特表 2024-510136 小ＲＡの幅の狭いベースの改変二重磁気トンネル接合構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-06

(54)【発明の名称】小ＲＡの幅の狭いベースの改変二重磁気トンネル接合構造体

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20240228BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240228BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/10 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023553620

(86)(22)【出願日】2022-02-24

(85)【翻訳文提出日】2023-09-04

(86)【国際出願番号】 EP2022054680

(87)【国際公開番号】W WO2022194510

(87)【国際公開日】2022-09-22

(31)【優先権主張番号】17/204,403

(32)【優先日】2021-03-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】ワーレッジ、ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】フー、グオハン

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA05

4M119BB01

4M119CC05

4M119DD06

4M119DD10

4M119DD17

4M119JJ03

4M119JJ04

4M119JJ13

4M119JJ15

5F092AA12

5F092AB07

5F092AD04

5F092AD25

5F092BB23

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB43

5F092BC03

5F092BC04

5F092BC12

5F092CA02

5F092CA03

5F092CA09

(57)【要約】

幅の狭いベースと、スピン拡散層との界面を形成するトンネル・バリア層の抵抗面積積（ＲＡ）を小さくするスピン拡散層（すなわち非磁性スピン伝導金属層）の使用とを含む、改変二重磁気トンネル接合（ｍＤＭＴＪ）構造体が提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

改変二重磁気トンネル接合（ｍＤＭＴＪ）構造体であって、
第１の磁気参照層と、
前記第１の磁気参照層の表面に接触する第１の表面を有する第１のトンネル・バリア層と、
前記第１のトンネル・バリア層の前記第１の表面とは反対側の前記第１のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する非磁性スピン伝導金属層と、
前記非磁性スピン伝導金属層の前記第１の表面とは反対側の前記非磁性スピン伝導金属層の第２の表面に接触する第１の表面を有する磁気自由層と、
前記磁気自由層の前記第１の表面とは反対側の前記磁気自由層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２のトンネル・バリア層と、
前記第２のトンネル・バリア層の前記第１の表面とは反対側の前記第２のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２の磁気参照層と
を備え、前記第１のトンネル・バリア層が第１の抵抗面積積ＲＡを有し、前記第２のトンネル・バリア層が第２のＲＡを有し、前記第１のＲＡが大きくとも前記第２のＲＡの５分の１未満である、ｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項2】

前記第１のＲＡが１オーム・ミクロン^２以下である、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項3】

前記非磁性スピン伝導金属層が、前記第１のトンネル・バリア層に対して１オーム・ミクロン^２未満の小さいＲＡを与え、その上さらにスピン・トルクを供給する、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項4】

前記第１のトンネル・バリア層は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で構成され、前記非磁性スピン伝導金属層が銅（Ｃｕ）で、または他の元素を１％未満含む銅（Ｃｕ）を主体として構成される、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項5】

前記銅がＦＣＣ１１１テクスチャを有する、請求項４に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項6】

前記第１のトンネル・バリア層はＭｇＯで構成され、前記非磁性スピン伝導金属層が、１原子％未満の窒化物含有量を有する窒化銅（ＣｕＮ）合金、または２０原子％未満のホウ素含有量を有する銅ホウ素（ＣｕＢ）合金で構成される、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項7】

前記第１の磁気参照層は前記ｍＤＭＴＪ構造体の最下部に位置し、前記第２の磁気参照層が前記ｍＤＭＴＪ構造体の最上部に位置する、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項8】

前記第１の磁気参照層と前記第２の磁気参照層の少なくとも一方が、下側磁気参照層と、反強磁性カップリング層と、上側磁気参照層とを備える、請求項７に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項9】

前記第１の磁気参照層、前記第１のトンネル・バリア層、前記非磁性スピン伝導金属層、前記磁気自由層、前記第２のトンネル・バリア層、および前記第２の磁気参照層が、同じ横方向寸法を有する、請求項７に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項10】

前記第２の磁気参照層は前記ｍＤＭＴＪ構造体の最下部に位置し、前記第１の磁気参照層が前記ｍＤＭＴＪ構造体の最上部に位置する、請求項１に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項11】

前記第１の磁気参照層と前記第２の磁気参照層の少なくとも一方は、下側磁気参照層と、反強磁性カップリング層と、上側磁気参照層とを備える、請求項１０に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項12】

前記第１の磁気参照層、前記第１のトンネル・バリア層、前記非磁性スピン伝導金属層、前記磁気自由層、前記第２のトンネル・バリア層、および前記第２の磁気参照層が、同じ横方向寸法を有する、請求項１０に記載のｍＤＭＴＪ構造体。

