(57)【要約】  磁気トンネル接合構造内の自由層の大幅に改善された性能を有する磁気トンネル接合積層体を有する磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置。メモリ装置は、反強磁性構造と、反強磁性構造上に配置されている磁気トンネル接合構造と、を含む。磁気トンネル接合構造は、基準層と、自由層と、その間に挟持された障壁層を、を含む。更には、窒化タンタル薄膜を含むキャップ層が、磁気トンネル接合構造の自由層上に配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気装置であって、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている窒化タンタルキャップ層と、
を備える磁気装置。
【請求項２】
前記窒化タンタルキャップ層は、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有する請求項１に記載の磁気装置。
【請求項３】
前記窒化タンタルキャップ層は、約１．０ナノメートルの厚さを有する請求項１に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記窒化タンタルキャップ層は、約１０ナノメートルの厚さを有する請求項１に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接に配置されている請求項１に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサと、
前記磁気装置に印加された電子の流れを偏極させるように、前記非磁性スペーサ上に配置されている垂直偏極子と、
を更に備える請求項１に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記磁気装置は、直交スピントルク構造体である請求項６に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記磁気装置は、コリニア磁化スピントランスファートルク構造体である請求項１に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記窒化タンタルキャップ層は、タンタルターゲット及び窒素ガスを使った薄膜スパッタリングプロセスにより、前記自由層上において形成されている請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記基準層、前記自由層、前記障壁層、及び前記窒化タンタルキャップ層は、集合的に磁気トンネル接合を形成している請求項１に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記基準層及び前記自由層は、それぞれ、約２．３ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅＢ薄膜層を有する請求項１０に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記障壁層は、ＭｇＯを有し、且つ、約１．０２ｎｍの厚さを有する請求項１１に記載の磁気装置。
【請求項１３】
メモリアレイであって、
少なくとも１つのビットセルを備え、
前記ビットセルは、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている窒化タンタルキャップ層と、
を含む、メモリアレイ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有する請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、約１．０ナノメートルの厚さを有する請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、約１０ナノメートルの厚さを有する請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接的に配置されている請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのビットセルは、
前記窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサと、
前記磁気装置に印加された電子の流れを偏極させるように、前記磁気スペーサ上に配置されている垂直偏極子と、
を更に含む、請求項１３に記載のメモリアレイ。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのビットセルは、直交スピントルク構造体である請求項１８に記載のメモリアレイ。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのビットセルは、コリニア磁化スピントランスファートルク構造体である請求項１３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、概して、スピントランスファートルク磁気ランダムアクセスメモリに関し、且つ、特に、磁気トンネル接合構造内の自由層の格段に改善された性能を有する磁気トンネル接合積層体に関する。
