特許 6202764 垂直磁気異方性の強化のための二重ＭｇＯ界面およびＣｏＦｅＢ層を有する垂直スピントランスファートルク（ＳＴＴ）メモリセル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6202764

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】垂直磁気異方性の強化のための二重ＭｇＯ界面およびＣｏＦｅＢ層を有する垂直スピントランスファートルク（ＳＴＴ）メモリセル

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8239 20060101AFI20170914BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20170914BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20170914BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20170914BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20170914BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20170914BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/105 447

   H01L43/08 M

   H01L43/10

   H01L43/08 Z

   H01L29/82 Z

   H01F10/32

   H01F10/16

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-54901(P2016-54901)

(22)【出願日】2016年3月18日

(65)【公開番号】特開2016-178301(P2016-178301A)

(43)【公開日】2016年10月6日

【審査請求日】2016年4月28日

(31)【優先権主張番号】14/664,644

(32)【優先日】2015年3月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503116280

【氏名又は名称】エイチジーエスティーネザーランドビーブイ

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】サンムン オー

(72)【発明者】

【氏名】ゼン ガオ

(72)【発明者】

【氏名】コチャン ジュ

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−００７２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６４６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２０７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５９８７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｈ０１Ｆ １０／３２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と；
前記基材上の垂直磁気異方性を有する強磁性基準層であって、前記基準層の平面に対して実質的に垂直な固定された磁性を有する基準層と；
Ｃｏ、ＦｅおよびＢを含んでなり、かつ垂直磁気異方性を有する強磁性自由層であって、前記自由層の平面に対して実質的に垂直な磁性を有し、かつ前記基準層の前記磁性に対して実質的に平行と実質的に逆平行の間で切り替えが可能である自由層と；
前記基準層と前記自由層の間の絶縁性酸化物トンネルバリア層と；
前記自由層上であり、かつそれと接触する絶縁性酸化物キャッピング層と；
前記絶縁性酸化物キャッピング層上であり、かつそれと接触し、かつＣｏ、ＦｅおよびＢを含んでなる強磁性強化層と；
前記強化層上の非磁性キャップ層と
を含み、
前記強化層が、式（Ｃｏ_{（１００−ｘ）}Ｆｅ_ｘ）_{（１００−ｙ）}Ｂ_ｙ（式中、ｘは原子パーセントであり、かつ４以上〜２０以下であり、およびｙは原子パーセントであり、かつ１５以上〜２５以下である）の組成を有する、磁気トンネル接合メモリセル。

【請求項2】

前記絶縁性酸化物トンネルバリア層および前記絶縁性酸化物キャッピング層のそれぞれがＭｇＯからなる、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項3】

前記非磁性キャップ層がＴａからなる、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項4】

前記自由層が、第１および第２のＣｏＦｅＢ合金膜、ならびに前記第１と第２のＣｏＦｅＢ合金膜の間の非磁性分離膜を含んでなる、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項5】

前記第１および第２のＣｏＦｅＢ合金膜のそれぞれが、５Å以上および１５Å以下の厚さを有する、請求項４に記載のメモリセル。

【請求項6】

前記自由層が、式（Ｃｏ_{（１００−ｘ）}Ｆｅ_ｘ）_{（１００−ｙ）}Ｂ_ｙ（式中、ｘは原子パーセントであり、かつ２５以上〜９５以下であり、およびｙは原子パーセントであり、かつ１５以上〜２５以下である）の組成を有するＣｏＦｅＢ合金からなる、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項7】

前記強化層が３Å以上かつ１０Å以下の厚さを有する、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項8】

平面に対して垂直な磁性を有する第１のＡＰ固定（ＡＰ１）強磁性層と、前記ＡＰ１層の前記磁性に対して実質的に逆平行の、平面に対して垂直な磁性を有する第２のＡＰ固定（ＡＰ２）強磁性層と、前記ＡＰ１とＡＰ２層の間にありかつそれらと接触するＡＰ連結（ＡＰＣ）層とを含んでなる逆平行（ＡＰ）固定構造を含み、前記ＡＰ２層が前記基準層を含んでなる、請求項１に記載のメモリセル。