【請求項13】

スピン伝達トルク（ＳＴＴ）磁気トンネル接合（ＭＴＪ）メモリ要素であって、
第１の電極と第２の電極との間に挟まれた、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の改変二重磁気トンネル接合（ｍＤＭＴＪ）構造体を含む、ＳＴＴ ＭＴＪメモリ要素。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：magnetoresistive random access memory）に関する。より詳細には、本発明は、スピン伝達トルク（ＳＴＴ：spin-transfer torque）ＭＲＡＭの性能を向上させ、半導体技術（ＣＭＯＳ（complementary metaloxide semiconductor）技術など）のバックエンド（ＢＥＯＬ：back-end-of-the-line）処理に統合され得る改変二重磁気トンネル接合（ｍＤＭＴＪ：modified double magnetic tunnel junction）構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＲＡＭは、データを磁気記憶要素によって記憶する不揮発性ランダム・アクセス・メモリ技術である。これらの要素は、通常、各々が磁化を保持することができる、薄い誘電体層（すなわちトンネル・バリア層）によって分離された２枚の強磁性体プレートから形成されている。２枚のプレートの一方（すなわち磁気参照層または磁気ピン止め層）は磁気モーメントの向きが特定の向きに固定された磁石であり、もう一方のプレート（すなわち磁気自由層）の磁化は少なくとも２つの異なる向きに変えることができ、メモリ用途のための０と１などの異なるデジタル状態を表現する。ＭＲＡＭでは、このような要素は磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）構造体と呼ばれることがある。図１は、磁気参照層１２と、トンネル・バリア層１４と、磁気自由層１６とを含む、先行技術のＭＴＪ構造体１０を示す。磁気参照層１２に示す唯一の矢印はその層の可能な向きを示し、磁気自由層１６に示された２つの矢印はその層における向きがスイッチされ得ることを示す。

【0003】

図１のＭＴＪ構造体１０では、磁気参照層１２の磁化は１つの向きに固定されている（例えば上を向いている）が、磁気自由層１６の向きは、磁場または電荷電流を発生させるスピン伝達トルクなどの何らかの外力によって「スイッチ」され得る。小さい電流（いずれかの極性の）を用いてデバイスの抵抗を読み取ることができ、これは磁気自由層１６と磁気参照層１２の磁化の相対的な向きに依存する。抵抗は典型的には、磁化が逆平行であるときに高く、平行であるときに小さくなる（ただし、材料によっては逆転することがある）。

【0004】

図１に示すＭＴＪ構造体１０を使用することができるＭＲＡＭの１つのタイプは、ＳＴＴ ＭＲＡＭである。ＳＴＴ ＭＲＡＭは、磁界を利用して有値要素を反転させる従来のＭＲＡＭより、低消費電力でスケーラビリティに優れるという利点を有する。ＳＴＴ ＭＲＡＭでは、スピン伝達トルクを利用して磁気自由層の向きを反転（スイッチ）させる。ＳＴＴ ＭＲＡＭデバイスでは、ＭＴＪ構造体を通過する電流を用いて、ＭＴＪメモリ要素のビット状態をスイッチ、すなわち「書き込む」。ＭＴＪ構造体中を下向きに通過する電流は、磁気自由層１６を磁気参照層１２と平行にするが、ＭＴＪ構造体中を上向きに通過する電流は、磁気自由層１６を磁気参照層１２と逆平行にする。

【0005】

ＳＴＴ ＭＲＡＭでは、メモリの面積密度を向上させるために、小さいトランジスタの大きさに合わせてスイッチング電流を低減することが求められている。スイッチング電流を約２分の１に低減する１つの方法は、図２に示すような二重磁気トンネル接合（ＤＭＴＪ：double magnetic tunnel junction）構造体２０の概念である。図２のＤＭＴＪ構造体２０は、第１の磁気参照層２２と、第１のトンネル・バリア層２４と、磁気自由層２６と、第２のトンネル・バリア層２８と、第２の磁気参照層３０とを含む。第１の磁気参照層２２および第２の磁気参照層３０の各々に示す唯一の矢印はその層の可能な向きを示し、磁気自由層２６の２つの矢印はその層における向きがスイッチされ得ることを示す。図２に示すＤＭＴＪ構造体の１つの欠点は、スイッチング電流を減少させるとともに、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunnel magnetoresistance）も低減させ、デバイスの効率的な読み出しを阻害することである。

【0006】

したがって、ＤＭＴＪ構造体が、（小電流時の）効率的なスイッチングおよび迅速な読み出し（高ＴＭＲ）を示すように、構造体内のＴＭＲの低下を抑えながらスイッチング電流を低減させたＤＭＴＪ構造体を提供する必要がある。

