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JP2002158381A - 強磁性トンネル接合素子およびその製造方法 - Google Patents

強磁性トンネル接合素子およびその製造方法

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JP2002158381A
JP2002158381A JP2001212595A JP2001212595A JP2002158381A JP 2002158381 A JP2002158381 A JP 2002158381A JP 2001212595 A JP2001212595 A JP 2001212595A JP 2001212595 A JP2001212595 A JP 2001212595A JP 2002158381 A JP2002158381 A JP 2002158381A
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antiferromagnetic
magnetization
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理を受けてもＭｎ系合金を含む反強磁性
層からのＭｎ拡散を有効に抑制することができ、特性お
よび耐熱性に優れた強磁性トンネル接合素子を提供す
る。 【解決手段】 Ｍｎを含有する反強磁性層（１０１）
と、反強磁性層上に形成された、第１および第２の２つ
の強磁性層（１０２ａ、１０２ｂ）の間に絶縁層または
アモルファス磁性層（１０５）を挟んだ構造を有する磁
化固着層（１０２）と、磁化固着層上に形成されたトン
ネルバリア層（１０３）と、トンネルバリア層上に形成
された磁化自由層（１０４）とを有する強磁性トンネル
接合素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気ディス
ク装置における再生用磁気ヘッド、磁気メモリー装置、
磁界センサーなどに適用される強磁性トンネル接合素子
およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】強磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子
は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられている。
また、近年になって、半導体基板上に磁気抵抗効果素子
を形成した磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）
が提案され、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする
次世代メモリー装置として注目されている。
【０００３】磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加
すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化す
る現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の
記録に用い、それに対応する電気抵抗の大小で情報を読
み出すことによりメモリー装置（ＭＲＡＭ）として動作
させることができる。近年、２つの強磁性層の間に絶縁
層（トンネルバリア層）を挿入したサンドイッチ構造を
含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効
果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗変化率が
得られるようになった（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，７
９，４７２４（１９９６））。このことをきっかけとし
て、この効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効
果素子（ＴＭＲ素子）を用いたＭＲＡＭが期待と注目を
集めている。
【０００４】ＭＲＡＭにＴＭＲ素子を用いる場合、トン
ネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方の強磁
性層（固着層）の磁化方向を固着させ、他方の強磁性層
（自由層）の磁化方向を変化させることにより“０”ま
たは“１”の情報を記録する。一方の強磁性層の磁化方
向を固着させるためには、その強磁性層に接して反強磁
性材料を含む反強磁性層を設けた構造が採用される。こ
のような構造を有するＴＭＲ素子は、スピンバルブ型Ｔ
ＭＲ素子（ＳＶ−ＴＭＲ素子）と呼ばれる。
【０００５】図１に従来の強磁性トンネル接合素子の基
本構造を示す。図１において、反強磁性材料を含む反強
磁性層１０１、磁化固着層１０２、絶縁材料を含むトン