【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を含む。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を含む。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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示されている積層体１００などの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。但し、これらのＭＴＪ構造は大きなスイッチング電流を必要とするため、その商業的応用が制限される。有効磁化Ｍｅｆｆ（即ち、面内磁化）と自由層構造の減衰定数という、必要とされるスイッチング電流の大きさを制御する少なくとも２つの重要なパラメータが存在している。いくつかの既存の設計は、自由層構造の厚さを低減することにより、必要とされるスイッチング電流を低下させるべく試みている。このような設計は、Ｍｅｆｆを事実上低下させる磁化の垂直成分を促進するが、Ｍｅｆｆの計測可能な低減は、自由層が非常に薄い（例えば、１ナノメートルである）際にのみ、発生する。但し、そのような薄い自由層は、（１）トンネル磁気抵抗値（「ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｖａｌｕｅ」）の大幅な低減、（２）相対的に低い熱安定性、及び（３）増大した自由層の減衰定数、を含む深刻な結果を及ぼす。従って、ＭＴＪ構造内の自由層の大幅に改善された性能を有する磁気トンネル接合層積層体に対する強く待望されているニーズが存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書では、磁気トンネル接合構造内に、格段に改善された性能を有する自由層を備える磁気トンネル接合積層体を有するＭＲＡＭ装置が開示されている。このＭＲＡＭ装置によれば、ＭＲＡＭの応用において、格段に小さなスイッチング電流しか必要とされない。
【０００８】
一実施形態においては、ＭＲＡＭ装置は、反強磁性構造と、反強磁性構造上に配置されている磁気トンネル接合構造と、を含む。磁気トンネル接合構造は、基準層と、自由層と、これらの間に挟持された障壁層を含む。更には、窒化タンタル薄膜を含むキャップ層が、磁気トンネル接合構造の自由層上に配置されている。
【０００９】
別の実施形態においては、磁気装置の窒化タンタルキャップ層は、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有する。
【００１０】
別の実施形態においては、磁気装置の窒化タンタルキャップ層は、約１．０ナノメートルの厚さを有する。
【００１１】
別の実施形態においては、磁気装置の窒化タンタルキャップ層は、約１０ナノメートルの厚さを有する。
【００１２】
別の実施形態においては、磁気装置の窒化タンタルキャップ層は、自由層上において直接的に配置されている。
【００１３】
別の実施形態においては、磁気装置は、窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサと、磁気装置に印加された電子の流れを偏極させるように、非磁性スペーサ上に配置されている垂直偏極子と、を更に含む。
【００１４】
別の実施形態においては、磁気装置は、直交スピントルク構造体である。
【００１５】
別の実施形態においては、磁気装置は、コリニア磁化スピントランスファートルク構造体である。
【００１６】
別の実施形態においては、磁気装置の窒化タンタルキャップ層は、タンタルターゲット及び窒素ガスを使う薄膜スパッタリングプロセスにより、自由層上に形成されている。
【００１７】
別の実施形態においては、磁気装置の基準層、自由層、障壁層、及び窒化タンタルキャップ層は、集合的に、磁気トンネル接合を形成している。
【００１８】
別の実施形態においては、磁気装置の基準層及び自由層は、それぞれ、約２．３ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅＢ薄膜層を有する。
【００１９】
別の実施形態においては、磁気装置の障壁層は、ＭｇＯであり、且つ、約１．０２ｎｍの厚さを有する。
【００２０】
別の実施形態においては、例示用の磁気装置は、メモリアレイのビットセルを形成している。
【００２１】
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】
【００２２】
【図１】ＭＲＡＭ装置用の従来のＭＴＪ積層体を示す。
【図２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図２を参照すれば、例示用の一実施形態によるＭＴＪ層積層体２００が示されている。ＭＴＪ積層体２００は、図１に示されているＭＴＪ積層体１００の改善された設計である。例示を目的として、ＭＴＪ積層体２００内の層のそれぞれは、ｘ、ｙプレーン内において形成されており、且つ、それぞれは、ｚ軸方向における厚さを有する。
