される。
【００５５】
上述の説明及び図面は、本明細書において記述されている特徴及び利点を実現する特定の実施形態の例示に過ぎないものと見なされたい。特定のプロセス条件に対する変更及び置換を実施することができる。従って、本特許文献における実施形態は、上述の説明及び図面によって限定されるものと見なしてはならない。
【図１】
2017532752.tif 000005
【図２】
2017532752.tif 000006
【図３】
2017532752.tif 000007
【図４】
2017532752.tif 000008
【図５】
2017532752.tif 000009
【図６】
2017532752.tif 000010
【図７】
2017532752.tif 000011
【図８】
2017532752.tif 000012
【図９Ａ】
2017532752.tif 000013
【図９Ｂ】
2017532752.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月29日(2017.3.29)
【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】
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層であって、当該自由層は、自由層磁化方向を有し、前記基準層と、前記障壁層と、当該自由層と、は磁気トンネル接合を形成している、自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子であって、前記自由層磁化方向と垂直な磁化方向を有する、偏極子と、
を備え、
前記非磁性スペーサ層は、前記磁気トンネル接合の前記自由層と前記偏極子との間に配置され、
前記非磁性スペーサ層は、前記自由層上の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄い層と、前記ＭｇＯの薄い層上の窒化タンタル（ＴａＮ）のキャッピング材料の層と、を備える、磁気装置。
【請求項２】
前記酸化マグネシウムの薄い層の厚さが０．３ナノメートルである、請求項１に記載の磁気装置。
【請求項３】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項２に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０ナノメートルである、請求項３に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが５．０ナノメートルである、請求項３に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記磁気装置が直交スピントルク構造である、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記基準層および前記自由層がそれぞれＣｏＦｅＢの薄膜層を備える、その厚さはそれぞれ２．３ナノメートルおよび１．８５ナノメートルである、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０ナノメートルである、請求項８に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが３．０ナノメートルである、請求項８に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが５．０ナノメートルである、請求項８に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、１．０ナノメートルである、請求項２に記載の磁気装置。
【請求項１３】
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層であって、当該自由層は、自由層磁化方向を有し、前記基準層と、前記障壁層と、当該自由層と、は磁気トンネル接合を形成している、自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサの上に配置される偏極子であって、前記自由層磁化方向と垂直な磁化方向を有する、偏極子と、
を備え、
前記非磁性スペーサ層は、前記磁気トンネル接合の前記自由層と前記偏極子との間に配置され、
前記非磁性スペーサ層は、前記自由層上の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄い層と、前記ＭｇＯの薄い層上の窒化タンタル（ＴａＮ）のキャッピング材料の層と、を備える、
少なくとも１つのビットセルを含むメモリアレイ。
【請求項１４】
前記酸化マグネシウムの薄い層の厚さが０．３ナノメートルである、請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１５】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項１４に記載のメモリアレイ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのビットセルが直交スピントルク構造である、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のメモリアレイ。
【請求項１７】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、請求項１３から１６のいずれか一項に記載のメモリアレイ。
【請求項１８】
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、請求項１７に記載のメモリアレイ。
【請求項１９】
前記非磁性スペーサ層が、厚さ１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、１．０ナノメートルである、請求項１４に記載のメモリアレイ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
上述の説明及び図面は、本明細書において記述されている特徴及び利点を実現する特定の実施形態の例示に過ぎないものと見なされたい。特定のプロセス条件に対する変更及び置換を実施することができる。従って、本特許文献における実施形態は、上述の説明及び図面によって限定されるものと見なしてはならない。
「以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層であって、窒化タンタルのキャッピング材料の層を含む非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子と、
を備える磁気装置。
（項目２）
前記非磁性スペーサ層が酸化マグネシウムの層をさらに備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目３）
前記酸化マグネシウムの層の厚さが約０．３ナノメートルである、項目２に記載の磁気装置。
（項目４）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、項目３に記載の磁気装置。
（項目５）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約１．０ナノメートルである、項目４に記載の磁気装置。
（項目６）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約５．０ナノメートルである、項目４に記載の磁気装置。
（項目７）
前記磁気装置が直交スピントルク構造である、項目１に記載の磁気装置。
（項目８）
前記基準層および前記自由層がそれぞれＣｏＦｅＢの薄膜層を備え、その厚さはそれぞれ約２．３ナノメートルおよび１．８５ナノメートルである、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目９）
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、項目１に記載の磁気装置。
（項目１０）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約１．０ナノメートルである、項目９に記載の磁気装置。
（項目１１）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約３．０ナノメートルである、項目９に記載の磁気装置。
（項目１２）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが約５．０ナノメートルである、項目９に記載の磁気装置。
（項目１３）
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、約１．０ナノメートルである、項目３に記載の磁気装置。
（項目１４）
基準層を含む反強磁性構造と、
前記基準層の上に配置される障壁層と、
前記障壁層の上に配置される自由層と、
前記自由層の上に配置される非磁性スペーサ層であって、窒化タンタルのキャッピング材料の層を含む非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に配置される偏極子と、
を備える少なくとも１つのビットセルを含むメモリアレイ。
（項目１５）
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約０．３ナノメートルの酸化マグネシウムの層をさらに備える、項目１４に記載のメモリアレイ。
（項目１６）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、項目１５に記載のメモリアレイ。
（項目１７）
前記少なくとも１つのビットセルが直交スピントルク構造である、項目１４に記載のメモリアレイ。
（項目１８）
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約５．０ナノメートルの銅の層をさらに備える、項目１４に記載のメモリアレイ。
（項目１９）
前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが１．０〜５．０ナノメートルである、項目１８に記載のメモリアレイ。
（項目２０）
前記非磁性スペーサ層が、厚さ約１０ナノメートルの銅の層をさらに備え、前記窒化タンタルのキャッピング材料の層の厚さが、約１．０ナノメートルである、項目１５に記載のメモリアレイ。
【国際調査報告】
2017532752.tif 000015
2017532752.tif 000016