JP2015115610A - 磁気記憶素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた信頼性を有する磁気記憶素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】磁気記憶素子において、基準磁性パターン１４０ａは第１固定パターン１１０ａ、第１固定パターン１１０ａとトンネルバリアーパターン１４５ａとの間の第２固定パターン１３５ａ、及び第１及び第２固定パターンの間の交換結合パターン１１５ａを含む。第２固定パターン１３５ａは、トンネルバリアーパターン１４５ａに隣接する分極強化磁性パターン１３０ａ、交換結合パターン１１５ａに隣接する交換結合強化磁性パターン１２０ａ、分極強化磁性パターン１３０ａ及び交換結合強化磁性パターン１２０ａの間の中間磁性パターン１２５ａ、及び中間磁性パターン１２５ａと接触して界面垂直磁性異方性を誘導する非磁性パターン１２３ａを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体素子及びその製造方法に関し、特に、磁気記憶素子及びその製造方法に関する。
半導体素子はそれらの小型化、多機能化、及び／又は低い製造単価等によって電子産業で広く使用されている。半導体素子のうちで半導体記憶素子は論理データを格納することができる。半導体記憶素子のうちで磁気記憶素子は高速動作及び／又は不揮発性等の特性を有するので、次世代半導体記憶素子として注目を浴びている。
一般的に、磁気記憶素子は磁気トンネル接合パターン（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ；ＭＴＪ）含む。磁気トンネル接合パターンは２つの磁性体とその間に介在された絶縁膜とを含む。２つの磁性体の磁化方向によって磁気トンネル接合パターンの抵抗値が変わられる。例えば、２つの磁性体の磁化方向が反並行である場合に磁気トンネル接合パターンは大きい抵抗値を有し、２つの磁性体の磁化方向が平行な場合に磁気トンネル接合パターンは小さい抵抗値を有する。このような抵抗値の差を利用してデータを書き込む／読み出すことができる。
特公２０１３−０１６６４５号公報 特公第２００９−１６４６２８号公報 米国特許第８３２５４４８号明細書 米国特許第８３９４６４９号明細書
本発明が解決しようとする技術的な課題は優れた信頼性を有する磁気記憶素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的な課題は高い磁気抵抗比を有する磁気記憶素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとするその他の技術的課題は高い温度で特性劣化を最小化させることができる磁気記憶素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は以上で言及された課題に制限されるものではなく、言及されないその他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解される。
上述された技術的課題を解決するための磁気記憶素子を提供する。
本発明の一実施形態による磁気記憶素子は、基板と、前記基板の上の磁気トンネル接合記憶素子と、を含み、前記磁気トンネル接合記憶素子は、第１被固定層、交換結合層、及び第２被固定層を含む基準磁性層と、トンネルバリアー層と、自由磁性層と、を含み、前記交換結合層は、第１被固定層と第２被固定層との間に配置され、前記第２被固定層は、強磁性層及び非磁性層を含み、前記第２被固定層は、前記第１被固定層と前記トンネルバリアー層との間に配置され、前記トンネルバリアー層は、前記基準磁性層と前記自由磁性層との間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、鉄−ボロン（ＦｅＢ）及びコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記強磁性層は、第１強磁性層であり、前記第２被固定層は、第２強磁性層を含み、前記非磁性層は、前記第１及び第２強磁性層の間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記第１強磁性層は、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層は、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記第１強磁性層は、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層は、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２強磁性層は、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記第１強磁性層は、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層は、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記非磁性層は、第１非磁性層であり、前記第２被固定層は、第２非磁性層を含み、前記強磁性層は、前記第１及び第２非磁性層との間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記第１非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、前記強磁性層は、鉄（Ｆｅ）及び鉄ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記強磁性層は、第１強磁性層であり、前記非磁性層は、前記第１強磁性層上の第１非磁性層であり、前記第２被固定層は、前記第１非磁性層上の第２強磁性層、前記第２強磁性層上の第２非磁性層、及び前記第２非磁性層上の第３強磁性層をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記第１強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第１非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２強磁性層は、鉄（Ｆｅ）及び鉄ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、そして前記第３強磁性層は、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記交換結合層及び前記第１強磁性層は、第１結晶構造を有し、前記第２強磁性層及び前記第３強磁性層は、第２結晶構造を有し、前記第１及び第２結晶構造は、互に異なることができる。
本発明の一実施形態として、前記第１結晶構造は、六方最密充填結晶構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ ｐａｃｋｅｄ（ＨＣＰ） ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であり、前記第２結晶構造は、体心立方結晶構造（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ（ＢＣＣ） ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であってもよい。
本発明の一実施形態として、前記第１及び第２非磁性層は、体心立方結晶構造（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ（ＢＣＣ） ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができる。
本発明の一実施形態として、前記基準磁性層及び前記自由磁性層の磁化方向は、前記自由磁性層と前記トンネルバリアー層との間の界面に対して垂直であることができる。