ネルバリア層１０３、および磁化自由層１０４が順次積
層されている。自由層１０４および固着層１０２に用い
られる強磁性材料は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群
より選択される磁性金属を含む合金である。一方、反強
磁性層１０１に用いられる反強磁性材料は、Ｉｒ−Ｍ
ｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｒｈ−Ｍｎなど、Ｍｎを含む合
金が一般的である。
【０００６】ところで、ＭＲＡＭなどの製造工程には、
ＣＶＤによる層間絶縁層の成膜やメタルリフローなど、
３００〜４５０℃の熱処理が含まれる。このような熱処
理により、反強磁性層に含まれるＭｎが固着層中へ容易
に拡散してトンネルバリア層近傍に達し、固着層のスピ
ン偏極率を低下させて磁気抵抗変化率の低下という特性
劣化を生じる。
【０００７】この問題を防止するために、固着層中にＴ
ａ、Ｒｕなどの金属を含むＭｎ拡散防止層を挿入するこ
とが試みられている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．，７６，３７９２（２０００））、（Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，２４２４（２０００））。
しかし、これらの金属元素を用いた場合、３００℃以上
では粒界拡散が起こるため、ＭＲＡＭなどの製造工程中
に実施される３００〜４５０℃の熱工程を経るとＭｎ拡
散防止層として機能しなくなるおそれがある。
【０００８】また、反強磁性層と固着層との界面に高融
点金属を含むＭｎ拡散防止層を挿入することも試みられ
ている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，３７
９２（２０００））。しかし、反強磁性層と固着層との
界面に拡散防止層を設けると固着層の磁化の固着度合が
著しく低下するうえに、拡散防止層として用いた高融点
金属自身が拡散するおそれもある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱処
理を受けてもＭｎ系合金を含む反強磁性層からのＭｎ拡
散を有効に抑制することができ、特性および耐熱性に優
れた強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）を提供する
とともに、そのようなＴＭＲ素子を簡便に製造できる方
法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の強磁性トンネル
接合素子は、Ｍｎを含有する反強磁性層と、前記反強磁
性層上に形成された、第１および第２の２つの強磁性層
の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造を
有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成されたト
ンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成され
た磁化自由層とを具備している。
【００１１】本発明の強磁性トンネル接合素子の製造方
法は、Ｍｎを含有する反強磁性層を形成し、前記反強磁
性層上に第１の強磁性層、絶縁層またはアモルファス磁
性層、および第２の強磁性層を積層して磁化固着層を形
成し、前記磁化固着層上に絶縁材料を含むトンネルバリ
ア層を形成し、前記トンネルバリア層上に強磁性材料を
含む磁化自由層を形成するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る強
磁性トンネル接合素子およびその製造方法について、よ
り詳細に説明する。
【００１３】図２を用いて本発明の一実施形態に係る強
磁性トンネル接合素子の基本構造を示す。図２に示され
るように、Ｍｎを含有する反強磁性層１０１、下部強磁
性層（第１の強磁性層）１０２ａ、絶縁層またはアモル
ファス磁性層１０５、および上部強磁性層（第２の強磁
性層）１０２ｂを有する磁化固着層１０２、絶縁材料を
含むトンネルバリア層１０３、および強磁性材料を含む
磁化自由層１０４が順次積層されている。なお、これら
の各層の積層順序は図２の場合と逆でもよい。
【００１４】また、本発明に係る強磁性トンネル接合素
子は、１層のトンネルバリア層を有するものに限らず、
２層以上の多層のトンネルバリア層を有していてもよ
い。
【００１５】図２に示す強磁性トンネル接合素子と、図
１に示す従来の強磁性トンネル接合素子との違いは、固
着層１０２中の反強磁性層１０１からもトンネルバリア
層１０３からも離れた部位（下部強磁性層１０２ａと上
部強磁性層１０２ｂとの間）に絶縁層またはアモルファ
ス磁性層１０５を設けたことである。絶縁層またはアモ
ルファス磁性層１０５は、反強磁性層１０１に含まれる
Ｍｎの拡散を防止する機能を発揮する。したがって、以
下においては、絶縁層またはアモルファス磁性層１０５
