JP2013062501A - 改良されたトンネル障壁を有する磁気トンネル接合 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル用に適し且つ第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を製作する方法を提供する。
【解決手段】第１強磁性層を形成すること、トンネル障壁層２２を形成すること及び第２強磁性層を形成することから成る。当該トンネル障壁層２２を形成することは、金属製のＭｇ層を蒸着すること及び当該金属のＭｇをＭｇＯ層２２ａに変えるために当該蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することから成る。当該トンネル障壁層が、少なくとも２つのＭｇＯ層２２ａから成るように、当該トンネル障壁層を形成するステップが、少なくとも２回実施される。
【選択図】図３

Description

本発明は、低い欠陥率とより高い降伏電圧とを呈する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに適した磁気トンネル接合を製作するための方法に関する。

図１は、従来の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１を示す。このＭＲＡＭセル１は、第１強磁性層２１と第２強磁性層２３と接合抵抗領域製品ＲＡを有するトンネル障壁層２２とから形成された磁気トンネル接合２から構成される。図１の例では、ＭＲＡＭセルが、熱アシスト（ＴＡ）された書き込み走査を使用して書き込まれようとしている。磁気トンネル接合２が、第２強磁性層２３に交換結合する第２反強磁性層２５をさらに有する。当該記憶装置の磁化方向が自由に切り替えられ得る高温閾値で、磁気トンネル接合２を加熱するように、加熱電流３２が、書き込み操作中に電流線４を経由してこの磁気トンネル接合２中を通電され得る。第１強磁性層２１が、自由に切り替えられる磁化方向を有し得、又は、固定された磁化方向を有するように第１反強磁性層２４によって交換結合されもよい。

トンネル障壁層２２は、多くの場合に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層から製作される。実際には、例えば２００％までの大きいトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が、単結晶の酸化マグネシウムを母材としたトンネル障壁層２２から成る磁気トンネル接合２に対して獲得され得る。ＭｇＯから製作されたこのようなトンネル障壁層２２は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を使用することによって得られ得る。しかしながら、このＲＦマグネトロンスパッタによるＭｇＯの形成は、正規化されたトンネル抵抗値（ＲＡ）内でのばらつき及びデバイスの製作時の可撓率の想定される低下を引き起こしうる。

米国特許第６８４１３９５号明細書では、ＭｇＯ障壁層が、１つの金属マグネシウム層の薄膜を形成するステップと、酸素ドープされた複数の金属マグネシウム層を形成するステップと、積層されたこれらの層を酸化工程に移行させるステップとから成る方法によって形成される。しかしながら、ピンホールのような欠陥が、当該Ｍｇ層を酸化するステップ中にＭｇＯ層の表面に形成されうる。酸化マグネシウムが、金属マグネシウムより大きい体積を有するという事実に起因して、欠陥の形成が起こりうる。結果として、電流がリークし、ＭｇＯトンネル障壁２２の抵抗をより低くし、特に５０ｏｈｍμｍ^２未満の低いトンネル抵抗値に対して降伏電圧をより低くする。ＭＲＡＭセル１の熱アシスト書き込み操作中に磁気トンネル接合２を加熱するために、又は、ＭＲＡＭセル１の読み出し操作中に接合抵抗を読み出すために、電流が、磁気トンネル接合２中を通電されるときに、このような電流のリークが起こりうる。したがって、欠陥の存在は、ＭｇＯトンネル障壁２２の抵抗を減少させ、このようなＭｇＯトンネル障壁２２から成る磁気トンネル接合２のトンネル磁気抵抗効果ＴＭＲも下がる。さらに、当該障壁層２２のより低い降伏電圧が観察されうる。

ピンホールの効果を下げることは、比較的厚いＭｇ層を有すること及び／又は比較的厚い酸化層を成長させることを必要とする。ＭｇＯトンネル障壁層２２の厚さを増大させることは、大きすぎるトンネル抵抗値を引き起こしうる。その結果、磁気トンネル接合デバイスを駆動させるための電圧が高くなりすぎる。また、最初のＭｇ層が厚すぎると、最初のステップの酸化が、このＭｇ層を完全に酸化しない。すなわち、当該Ｍｇ層が、より低いトンネル抵抗値とより低いトンネル磁気抵抗効果とより低い降伏電圧とを伴って不十分に酸化される。