本発明の一実施形態として、前記非磁性層は、前記強磁性層及び前記第１被固定層の間に配置され、前記第１被固定層及び前記強磁性層は、互に異なる結晶構成を有することができる。
本発明の一実施形態として、前記第１被固定層は、ＣｏＰｔ合金及び（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ Ｌ１１超格子（ｎは自然数）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の一実施形態として、前記基準磁性層は、前記トンネルバリアー層と前記基板との間に配置され、前記第１被固定層は、前記交換結合層と前記基板との間に配置され、前記トンネルバリアー層は、前記自由磁性層と前記基板との間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記自由磁性層上のキャッピング酸化層をさらに含み、前記磁気トンネル接合記憶素子は、前記キャッピング酸化層と前記基板との間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記キャッピング酸化層は、界面垂直磁気異方性を誘導するように構成されることができる。
本発明の一実施形態として、前記基板と前記第１被固定層との間のシード層と、
前記自由磁性層上のキャッピング電極と、をさらに含み、
前記磁気トンネル接合記憶素子は、前記シード層と前記キャッピング電極との間に配置されることができる。
本発明の一実施形態として、前記自由磁性層は、前記トンネルバリアー層と前記基板との間に配置され、前記トンネルバリアー層は、前記第２被固定層と前記基板との間に配置され、前記第２被固定層は、前記交換結合層と前記基板との間に配置され、前記交換結合層は、前記第１被固定層と前記基板との間に配置されることができる。
本発明の他の実施形態による磁気記憶素子は、基板と、前記基板の上の磁気トンネル接合記憶素子と、を含み、前記磁気トンネル接合記憶素子は、第１被固定層、交換結合層、及び第２被固定層を含む基準磁性層と、トンネルバリアー層と、自由磁性層と、を含み、前記交換結合層は、前記第１被固定層と前記第２被固定層との間に配置され、前記第２被固定層は、第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層を含み、前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配置され、前記第２被固定層は、前記第１被固定層と前記トンネルバリアー層との間に配置され、前記トンネルバリアー層は、前記基準磁性層と前記自由磁性層との間に配置されることができる。
本発明の他の実施形態として、前記非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の他の実施形態として、前記第１強磁性層は、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層は、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
本発明の実施形態によれば、交換結合パターン及びトンネルバリアーパターンの間の第２固定パターンは分極強化磁性パターンのみならず、非磁性パターン及び中間磁性パターンを含む。ここで、非磁性パターンは中間磁性パターン及び非磁性パターンの間の界面に界面垂直磁気異方性を誘導する。即ち、非磁性パターン及び中間磁性パターンによって第２固定パターンの垂直磁気異方性が向上される。これによって、磁気トンネル接合パターンの磁気抵抗比（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ）が向上されることができ、高温による前記磁気トンネル接合パターンの特性劣化を最小化することができる。結果的に、優れた信頼性を有する磁気記憶素子を具現することができる。
また、非磁性パターンは高温熱処理工程の時に分極強化磁性パターンに向かって拡散される第１固定パターンの原子（例えば白金（Ｐｔ）原子）に対して拡散障壁の役割を果たすことができる。これによって、磁気トンネル接合パターンの信頼性劣化を減少させるか、或いは最小化することができる。これに加えて、磁気トンネル接合パターンの形成後の後続工程の工程温度マージンも向上されることができる。
さらに、非磁性パターンは中間磁性パターンと同じ結晶構造を有することができる。これによって、非磁性パターンは中間磁性パターンが非磁性パターンと同一の結晶構造に結晶化されるためのシード及び／又は核サイトの役割を遂行することができる。これによって、第２固定パターンはより容易に製造されることができる。
本発明の一実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の一変形形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の他の変形形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法の一変形形態を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の変形形態を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の一変形形態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の他の変形形態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の例を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の一変形形態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の変形形態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による磁気記憶素子を含む電子システムの一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態磁気記憶素子を含むメモリカードの一例を示すブロック図である。
以上の本発明の目的、他の目的、特徴及び長所は添付された図面に関連された以下の望ましい実施形態を通じて容易に理解できる。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されるものではなく、他の形態に具体化されることもあり得る。むしろ、ここで開示される実施形態は開示された内容が徹底的に完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために提供される。
本明細書で‘及び／又は’という表現は前後に羅列された構成要素のうちの少なくとも１つを含む意味に使用される。また、他の要素に‘連結される’又は‘カップルされる’という表現は、他の要素に直接連結又はカップリングされるか、或いは他の要素との間に介在される要素が存在することがあり得ることを意味する。
本明細書で所定の膜（又は層）が他の膜（又は層）又は基板上にあると言及される場合にそれは他の膜（又は層）又は基板上に直接形成されるか、又はこれらの間に第３の膜（又は層）が介在されることもあり得る。本明細書で使用された用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書で単数形は文言上特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で、‘含む’という表現が使用された構成要素、段階、動作、及び／又は素子に、１つ以上の他の構成要素、他の段階、他の動作、及び／又は他の素子が存在又は追加されることが排除されない。