【発明の概要】

【0007】

幅の狭いベース、およびスピン拡散層との界面を形成するトンネル・バリア層に対して小さい抵抗面積積（ＲＡ：resistance-area product）を与えるスピン拡散層（すなわち、非磁性スピン伝導金属層）の使用を含む、改変二重磁気トンネル接合（ｍＤＭＴＪ）構造体が提供される。「幅の狭いベース」は、接合部の直径が、接合部の下部と接合部の上部とでほぼ同じであることを意味する。「小さいＲＡ」は、１オーム・ミクロン^２以下のＲＡを意味する。本発明のｍＤＭＴＪ構造体は、効率的なスイッチング（小電流）と迅速な読み出し（高ＴＭＲ）とを示す。「小電流」とは、同程度のエラーのない書き込みを達成するために、典型的な単一のＭＴＪデバイスによって必要とされる電流よりも小さい電流を意味する。いくつかの実施形態では、小電流は、２０～５０μＡに達するか、またはそれ未満であり得る。「高ＴＭＲ」とは、典型的なＤＭＴＪデバイスが達成するよりも高い値のトンネル磁気抵抗を意味する。いくつかの実施形態では、高いＴＭＲは１００～２００％に達するか、またはそれを上回り得る。

【0008】

本発明の一態様では、効率的なスイッチングと迅速な読み出しとを示すｍＤＭＴＪ構造体が提供される。一実施形態において、ｍＤＭＴＪ構造体は、第１の磁気参照層と、第１の磁気参照層の表面に接触する第１の表面を有する第１のトンネル・バリア層と、第１のトンネル・バリア層の第１の表面とは反対側の第１のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する非磁性スピン伝導金属層（すなわち、スピン拡散層）と、非磁性スピン伝導金属層の第１の表面とは反対側の非磁性スピン伝導金属層の第２の表面に接触する第１の表面を有する磁気自由層と、磁気自由層の第１の表面とは反対側の磁気自由層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２のトンネル・バリア層と、第２のトンネル・バリア層の第１の表面とは反対側の第２のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２の磁気参照層とを含む。本発明によれば、第１のトンネル・バリア層は第１の抵抗面積積ＲＡを有し、第２のトンネル・バリア層は第２のＲＡを有し、第１のＲＡは大きくとも第２のＲＡの５分の１未満である。

【0009】

本発明の別の態様では、ＳＴＴ ＭＴＪメモリ要素が提供される。一実施形態において、ＳＴＴ ＭＴＪメモリ要素は、第１の電極と第２の電極との間に挟まれたｍＤＭＴＪ構造体を含む。ｍＤＭＴＪ構造体は、第１の磁気参照層と、第１の磁気参照層の表面に接触する第１の表面を有する第１のトンネル・バリア層と、第１のトンネル・バリア層の第１の表面とは反対側の第１のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する非磁性スピン伝導金属層と、非磁性スピン伝導金属層の第１の表面とは反対側の非磁性スピン伝導金属層の第２の表面に接触する第１の表面を有する磁気自由層と、磁気自由層の第１の表面とは反対側の磁気自由層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２のトンネル・バリア層と、第２のトンネル・バリア層の第１の表面とは反対側の第２のトンネル・バリア層の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２の磁気参照層とを含む。本発明によれば、第１のトンネル・バリア層は第１の抵抗面積積ＲＡを有し、第２のトンネル・バリア層は第２のＲＡを有し、第１のＲＡは大きくとも第２のＲＡの５分の１未満である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】先行技術のＭＴＪ構造体の断面図である。

【図2】先行技術のＤＭＴＪ構造体の断面図である。

【図3】本発明の一実施形態によるｍＤＭＴＪ構造体の断面図である。

【図4】図３に示す、第１の磁気参照層および第２の磁気参照層の一方または両方に採用され得る磁気参照層の断面図であり、この磁気参照層は、下部磁気参照層と、合成反強磁性カップリング層と、上部磁気参照層とを含み、かかる用途において、図３に示す参照層のモーメントの向きは、トンネル・バリアに接触する１層の合成反強磁性カップリング層のモーメントの向きに一致する。

【図5】本発明の一実施形態によるｍＤＭＴＪ構造体の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、以下の議論および添付の図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。図面は例示を目的としてのみ与えられ、そのため、図面は正確な比率で描かれていないことに留意されたい。類似の対応する要素は、類似の参照番号で参照されることにも留意されたい。

【0012】

本発明の様々な実施形態の理解を可能にするために、以下の説明において、特定の構造体、構成要素、材料、寸法、処理ステップおよび技術などを多数、具体的に詳述する。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、これらの具体的な詳細がなくても実施され得ることが、当業者には理解されよう。他の例では、本発明を不明瞭にすることを避けるために、よく知られた構造または処理ステップを詳細には記述しない。