をＭｎ拡散防止層として説明する。
【００１６】Ｍｎ拡散防止層を絶縁材料で形成した場
合、従来のＭｎ拡散防止層に用いられる金属と異なり、
１ｎｍ以下の厚さの絶縁材料でもＭｎの粒界拡散を十分
抑制することができる。このため、製造工程中に３００
℃を超える熱処理を受けても、安定した特性を示す強磁
性トンネル接合素子が得られる。
【００１７】Ｍｎ拡散防止層に用いられる絶縁材料とし
ては、一般式Ｍ−Ｘで表される酸化物、窒化物または炭
化物が用いられる。ここで、Ｍは第１の強磁性層に含ま
れる強磁性材料、Ｍｎ、およびＭｎより酸素、窒素また
は炭素と結合しやすい元素からなる群より選択される少
なくとも１種の材料であり、Ｘは酸素、窒素、および炭
素からなる群より選択される少なくとも１種の材料であ
る。Ｍｎ拡散防止層にこれらの材料を用いるのは以下の
ような理由による。ここでは、酸化物を含むＭｎ拡散防
止層を代表例として説明する。
【００１８】Ｍｎ拡散防止層にＭｎより酸化されにくい
元素の酸化物を用いた場合、熱処理により反強磁性層か
ら拡散したＭｎによって還元され、その元素が固着層の
強磁性層中を拡散する。その元素が非磁性材料であり、
その元素が拡散してトンネルバリア層近傍に達した場
合、固着層のスピン偏極率の低下を招き、特性劣化につ
ながる。
【００１９】一方、Ｍｎ拡散防止層にＭｎまたはＭｎよ
り酸化されやすい元素の酸化物を用いた場合、反強磁性
層から拡散したＭｎによって還元されることがないた
め、安定な拡散防止層として機能する。Ｍｎより酸化さ
れやすい元素としては、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ａｌ、Ｅｕ、
Ｓｃなどが挙げられる。また、Ｍｎ拡散防止層として固
着層を形成する第１の強磁性層に含まれる強磁性材料
（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少な
くとも１種）の酸化物を用いてもよい。さらに、Ｍｎ拡
散防止層として強磁性材料の酸化物を用いれば、還元さ
れたとしても強磁性金属元素が生成するため、固着層の
スピン偏極率の低下など特性変化を起こすこともない。
したがって、Ｍｎ拡散防止層に用いられる酸化物として
は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ａｌ、
ＥｕおよびＳｃからなる群より選択される少なくとも１
種の元素の酸化物が好ましい。窒化物または炭化物につ
いても上記の同様である。
【００２０】Ｍｎ拡散防止層をアモルファス磁性材料で
形成した場合にも、絶縁材料の場合と同様に、Ｍｎの粒
界拡散を防止することができる。これは、固着層の第１
の強磁性層中に存在していた粒界がアモルファス磁性層
により途切れるからである。また、第１および第２の２
つの強磁性層間にアモルファス磁性層を挟んだ場合、固
着層中において磁気的結合が弱まることがないので、固
着層の磁化の固着度合が劣化することがない。アモルフ
ァス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層では、絶縁材料を含
むＭｎ拡散防止層のようにトンネル抵抗が生じることが
ないため、厚みを厚くしても素子の抵抗を増加させるこ
とがない。したがって、製造工程中に３００℃を超える
熱処理を受けても、特性の劣化のない強磁性トンネル接
合素子が得られる。
【００２１】Ｍｎ拡散防止層に用いられるアモルファス
磁性材料としては、一般式Ｍｍ100- xＹx（ここで、Ｍｍ
はＣｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群より選択される少な
くとも１種の元素、ＹはＢ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａ
ｌおよびＮｂからなる群より選択される少なくとも１種
の元素であり、３≦ｘ≦１６）で表されるものが好まし
い。
【００２２】上述したようにＭｎ拡散防止層として機能
する絶縁層またはアモルファス磁性層１０５は、反強磁
性層１０１にもトンネルバリア層１０３にも接しないよ
うに、下部強磁性層（第１の強磁性層）１０２ａと上部
強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂとの間に挿入され
ている。これは、以下のような理由による。すなわち、
Ｍｎ拡散防止層を反強磁性層と固着層との界面に挿入す
ると、固着層の固着度合が著しく低下する。また、Ｍｎ
拡散防止層をトンネルバリア層と固着層との界面に挿入
すると、スピントンネル特性の劣化が生じる。
【００２３】絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層の厚さは、
固着層の磁化の固着度合を劣化させず、また、Ｍｎ拡散
防止層でのトンネル抵抗が強磁性トンネル接合部のそれ
より十分小さくなるように設定することが好ましい。こ
のため、Ｍｎ拡散防止層の厚さは２ｎｍ以下であること