米国特許第６８４１３９５号明細書

Parkin et. Al., 2004, Nat. Mater. 3, 862

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル用に適し且つ第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を製作する方法に関する。

この方法は、当該第１強磁性層を形成すること、当該トンネル障壁層を形成すること及び当該第２強磁性層を形成することから成る。この場合、当該トンネル障壁層を形成することは、金属製のＭｇ層を蒸着すること及び当該金属のＭｇをＭｇＯに変えるために当該蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することから成る。当該トンネル障壁層が、少なくとも２つのＭｇＯ層から成るように、当該トンネル障壁層を形成するステップが、少なくとも２回実施される。

ここで開示された方法は、従来のトンネル障壁層に比べ低い欠陥率とより高い降伏電圧とを呈するトンネル障壁層を形成することを可能にする。

さらに、本発明は、第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を有するＭＲＡＭセルに関する。このトンネル障壁層は、２つ以上のＭｇＯ層を有する。

１つの実施の形態では、当該磁気トンネル接合が、トンネル障壁層と第１強磁性層との間に金属製の１つのＭｇ層をさらに有し、トンネル障壁層と第２強磁性層との間に金属製の１つのＭｇ層をさらに有する。当該金属製のＭｇ層は、約０．５ｎｍ未満である厚さを有し得る。

別に実施の形態では、当該磁気トンネル接合が、第１強磁性層とトンネル障壁層との間に１つのＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層をさらに有し、当該多層の障壁層と第２強磁性層との間に１つのＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層をさらに有する。当該複数のＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層は、約１ｎｍまで、好ましくは約０．５ｎｍまでの厚さを有し得る。

本発明は、例によって記され且つ図面によって示された実施の形態の説明からより良好に理解される。

磁気トンネル接合を有する従来の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを示す。 実施の形態によるトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合を示す。 実施の形態による連続して蒸着された２つの金属マグネシウム層から成るトンネル障壁層を示す。

図２は、実施の形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの磁気トンネル接合２を示す。この磁気トンネル接合２は、第１強磁性層２１、トンネル障壁層２２及び第２強磁性層２３から構成される。熱アシストされた切り替え（ＴＡＳ）書き込み操作によって書き込まれるべきＭＲＡＭセルの場合、第１記憶層２１の磁化方向が、第１高温閾値で自由に方向付けされ、この温度未満でピン止めされ得るように、当該磁気トンネル接合２が、第１強磁性層２１に交換結合する（図示されなかった）第１反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２３の磁化方向を第２低温閾値でピン止めし、当該磁化方向を第２高温閾値で固定するため、この磁気トンネル接合２は、この第２強磁性層２３に交換結合する（同様に図示されなかった）第２反強磁性層をさらに有してもよい。この第１反強磁性層及びこの第２反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ若しくはＦｅＭｎのようなマンガンを母材とした合金又はその他の適切な材料から製作され得る。

第１強磁性層２１と第２強磁性層２３との強磁性材料が、コバルトＣｏ、鉄Ｆｅ、ホウ素Ｂ、ニッケルＮｉから組成されるグループに由来する複数の元素から成り得る、例えばニッケル・鉄・ホウ素ＮｉＦｅＢ及び好ましくはコバルト・鉄・ホウ素ＣｏＦｅＢから成り得る。当該強磁性材料が、優れたトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）応答を提供する。好ましくは、第１強磁性層２１及び第２強磁性層２３は、ＣｏＦｅＢを母材とした合金から製作される。トンネル障壁層２２は、例えば取り分け酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３を含むグループの中から選択された酸化物から製作された絶縁層でもよい。好ましくは、トンネル障壁層２２は、ＭｇＯを母材とした酸化物から製作される。ＭｇＯを母材とした酸化物を磁気トンネル接合に使用することは、室温に対して約２００％の抵抗変化に至るまで、獲得可能な磁気抵抗信号を増大可能にする（Parkin et. Al., 2004, Nat. Mater. 3, 862）。

１つの実施の形態によれば、磁気トンネル接合２を製作するための方法は、第１強磁性層２１を形成すること、トンネル障壁層２２を形成すること及び第２強磁性層２３を形成することから成る。