【００２８】
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を含む。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）。
【００２９】
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。
【００３０】
ＭＴＪ構造２３０が、ＳＡＦ構造２２０の上部において形成されている。ＭＴＪ構造２３０は、３つの別個の層を含み、即ち、ＳＡＦ構造２２０内において形成された基準層２３２と、障壁層２３４と、自由層２３６と、を含んでいる。この例示用の実施形態においては、基準層２３２及び自由層２３６は、コバルト−鉄−ボロン（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）合金薄膜である。この例示用の実施形態においては、それぞれのＣｏＦｅＢ薄膜層は、約２．３ｎｍの厚さを有する。基準層２３２とピン層１２との間の交換結合は、上述のように、一定の方向において基準層２３２の磁化を強力にピン留めする。更には、この例示用の実施形態においては、障壁層２３４は、マグネシウムの酸化物ＭｇＯから形成されている。図示のように、ＭｇＯ障壁層２３４は、基準層２３２と自由層２３６との間に配置されており、且つ、上述のように、２つの層の間における絶縁体として機能している。ＭｇＯ障壁層２３４は、好ましくは、約１．０２ｎｍの厚さを有する。好ましくは、ＭｇＯ障壁層２３４の厚さは、これを通じた電流が、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されうるように、十分に薄い。
【００３１】
従来は、ＭＴＪ構造の場合には、障壁層と自由層の間の相互作用は、一般に、固定されているが、自由層の上部において堆積されうる層は、大きく変化することが可能であり、且つ、これを機能強化することにより、自由層の特性を改善することができる。ＭＴＪ積層体２００の１つの特徴は、自由層２３６の上部における窒化タンタルＴａＮキャップ材料２３８の非常に薄い層の堆積である。この例示用の実施形態においては、ＴａＮキャップ材料の厚さは、０．１〜１０ｎｍであり、好ましくは、約１ｎｍ又は２ｎｍである。当業者は、１ｎｍ又は２ｎｍの望ましい厚さは、製造変動に起因し、わずかに変化しうることを理解するであろう。詳細に後述するように、自由層２３６上におけるＴａＮキャップ材料２３８の追加は、高度に圧縮性の応力を提供し（即ち、圧縮性の負荷に耐える積層体２００の能力を増大させ）、且つ、更には、従来の設計との比較において自由層２３６のパラメータを大幅に改善する。ＴａＮキャップ材料２３８は、約１０ｎｍを上回る厚さを有することはできず、その理由は、その結果、直交偏極子の効果が完全に又は実質的に除去されると共に、メモリ装置の機能及び精度が大幅に減少することになるからである。
【００３２】
この例示用の実施形態においては、自由層２３６に対して垂直に磁化されたスピン偏極層を利用して大きな初期スピントランスファートルクを実現する直交スピントルク構造について説明する。図示のように、ＭＴＪ積層体２００は、ＴａＮキャップ材料２３８上において配置された非磁性スペーサ２４０と、非磁性スペーサ２４０上において配置された垂直偏極子２５０と、を含む。垂直偏極子２５０は、ＭＴＪ積層体２００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、提供されており、これにより、ＭＴＪ積層体２００は、自由層２３６の磁化方向に対して垂直である角運動量を持つ偏極電子から自由層２３６に対して作用するトルクにより、ＭＴＪ積層体２００の２３６内における自由層の磁化の向きを変化させることができる。更には、非磁性スペーサ２４０が、ＭＴＪ構造２３０から垂直偏極子２５０を絶縁するべく、提供されている。この例示用の実施形態においては、非磁性スペーサ２４０は、約１０ｎｍの厚さを有する銅ラミネートから構成されている。この例示用の実施形態においては、垂直偏極子２５０は、２つのラミネート層２５２、２５４から構成されている。好ましくは、第１層２５２は、０．３Ｃｏ／［０．６Ｎｉ／０．０９Ｃｏ］×３のラミネートであり、且つ、第２層２５４は、０．２１Ｃｏ／［０．９Ｐｄ／０．３Ｃｏ］×６から構成されたラミネート層である。この例示用の実施形態は、直交スピントルク構造について提供されているが、当業者は、自由層２３６上においてＴａＮキャップ材料２３８を提供する本発明の設計は、コリニア磁化スピントランスファートルクＭＲＡＭ装置についても実装されうることを理解するであろう。
【００３３】
図２に更に示されているように、ＭＴＪ積層体２００の下方の層を保護するべく、１つ又は複数のキャップ層２６０が、垂直偏極子２５０の上部において提供されている。この例示用の実施形態においては、キャップ層２６０は、好ましくは２ｎｍのＰｄ層である第１ラミネート層２６２と、好ましくは５ｎｍのＣｕ及び７ｎｍのＲｕである第２ラミネート層２６４と、から構成することができる。