また、本明細書の多様な実施形態で第１、第２、第３等の用語が多様な領域、膜（又は層）等を記述するために使用されるが、これらの領域、膜がこのような用語によって限定されるものではない。これらの用語は単なるいずれかの所定領域又は膜（又は層）を他の領域又は膜（又は層）と区別させるために使用されるけである。したがって、いずれかの一実施形態で第１膜（又は第１層）として言及されるものが他の実施形態では第２膜（又は第２層）として言及されることもあり得る。ここに説明され、例示される各実施形態はそれの相補的な実施形態も含む。明細書の全体に亘って同一の参照番号で表示された部分は同一の構成要素を示す。
本明細書で記述する実施形態は本発明の理想的な例示図である断面図及び／又は平面図を参考して説明される。図面において、構成の大きさ及び厚さ等は明確性のために誇張されている。したがって、製造技術及び／又は許容誤差等によって例示図の形態が変形されることができる。本発明の実施形態は図示された特定形態に制限されることではなく、製造工程によって生成される形態の変化も含むことである。例えば、直角に図示された蝕刻領域はラウンドされるか、或いは所定曲率を有する形態である。したがって、図面で例示された領域は概略的な属性を有し、図面で例示された領域の模様は素子の領域の特定形態を例示するためのものであり、発明の範疇を制限するためのものではない。
図１は本発明の一実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。
図１を参照すれば、下部層間絶縁膜１０２が基板１００上に配置される。基板１００は半導体基板（例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板又はシリコン−ゲルマニウム基板）である。下部層間絶縁膜１０２はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及び／又はシリコン酸化窒化膜を含む。一実施形態で、スイッチング素子（図示せず）が基板１００に形成され、下部層間絶縁膜１０２がスイッチング素子を覆う。スイッチング素子はＰＮダイオード又は電界効果トランジスターである。下部コンタクトプラグ１０５が下部層間絶縁膜１０２を貫通する。下部コンタクトプラグ１０５はスイッチング素子の一端子に電気的に接続される。下部コンタクトプラグ１０５はドーピングされた半導体物質（例えば、ドーピングされたシリコン）、金属（例えば、タングステン、チタニウム、及び／又はタンタル）、導電性金属窒化物（例えば、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、及び／又はタングステン窒化物）、及び金属−化合物半導体（例えば、金属シリサイド）のうちの少なくとも１つを含む。
基準磁性パターン（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）１４０ａ及び自由磁性パターン（ｆｒｅｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）１５０ａが下部層間絶縁膜１０２上に配置され、トンネルバリアーパターン（ｔｕｎｎｅｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）１４５ａが基準磁性パターン１４０ａ及び自由磁性パターン１５０ａの間に配置される。基準磁性パターン１４０ａは一方向に固定した磁化方向を有する。自由磁性パターン１５０ａの磁化方向はプログラム動作によって基準磁性パターン１４０ａの固定された磁化方向に平行な方向又は反平行な方向に変換されることができる。基準磁性パターン１４０ａ、自由磁性パターン１５０ａ及びトンネルバリアーパターン１４５ａは磁気トンネル接合パターンを提供する。
基準磁性パターン１４０ａ及び自由磁性パターン１５０ａの磁化方向はトンネルバリアーパターン１４５ａと自由磁性パターン１５０ａとの間の界面と垂直である。即ち、磁気トンネル接合パターンは垂直型磁気トンネル接合パターンである。自由磁性パターン１５０ａの磁化方向はスピントルク注入（ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＳＴＴ））プログラム動作によって変化される。即ち、自由磁性パターン１５０ａの磁化方向はプログラム電流内の電子のスピントルクを利用して変化される。
基準磁性パターン１４０ａは合成反強磁性構造（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ（ＳＡＦ） ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。具体的に、基準磁性パターン１４０ａは第１固定パターン１１０ａ（ｆｉｒｓｔ ｐｉｎｎｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）、第１固定パターン１１０ａとトンネルバリアーパターン１４５ａとの間の第２固定パターン１３５ａ、及び第１及び第２固定パターン１１０ａ、１３５ａの間の交換結合パターン（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）１１５ａを含む。
交換結合パターン１１５ａは第１固定パターン１１０ａの磁化方向と第２固定パターン１３５ａの磁化方向とを互いに反並行に結合させる。一実施形態で、交換結合パターン１１５ａはＲＫＫＹ相互作用（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｌｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）によって第１及び第２固定パターン１１０ａ、１３５ａを互いに結合させることができる。したがって、第１及び第２固定パターン１１０ａ、１３５ａの磁化方向によって生成された磁場が互いに相殺されて、基準磁性パターン１４０ａの純磁場（ｎｅｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が最小になることができる。その結果、基準磁性パターン１４０ａによって生成された磁場が自由磁性パターン１５０ａに与える影響力を最小化することができる。例えば、交換結合パターン１１５ａはルテニウム（Ｒｕ）を含む。
トンネルバリアーパターン１４５ａに隣接する第２固定パターン１３５ａの磁化方向が上述された基準磁性パターン１４０ａの固定された磁化方向に該当する。即ち、第２固定パターン１３５ａの磁化方向が自由磁性パターン１５０ａの磁化方向と平行になる時、磁気トンネル接合パターンは低い抵抗値を有する。これとは異なりに、第２固定パターン１３５ａの磁化方向が自由磁性パターン１５０ａの磁化方向と反並行である時、磁気トンネル接合パターンは高い抵抗値を有する。
第１固定パターン１１０ａは垂直磁性物質又は垂直磁性構造体を含む。例えば、第１固定パターン１１０ａは垂直磁性物質に該当するＣｏＰｔ合金、又は垂直磁性構造体に該当する（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ Ｌ１１超格子（ｎは自然数）を含む。コバルト対白金の組成比が約７０：３０である場合に、ＣｏＰｔ合金の垂直磁気異方性が最も大きくなる。一実施形態で、第１固定パターン１１０ａがＣｏＰｔ合金を含む場合に、第１及び第２固定パターン１１０ａ、１３５ａの合成反強磁性カップリングのために第１固定パターン１１０ａの飽和磁化が減少される。ＣｏＰｔ合金の飽和磁化を減少させるために、ＣｏＰｔ合金はボロン（ｂｏｒｏｎ、Ｂ）でドーピングされる。
第２固定パターン１３５ａはトンネルバリアーパターン１４５ａに隣接する分極強化磁性パターン（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）１３０ａ、交換結合パターン１１５ａに隣接する交換結合強化磁性パターン（ｅｘｃｈａｎｇｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）１２０ａ、分極強化磁性パターン１３０ａ及び交換結合強化磁性パターン１２０ａの間の中間磁性パターン１２５ａ、及び分極強化磁性パターン１３０ａ及び交換結合強化磁性パターン１２０ａの間で中間磁性パターン１２５ａと接触する非磁性パターン１２３ａとを含む。分極強化磁性パターン１３０ａはトンネルバリアーパターン１４５ａと接触し、交換結合強化磁性パターン１２０ａは交換結合パターン１１５ａと接触する。