この場合、当該トンネル障壁層２２を形成することは、金属のＭｇをＭｇＯに変化させ、ＭｇＯ層２２ａを得るため、金属製のＭｇ層を蒸着すること及び当該蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することから成る。トンネル障壁層２２が少なくとも２つのＭｇＯ層２２ａから構成されるように、当該ンネル障壁層２２を形成することのステップは、少なくとも２回実施される。

１つの実施の形態によれば、第１強磁性層２１及び第２強磁性層２３を形成すること及び金属製のＭｇ層を蒸着することは、スパッタ蒸着法を使用することによって実施される。幾つかの蒸着ステップが、同じスパッタ室内又は異なるスパッタ室内で実施され得る。あるいは、幾つかの蒸着ステップが、イオンビーム蒸着法又はパルスレーザ蒸着法のような任意のその他の真空薄膜蒸着技術を使用することによって実施される。当該金属製のＭｇ層は、好ましくは０〜１．５ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１．２ｎｍの厚さで蒸着される。

金属のＭｇをＭｇＯである酸化物に変えるために蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することが、プラズマに曝すことによる酸化又は酸素流に曝すことによる酸化（自然酸化）から成る。与えられた酸化条件で酸化され得る最適な厚さが存在する。例えば、Ｍｇ層が、最適な厚さより厚いときは、このＭｇ層が、当該特定の酸化条件に対して不十分に酸化される（より低いトンネル抵抗値及びより低いトンネル磁気抵抗効果）。ＭｇＯ層がより薄いときは、このＭｇＯ層が、より過度に酸化される（より高いトンネル抵抗値及びより低いトンネル磁気抵抗効果）。ここでは、酸素イオンを含むプラズマが、金属製のＭｇ層に対して使用される。酸素イオンを金属製のＭｇ層中に注入するため、プラズマ酸化が、酸素イオンを加速させて又は加速させることなしに曝された金属製のＭｇ層の表明に対して垂直方向に実施され得る。また、このプラズマ酸化は、注入のための指向性の加速の有無にかかわらず実施され得る。このプラズマ酸化は、室温以下で実施され得る。金属のＭｇをＭｇＯである酸化物により速く且つより完全に変換させるためには、プラズマ酸化が、トンネル接合の完全性が認められる程度の高温（約３００〜４００℃）で実施されてもよい。プラズマ酸化工程では、酸化を決定する設定値は、イオンエネルギー（プラズマ源によって印加される電力）、工程時間及びスパッタ室内に注入される酸素量（一般に５００ｓｃｃｍ）である。この方法は、以下で説明する自然酸化工程より速いものの、若干の欠陥が、ＭｇＯ層中に発生しうる。ＭｇＯ中の欠陥の形成を制限するための可能な方法が、自然酸化工程を使用することから成る。この自然酸化工程では、酸素ガス量が、金属製のＭｇ層の存在下で導入されている。この場合、「時間」及び「圧力」だけが、当該自然酸化工程の設定値である。一般的な工程時間は、１００〜５００秒の範囲にあり、一般的な工程圧力は、０．１〜５０トルの範囲にある。不活性化層の厚さに達するまで、酸素原子が、Ｍｇ層及びＭｇＯ層の中にマイグレートする。アニーリング工程が、このＭｇＯ層を再構成つまり結晶化させる。あるいは、蒸着された金属製のＭｇ層が、ラジカル酸化（ＲＯＸ）で当該金属を酸化することによって酸化されてもよい。一般に、蒸着された金属製のＭｇ層を酸化する当該ステップは、スパッタ室と異なる室内で実施される。

１つの実施の形態では、金属製のＭｇ層を蒸着することは、蒸着操作中に窒素のような不活性ガスを使用することをさらに含む。この不活性ガスは、金属製のＭｇ層を水平化するために又は平坦化するために有益に使用され且つ酸化ステップ中のＭｇＯ分子の圧縮を回避することに使用される。

別の実施の形態では、当該方法は、トンネル障壁層２２を形成する前後に金属製の追加Ｍｇ層２７を蒸着するステップをさらに有する。磁気トンネル接合２の製作後に、この磁気トンネル接合２が、金属製の追加Ｍｇ層２７をトンネル障壁層２２と第１強磁性層２１との間に有し且つトンネル障壁層２２と第２強磁性層２３との間に有するように、金属製の追加Ｍｇ層２７が酸化されない。金属製の追加Ｍｇ層２７が、トンネル障壁層２２に隣接する。当該金属製の追加Ｍｇ層２７は、ＭｇＯトンネル障壁層２２から第１強磁性層２１及び／又は第２強磁性層２３への酸素のマイグレーションを阻止する点で有益である。当該金属製の追加Ｍｇ層２７は、好ましくは約０．５ｎｍ未満の厚さで蒸着される。