【0013】

層、領域、または基板としての要素が別の要素の「上に（on）」または「上に（over）」あると表される場合、その要素は別の要素の上に直接あることができ、または介在要素も存在し得ることは理解されよう。一方、ある要素が別の要素の「直接上に（directly on）」または「直接上に（directly over）」あると表される場合、介在する要素は存在しない。また、ある要素が別の要素の「下に（beneath）」または「下に（under）」あると表される場合、別の要素の直接下に（directly beneath）または直接下に（directly under）あることもあれば、介在する要素が存在することもあることは理解されよう。一方、ある要素が別の要素の「直接下に（directly beneath）」または「直接下に（directly under）」あると表される場合、介在する要素は存在しない。

【0014】

米国特許出願第１６／６７１，９９５号は、２つのトンネル・バリア層と２つの磁気参照層とを含むｍＤＭＴＪ構造体を提供する。このｍＤＭＴＪ構造体は、磁気自由層に上下両方の界面からスピン・トルクがかかるため、スイッチング電流が単一トンネル接合デバイスよりも小さい。第１のトンネル・バリア層の寄生抵抗を低減する（磁気抵抗を低減する）ためには、第１のトンネル・バリア層は第２のトンネル・バリア層よりも広くされる。米国特許出願第１６／６７１，９９５号の図５Ａ、図５Ｂ、図７Ａおよび図７Ｂを参照されたい。「よりも広く」とは、第１のトンネル・バリアの直径が第２のトンネル・バリアの直径の２～４倍であることを意味する。スピン拡散層は、非磁性スピン伝導金属であり、第１のトンネル・バリア層をトンネルしたスピンを集め、磁気自由層まで輸送するために使用される。スピン拡散層により、磁気自由層を小面積（したがって小さいスイッチング電流）に保ちながら、第１のトンネル・バリア層は大面積（したがって低抵抗）にすることが可能になる。

【0015】

本発明は、上記で定義したような幅の狭いベースを含むｍＤＭＴＪ構造体、および非磁性スピン伝導金属層との界面を形成するトンネル・バリア層（すなわち、第１のトンネル・バリア層）に対して上記で定義したような小さいＲＡを示すスピン拡散層（以下、非磁性スピン伝導金属層と呼ぶ）の使用を提供する。本発明のｍＤＭＴＪ構造体は、効率的なスイッチング（上記定義による小電流）と迅速な読み出し（上記定義による高ＴＭＲ）を示す。

【0016】

非磁性スピン伝導金属層材料および第１のトンネル・バリア材料は、ピンホールを着実に回避するのに十分な厚さではないトンネル・バリア厚さに対して、それらが共同で、好ましくは、上記で定義されたような１オーム・ミクロン^２未満の小さいＲＡをもたらすように選択される。例えば、ＭｇＯトンネル・バリア層の場合、ピンホールを着実に回避するためには、トンネル・バリア層の厚さは典型的には約１ｎｍ必要である。ほとんどの電極材料（ほとんどのスピン拡散層材料やＣｏＦｅＢなどのほとんどの磁性材料を含む）については、この厚さはおよそ５～２０オーム・ミクロン^２のＲＡを示す。しかし、いくつかの非磁性スピン伝導金属層材料（以下に定義する）には、１オーム・ミクロン^２未満の小さいＲＡを示し、その上さらにスピン・トルクを供給するものもある。この小さいＲＡのバリアにより幅の狭いベースを使用することが可能となり、その結果、構造体全体がほぼ同じ直径を有する。これにより、幅の広いベースの改変二重磁気トンネル接合のプロセスの複雑さを回避し、大幅にコストを削減する。

【0017】

特に、本発明は、例えば図３および図５に示すようなｍＤＭＴＪ構造体１００を提供する。ｍＤＭＴＪ構造体１００は、ＢＥＯＬに統合されて、ＳＴＴ ＭＲＡＭの構成要素として使用することができる。例えば、図３および図５に示すようなｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の磁気参照層１０２と、第１の磁気参照層１０２の表面に接触する第１の表面を有する第１のトンネル・バリア層１０４と、第１のトンネル・バリア層１０４の第１の表面とは反対側の第１のトンネル・バリア層１０４の第２の表面に接触する第１の表面を有する非磁性スピン伝導金属層１０６と、非磁性スピン伝導金属層１０６の第１の表面とは反対側の非磁性スピン伝導金属層１０６の第２の表面に接触する第１の表面を有する磁気自由層１０８と、磁気自由層１０８の第１の表面とは反対側の磁気自由層１０８の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２のトンネル・バリア層１１０と、第２のトンネル・バリア層１１０の第１の表面とは反対側の第２のトンネル・バリア層１１０の第２の表面に接触する第１の表面を有する第２の磁気参照層１１２とを含む。