交換結合強化磁性パターン１２０ａは交換結合パターン１１５ａのＲＫＫＹ相互作用を強化させることができる磁性物質を含む。例えば、交換結合強化磁性パターン１２０ａはコバルト（Ｃｏ）を含む。
非磁性パターン１２３ａは非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａの間の界面に界面垂直磁気異方性（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ；ｉ−ＰＭＡ）を誘導できる導電物質（例えば、金属）を含む。非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａと同一の結晶構造を有する。例えば、非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａは体心立方結晶構造（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ（ＢＣＣ） ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。これに加えて、非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａは分極強化磁性パターン１３０ａと同一の結晶構造を有する。例えば、非磁性パターン１２３ａはタングステンを含む。
中間磁性パターン１２５ａは交換結合強化磁性パターン１２０ａと異なる元素を含む。一実施形態で、中間磁性パターン１２５ａと非磁性パターン１２３ａとの間の界面垂直磁気異方性の程度は交換結合強化磁性パターン１２０ａと非磁性パターン１２３ａとの間の界面垂直磁気異方性の程度より大きい。例えば、中間磁性パターン１２５ａは鉄（Ｆｅ）又は鉄−ボロン（ＦｅＢ）を含む。
非磁性パターン１２３ａは交換結合強化磁性パターン１２０ａと異なる結晶構造を有する。例えば、非磁性パターン１２３ａは体心立方結晶構造を有し、交換結合強化磁性パターン１２０ａは六方最密充填結晶構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ ｐａｃｋｅｄ（ＨＣＰ） ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。
また、非磁性パターン１２３ａは第１固定パターン１１０ａとも異なる結晶構造を有する。したがって、分極強化磁性パターン１３０ａも第１固定パターン１１０ａと異なる結晶構造を有する。一実施形態で、第１固定パターン１１０ａ、交換結合パターン１１５ａ、及び交換結合強化磁性パターン１２０ａは同一の結晶構造を有する。例えば、第１固定パターン１１０ａ、交換結合パターン１１５ａ、及び交換結合強化磁性パターン１２０ａは六方最密充填結晶構造を有する。
分極強化磁性パターン１３０ａはトンネルバリアーパターン１４５ａと接触されて高い磁気抵抗比を獲得できる磁性物質を含む。また、分極強化磁性パターン１３０ａはトンネルバリアーパターン１４５ａ及び分極強化磁性パターン１３０ａの間の界面に界面垂直磁性異方性を誘導できる磁性物質を含む。分極強化磁性パターン１３０ａは中間磁性パターン１２５ａ内の元素と異なる元素を含む。言い換えれば、分極強化磁性パターン１３０ａは中間磁性パターン１２５ａに主に含まれなかった元素を含む。上述したように、分極強化磁性パターン１３０ａは非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａと同一の結晶構造を有する。例えば、分極強化磁性パターン１３０ａはコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む。
トンネルバリアーパターン１４５ａは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化アルミニウム（ＡｌＯ）を含む。一実施形態で、トンネルバリアーパターン１４５ａは塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）結晶構造を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。
自由磁性パターン１５０ａは、トンネルバリアーパターン１４５ａと接触されて高い磁気抵抗比を獲得できる磁性物質を含む。また、自由磁性パターン１５０ａはトンネルバリアーパターン１４５ａと自由磁性パターン１５０ａとの間の界面に界面垂直磁気異方性を誘導できる磁性物質を含む。例えば、自由磁性パターン１５０ａはコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む。
続いて、図１を参照すれば、本実施形態で基準磁性パターン１４０ａ、トンネルバリアーパターン１４５ａ、及び自由磁性パターン１５０ａが下部層間絶縁膜１０２上に順に積層される。即ち、第１固定パターン１１０ａ、交換結合パターン１１５ａ、第２固定パターン１３５ａ、トンネルバリアーパターン、及び自由磁性パターン１５０ａが下部層間絶縁膜１０２上に順に積層される。
シードパターン（ｓｅｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）１０７ａが第１固定パターン１１０ａと下部層間絶縁膜１０２との間に介在される。シードパターン１０７ａは下部コンタクトプラグ１０５の上部面に接続される。一実施形態で、シードパターン１０７ａは第１固定パターン１１０ａの結晶構造と同一の結晶構造を有する導電物質で形成される。例えば、シードパターン１０７ａは六方最密充填結晶構造を有する。例えば、シードパターン１０７ａはルテニウム（Ｒｕ）を含む。
本実施形態で、交換結合強化磁性パターン１２０ａ、非磁性パターン１２３ａ、中間磁性パターン１２５ａ、及び分極強化磁性パターン１３０ａが交換結合パターン１１５ａ上に順に積層される。非磁性パターン１２３ａは交換結合強化磁性パターン１２０ａの上部面及び中間磁性パターン１２５ａの下部面と接触される。
キャッピング酸化パターン（ｃａｐｐｉｎｇ ｏｘｉｄｅ ｐａｔｔｅｒｎ）１５５ａが自由磁性パターン１５０ａの上部面上に配置される。キャッピング酸化パターン１５５ａは自由磁性パターン１５０ａの上部面と接触されて、界面垂直磁気異方性がキャッピング酸化パターン１５５ａ及び自由磁性パターン１５０ａの間の界面に誘導される。例えば、キャッピング酸化パターン１５５ａ内の酸素原子がコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）内の鉄原子と反応して界面垂直磁気異方性が誘導される。したがって、自由磁性パターン１５０ａの垂直磁気異方性が向上される。キャッピング酸化パターン１５５ａは動作電流内の電子が通過できるように十分に薄い厚さを有する。例えば、キャッピング酸化パターン１５５ａは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化タンタル（ＴａＯ）及び／又は酸化アルミニウム（ＡｌＯ）を含む。
キャッピング電極１６０ａがキャッピング酸化パターン１５５ａの上部面上に積層される。例えば、キャッピング電極１６０ａはタンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタニウム（Ｔｉ）、及び／又は白金（Ｐｔ）等を含む。上部層間絶縁膜１６５が下部層間絶縁膜１０２上に配置されてキャッピング電極１６０ａ及び磁気トンネル接合パターンを覆う。上部コンタクトプラグ１６７が上部層間絶縁膜１６５を貫通してキャッピング電極１６０ａに接続される。例えば、上部コンタクトプラグ１６７は金属（例えば、タングステン、チタニウム、及び／又はタンタル）及び導電性金属窒化物（例えば、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、及び／又はタングステン窒化物）のうちの少なくとも１つを含む。配線１７０が上部層間絶縁膜１６５上に配置されて上部コンタクトプラグ１６７に接続される。一実施形態で、配線１７０はビットラインに該当する。例えば、配線１７０は金属（例えば、タングステン、チタニウム、及び／又はタンタル）及び導電性金属窒化物（例えば、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、及び／又はタングステン窒化物）のうちの少なくとも１つを含む。