【００３４】
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。
【００３５】
上述のように、この例示用の実施形態のＭＴＪ積層体２００の１つの特徴は、自由層２３６の上部における窒化タンタルＴａＮキャップ材料２３８の非常に薄い層の堆積である。従来は、Ｔａ、Ｃｒ、及びこれらに類似したもののような体心立方材料などの材料の異なる組が、キャップ層としてＭＴＪ構造の自由層に適用されている。但し、これらの設計は、いずれも、最適動作用の必要なスイッチング電流を減少させつつ、ＭＴＪ構造の自由層の性能パラメータの大幅な改善を提供してはいない。
【００３６】
本明細書において記述されているＭＴＪの性能パラメータを従来技術の従来の設計構成と比較する試験を実施した。表１及び表２は、比較された性能パラメータを示している。具体的には、表１は、従来の直交ＭＴＪ構造の１０ｎｍのＣｕ自由層キャップと本明細書において記述されているＭＴＪの例示用の実施形態による自由層２３６上におけるＴａＮキャップ材料２３８の本発明の構造の間の性能パラメータの比較を示している。表１は、１．０ｎｍ、２．０ｎｍ、及び１０ｎｍの厚さを有するＴａＮキャップ２３８のデータを示している。
【００３７】
【表１】
2017510989.tif 000003
【００３８】
上述のように、有効磁化Ｍｅｆｆ（即ち、面内磁化）と減衰定数は、ＭＴＪ装置の自由層構造の重要な性能パラメータのうちの２つである。表１に示されているように、ＭＴＪ装置の自由層の上部においてＴａＮキャップ層を堆積させることにより、有効磁化Ｍｅｆｆは、従来のＣｕキャップ層との比較において、ＴａＮキャップ層のそれぞれの厚さごとに、２０％超だけ、減少している。更には、１．０ｎｍのＴａＮキャップ層を有する自由層の減衰定数は、１０ｎｍのＣｕキャップ層を有する自由層の減衰定数よりも、３５％だけ小さく、且つ、２．０ｎｍ又は１０ｎｍのＴａＮキャップ層のみを有する自由層の減衰定数は、１０ｎｍのＣｕキャップ層のみを有する自由層の減衰定数よりも、５８％だけ、小さい。特に、表１は、Ｃｕキャップ層を有する自由層を有する従来のＭＴＪ構造との比較において、ＴａＮキャップ層を有する自由層を有する本発明のＭＴＪ構造の場合には、ＴＭＲ％も大幅に改善されることを更に示している。
【００３９】
表２は、１．０Ｔａ自由層キャップと本明細書において記述されているＭＴＪの例示用の実施形態による自由層２３６上のＴａＮキャップ材料２３８の本発明の構造の間の性能パラメータの比較を示している。又、表２は、１．０ｎｍ、２．０ｎｍ、及び１０ｎｍの厚さを有するＴａＮキャップ材料２３８のデータをも示している。
【００４０】
【表２】
2017510989.tif 000004
【００４１】
表２に示されているように、ＭＴＪ装置の自由層の上部においてＴａＮキャップ層を堆積させることにより、１．０ｎｍのＴａキャップ層を有する自由層を有する従来のＭＴＪ装置との比較において、ＴａＮキャップ層のそれぞれの厚さごとに、２７％超だけ、有効磁化Ｍｅｆｆが減少している。更には、１．０ｎｍのＴａＮキャップ層を有する自由層の減衰定数は、１．０ｎｍのＴａキャップ層を有する自由層の減衰定数よりも、２６％だけ小さく、且つ、２．０ｎｍ又は１０ｎｍのＴａＮキャップ層を有する自由層の減衰定数は、１．０ｎｍのＴａキャップ層を有する自由層の減衰定数よりも、５０％超だけ小さい。従って、表１及び表２において示されている従来技術の設計との比較におけるＴａＮキャップを有する自由層の比較は、新しい本発明の設計に鑑み、性能パラメータが大幅に改善されることを示している。
【００４２】
図２に示されているＭＴＪ積層体２００の層は、いずれも、当業者には理解されるように、薄膜スパッタリング堆積システムによって形成することができる。薄膜スパッタリング堆積システムは、それぞれが１つ又は複数のターゲットを有する必要な物理蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバと、酸化チャンバと、スパッタリングエッチングチャンバと、を含むことができる。通常、スパッタリング堆積プロセスは、極めて高度な負圧を有するスパッタリングガス（例えば、酸素、アルゴン、又はこれらに類似したもの）を伴っており、且つ、ターゲットは、基材上において堆積される金属又は金属合金から製造することができる。好適な実施形態においては、ＴａＮキャップ材料２３８の堆積は、スパッタリング堆積システムを使用して自由層２３６上においてＴａＮ薄膜を提供するべく、タンタルターゲット及び窒素スパッタリングガスを提供するステップを伴っている。ＭＴＪ積層体２００の製造のために必要とされる残りのステップについては、当業者には周知であり、且つ、本明細書における開示の諸側面を不必要に曖昧にしないように、本明細書においては、詳細な説明を省略することとすることを理解されたい。
【００４３】
当業者は、複数のＭＴＪ積層体２００をＳＴＴ−ＭＲＡＭ装置の個々のビットセルとして製造及び提供しうることを理解するであろう。換言すれば、それぞれの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することができる。