【請求項9】

請求項１に記載のメモリセルのアレイと、前記メモリセルに連結される複数のビット線と、前記メモリセルに連結される複数のワード線とを含んでなる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）。

【請求項10】

基材と；
前記基材上のＣｏＦｅＢ合金を含んでなり、かつ垂直磁気異方性を有する強磁性基準層であって、前記基準層の平面に対して実質的に垂直な固定された磁性を有する基準層と；
垂直磁気異方性を有する強磁性自由層であって、前記自由層の平面に対して実質的に垂直な磁性を有し、かつ前記基準層の前記磁性に対して実質的に平行と実質的に逆平行の間で切り替えが可能であり、第１および第２のＣｏＦｅＢ合金膜、ならびに前記第１と第２のＣｏＦｅＢ合金膜の間の非磁性分離膜を含んでなる自由層と；
前記基準層と前記自由層の間の絶縁性ＭｇＯトンネルバリア層と；
前記自由層上であり、かつそれと接触する絶縁性ＭｇＯキャッピング層と；
前記絶縁性ＭｇＯキャッピング層上であり、かつそれと接触し、式（Ｃｏ_{（１００−ｘ）}Ｆｅ_ｘ）_{（１００−ｙ）}Ｂ_ｙ（式中、ｘは原子パーセントであり、かつ４以上〜２０以下であり、およびｙは原子パーセントであり、かつ１５以上〜２５以下である）の組成を有する強磁性強化層と；
前記強化層上のＴａキャップ層と
を含んでなる、磁気トンネル接合メモリセル。

【請求項11】

前記強化層が３Å以上かつ１０Å以下の厚さを有する、請求項１０に記載のメモリセル。

【請求項12】

平面に対して垂直な磁性を有する第１のＡＰ固定（ＡＰ１）強磁性層と、前記ＡＰ１層の前記磁性に対して実質的に逆平行の、平面に対して垂直な磁性を有する第２のＡＰ固定（ＡＰ２）強磁性層と、前記ＡＰ１とＡＰ２層の間にありかつそれらと接触するＡＰ連結（ＡＰＣ）層とを含んでなる逆平行（ＡＰ）固定構造を含み、前記ＡＰ２層が前記基準層を含んでなる、請求項１０に記載のメモリセル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有するスピントランスファートルク磁気抵抗メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）、特に、二重ＭｇＯ界面を有するＰＭＡ ＳＴＴメモリセルに関する。

【背景技術】

【0002】

垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）メモリセルを有するスピントランスファートルク磁気抵抗メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、将来の不揮発性メモリの強力な候補である。ＭＴＪメモリセルは、自由強磁性層（記録層または貯蔵層とも呼ばれる）と、典型的にＭｇＯである薄い絶縁性トンネルバリアによって分離された基準強磁性層（固定層とも呼ばれる）とを有する。自由および基準層は、層の平面に対して垂直に配向された磁性を有するＰＭＡを有する。基準層の磁性は固定されるが、ＭＴＪによる電流切り替えによって、２つの配向間での自由層の磁性の切り替え、抵抗Ｒ_ＰまたはＲ_ＡＰに相当する基準層磁性に対して平行（Ｐ）または逆平行（ＡＰ）が生じる。ＭＴＪのトンネル効果磁気抵抗（ＴＭＲ）は、（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐとして表わされる。図１Ａは、ＭＴＪの２つの可能な状態を示す略図である。図１Ｂは、周知の交差構造においてワード線およびビット線に連結したＭＴＪメモリセルのアレイを有するＭＲＡＭを示す高度な略図である。