上述された磁気記憶素子によれば、交換結合パターン１１５ａ及びトンネルバリアーパターン１４５ａの間の第２固定パターン１３５ａは分極強化磁性パターン１３０ａのみでなく、非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａを含む。ここで、非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａの間の界面に界面垂直磁気異方性が誘導される。即ち、非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａによって第２固定パターン１３５ａの垂直磁気異方性が向上される。これによって、磁気トンネル接合パターンの磁気抵抗比（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ）が向上され、高温による磁気トンネル接合パターンの特性劣化を最小化することができる。
磁気トンネル接合パターンの磁気抵抗比に向上させるために、自由磁性パターン１５０ａ、トンネルバリアーパターン１４５ａ及び分極強化磁性パターン１３０ａが高温で熱処理される。しかし、仮に非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａが省略されれば、高温の熱処理工程によって第２固定パターン１３５ａの垂直磁気異方性が劣化される。しかし、本発明の実施形態によれば、第２固定パターン１３５ａが非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａを含み、非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａと非磁性パターン１２３ａとの間の界面に界面垂直磁気異方性を誘導する。即ち、第２固定パターン１３５ａ自体の垂直磁気異方性が強化されて、前記高温熱処理工程による特性劣化が減少されるか、或いは最小化になることができる。
また、非磁性パターン１２３ａは高温熱処理工程の時に分極強化磁性パターン１３０ａに向かって拡散される第１固定パターン１１０ａの原子（例えば、白金原子）に対して拡散障壁の役割を果たす。これによって、磁気トンネル接合パターンの信頼性劣化を減少させるか、或いは最小化することができる。これに加えて、磁気トンネル接合パターンの形成後の後続工程の工程温度マージンが向上されることができる。
さらに、非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａと同一の結晶構造を有する。これによって、非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａのための蒸着工程の時にシードとして使用される。これによって、第２固定パターン１３５ａはより容易に製造されることができる。
次に磁気記憶素子の変形形態を説明する。以下で、説明の重複を避けるために、上述された実施形態と変形形態との間の差異点を中心に説明する。
図２は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の一変形形態を示す断面図である。
図２を参照すれば、本発明の変形形態による磁気記憶素子で基準磁性パターン１４１ａの第２固定パターン１３６ａは交換結合パターン１１５ａ上に順に積層された交換結合強化磁性パターン１２０ａ、中間磁性パターン１２５ａ、非磁性パターン１２３ａ、及び分極強化磁性パターン１３０ａを含む。即ち、中間磁性パターン１２５ａが非磁性パターン１２３ａと交換結合強化磁性パターン１２０ａとの間に介在され、非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａ及び分極強化磁性パターン１３０ａの間に介在される。
図３は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の他の変形形態を示す断面図である。
図３を参照すれば、本発明の変形形態による磁気記憶素子で、基準磁性パターン１４２ａの第２固定パターン１３７ａは中間磁性パターン１２５ａの上部面と接触された第２非磁性パターン１２７ａをさらに含む。即ち、非磁性パターン１２３ａが中間磁性パターン１２５ａと交換結合強化磁性パターン１２０ａとの間に介在され、第２非磁性パターン１２７ａが中間磁性パターン１２５ａと分極強化磁性パターン１３０ａとの間に介在される。
第２非磁性パターン１２７ａは非磁性パターン１２３ａと同一である物質で形成される。即ち、界面垂直磁気異方性が第２非磁性パターン１２７ａ及び非磁性パターン１２３ａの間の界面も誘導される。第２非磁性パターン１２７ａは中間磁性パターン１２５ａと同一である結晶構造を有する。また、第２非磁性パターン１２７ａは分極強化磁性パターン１３０ａとも同一の結晶構造を有する。例えば、第２非磁性パターン１２７ａはタングステンを含む。
図４は本発明の一実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。
図４を参照すれば、本発明の変形形態による磁気記憶素子で自由磁性パターン１５１ａは第１自由磁性パターン１４７ａ、第２自由磁性パターン１４９ａ、及び第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａの間の挿入パターン１４８ａを含む。第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａは図１の自由磁性パターン１５０と同一の磁性物質で形成される。挿入パターン１４８ａは第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａと接触して界面垂直磁気異方性を誘導する。これによって、自由磁性パターン１５１ａ自体の垂直磁気異方性が強化されることができる。また、挿入パターン１４８ａはタンタル（Ｔａ）の融点より高い融点を有する。一実施形態で、挿入パターン１４８ａは第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａと同一の結晶構造を有する。この場合に、挿入パターン１４８ａは、例えば、タングステンを含む。他の実施形態で、挿入パターン１４８ａは第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａと異なる結晶構造を有する。この場合に、挿入パターン１４８ａは、例えばレニウム（Ｒｅ）を含む。
結果的に、挿入パターン１４８ａによって自由磁性パターン１５１ａの耐熱性が向上される。即ち、高温熱処理工程及び／又は高温の後続工程による自由磁性パターン１５１ａの特性劣化を減少させるか、或いは最小化させる。自由磁性パターン１５１ａは図１及び図２の磁気記憶素子にも適用されることができる。
図５は本発明の一実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。
図５を参照すれば、本発明の変形形態による磁気記憶素子で基準磁性パターン１４３ａの第２固定パターン１３８ａは交換結合パターン１１５ａ及び分極強化磁性パターン１３０ａの間で交換結合パターン１１５ａ上に少なくとも２回交互に積層された非磁性パターン１２３ａ及び中間磁性パターン１２５ａを含む。したがって、第２固定パターン１３８ａ自体の垂直磁気異方性がさらに強化される。
図４の自由磁性パターン１５１ａが図５の磁気記憶素子に適用されてもよい。
次に、本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明する。