が好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。一
方、絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層が薄すぎると連続膜
になりにくく、Ｍｎの拡散を防止する効果が得られなく
なるおそれがあるので、Ｍｎ拡散防止層の厚さは０．２
ｎｍ以上が好ましく、０．５ｎｍ以上がより好ましい。
【００２４】アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止
層の厚さは、第１の強磁性層中の粒界を中断することが
できればよいので、０．２ｎｍ以上であれば十分であ
り、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。アモルファ
ス磁性材料を含むＭｎ拡散防止層の厚さの上限は特に限
定されない。
【００２５】本発明に係る強磁性トンネル接合素子を製
造するには、固着層の形成工程において、下部強磁性層
（第１の強磁性層）１０２ａ、Ｍｎ拡散防止層１０５、
および上部強磁性層（第２の強磁性層）１０２ｂを形成
する。
【００２６】アモルファス磁性材料を含むＭｎ拡散防止
層を形成するには、一般式Ｍｍ100- xＹxで表されるアモ
ルファス磁性材料をスパッタリングすればよい。
【００２７】絶縁材料を含むＭｎ拡散防止層を形成する
には、反応性スパッタリングなどの方法により、Ｍ−Ｘ
で表される酸化物、窒化物または炭化物の薄膜を成膜し
てもよい。また、固着層を形成する第１の強磁性層を酸
化雰囲気（酸素プラズマなど）、窒化雰囲気（窒素プラ
ズマなど）または炭化雰囲気に暴露して、その表面に固
着膜の絶縁層を形成してもよい。さらに、固着層の第１
の強磁性層上にＭｎまたはＭｎより酸素、窒素もしくは
炭素と結合しやすい材料の薄膜を成膜し、この薄膜を酸
化雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、そ
の表面に固着膜の絶縁層を形成してもよい。
【００２８】なお、本発明は、強磁性層、非磁性層およ
び強磁性層の積層構造を有し、２つの強磁性層が反強磁
性結合した磁化固着層（いわゆるシンセティック膜）に
適用することもできる。
【００２９】このような積層構造の磁化固着層におい
て、非磁性層が強磁性層より酸化されにくい元素、例え
ばＩｒ、Ｒｕ、Ｃｕなどを含む場合には、非磁性層の表
面を酸化するかまたは非磁性層の表面に酸素を吸着さ
せ、その上に強磁性層を積層した後、熱処理して強磁性
材料の酸化物を形成してＭｎ拡散防止層として用いても
よい。
【００３０】上記のような積層構造の磁化固着層におい
て、反強磁性層に接する少なくとも一方の強磁性層を、
本発明に従って、２つの強磁性層の間に絶縁層またはア
モルファス磁性層（Ｍｎ拡散防止層）を挟んだ構造にし
てもよい。また、上記のような積層構造の磁化固着層に
おいて、非磁性層を挟む２つの強磁性層の両方を、２つ
の強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟
んだ構造にしてもよい。
【００３１】本発明の他の実施形態に係る方法において
は、反強磁性層１０１を形成し、下部強磁性層（第１の
強磁性層）１０２ａ、第１の強磁性層に含まれる強磁性
材料の酸化物、窒化物または炭化物を含むＭｎ拡散防止
層１０５、および上部強磁性層（第２の強磁性層）１０
２ｂを形成した後、熱処理を行ってもよい。この熱処理
により、反強磁性層１０１に含まれるＭｎの一部を、反
強磁性層１０１に接する下部強磁性層１０２ａ中を拡散
させ、Ｍｎ拡散防止層１０５に含まれる酸素、窒素また
は炭素と結合させる。この結果、Ｍｎ拡散防止層１０５
に含有されていた強磁性材料が生成するので、固着層の
スピン偏極率の低下を防止できる。このときの熱処理温
度は、Ｍｎの拡散が起こり得る２００℃以上であること
が好ましく、熱処理時間を短縮するためには２５０℃以
上とすることが好ましく、さらに３００℃以上とするこ
とがより好ましい。なお、本発明においては、絶縁材料
を含むＭｎ拡散防止層中またはその近傍に、他の元素と
結合していない状態または結合が不十分な状態の酸素原
子、窒素原子または炭素原子が存在していてもよい。
【００３２】次に、図面を参照して本発明の実施形態を
説明する。 実施形態１ 図３（Ａ）〜（Ｃ）は本実施形態に係るＳＶ−ＴＭＲ素
子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３３】図３（Ａ）に示すように、半導体基板（図
示せず）上に、高真空スパッタリングにより、Ｗからな
る下部配線電極層２０１、Ｔａからなるバッファー層２
０２、Ｐｔ−Ｍｎからなる反強磁性層２０３、約２ｎｍ
のＣｏＦｅからなる下部強磁性層（第１の強磁性層）２
０４ａを順次積層する。この下部強磁性層２０４ａ上
に、約０．４ｎｍのＴａ薄膜を成膜した後、その表面を
酸素プラズマ雰囲気に約２０秒間さらすことによりＴａ