【００４４】
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】
2017510989.tif 000005
【図２】
2017510989.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月15日(2016.11.15)
【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】
磁気装置であって、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている薄い窒化タンタルキャップ層であって、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有し、前記自由層の減衰定数を０．０１１以下とする薄い窒化タンタルキャップ層と、
前記薄い窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサであって、銅ラミネートを含む非磁性スペーサと、
前記非磁性スペーサ上に配置されている垂直偏極子層であって、前記自由層に対して垂直に磁化して直交スピントランスファートルク構造を形成している垂直偏極子層と、
を、備え、
前記基準層、前記自由層、前記障壁層、及び前記薄い窒化タンタルキャップ層は、集合的に磁気トンネル接合を形成している、磁性装置。
【請求項２】
前記薄い窒化タンタルキャップ層は、１．０ナノメートルの厚さを有する請求項１に記載の磁性装置。
【請求項３】
前記薄い窒化タンタルキャップ層は、１０ナノメートルの厚さを有する請求項１に記載の磁性装置。
【請求項４】
前記薄い窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の磁性装置。
【請求項５】
前記垂直偏極子層は、前記磁性装置に印加された電子の流れを偏極させるように、前記非磁性スペーサ上に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性装置。
【請求項６】
前記磁性装置は、直交スピントランスファートルク構造体である請求項５に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記薄い窒化タンタルキャップ層は、タンタルターゲット及び窒素ガスを使った薄膜スパッタリングプロセスにより、前記自由層上において形成される請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記基準層及び前記自由層は、それぞれ、２．３ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅＢ薄膜層を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記障壁層は、ＭｇＯを有し、且つ、１．０２ｎｍの厚さを有する請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１０】
メモリアレイであって、
少なくとも１つのビットセルを備え、
前記ビットセルは、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている薄い窒化タンタルキャップ層であって、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有し、前記自由層の減衰定数を０．０１１以下とする薄い窒化タンタルキャップ層と、
前記薄い窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサであって、銅ラミネートを含む非磁性スペーサと、
前記非磁性スペーサ上に配置されている垂直偏極子層であって、前記自由層に対して垂直に磁化して直交スピントランスファートルク構造を形成している垂直偏極子層と、
を、備え、
前記基準層、前記自由層、前記障壁層、及び前記薄い窒化タンタルキャップ層は、集合的に磁気トンネル接合を形成している、メモリアレイ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのビットセルの前記薄い窒化タンタルキャップ層は、１．０ナノメートルの厚さを有する請求項１０に記載のメモリアレイ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのビットセルの前記薄い窒化タンタルキャップ層は、１０ナノメートルの厚さを有する請求項１０に記載のメモリアレイ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのビットセルの前記薄い窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接的に配置されている請求項１０から１２のいずれか一項に記載のメモリアレイ。
【請求項１４】