さらに別の実施の形態では、当該方法は、第１強磁性層２１を形成した後と第２強磁性層２３を形成する前とにＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層２６を蒸着するステップをさらに有する。すなわち、当該形成された磁気トンネル接合２は、ＣｏＦｅ層２６を第１強磁性層２１とトンネル障壁層２２との間に有し且つ当該多層の障壁層２２と第２強磁性層２３との間に有する。一般に、これらのＣｏＦｅ層２６は、約１ｎｍまでの厚さで、好ましくは約０．５ｎｍまでの厚さで蒸着される。第１強磁性層２１と第２強磁性層２３とから障壁層２２へのマイグレーションを阻止する点では、細いＣｏＦｅ層２６が有益である。

金属製のＭｇ層を酸化するステップの間に、ピンホール２９（図３）が、ＭｇＯ層２２ａの形成中に生成され得る。ここでは、用語のピンホールは、ＭｇＯ層２２ａ中に生成された貫通していない空洞、空隙、貫通している気孔等を含むあらゆる種類の欠陥を含み得る。ＭｇＯである酸化物が、金属のＭｇより大きい体積を有するという、ＭｇＯ層２２ａの若干の膨張を引き起こす事実に起因して、ピンホール２９は、一般には酸化のステップ中に形成される。したがって、ＭｇＯ層２２ａの最終の厚さが、ピンホールの位置で局所的により小さくなりうる。実際には、図３の例で示されたように、ＭｇＯ層２２ａの有効厚さｅが、ピンホール２９の深さｄを差し引いたピンホールなしのＭｇＯ層２２ａの厚さに一致する。

酸化工程中のＭｇＯの成長メカニズムに起因して、ピンホールの分布が、１つのＭｇＯ層２２ａから別のＭｇＯ層２２ａまで変化しやすい。その結果、多層の障壁層２２を形成したときに、先に蒸着されたＭｇＯ層２２ａ′中に形成された複数のピンホール２９のうちのほとんど又は全てのピンホールが、続いて蒸着されたＭｇ層２２ａ″中に形成された複数のピンホールと一列に揃わない。このことは、上述した方法にしたがって連続して蒸着されて酸化された２つのＭｇＯ層２２ａ′，２２ａ″を示す図３中に概略的に図示されている。この例では、最初に蒸着されたＭｇＯ層２２ａ′上に形成された複数のピンホール２９が、その次に蒸着されたＭｇＯ層２２ａ″上に形成された複数のピンホール２９と一列に揃えられていない。

多層の障壁層２２を形成する蒸着されたＭｇＯ層２２ａ′，２２ａ″の数が多いほど、当該障壁層２２が、全てのＭｇ層２２ａにわたって一列に揃えられている複数のピンホール２９を有する確率がより低くなる、すなわち当該障壁層２２が、貫通している複数の気孔を有する確率がより低くなる。

同様に、障壁層２２が貫通している複数の気孔を有することは、障壁層２２の降伏電圧をより低くしうる。ピンホールの効果を低減させることは、比較的厚いＭｇ層を有すること及び／又は比較的厚い酸化層を成長させることを必要とする。

障壁層２２及びこのような障壁層２２を形成する方法のもう１つの利点は、複数のＭｇ層２２ａに起因した水平化効果である。図３では、この水平化効果が、最後に蒸着されたＭｇ層２２ａ″中のピンホール２９の深さｄを差し引いた複数のＭｇ層２２ａ′，２２ａ″の累積された厚さに一致する多層の障壁層２２の有効厚さＥによって示されている。蒸着されたＭｇ層２２ａ′，２２ａ″の数が増大すると、当該障壁層の有効厚さＥに対するピンホールの深さｄの比が低減することが、図３から確認され得る（当該障壁層の有効厚さＥが、ピンホールのない障壁層の厚さＴに近づく）。その結果、障壁層２２が、ここで説明された方法によって形成される。