をプラズマ酸化して、Ｔａ酸化物からなるＭｎ拡散防止
層２０５を形成する。
【００３４】図３（Ｂ）に示すように、Ｍｎ拡散防止層
２０５上に約２ｎｍのＣｏＦｅからなる上部強磁性層
（第１の強磁性層）２０４ｂを積層する。こうして、下
部強磁性層２０４ａ、Ｍｎ拡散防止層２０５および上部
強磁性層２０４ｂを有する磁化固着層２０４を形成す
る。次に、Ａｌ2Ｏ3からなるトンネルバリア層２０６を
積層した後、トンネルバリア層２０６表面をプラズマ酸
化する。このトンネルバリア層２０６上に、Ｃｏ7Ｆｅ3
からなる磁化自由層２０７、磁化自由層２０７を軟磁性
化するためのＮｉ−Ｆｅ層２０８、およびＷからなる保
護層２０９を順次積層する。
【００３５】図３（Ｃ）に示すように、保護層２０９上
に下部配線電極の形状を規定するフォトレジストパター
ンを形成し、これをマスクとして上記各層をイオンミリ
ングして下部配線電極のパターンを形成する。上記フォ
トレジストパターンを除去した後、トンネル接合部の形
状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これを
マスクとして下部配線電極より上部の各層をイオンミリ
ングしてトンネル接合部のパターンを形成する。上記フ
ォトレジストパターンを除去した後、反応性スパッタリ
ングによりＳｉＯ2を含む層間絶縁膜２１０を堆積す
る。その後、約３００℃の真空中で約７ｋＯｅの磁場を
印加した状態で約２時間アニールを行い、磁化固着層２
０４の磁化を固着させる。さらに、層間絶縁膜２１０に
コンタクトホールを開口した後、上部配線電極２１１を
形成し、ＳＶ−ＴＭＲ素子を製造する。
【００３６】このＳＶ−ＴＭＲ素子に約５ｋＯｅの磁場
を印加しながら真空中でアニールした。アニール温度を
３００〜４００℃の範囲で変化させても、約４５％の磁
気抵抗変化率が得られた。
【００３７】一方、Ｍｎ拡散防止層としてＴａを酸化せ
ずにそのまま用いた以外は図２と同様の構造を有するＳ
Ｖ−ＴＭＲ素子を製造した。このＳＶ−ＴＭＲ素子に対
して上記と同様なアニールを行った。その結果、アニー
ル温度を３５０℃としたとき磁気抵抗変化率は約２０％
に低下し、アニール温度を４００℃としたとき磁気抵抗
変化率は約５％に低下した。
【００３８】以上のように、Ｍｎ拡散防止層にＴａ酸化
物を用いることにより耐熱性が改善されることがわかっ
た。
【００３９】実施形態２ 図４（Ａ）〜（Ｄ）は本発明に係る他のＳＶ−ＴＭＲ素
子の製造方法を工程順に示す断面図である。このＳＶ−
ＴＭＲ素子は、磁化自由層の上下にそれぞれトンネルバ
リア層および磁化固着層が形成された二重トンネル接合
を有するデュアルスピンバルブ型ＴＭＲ素子であり、Ｍ
ＲＡＭに用いられる。このＴＭＲ素子は半導体基板上に
形成された集積回路の一部であり、ＴＭＲ素子は絶縁膜
上に形成された下部配線電極上に形成される。この下部
配線電極は、絶縁膜を貫通するプラグを通して、半導体
基板主面に形成された選択トランジスタと接続される。
【００４０】図４（Ａ）に示すように、図示しない半導
体基板上に層間絶縁膜を形成し、プラグを形成した後、
高真空スパッタリングにより、Ａｌ／Ｗからなる下部配
線電極層３０１、Ｔａからなるバッファー層３０２、Ｉ
ｒ−Ｍｎからなる第１反強磁性層３０３、約２ｎｍのＣ
ｏ9Ｆｅからなる第１下部強磁性層３０４ａを順次積層
する。その後、酸素雰囲気に１時間さらして酸化し、第
１下部強磁性層３０４ａの表面に約０．５ｎｍの第１拡
散防止層３０５を形成する。
【００４１】図４（Ｂ）に示すように、第１拡散防止層
３０５上に、約２ｎｍのＣｏ7Ｆｅ3からなる第１上部強
磁性層３０４ｂを積層する。こうして、第１下部強磁性
層３０４ａ、第１拡散防止層３０５および第１上部強磁
性層３０４ｂを有する第１磁化固着層３０４を形成す
る。次に、Ａｌ2Ｏ3からなる第１トンネルバリア層３０
６、Ｃｏ9Ｆｅからなる磁化自由層３０７、Ａｌ2Ｏ3か
らなる第２トンネルバリア層３０８、約２．５ｎｍのＣ
ｏ7Ｆｅ3からなる第２下部強磁性層３０９ａを順次積層
する。その後、酸素雰囲気に１時間さらして酸化し、第
２下部強磁性層３０９ａの表面に約０．５ｎｍの第２拡
散防止層３１０を形成する。
【００４２】図４（Ｃ）に示すように、第２拡散防止層
３１０上に、約１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第２上
部強磁性層３０９ｂを積層する。こうして、第２下部強
磁性層３０９ａ、第２拡散防止層３１０および第２上部
強磁性層３０９ｂを有する第２磁化固着層２０９を形成
する。次に、Ｉｒ−Ｍｎからなる第２反強磁性層３１
１、Ｔａからなる保護層３１２を順次積層する。
【００４３】以上のように、この実施形態においては、
それぞれ第１および第２のＭｎ拡散防止層３０５、３１
０を挟む上下２層の強磁性層の材料を変えている。これ
は、磁化固着層３０４、３０９の保磁力を小さくするた
めである。ただし、用途によっては、Ｍｎ拡散防止層を
挟む上下２層の強磁性層の材料を変える必要はない。