図６及び図７は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。図８は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図６及び図８を参照すれば、下部層間絶縁膜１０２が基板１００上に形成される。下部コンタクトプラグ１０５が下部層間絶縁膜１０２を貫通するように形成される。
シード層１０７が下部層間絶縁膜１０２上に蒸着される。シード層１０７は物理気相蒸着（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）工程、化学気相蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）工程、又は原子層蒸着（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）工程で蒸着される。一実施形態で、シード層１０７はＰＶＤ工程の一種であるスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程で蒸着される。
基準磁性層１４０がシード層１０７上に形成される（Ｓ２００）。基準磁性層１４０は第１固定層１１０、交換結合層１１５、及び第２固定層１３５を含む。具体的に、第１固定層１１０がシード層１０７上に蒸着される。第１固定層１１０はシード層１０７をシードとして使用して形成される。一実施形態で、第１固定層１１０はシード層１０７と同一の結晶構造を有する。例えば、シード層１０７は六方最密充填結晶構造を有するルテニウムで形成され、第１固定層１１０は六方最密充填結晶構造を有するＣｏＰｔ合金又は［ＣｏＰｔ］ｎ Ｌ１１超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）で形成される（ｎは自然数）。第１固定層１１０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程又はＡＬＤ工程で蒸着される。
一実施形態で、第１固定層１１０はスパッタリング工程で蒸着される。第１固定層１１０がＣｏＰｔ合金で形成される場合に、第１固定層１１０はアルゴン（Ａｒ）ガスを使用するスパッタリング工程で形成される。この場合に、第１固定層１１０の飽和磁化を減少させるために、第１固定層１１０はボロンでドーピングされたＣｏＰｔ合金で形成される。これとは異なりに、第１固定層１１０が前記［ＣｏＰｔ］ｎ Ｌ１１超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）で形成される場合に、第１固定層１１０は［ＣｏＰｔ］ｎ Ｌ１１超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）の垂直磁気異方性に向上させるためにアルゴンガスより大きい質量を有する非活性ガス（例えば、クリプトン（Ｋｒ））を使用するスパッタリング工程によって蒸着される。
交換結合層１１５が第１固定層１１０上に蒸着される。一実施形態で、交換結合層１１５は第１固定層１１０をシードとして使用して形成される。例えば、交換結合層１１５は六方最密充填結晶構造を有するルテニウムで形成される。交換結合層１１５はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、交換結合層１１５はスパッタリング工程で蒸着される。
第２固定層１３５が交換結合層１１５上に形成される。第２固定層１３５は交換結合強化磁性層１２０、非磁性層１２３、中間磁性層１２５、及び分極強化磁性層１３０を含む。具体的に、交換結合強化磁性層１２０が交換結合層１１５上に蒸着される。一実施形態で、交換結合強化磁性層１２０は交換結合層１１５と同一の結晶構造を有する。したがって、交換結合強化磁性層１２０は交換結合層１１５をシードとして使用して形成される。例えば、交換結合強化磁性層１２０は六方最密充填結晶構造を有するコバルトで形成される。交換結合強化磁性層１２０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、交換結合強化磁性層１２０はスパッタリング工程で蒸着される。
非磁性層１２３が交換結合強化磁性層１２０上に蒸着される。非磁性層１２３は交換結合強化磁性層１２０と異なる結晶構造を有する。例えば、非磁性層１２３は体心立方結晶構造を有する。例えば、非磁性層１２３はタングステンで形成される。非磁性層１２３はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、非磁性層１２３はスパッタリング工程で蒸着される。
中間磁性層１２５が非磁性層１２３上に蒸着される。中間磁性層１２５は交換結合強化磁性層１２０と異なる磁性物質で形成される。一実施形態で、中間磁性層１２５は鉄で形成される。この場合に、中間磁性層１２５は非磁性層１２３をシード又は核サイト（ｎｕｃｌｅａｒ ｓｉｔｅ）として使用して蒸着される。したがって、中間磁性層１２５は非磁性層１２３と同一の結晶構造を有する。例えば、中間磁性層１２５は体心立方結晶構造を有する。他の実施形態で、中間磁性層１２５はボロンでドーピングされた鉄、即ち鉄−ボロン（ＦｅＢ）で形成される。この場合に、蒸着された中間磁性層１２５は非晶質状態である。中間磁性層１２５はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、中間磁性層１２５はスパッタリング工程で蒸着される。
非磁性層１２３及び中間磁性層１２５は互いに接触されて、非磁性層１２３及び中間磁性層１２５の間の界面に界面垂直磁気異方性を誘導する。
分極強化磁性層１３０が中間磁性層１２５上に蒸着される。分極強化磁性層１３０は中間磁性層１２５の元素と異なる元素を含む。例えば、分極強化磁性層１３０はコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）で形成される。分極強化磁性層１３０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、分極強化磁性層１３０はスパッタリング工程で蒸着される。蒸着された分極強化磁性層１３０は非晶質状態である。したがって、基準磁性層１４０がシード層１０７上に形成される（Ｓ２００）。
トンネルバリアー層（ｔｕｎｎｅｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｌａｙｅｒ）１４５が基準磁性層１４０上に形成される（Ｓ２０１）。一実施形態で、トンネルバリアー層１４５はトンネルバリアー物質をターゲットとして使用するスパッタリング工程で形成される。ターゲットは精巧に制御された化学量論（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）を有するトンネルバリアー物質を含む。このようなターゲットを使用するスパッタリング工程でよって優れた品質を有するトンネルバリアー層１４５が基準磁性層１４０上に蒸着される。したがって、トンネルバリアー層１４５の耐熱性が向上されることができる。例えば、トンネルバリアー層１４５は酸化マグネシウム又は酸化アルミニウムで形成される。特に、トンネルバリアー層１４５は塩化ナトリウム結晶構造を有する酸化マグネシウムで形成される。
自由磁性層１５０が前記トンネルバリアー層１４５上に形成される（Ｓ２０３）。例えば、自由磁性層１５０はコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）で形成される。自由磁性層１５０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、自由磁性層１５０はスパッタリング工程で形成される。蒸着された自由磁性層１５０は非晶質状態である。