【0018】

本発明に従って、第１のトンネル・バリア層１０４は第１の抵抗面積積ＲＡを有し、第２のトンネル・バリア層１１０は第２のＲＡを有し、第１のＲＡは大きくとも第２のＲＡの５分の１未満であり、より典型的には大きくとも７分の１未満であり、さらに典型的には１０分の１未満である。本発明のいくつかの実施形態では、第１のトンネル・バリア層１１０の第１のＲＡは、１オーム・ミクロン^２以下である。本発明の他の実施形態では、第１のトンネル・バリア層１１０の第１のＲＡは、０．１オーム・ミクロン^２～２オーム・ミクロン^２である。小さいＲＡにもかかわらず、第１のトンネル・バリア層１０４は依然として磁気自由層１０８にスピン・トルクを供給することに留意されたい。

【0019】

本発明のｍＤＭＴＪ構造体において、非磁性スピン伝導金属層１０６は、スピン反転散乱寿命が長く、ＲＡが１オーム・ミクロン^２未満と小さいスピン保存金属材料である。「スピン反転散乱寿命が長い」とは、電子は、電子のスピンが反転するまでに１０ナノメートルより長い距離を移動することができることを意味する。非磁性スピン伝導金属層１０６は、第１のトンネル・バリア層１０４をトンネルする際に第１の磁気参照層１０２によって分極されたスピン流を受け取り、そのスピン流を磁気自由層１０８に効果的に伝達してＳＴＴ誘導スイッチングを補助する。同時に、非磁性スピン伝導金属層１０６は、非磁性スピン伝導金属層１０６と第１のトンネル・バリア層１０４との界面における状態密度（ＤＯＳ：density-of-states）のスピン分極を０にする。その結果、第１のトンネル・バリア層１０４にわたる磁気抵抗が０になり、したがって、例えば図２に示すような先行技術のＤＭＴＪ構造体の悩みである磁気抵抗キャンセル効果が回避される。

【0020】

非磁性スピン伝導金属層１０６と第１のトンネル・バリア層１０４との間の界面におけるＤＯＳスピン分極のこの低減は、第１の磁気参照層１０２に入り得る、磁気自由層１０８によって規定される分極をもつスピン流も顕著に低減させ、したがって、スピン・トルク、および磁気自由層１０８からの磁気参照層１０２のＳＴＴ関連の擾乱を低減させる。このように、ｍＤＭＴＪ構造体１００は、効率的なスイッチング（上記定義による小電流）、迅速な読み出し（上記定義による高ＴＭＲ）、および参照層（１０２）の磁気状態に対する潜在的擾乱（書き込みエラーの原因にもなり得る擾乱）の低減を示す。

【0021】

最初に図３を参照すると、本発明の実施形態によるｍＤＭＴＪ構造体１００が図示されている。図３のｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の磁気参照層１０２と、第１の磁気参照層１０２の表面に接触する第１のトンネル・バリア層１０４と、第１のトンネル・バリア層１０４の表面に接触する非磁性スピン伝導金属層１０６と、非磁性スピン伝導金属層１０６の表面に接触する磁気自由層１０８と、磁気自由層１０８の表面に接触する第２のトンネル・バリア層１１０と、第２のトンネル・バリア層１１０の表面に接触する第２の磁気参照層１１２とを含む。図示するように、図３のｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の電極９０と第２の電極１２０との間に配置される。ｍＤＭＴＪ構造体１００と、第１の電極９０と、第２の電極１２０とは、集合的にＳＴＴ ＭＴＪメモリ要素を提供する。

【0022】

図３にも残りの図面のいずれにも描いていないが、ｍＤＭＴＪ構造体１００は、ＢＥＯＬに存在する配線誘電体材料を含む、様々な誘電体材料層中に埋め込むことができる。図３にも残りの図面のいずれにも描いていないが、ＭＲＡＭを含まないデバイス領域は、図面に描かれたＭＲＡＭを含むデバイス領域の横に隣接して配置することができる。

【0023】

第１の電極９０は、ＢＥＯＬに存在する配線レベルのうちの１つの配線誘電体材料層中に埋め込まれた、例えば銅包含構造などの電気伝導構造の表面（リセス部でも非リセス部でも）上に存在し得る。第１の電極９０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｒｕ、ＲｕＮ、ＲｕＴａ、ＲｕＴａＮ、Ｃｏ、ＣｏＷＰ、ＣｏＮ、Ｗ、ＷＮまたはそれらの任意の組合せで構成することができる。第１の電極９０は、他のよく知られた電極材料で構成することもできる。第１の電極９０は、２ｎｍ～２５ｎｍの厚さを有することができ、他の厚さも可能であり、第１の電極９０の厚さとして使用することができる。第１の電極９０は、例えば、スパッタリング、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition）または物理気相成長（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの堆積プロセスによって形成することができる。エッチ・バック・プロセス、平坦化プロセス（例えば、化学的機械研磨、すなわちＣＭＰ（chemical mechanical polishing）など）、またはパターニング・プロセス（例えば、リソグラフィおよびエッチングなど）が、第１の電極９０を形成する導電性材料の堆積に続き得る。