【００４４】図４（Ｄ）に示すように、保護層３１２上
に下部配線電極の形状を規定するフォトレジストパター
ンを形成し、これをマスクとして上記各層をイオンミリ
ングして下部配線電極のパターンを形成する。上記フォ
トレジストパターンを除去した後、トンネル接合部の形
状を規定するフォトレジストパターンを形成し、これを
マスクとして下部配線電極より上部の各層をイオンミリ
ングしてトンネル接合部のパターンを形成する。上記フ
ォトレジストパターンを除去した後、反応性スパッタリ
ングによりＳｉＯ2からなる層間絶縁膜３１３を堆積す
る。その後、約３２５℃の真空中で約７ｋＯｅの磁場を
印加した状態で２時間アニールを行う。この工程によっ
て、第１および第２の反強磁性層３０３、３１１中のＭ
ｎが拡散してそれぞれ第１および第２のＭｎ拡散防止層
３０５、３１０に到達し、磁化固着層の強磁性材料の酸
化物が還元され、第１および第２のＭｎ拡散防止層３０
５、３１０にはＭｎ酸化物が含まれるようになる。これ
と同時に、第１および第２の磁化固着層３０４、３０９
の磁化の向きが揃う。さらに、層間絶縁膜３１３にコン
タクトホールを開口した後、上部配線電極３１４を形成
し、ＭＲＡＭ中のＳＶ−ＴＭＲ素子を製造する。
【００４５】この後、ＭＲＡＭを完成させるための層間
絶縁膜形成工程や配線電極形成工程において、ＳＶ−Ｔ
ＭＲ素子は３００〜４００℃の熱処理工程を経験する。
従来のＳＶ−ＴＭＲ素子では、これらの熱処理工程が原
因となって、ＭＲＡＭ完成後に１５％程度の磁気抵抗変
化率しか得られなかった。これに対して、本実施形態の
ＳＶ−ＴＭＲ素子では、ＭＲＡＭ完成後に約４０％の磁
気抵抗変化率が得られ、優れた特性を示した。なお、こ
のような効果は、Ｍｎ拡散防止層に窒化物または炭化物
を用いた場合にも得られる。
【００４６】図５に図４（Ｄ）のＳＶ−ＴＭＲ素子を具
備したＭＲＡＭのメモリセル構造の一例を示す。図５に
示すように、シリコン基板４０１には、ゲート電極４０
２、ソース、ドレイン領域４０３、４０４を含むＭＯＳ
トランジスタが形成されている。ゲート電極４０２は読
み出し用のワードライン（ＷＬ１）として用いられる。
ゲート電極４０２上には絶縁層および書き込み用のワー
ドライン（ＷＬ２）４０６が形成されている。ＭＯＳト
ランジスタのドレイン領域４０４には絶縁層に埋め込ま
れたプラグ４０５が接続され、さらにプラグ４０５上に
は下部配線電極層３０１が接続されている。この下部配
線電極層３０１上の書き込み用のワードライン（ＷＬ
２）４０６の上方に対応する位置に、図４（Ｄ）に示し
たようなデュアルスピンバルブ型のＴＭＲ素子３００が
形成されている。このＴＭＲ素子３００上にビットライ
ン（ＢＬ）となる上部配線電極３１４が形成されてい
る。このような構造のＭＲＡＭは優れた特性を示す。
【００４７】実施形態３ 図６は本実施形態に係るＳＶ−ＴＭＲ素子を示す断面図
である。このＳＶ−ＴＭＲ素子は、図４（Ｄ）のＳＶ−
ＴＭＲ素子と同様に、磁化自由層の上下にそれぞれトン
ネルバリア層および磁化固着層が形成された二重トンネ
ル接合を有するデュアルスピンバルブ型のＴＭＲ素子で
ある。さらに、このＳＶ−ＴＭＲ素子では、非磁性層を
介して反強磁性結合した２つの強磁性層を含む積層型の
磁化固着層（いわゆるシンセティック膜）を用いてい
る。このような積層型磁化固着層を用いると、磁化固着
層からの磁場の漏洩が抑制されるため、磁化固着層と磁
化自由層との間の磁気的結合に起因する特性の変化を抑
えることができる。また、本実施形態のＳＶ−ＴＭＲ素
子は、半導体基板上に形成された集積回路の一部であ
り、ＴＭＲ素子部分は絶縁膜上に形成された下部配線電
極上に作製される。この下部配線電極は、絶縁膜を貫通
するプラグを通して、基板主面に形成された選択トラン
ジスタと接続されている。本実施例のＴＭＲ素子の積層
構造は、層間絶縁膜およびプラグ形成を終了した基板上
に、高真空スパッタリング法にて順次積層して作製した
ものである。
【００４８】このＴＭＲ素子では、基板側から以下の各
層が積層されている。 Ｎｉ−Ｃｒ−Ｐｔからなるバッファー層６０１ Ｐｔ−Ｍｎからなる第１反強磁性層６０２ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０３ａ 約１ｎｍの（Ｃｏ6Ｆｅ4）0.95Ｂ0.05からなるアモルフ
ァス磁性層６０４ａ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０３ｂ 約１．２ｎｍのＲｕからなる非磁性層６０５ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０３ｃ 約１ｎｍの（Ｃｏ6Ｆｅ4）0.95Ｂ0.05からなるアモルフ
ァス磁性層６０４ｂ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０３ｄ Ａｌ2Ｏ3からなる第１トンネルバリア層６０６ ２ｎｍのＣｏ3Ｆｅ3Ｎｉ4からなる磁化自由層６０７ Ａｌ2Ｏ3からなる第２トンネルバリア層６０８ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０９ａ 約１ｎｍの（Ｃｏ6Ｆｅ4）0.95Ｂ0.05からなるアモルフ