自由磁性層１０５を形成した後に、熱処理工程を遂行する（Ｓ２０４）。熱処理工程によって分極強化磁性層１３０及び自由磁性層１５０は結晶化される。これによって、高い磁気抵抗比を獲得することができる。充分な磁気抵抗比を得るために、熱処理工程は約４００℃以上の高温で遂行される。例えば、熱処理工程の工程温度は４００℃乃至６００℃の範囲を有する。特に、熱処理工程の工程温度は４００℃乃至４５０℃の範囲を有する。結晶化された分極強化磁性層１３０は中間磁性層１２５及び非磁性層１２３と同一の結晶構造を有する。結晶化された自由磁性層１５０は結晶化された分極強化磁性層１３０と同一の結晶構造を有する。自由磁性層１５０は熱処理工程の時に前記トンネルバリアー層１４５をシードとして使用して結晶される。一実施形態で、トンネルバリアー層１４５が塩化ナトリウム結晶構造を有し、自由磁性層１５０は体心立方結晶構造を有するように結晶化される。
蒸着された中間磁性層１２５が非晶質鉄−ボロン（ＦｅＢ）で形成される場合に、非晶質鉄−ボロン（ＦｅＢ）は熱処理工程によって結晶化される。この時、鉄−ボロン（ＦｅＢ）内のボロンが拡散されて鉄−ボロン（ＦｅＢ）の結晶化速度に向上させることができる。非晶質鉄−ボロン（ＦｅＢ）内のボロン原子の一部（ｓｏｍｅ）は熱処理工程によって中間磁性層１２５の外部へ抜け出される。これによって、結晶化された鉄−ボロン（ＦｅＢ）内のボロン濃度は蒸着された非晶質鉄−ボロン（ＦｅＢ）のボロン濃度より小さい。
他の実施形態で、蒸着された分極強化磁性層１３０及び蒸着された自由磁性層１５０は部分的に結晶状態であり、熱処理工程によって磁性層１３０、１５０は全体的に結晶化される。
キャッピング酸化層１５５及びキャッピング電極層１６０を自由磁性層１５０上に順に形成する。一実施形態で、熱処理工程はキャッピング電極層１６０を形成した後に遂行される。他の実施形態で、熱処理工程は自由磁性層１５０の形成の後及びキャッピング酸化層１５５の形成の前に遂行される。例えば、キャッピング酸化層１５５はマグネシウム酸化膜、タンタル酸化膜、及び／又はアルミニウム酸化膜で形成される。例えば、キャッピング電極層１６０はタンタル膜、ルテニウム膜、チタニウム膜、及び／又は白金膜で形成される。
図７を参照すれば、続いて、キャッピング電極層１６０、キャッピング酸化層１５５、自由磁性層１５０、トンネルバリアー層１４５、基準磁性層１４０、及びシード層１０７を連続的にパターニングして、順に積層されたシードパターン１０７ａ、基準磁性パターン１４０ａ、トンネルバリアーパターン１４５ａ、自由磁性パターン１５０ａ、キャッピング酸化パターン１５５ａ、及びキャッピング電極１６０ａを形成する。
基準磁性パターン１４０ａはシードパターン１０７ａ上に順に積層された第１固定パターン１１０ａ、交換結合パターン１１５ａ、及び第２固定パターン１３５ａを含む。第２固定パターン１３５ａは交換結合パターン１１５ａ上に順に積層された交換結合強化磁性パターン１２０ａ、非磁性パターン１２３ａ、中間磁性パターン１２５ａ、及び分極強化磁性パターン１３０ａを含む。
続いて、図１に開示された上部層間絶縁膜１６５、上部コンタクトプラグ１６７、及び配線１７０を順に形成する。したがって、図１の磁気記憶素子を具現することができる。
上述された磁気記憶素子の製造方法によれば、第２固定層１３５は界面垂直磁気異方性を誘導する非磁性層１２３及び中間磁性層１２５を含む。これによって、熱処理工程が高温で遂行されても、第２固定層１３５の垂直磁気異方性の劣化が減少されるか、或いは最小化になることができる。
また、非磁性層１２３が中間磁性層１２５及び分極強化磁性層１３０のシードとして作用される。したがって、交換結合強化磁性層１２０と異なる結晶構造を有する中間磁性層１２５及び分極強化磁性層１３０を容易に形成することができる。
次に記磁気記憶素子の製造方法の変形形態を説明する。以下で、説明の重複を避けるために上述された実施形態と変形形態間の差異点を中心に説明する。
図９は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法の一変形形態を説明するための断面図である。
図９を参照すれば、本発明の変形形態では、中間磁性層１２５を交換結合強化磁性層１２０直ちに上に形成し、非磁性層１２３が直ちに上に中間磁性層１２５上に形成される。以後に、分極強化磁性層１３０が非磁性層１２３上に形成される。したがって、基準磁性層１４１の第２固定層１３６は交換結合層１１５上に順に積層された交換結合強化磁性層１２０、中間磁性層１２５、非磁性層１２３、及び分極強化磁性層１３０を含むことができる。本発明の変形形態の他の工程は図６、図７、及び図８を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図２に開示された磁気記憶素子が具現されることができる。
本発明の変形形態で、中間磁性層１２５が非晶質鉄−ボロン（ＦｅＢ）で形成される場合に、非晶質鉄−ボロンは熱処理工程の間に中間磁性層１２５の上部面に接触された非磁性層１２３をシードとして使用して結晶化される。
図１０は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の変形形態を説明するための断面図である。
図１０を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性層１４２の第２固定層１３７は中間磁性層１２５と分極強化磁性層１３０との間に形成される第２非磁性層１２７をさらに含む。即ち、第２固定層１３７は交換結合層１１５上に順に積層された交換結合強化磁性層１２０、非磁性層１２３、中間磁性層１２５、第２非磁性層１２７、及び分極強化磁性層１３０を含む。第２非磁性層１２７は非磁性層１２３と同一な物質で形成される。また、第２非磁性層１２７は非磁性層１２３と同一の方法で形成される。本発明の変形形態の他の工程は図６、図７、及び図８を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図３に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
図１１は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。
図１１を参照すれば、本発明の変形形態による自由磁性層１５１は前記トンネルバリアー層１４５上に順に積層された第１自由磁性層１４７、挿入層１４８、及び第２自由磁性層１４９を含む。第１及び第２自由磁性層１４７、１４９の各々は図６を参照して説明した自由磁性層１５０と同一な物質で形成される。第１及び第２自由磁性層１４７、１４９の各々はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で形成される。一実施形態で、第１及び第２自由磁性層１４７、１４９の各々はスパッタリング工程で形成される。挿入層１４８は第１及び第２自由磁性層１４７、１４９と接触されて界面垂直磁気異方性を誘導できる導電物質で形成される。また、挿入層１４８はタンタルの融点より高い融点を有する導電物質で形成される。例えば、挿入層１４８はタングステン（Ｗ）又はレニウム（Ｒｅ）で形成される。挿入層１４８がタングステンで形成される場合に、熱処理工程後に前記挿入層１４８は第１及び第２自由磁性層１４７、１４９と同一の結晶構造（例えば、体心立方結晶構造）を有する。本発明の変形形態の他の工程は図６、図７、及び図８を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図４に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
図１２は本発明の一実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。
図１２を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性層１４３の第２固定パターン１３８は交換結合強化磁性層１２０上に少なくとも２回交互に積層された非磁性層１２３及び中間磁性層１２５を含む。本発明の変形形態の他の工程は図６、図７、及び図８を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図５に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