【0024】

次に、図３に示すように、ｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の電極９０上に形成される。図３において、第１の磁気参照層１０２は、ｍＤＭＴＪ構造体１００の最下部に位置し、第２の磁気参照層１１２は、ｍＤＭＴＪ構造体１００の最上部に位置している。図３において、第１の磁気参照層１０２、第１のトンネル・バリア層１０４、および非磁性スピン伝導金属層１０６の各々は第１の横方向寸法を有し、磁気自由層１０８、第２のトンネル・バリア層１１０、および第２の磁気参照層１１２の各々は第２の横方向寸法を有し、第２の横方向寸法は第１の横方向寸法と同じである。したがって、図３に示すｍＤＭＴＪ構造体１００中に存在する様々な層の各々は、互いに関連する、垂直に揃えられたかまたは制御された側壁傾斜で揃えられた最外側側壁を有する。

【0025】

ｍＤＭＴＪ構造体１００の様々な材料層は、例えば、スパッタリング、プラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ：plasma enhanced atomic layer deposition）、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）またはマグネトロン・スパッタリングを含む物理気相成長（ＰＶＤ）などの１つまたは複数の堆積プロセスを利用して形成することができる。いくつかの実施形態では、ｍＤＭＴＪ構造体１００の様々な材料層は、様々な材料層の堆積の間に真空を破ることなく形成することができる。他の実施形態では、ｍＤＭＴＪ構造体１００の様々な材料層は、様々な材料層の１つまたは複数の堆積の間に真空を破ることによって形成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、非磁性スピン伝導金属層１０６の下側部分が形成され、その後に非磁性スピン伝導金属層１０６の上側部分が形成されるように、非磁性スピン伝導金属層１０６は別々の堆積ステップで形成される。非磁性スピン伝導金属層１０６の上側部分と下側部分は、同じ非磁性スピン導電性金属材料で構成されている。非磁性スピン伝導金属層１０６が存在することによって、同一材料金属界面が、高温（４００℃など）のアニーリングによってより容易に「修復」され、界面に関連する欠陥の影響が最小化されるため、その材料層の形成の途中で真空を破ることが実行可能になる。

【0026】

第１の磁気参照層１０２は固定磁化を有する。第１の磁気参照層１０２は、トンネル・バリア界面で大きいスピン分極を示す、金属あるいは１つまたは複数の金属を含む金属合金（またはその積層体）で構成することができる。他の実施形態では、第１の磁気参照層１０２の形成のための例示的な金属は、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、ホウ素、またはマンガンを含む。例示的な金属合金は、上記で例示した金属を含み得る。別の実施形態では、第１の磁気参照層１０２は、（１）上述の金属を用いた、金属または金属合金あるいはその組合せで形成されたスピン分極の大きい領域と、（２）強い垂直磁気異方性（強いＰＭＡ（perpendicular magnetic anisotropy））を示す、１つまたは複数の材料で構成された領域とを有する多層配置であり得る。使用することができる強いＰＭＡの例示的材料は、コバルト、ニッケル、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウムなどの金属を含み、交互層として配置することができる。強ＰＭＡ領域は、強い固有のまたはバルクの（界面とは異なる）ＰＭＡを示す合金も含むことができ、例示的な合金は、コバルト－鉄－テルビウム、コバルト－鉄－ガドリニウム、コバルト－クロム－プラチナ、コバルト－プラチナ、コバルト－パラジウム、鉄－プラチナ、または鉄－パラジウム、あるいはその組合せを含む。合金は交互層として配置することができる。一実施形態では、これらの材料と領域との組合せも、第１の磁気参照層１０２として採用することができる。いくつかの実施形態では、第１の磁気参照層１０２は、下側磁気参照層と、合成反強磁性カップリング層と、上側磁気参照層とを含むことができる。第１の磁気参照層１０２についてのこの実施形態は、図４に関して本明細書で以下により詳細に説明する。

【0027】

第１のトンネル・バリア層１０４は、非磁性スピン伝導金属層１０６と界面で接すると、スピン流を生成するが、第２のトンネル・バリアのＴＭＲに対抗するＴＭＲに寄与しないように構成される。第１のトンネル・バリア層１０４は、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、および酸化チタンなどの絶縁体材料、または半導体や低バンドギャップ絶縁体など、スピン分極を保ちつつ電気トンネル・コンダクタンスの高い材料で構成される。好ましい一実施形態では、第１のトンネル・バリア層１０４は酸化マグネシウムで構成されている。