前記垂直偏極子層は、前記磁性装置に印加された電子の流れを偏極させる、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のメモリアレイ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのビットセルは、直交スピントランスファートルク構造体である請求項１４に記載のメモリアレイ。
【請求項１６】
前記非磁性スペーサが、１０ナノメートルの厚みを有する請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気装置。
【請求項１７】
前記非磁性スペーサが、１０ナノメートルの厚みを有する請求項１０から１５のいずれか一項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】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
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、国際出願時の請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
磁気装置であって、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている窒化タンタルキャップ層と、
を備える磁気装置。
（項目２）
前記窒化タンタルキャップ層は、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有する項目１に記載の磁気装置。
（項目３）
前記窒化タンタルキャップ層は、約１．０ナノメートルの厚さを有する項目１に記載の磁気装置。
（項目４）
前記窒化タンタルキャップ層は、約１０ナノメートルの厚さを有する項目１に記載の磁気装置。
（項目５）
前記窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接に配置されている項目１に記載の磁気装置。
（項目６）
前記窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサと、
前記磁気装置に印加された電子の流れを偏極させるように、前記非磁性スペーサ上に配置されている垂直偏極子と、
を更に備える項目１に記載の磁気装置。
（項目７）
前記磁気装置は、直交スピントルク構造体である項目６に記載の磁気装置。
（項目８）
前記磁気装置は、コリニア磁化スピントランスファートルク構造体である項目１に記載の磁気装置。
（項目９）
前記窒化タンタルキャップ層は、タンタルターゲット及び窒素ガスを使った薄膜スパッタリングプロセスにより、前記自由層上において形成されている項目１に記載の磁気装置。
（項目１０）
前記基準層、前記自由層、前記障壁層、及び前記窒化タンタルキャップ層は、集合的に磁気トンネル接合を形成している項目１に記載の磁気装置。
（項目１１）
前記基準層及び前記自由層は、それぞれ、約２．３ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅＢ薄膜層を有する項目１０に記載の磁気装置。
（項目１２）
前記障壁層は、ＭｇＯを有し、且つ、約１．０２ｎｍの厚さを有する項目１１に記載の磁気装置。
（項目１３）
メモリアレイであって、
少なくとも１つのビットセルを備え、
前記ビットセルは、
基準層を含む反強磁性構造体と、
前記基準層上に配置されている障壁層と、
前記障壁層上に配置されている自由層と、
前記自由層上に配置されている窒化タンタルキャップ層と、
を含む、メモリアレイ。
（項目１４）
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、０．１〜１０ナノメートルの厚さを有する項目１３に記載のメモリアレイ。
（項目１５）
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、約１．０ナノメートルの厚さを有する項目１３に記載のメモリアレイ。
（項目１６）
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、約１０ナノメートルの厚さを有する項目１３に記載のメモリアレイ。
（項目１７）
前記少なくとも１つのビットセルの前記窒化タンタルキャップ層は、前記自由層上に直接的に配置されている項目１３に記載のメモリアレイ。
（項目１８）
前記少なくとも１つのビットセルは、
前記窒化タンタルキャップ層上に配置されている非磁性スペーサと、
前記磁気装置に印加された電子の流れを偏極させるように、前記磁気スペーサ上に配置されている垂直偏極子と、
を更に含む、項目１３に記載のメモリアレイ。
（項目１９）
前記少なくとも１つのビットセルは、直交スピントルク構造体である項目１８に記載のメモリアレイ。
（項目２０）
前記少なくとも１つのビットセルは、コリニア磁化スピントランスファートルク構造体である項目１３に記載のメモリアレイ。
【国際調査報告】
2017510989.tif 000007
2017510989.tif 000008