【0003】

ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ ＰＭＡ ＭＴＪにおいて、ＰＭＡはＣｏＦｅＢとＭｇＯの間の界面から生じ、かつＦｅ ３ｄおよびＯ ２ｐ電子軌道の混成に起因する。このＰＭＡが界面から生じるため、より厚い層は平面異方性を示すので、自由層の厚さの限界がある。単一ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面を有するＰＭＡ ＭＴＪの自由層は高い熱安定性に関して十分なＰＭＡを提供し得ないため、二重ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面構造を有するＰＭＡ ＭＴＪが提案されている（非特許文献１）。この構造において、ＣｏＦｅＢ自由層は、ＭｇＯトンネルバリアと上層のＭｇＯキャッピング層の間に挟まれており、ＭｇＯキャッピング層上にはＴａキャップが形成されている。しかしながら、この種類の構造は、焼き鈍しプロセス間のＭｇＯ層中へのＴａの拡散を阻止しながら、ＭｇＯ層の精密な成長を必要とする。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａ ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｏｗｎ ｔｏ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ １１ｎｍ”，Ｈ．Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １０５，０６２４０３（２０１４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＰＭＡが改善され、かつ焼き鈍し間のＴａ拡散が阻止された二重界面ＰＭＡ ＭＴＪメモリセルが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態は、ＭｇＯトンネルバリア層と上層のＭｇＯキャッピング層の間に位置するＣｏＦｅＢ合金自由層と、ＭｇＯキャッピング層と典型的にタンタル（Ｔａ）である非磁性キャップの間のＣｏＦｅＢ合金強化層とを有する磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）における使用のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に関する。垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が、ＣｏＦｅＢ自由層と２層のＭｇＯ層の間の界面から生じ、かつＦｅ ３ｄおよびＯ ２ｐ電子軌道の混成に起因するため、自由層のＣｏＦｅＢ合金は、高いＦｅ含有量、すなわち、好ましくは、５０原子パーセントより高いＦｅ含有量を有するべきである。ＣｏＦｅＢ合金強化層は、ＣｏＦｅＢ自由層の組成とは実質的に異なる特定の組成を有し、かつＴａキャップ層の堆積の前に、ＭｇＯキャッピング層上に堆積される。ＭｇＯキャッピング層とのその界面によって、強化層において不必要なＰＭＡが生じることを回避するため、強化層は、低いＦｅ含有量、好ましくは、２０原子パーセント未満のＦｅ含有量を有するべきである。全ての層が基材上で完全な膜として堆積された後、構造を焼き鈍しする。これによって、ＭｇＯが結晶化し、高いトンネル効果磁気抵抗（ＴＭＲ）を生じる。低いＦｅ含有量を有するＣｏＦｅＢ合金強化層は、Ｔａキャップ層からＭｇＯキャッピング層へのＴａの拡散を抑制し、そのうえ、ＭｇＯ界面においてＣｏＦｅＢを提供することによって、ＭｇＯの良好な結晶化度を生じる。

【0007】

本発明の性質および利点のより完全な理解のために、以下の詳細な説明は、添付の図面とともに参照されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）磁気トンネル接合（ＭＴＪ）メモリセルの２つの可能な状態を示す略図である。

【図1B】図１Ｂは、周知の交差構造においてワード線およびビット線に連結したＭＴＪメモリセルのアレイを有する磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）を示す高度な略図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態によるＭＴＪを構成する層の断面図である。

【図3】図３は、従来技術のＭＴＪ構造および本発明の実施形態による２ＭＴＪ構造に関する垂直磁性−印加場（Ｍ−Ｈ）ループの部分を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図２は、本発明の実施形態によるＭＴＪを構成する層の断面図である。ＭＴＪは、ＭｇＯキャッピング層とＴａキャップ層の間のＣｏＦｅＢ合金強化層を除いて、前述の（非特許文献１）において記載されるＭＴＪと実質的に同一である。