【0028】

非磁性スピン伝導金属層１０６は、上記で定義したような長いスピン反転散乱寿命をもつスピン保存金属材料であって、第１のトンネル・バリア層１０４に１オーム・ミクロン^２未満のＲＡを与えるもので構成されている。非磁性スピン伝導金属層１０６の材料は、純銅（Ｃｕ）、または例えば窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）などの他の元素を１％未満含む銅（Ｃｕ）、または窒化銅（ＣｕＮ）合金であってＣｕＮ合金の窒化物含有量が１原子％未満であるＣｕＮ合金、または銅ホウ素（ＣｕＢ）合金であってＣｕＢ合金のホウ素含有量が２０原子％未満であるＣｕＢ合金を含むがそれに限定されない。非磁性スピン伝導金属層１０６として例示された材料は、典型的には、酸化マグネシウムからなる第１のトンネル・バリア層１０４と組み合わせて使用され、第１のトンネル・バリア層１０４に第１のＲＡを与える。

【0029】

本発明のいくつかの実施形態では、非磁性スピン伝導金属層１０６の材料は、非磁性スピン伝導金属層１０６と第１のトンネル・バリア層１０４との間の界面における高いＤＯＳを促進することができる選択された結晶方位を有する。例えば、ＦＣＣ１１１テクスチャを有する銅の層（すなわち、純Ｃｕまたは上述の元素のいずれかを含むＣｕ）を採用することができる。

【0030】

非磁性スピン伝導金属層１０６は、受け取ったスピン流を磁気自由層１０８に伝達するのに適切な厚さを有している。一実施形態では、非磁性スピン伝導金属層１０６の厚さは２ｎｍ～２０ｎｍである。ただし、非磁性スピン伝導金属層１０６の厚さが受け取ったスピン流を磁気自由層１０８に伝達するのに十分である限り、他の厚さは可能である。

【0031】

磁気自由層１０８は、第１の磁気参照層１０２および第２の磁気参照層１１２の磁化の向きに対して磁化の向きを変えられ得る磁性材料（または磁性材料積層体）で構成することができる。磁気自由層１０８の例示的な磁性材料は、コバルト、鉄、コバルト－鉄の合金、ニッケル、ニッケル－鉄の合金、コバルト－鉄－ホウ素の合金の、合金または多層膜あるいはその組合せを含む。

【0032】

第２のトンネル・バリア層１１０は絶縁体材料で構成され、磁気自由層１０８と第２の磁気参照層１１２との間に適切なトンネル抵抗を与えるような厚さで形成されている。第２のトンネル・バリア層１１０の例示的な材料は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、および酸化チタン、または半導体もしくは低バンドギャップ絶縁体などの、高い電気トンネル・コンダクタンスの材料を含む。いくつかの実施形態では、第２のトンネル・バリア層１１０は、第１のトンネル・バリア層１０４と組成的に同じ絶縁体材料で構成されている。他の実施形態では、第２のトンネル・バリア層１１０は、第１のトンネル・バリア層１０４と組成的に異なる絶縁体材料で構成されている。第２のトンネル・バリア層１１０は、ピンホールの形成を回避するのに十分な厚さを有する。

【0033】

第２の磁気参照層１１２も固定磁化を有する。第２の磁気参照層１１２は、大きいスピン分極を示す、金属あるいは１つまたは複数の金属を含む金属合金（またはその積層体）で構成することができる。他の実施形態では、第２の磁気参照層１１２を形成する例示的な金属は、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、ホウ素、またはマンガンを含む。例示的な金属合金は、上記で例示した金属を含むことができる。別の実施形態では、第２の磁気参照層１１２は、（１）上述の金属を用いた、金属または金属合金あるいはその組合せで形成されたスピン分極の大きい領域と、（２）強い垂直磁気異方性（強いＰＭＡ）を示す、１つまたは複数の材料で構成された領域とを有する多層配置であり得る。使用することができる強いＰＭＡの例示的材料は、コバルト、ニッケル、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウムなどの金属を含み、交互層として配置することができる。強ＰＭＡ領域は、強い固有のまたはバルクの（界面とは異なる）ＰＭＡを示す合金も含むことができ、例示的な合金は、コバルト－鉄－テルビウム、コバルト－鉄－ガドリニウム、コバルト－クロム－プラチナ、コバルト－プラチナ、コバルト－パラジウム、鉄－プラチナ、または鉄－パラジウム、あるいはその組合せを含む。合金は交互層として配置することができる。一実施形態では、これらの材料と領域との組合せも、第２の磁気参照層１１２として採用することができる。いくつかの実施形態では、第２の磁気参照層１１２は、下側磁気参照層と、合成反強磁性カップリング層と、上側磁気参照層とを含むことができる。第２の磁気参照層１１２についてのこの実施形態は、図４に関して本明細書で以下でより詳細に説明する。