ァス磁性層６１０ａ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０９ｂ 約１．２ｎｍのＲｕからなる非磁性層６１１ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０９ｃ 約１ｎｍの（Ｃｏ6Ｆｅ4）0.95Ｂ0.05からなるアモルフ
ァス磁性層６１０ｂ 約２ｎｍのＣｏ6Ｆｅ4からなる強磁性層６０９ｄ Ｐｔ−Ｍｎからなる第２反強磁性層６１２ Ｔａからなる保護層６１３。
【００４９】強磁性層６０３ａ、アモルファス磁性層６
０４ａ、強磁性層６０３ｂ、非磁性層６０５、強磁性層
６０３ｃ、アモルファス磁性層６０４ｂおよび強磁性層
６０３ｄにより、第１の積層型磁化固着層６０３が形成
されている。また、強磁性層６０９ａ、アモルファス磁
性層６１０ａ、強磁性層６０９ｂ、非磁性層６１１、強
磁性層６０９ｃ、アモルファス磁性層６１０ｂおよび強
磁性層６０９ｄにより、第２の積層型磁化固着層６０９
が形成されている。それぞれ強磁性層、アモルファス磁
性層および強磁性層を含むユニットは全体として１つの
強磁性層とみなすことができる。
【００５０】このように、第１および第２の積層型磁化
固着層６０３、６０９において、非磁性層を挟む２つの
強磁性層は、いずれも強磁性層、アモルファス磁性層お
よび強磁性層を有するものである。各積層型磁化固着層
６０３、６０９には２つのアモルファス磁性層が含まれ
る。このうち、反強磁性層６０２、６１２に近い側のア
モルファス磁性層６０４ａ、６１０ｂが、Ｍｎ拡散防止
層として機能する。他方のアモルファス磁性層６０４
ｂ、６１０ａは、各積層型磁化固着層６０３、６０９の
非磁性層６０５、６１１を挟む２つの強磁性層ユニット
の磁化を同じ強さにするために用いられている。
【００５１】このような積層構造のＳＶ−ＴＭＲ素子に
対し、約３２０℃で約１０時間の熱処理を行った。その
結果、特性の劣化は認められず、良好な素子特性を示し
た。
【００５２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、磁
化固着層中に絶縁材料またはアモルファス磁性材料を含
むＭｎ拡散防止層を設けることにより、トンネルバリア
近傍へのＭｎおよびその他の非磁性材料の拡散を抑制す
ることができ、特性および耐熱性に優れた強磁性トンネ
ル接合素子を高歩留まりかつ安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の強磁性トンネル接合素子の基本構造を示
す断面図。
【図２】本発明に係る強磁性トンネル接合素子の基本構
造を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態１における強磁性トンネル接
合素子の製造方法を工程順に示す断面図。
【図４】本発明の実施形態２における強磁性トンネル接
合素子の製造方法を工程順に示す断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係る強磁性トンネル接合
素子を用いたＭＲＡＭのメモリセルの一例を示す断面
図。
【図６】本発明の実施形態３における強磁性トンネル接
合素子を示す断面図。
【符号の説明】
１０１…反強磁性層 １０２…磁化固着層 １０２ａ…下部強磁性層 １０２ｂ…上部強磁性層 １０３…トンネルバリア層 １０４…磁化自由層 １０５…Ｍｎ拡散防止層 ２０１…下部配線電極層 ２０２…バッファー層 ２０３…反強磁性層 ２０４…磁化固着層 ２０４ａ…下部強磁性層 ２０４ｂ…上部強磁性層 ２０５…Ｍｎ拡散防止層 ２０６…トンネルバリア層 ２０７…磁化自由層 ２０８…Ｎｉ−Ｆｅ層 ２０９…保護層 ２１０…層間絶縁膜 ２１１…上部配線電極 ３０１…下部配線電極層 ３０２…バッファー層 ３０３…第１反強磁性層 ３０４…第１磁化固着層 ３０４ａ…第１下部強磁性層 ３０４ｂ…第１上部強磁性層 ３０５…第１拡散防止層 ３０６…第１トンネルバリア層 ３０７…磁化自由層 ３０８…第２トンネルバリア層 ３０９…第２磁化固着層 ３０９ａ…第２下部強磁性層 ３０９ｂ…第２上部強磁性層 ３１０…第２拡散防止層 ３１１…第２反強磁性層 ３１２…保護層 ３１３…層間絶縁膜 ３１４…上部配線電極 ４０１…シリコン基板 ４０２…ゲート電極 ４０３、４０４…ソース、ドレイン領域 ４０５…プラグ ４０６…書き込み用のワードライン ６０１…バッファー層 ６０２…第１反強磁性層 ６０３…第１磁化固着層 ６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ…強磁性層 ６０４ａ、６０４ｂ…アモルファス磁性層 ６０５…非磁性層 ６０６…第１トンネルバリア層 ６０７…磁化自由層 ６０８…第２トンネルバリア層 ６０９…第２磁化固着層 ６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ…強磁性層 ６１０ａ、６１０ｂ…アモルファス磁性層 ６１１…非磁性層 ６１２…第２反強磁性層 ６１３…保護層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ Ｆターム(参考） 2G017 AD55 AD62 AD63 AD65 5D034 BA03 BA05 BA15 BA21 CA02 CA08 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC00 AC01 AC05 CB02 5F083 FZ10 GA25 GA30 JA60 PR22 PR33

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｍｎを含有する反強磁性層と、前記反強
    磁性層上に形成された、第１および第２の２つの強磁性
    層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造
    を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成された
    トンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成さ
    れた磁化自由層とを具備したことを特徴とする強磁性ト
    ンネル接合素子。
  2. 【請求項２】 前記磁化固着層の絶縁層またはアモルフ
    ァス磁性層が、前記反強磁性層に含まれるＭｎの拡散を
    防止する機能を有することを特徴とする請求項１記載の
    強磁性トンネル接合素子。
  3. 【請求項３】 前記磁化固着層の絶縁層が、前記第１の
    強磁性層を形成する強磁性材料の酸化物、窒化物または
    炭化物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載
    の強磁性トンネル接合素子。
  4. 【請求項４】 前記磁化固着層の絶縁層が、Ｍｎまたは
    Ｍｎより酸素、窒素または炭素と結合しやすい材料の酸
    化物、窒化物または炭化物を含むことを特徴とする請求
    項１または２に記載の強磁性トンネル接合素子。
  5. 【請求項５】 Ｍｎを含有する反強磁性層を形成し、前
    記反強磁性層上に第１の強磁性層、絶縁層またはアモル
    ファス磁性層、および第２の強磁性層を積層して磁化固
    着層を形成し、前記磁化固着層上に絶縁材料を含むトン
    ネルバリア層を形成し、前記トンネルバリア層上に強磁
    性材料を含む磁化自由層を形成することを特徴とする強
    磁性トンネル接合素子の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記磁化固着層の第１の強磁性層上に、
    第１の強磁性層の強磁性材料、Ｍｎ、およびＭｎより酸
    素、窒素または炭素と結合しやすい材料からなる群より
    選択される少なくとも１種の材料と、酸素、窒素、およ
    び炭素からなる群より選択される少なくとも１種の材料
    とを含む絶縁材料を成膜して前記磁化固着膜の絶縁層を
    形成することを特徴とする請求項５に記載の強磁性トン
    ネル接合素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記磁化固着層の第１の強磁性層を酸化
    雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、前記
    磁化固着膜の絶縁層を形成することを特徴とする請求項
    ５に記載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記磁化固着層の第１の強磁性層上にＭ
    ｎまたはＭｎより酸素、窒素もしくは炭素と結合しやす
    い材料の薄膜を成膜し、前記薄膜を酸化雰囲気、窒化雰
    囲気または炭化雰囲気に暴露して、前記磁化固着膜の絶
    縁層を形成することを特徴とする請求項５に記載の強磁
    性トンネル接合素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 Ｍｎを含む反強磁性層を形成し、第１の
    強磁性層、第１の強磁性層を形成する強磁性材料の酸化
    物、窒化物または炭化物を含む絶縁層、および第２の強
    磁性層を有する磁化固着層を形成した後、２００℃以上
    の温度で熱処理を行うことにより、前記反強磁性層に含
    まれるＭｎの一部を、前記第１の強磁性層中を拡散させ
    て、前記絶縁層に含まれる酸素、窒素または炭素と結合
    させることを特徴とする請求項５に記載の強磁性トンネ
    ル接合素子の製造方法。
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