【0010】

ＭＴＪ １００は、半導体グレードケイ素、酸化ケイ素またはアルミニウム−チタン−カーバイドなどのいずれかの適切な材料から形成されてよい基材と、基準層の平面に対して垂直に固定された磁性１０３を有する強磁性基準層１０２と、基準層の磁性１０３に対して平行と逆平行の間で切り替えが可能である磁性１０５を有する強磁性自由層１０４と、基準層１０２と自由層１０４との間の典型的にＭｇＯである絶縁性酸化物バリア層１０６とを含む。

【0011】

この実施例において、基準層１０２は、逆平行（ＡＰ）固定構造のＡＰ２層部分である。ＡＰ固定構造は周知であり、かつ非磁性逆平行カップリング（ＡＰＣ）層によって分離された第１（ＡＰ１）および第２（ＡＰ２）の強磁性層を含む。ＡＰＣ層は、ＡＰ２層の磁性１０３およびＡＰ１層の磁性１０７によって示されるように、それらの磁性が実質的に逆平行に配向するように、反強磁性的にＡＰ１層およびＡＰ２層を一緒に連結させる。この実施例において、ＡＰＣ層は８ÅのＲｕ層であり、そしてＡＰ１層は、周知の［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ多層である（「ｎ」はＣｏ／Ｐｔ対の数を指す）。ＡＰ２層（基準層１０２）は、より低い［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ多層１１０、上層のＣｏＦｅＢ層１１２、および層１１０と１１２との間のＴａブレーキング層１１４である。［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ多層膜は、垂直磁気異方性を有するために周知である。この実施例ではＴａ／Ｐｔ二層であるシード層は、ＡＰ１多層の堆積の前に基材上で形成される。

【0012】

本発明の実施形態は、ＡＰ固定構造の一部として基準層を有するＭＴＪに関して記載されるが、本発明は、他の種類の基準層で完全に適用可能である。例えば、基準層は、その磁性が反強磁性層によって固定される単一ＣｏＦｅＢ合金層などの「単純な」固定構造であってもよい。

【0013】

ＭＴＪ １００は、ＣｏＦｅＢ合金自由層１０４が、ＭｇＯトンネルバリア層１０６と上層のＭｇＯキャッピング層１３０の間に位置する二重ＭｇＯ層ＭＴＪである。強ＰＭＡは、ＣｏＦｅＢとＭｇＯの間の界面から生じる。異方性が本来純粋に界面であるため、より厚いＣｏＦｅＢ層は平面異方性を示すため、ＰＭＡを維持するためにＣｏＦｅＢ合金自由層は薄く、通常約１２Å未満でなければならない。したがって、より厚いＣｏＦｅＢ層で高い強ＰＭＡを有するために、第２のＭｇＯ層（ＭｇＯキャッピング層）が第２の界面を提供する。この実施例における自由層１０４は、Ｔａなどの非磁性分離フィルム１２４によって分離され、それぞれのＣｏＦｅＢ膜が好ましくは５〜１５Åの範囲の厚さを有する２層のＣｏＦｅＢ膜１２０、１２２である。Ｔａ分離膜１２４は、それぞれがＭｇＯ層との界面を有し、ＰＭＡを生じる、２つのより薄いＣｏＦｅＢ膜を生じる。ＰＭＡがＣｏＦｅＢとＭｇＯの間の界面から生じ、かつＦｅ ３ｄおよびＯ ２ｐ電子軌道の混成に起因するため、自由層のＣｏＦｅＢ合金は高いＦｅ含有量を有するべきである。自由層１０４のＣｏＦｅＢ合金の組成は、したがって、好ましくは、（Ｃｏ_{（１００−ｘ）}Ｆｅ_ｘ）_{（１００−ｙ）}Ｂ_ｙ（式中、ｘは原子パーセントであり、かつ２５以上（好ましくは５０より高い）かつ９５以下であり、かつｙは原子パーセントであり、かつ１０以上かつ３０以下である）の組成を有するべきである。