【0034】

第２の電極１２０は、第１の電極９０と同様に、導電性金属材料の１つで構成することができる。いくつかの実施形態では、第２の電極１２０は、第１の電極９０と組成的に同じ導電性金属材料で構成することができる。別の実施形態では、第２の電極１２０は、第１の電極９０と組成的に異なる導電性金属材料で構成することができる。第２の電極１２０は、２ｎｍ～２５ｎｍの厚さを有することができ、他の厚さも可能であり、第２の電極１２０の厚さとして使用することができる。第２の電極１２０は、例えば、スパッタリング、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）または物理気相成長（ＰＶＤ）などの堆積プロセスによって形成することができる。

【0035】

ここで図４を参照すると、図３または図５に示す、第１の磁気参照層１０２および第２の磁気参照層１１２の一方、または両方に採用することができる磁気参照層１１３が図示されている。図４の磁気参照層１１３は、下側磁気参照層１１４と、合成反強磁性カップリング層１１６と、上側磁気参照層１１８とを含む。下側磁気参照層１１４は、第１の磁気参照層１０２または第２の磁気参照層１１２として上述のいずれかの磁性材料で構成され得る。合成反強磁性カップリング層１１６は、磁気参照層１１３の下側および上側磁気層１１４，１１８を逆平行の方式でカップリングすることができる非磁性材料で構成される。合成反強磁性カップリング層１１６として用いられ得る例示的な非磁性材料は、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）またはロジウム（Ｒｈ）を含むが、これらに限定されない。一実施形態では、合成反強磁性カップリング層１１６は、０．２ｎｍ～１．２ｎｍの厚さを有することができるが、他の厚さが可能であり、合成反強磁性カップリング層１１６の厚さとして使用することができる。上側磁気参照層１１８は、第１の磁気参照層１０２または第２の磁気参照層１１２として上述の磁性材料のうちの１つで構成することができる。典型的には、上側磁気参照層１１８は、下側磁気参照層１１４と組成的に異なる。

【0036】

一実施形態では、磁気参照層１１３は、第２の磁気参照層１１２として採用されるが、第１の磁気参照層１０２としては採用されない。別の実施形態では、磁気参照層１１３は、第２の磁気参照層１１２と第１の磁気参照層１０２の両方として採用される。さらに別の実施形態では、磁気参照層１１３は、第１の磁気参照層１０２として採用されるが、第２の磁気参照層１１２としては採用されない。

【0037】

次に図５を参照すると、本発明のさらに別の実施形態によるｍＤＭＴＪ構造体１００を図示しており、図５のｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の磁気参照層１０２が構造体の最上部に位置するように、図３に示すｍＤＭＴＪ構造体を１８０°反転したものである。図５のｍＤＭＴＪ構造体１００は、上記で定義された第１の磁気参照層１０２と、第１の磁気参照層１０２の表面に接触する上記で定義された第１のトンネル・バリア層１０４と、第１のトンネル・バリア層１０４の表面に接触する上記で定義された非磁性スピン伝導金属層１０６と、非磁性スピン伝導金属層１０６の表面に接触する上記で定義された磁気自由層１０８と、磁気自由層１０８の表面に接触する上記で定義された第２のトンネル・バリア層１１０と、第２のトンネル・バリア層１１０の表面に接触する上記で定義された第２の磁気参照層１１２とを含む。図５に示すｍＤＭＴＪ構造体１００は、第１の磁気参照層１０２がｍＤＭＴＪ構造体の最上部に位置し、第２の磁気参照層１１２がｍＤＭＴＪ構造体の最下部に位置する実施形態を示している。

【0038】

図示しないが、図５のＤＭＴＪ構造体１００は、上記で定義された第１の電極と、以下で定義される第２の電極との間に配置される。ｍＤＭＴＪ構造体１００と、第１の電極と、第２の電極とは、集合的にＳＴＴ ＭＴＪメモリ要素を提供する。

【0039】

ｍＤＭＴＪ構造体の最上部に位置する第１の磁気参照層１０２と、ｍＤＭＴＪ構造体の最下部に位置する第２の磁気参照層１１２とを有するｍＤＭＴＪ１００である図５（図３に示す構造体を１８０°反転したもの）において、第１の磁気参照層１０２、第１のトンネル・バリア層１０４、および非磁性スピン伝導金属層１０６の各々は第１の横方向寸法を有し、磁気自由層１０８、第２のトンネル・バリア層１１０、および第２の磁気参照層１１２の各々は第２の横方向寸法を有し、第２の横方向寸法は第１の横方向寸法と同じである。したがって、図５に示すｍＤＭＴＪ構造体１００に存在する様々な層の各々は、互いに垂直に揃えられた最外側の側壁を有する。

【0040】

本発明をその好ましい実施形態に関して特に示し、説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における前述およびその他の変更を行い得ることは、当業者には理解されよう。したがって、本発明は、説明および図示された厳密な形態および詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内にあることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】