蒸着されたＭｇ層２２ａ′，２２ａ″の数を増大させることは、ピンホールの影響を減少させ、多層の障壁層２２の抵抗と多層の障壁層２２から成る磁気トンネル接合２のトンネル磁気抵抗効果とを、ピンホールなしの同じ厚さの１つの障壁層２２に対して得られる抵抗及びトンネル磁気抵抗効果とほぼ同様にすることを可能にする。

１つの実施の形態では、同じトンネル抵抗値に対して、単一のＭｇＯ層を有する従来の障壁層よりも高い（１Ｖより高い）降伏電圧を呈する多層の障壁層２２が、ここで示された方法を使用して形成され得る。

１ ＭＲＡＭセル
２ 磁気トンネル接合
２１ 第１強磁性層
２２ トンネル障壁層
２２ａ Ｍｇ層、ＭｇＯ層
２３ 第２強磁性層
２６ ＣｏＦｅ層
２７ 追加Ｍｇ層
２９ ピンホール
３ 選択トランジスタ
ｄ ピンホール深さ
ｅ Ｍｇ層の有効厚さ
Ｅ 障壁層の有効厚さ
Ｔ ピンホールなしの障壁層の厚さ

Claims (10)

1. 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル用に適し且つ第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を製作する方法において、
   当該方法は、前記第１強磁性層を形成すること、前記トンネル障壁層を形成すること及び前記第２強磁性層を形成することから成り、
   当該トンネル障壁層を形成することは、金属製のＭｇ層を蒸着すること及び当該金属のＭｇをＭｇＯに変えるために当該蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することから成り、
   前記トンネル障壁層が、全てのＭｇＯ層にわたって一列に揃えられた複数のピンホールを有する確率を減少させるため、当該トンネル障壁層が、２つ以上のＭｇＯ層から成るように、当該トンネル障壁層を形成するステップが、２回以上実施される当該方法。
2. 当該蒸着された金属製のＭｇ層を水平化させるため、当該金属製のＭｇ層を蒸着することは、不活性ガスを使用することをさらに有する請求項１に記載の方法。
3. 当該蒸着された金属製のＭｇ層の厚さは、０ｎｍ〜１．５ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１．２ｎｍである請求項１に記載の方法。
4. 当該方法は、前記第１強磁性層を形成した後と前記第２強磁性層を形成する前とにＣｏＦｅ層を蒸着することをさらに有する請求項１に記載の方法。
5. 当該方法は、前記トンネル障壁層を形成する前後に金属製の追加Ｍｇ層を蒸着することをさらに有する請求項１に記載の方法。
6. 第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を有するＭＲＡＭセルにおいて、
   前記磁気トンネル接合は、前記第１強磁性層を形成すること、前記トンネル障壁層を形成すること及び前記第２強磁性層を形成することから成る方法によって製作され、
   当該トンネル障壁層を形成することは、金属製のＭｇ層を蒸着すること及び当該金属のＭｇをＭｇＯに変えるために当該蒸着された金属製のＭｇ層を酸化することから成り、
   前記トンネル障壁層が、全てのＭｇＯ層にわたって一列に揃えられた複数のピンホールを有する確率を減少させるため、当該トンネル障壁層が、２つ以上のＭｇＯ層から成るように、当該トンネル障壁層を形成するステップが、２回以上実施される当該ＭＲＡＭセル。
7. 第１強磁性層とトンネル障壁層と第２強磁性層とから成る磁気トンネル接合を有するＭＲＡＭセルにおいて、
   前記トンネル障壁層が、２つ以上のＭｇＯ層から成る当該ＭＲＡＭセル。
8. 前記磁気トンネル接合は、前記トンネル障壁層と前記第１強磁性層との間に金属製の１つのＭｇ層をさらに有し、前記トンネル障壁層と前記第２強磁性層との間に金属製の１つのＭｇ層をさらに有する請求項７に記載のＭＲＡＭセル。
9. 前記磁気トンネル接合は、前記第１強磁性層と前記トンネル障壁層との間に１つのＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層をさらに有し、当該多層の障壁層と前記第２強磁性層との間に１つのＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層をさらに有する請求項７に記載のＭＲＡＭセル。
10. 前記複数のＣｏ_ｘＦｅ_１−ｘ層は、約１ｎｍまで、好ましくは約０．５ｎｍまでの厚さを有する請求項９に記載のＭＲＡＭセル。

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