【0014】

本発明において、ＣｏＦｅＢ自由層１０４の組成とは実質的に異なる特定の組成を有するＣｏＦｅＢ合金強化層１４０は、Ｔａキャップ層１５０の堆積の前に、ＭｇＯキャッピング層１３０上に堆積される。ＭｇＯキャッピング層１３０のその界面によって、強化層１４０において不必要なＰＭＡが生じることを回避するため、強化層１４０は低いＦｅ含有量を有するべきである。強化層１４０のＣｏＦｅＢ合金の組成は、したがって、好ましくは、（Ｃｏ_{（１００−ｘ）}Ｆｅ_ｘ）_{（１００−ｙ）}Ｂ_ｙ（式中、ｘは原子パーセントであり、かつ４以上かつ２０以下であり、かつｙは原子パーセントであり、かつ１５以上かつ２５以下である）の組成を有するべきである。強化層１４０は、好ましくは、３〜１０Åの範囲の厚さを有する。

【0015】

全ての層が基材上で完全な膜として堆積された後、構造を、典型的に約３５０〜４００℃の温度で約３０〜６０分間、焼き鈍しする。これによって、ＭｇＯが結晶化し、かつ高いＴＭＲが生じる。しかしながら、本発明による強化層がない従来技術のＭＴＪにおいては、焼き鈍しは、ＭｇＯ層中へのＴａの拡散を引き起こし得、これによって、ＭｇＯの結晶化度が変化し、かつＣｏＦｅＢ合金自由層のＰＭＡが低下するであろう。しかしながら、本発明においては、低いＦｅ含有量を有するＣｏＦｅＢ合金強化層１４０は、Ｔａキャップ層１５０からＭｇＯキャッピング層１３０中へのＴａの拡散を抑制し、そのうえ、ＭｇＯ界面においてＣｏＦｅＢを提供することによって、ＭｇＯの良好な結晶化度を生じる。

【0016】

図３は、３つの異なるＭＴＪ構造に関する３つの磁性−場（Ｍ−Ｈ）ループの部分を例示する。ループ２００は、ＣｏＦｅＢ合金強化層がなく、したがって、ＭｇＯキャッピング層と接触するＴａキャップ１５０を有する従来技術のＭＴＪ構造に関する。ループ２１０は、Ｔａキャップ１５０とＭｇＯキャッピング層１３０の間に３ÅのＣｏ_７６Ｆｅ_４Ｂ_２０合金強化層１４０を有するＭＴＪ構造に関する。ループ２２０は、Ｔａキャップ１５０とＭｇＯキャッピング層１３０の間に５ÅのＣｏ_７６Ｆｅ_４Ｂ_２０合金強化層１４０を有するＭＴＪ構造に関する。Ｍ−Ｈループ２００の勾配は非常に浅く、低いＰＭＡ、したがって、低いＴＭＲを示す。しかしながら、ループ２１０および２２０は実質的により急勾配であり、かつ３Åから５Åまでの強化層の厚さの増加とともに増加する。

【0017】

本発明が、好ましい実施形態に関して特に示されて説明されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および細部の様々な変更がなされてもよいことは当業者に理解されるであろう。したがって、開示された本発明は、単に例示として考えられ、そして添付された請求の範囲において特定化される範囲においてのみ限定される。

【符号の説明】

【0018】

１００ 磁気トンネル接合
１０２ 基準層
１０３ 磁性
１０４ 自由層
１０５ 磁性
１０６ 絶縁性酸化物バリア層
１０７ 磁性
１１０ ［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ多層
１１２ ＣｏＦｅＢ層
１１４ Ｔａブレーキング層
１２０ ＣｏＦｅＢ膜
１２２ ＣｏＦｅＢ膜
１２４ Ｔａ分離膜
１３０ ＭｇＯキャッピング層
１４０ 強化層
１５０ Ｔａキャップ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】