一実施形態で、図１０の第２非磁性層１２７が最上部の中間磁性層１２５と分極強化磁性層１３０との上に形成されてもよい。
次に、本発明の他の実施形態による磁気記憶素子を説明する。本実施形態で、上述された実施形態で同一の構成要素は同一の参照符号を使用する。同一の構成要素に対する説明は説明を簡単にするために省略するか、或いは簡略に説明する。即ち、上述された実施形態と本実施形態の差異点を中心に説明する。
図１３は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。
図１３を参照すれば、本実施形態によれば、自由磁性パターン１５０ａ、トンネルバリアーパターン１４５ａ、及び基準磁性パターン１４０ａがシードパターン１０７ａ上に順に積層される。基準磁性パターン１４０ａはトンネルバリアーパターン１４５ａの上部面上に配置された第１固定パターン１１０ａ、第１固定パターン１１０ａとトンネルバリアーパターン１４５ａとの間に配置された第２固定パターン１３５ａ、及び第１及び第２固定パターン１１０ａ、１３５ａの間に介在された交換結合したパターン１１５ａを含む。
第２固定パターン１３５ａはトンネルバリアーパターン１４５ａの上部面と接触する分極強化磁性パターン１３０ａ、交換結合パターン１１５ａの下部面と接触する交換結合強化磁性パターン１２０ａ、及び分極強化磁性パターン１３０ａ及び交換結合強化磁性パターン１２０ａの間に介在された非磁性パターン１２３ａ、及び中間磁性パターン１２５ａを含む。
一実施形態で、非磁性パターン１２３ａが中間磁性パターン１２５ａと交換結合強化磁性パターン１２０ａとの間に介在される。非磁性パターン１２３ａの下部面及び上部面が各々中間磁性パターン１２５ａ及び交換結合強化磁性パターン１２０ａと接触される。
本実施形態で、自由磁性パターン１５０ａがシードパターン１０７ａ直ちに上に配置されてもよい。したがって、シードパターン１０７ａは自由磁性パターン１５０ａのシード機能を果たす導電物質で形成される。例えば、自由磁性パターン１５０ａが体心立方構造を有する場合に、シードパターン１０７ａは塩化ナトリウム結晶構造を有する導電物質（例えば、チタニウム窒化物又はタンタル窒化物）を含む。
本実施形態で、キャッピング電極１６０ａは第１固定パターン１１０ａの上部面直ちに上に配置されてもよい。
次に本実施形態による磁気記憶素子の変形形態を説明する。以下で、説明の重複を避けるために、上述された実施形態と変形形態との間の差異点を中心に説明する。
図１４は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の一変形形態を示す断面図である。
図１４を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性パターン１４１ａの第２固定パターン１３６ａは分極強化磁性パターン１３０ａ及び中間磁性パターン１２５ａの間に介在された非磁性パターン１２３ａを含む。非磁性パターン１２３ａの下部面及び上部面は分極強化磁性パターン１３０ａ及び中間磁性パターン１２５ａと接触される。一実施形態で、中間磁性パターン１２５ａの上部面は交換結合強化磁性パターン１２０ａと接触される。
図１５は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の他の変形形態を示す断面図である。
図１５を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性パターン１４２ａの第２固定パターン１３７ａは第２非磁性パターン１２７ａをさらに含む。即ち、非磁性パターン１２３ａは中間磁性パターン１２５ａと交換結合強化磁性パターン１２０ａとの間に介在され、第２非磁性パターン１２７ａは中間磁性パターン１２５ａと分極強化磁性パターン１３０ａとの間に介在される。即ち、中間磁性パターン１２５ａの上部面及び下部面は非磁性パターン１２３ａ及び第２非磁性パターン１２５ａと各々接触される。第２非磁性パターン１２５ａは非磁性パターン１２３ａと同一な物質及び同一の結晶構造を含む。
図１６は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。
図１６を参照すれば、本発明の変形形態による自由磁性パターン１５１ａはシードパターン１０７ａ上に順に積層された第１自由磁性パターン１４７ａ、挿入パターン１４８ａ及び第２自由磁性パターン１４９ａを含む。第１及び第２自由磁性パターン１４７ａ、１４９ａ及び挿入パターン１４８ａは上述されたものと同一の特性を有する。自由磁性パターン１５１ａは図１３及び図１４に開示された磁気記憶素子にも適用されることができる。
図１７は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子のその他の変形形態を示す断面図である。
図１７を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性パターン１４３ａの第２固定パターン１３８ａは分極強化磁性パターン１３０ａ上に少なくとも２回交互に積層された中間磁性パターン１２５ａ及び非磁性パターン１２３ａを含む。
一実施形態で、図１５の第２非磁性パターン１２７ａが最下部の中間磁性パターン１２５ａと分極強化磁性パターン１３０ａとの間に介在される。
次に本実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明する。
図１８乃至図２０は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図である。図２１は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図１８及び図２１を参照すれば、シード層１０７が下部層間絶縁膜１０２上に形成される。自由磁性層１５０がシード層１０７上に形成される（Ｓ２１０）。シード層１０７は自由磁性層１５０のシードとして使用できる導電物質で形成される。例えば、シード層１０７は塩化ナトリウム結晶構造を有する導電物質（例えば、チタニウム酸化物又はタンタル酸化物）で形成される。自由磁性層１５０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、自由磁性層１５０はスパッタリング工程で蒸着される。蒸着された自由磁性層１５０は部分的に結晶構造を有するか、或いは非晶質状態である。
トンネルバリアー層１４５が自由磁性層１５０上に形成される（Ｓ２１１）。トンネルバリアー層１４５は精巧に制御された化学量論（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）を有するターゲットを使用するスパッタリング工程で形成される。
基準磁性層の分極強化磁性層１３０がトンネルバリアー層１４５上に形成される（Ｓ２１２）。分極強化磁性層１３０はＰＶＤ工程、ＣＶＤ工程、又はＡＬＤ工程で蒸着される。一実施形態で、分極強化磁性層１３０はスパッタリング工程で蒸着される。蒸着された分極強化磁性層１３０は部分的に結晶構造を有するか、或いは非晶質状態である。
図２１に開示されたように、熱処理工程を遂行する（Ｓ２１３）。分極強化磁性層１３０及び自由磁性層１５０は熱処理工程によって結晶化される。したがって、分極強化磁性層１３０、トンネルバリアー層１４５、及び自由磁性層１５０の磁気抵抗比が増加されることができる。磁気抵抗比に向上させるために、熱処理工程の工程温度は約４００℃以上の高温で遂行される。例えば、熱処理工程の工程温度は４００℃乃至６００℃の範囲を有する。特に、熱処理工程の工程温度は４００℃乃至４５０℃の範囲を有する。一実施形態で、熱処理工程は分極強化磁性層１３０の形成装備内でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）に遂行される。他の実施形態で、熱処理工程は分極強化磁性層１３０の形成の後に他の装備内で遂行されてもよい。
図１９及び図２１を参照すれば、基準磁性層１４０の残りの層１２５、１２３、１２０、１１５、１１０を形成する（Ｓ２１４）。残りの層１２５、１２３、１２０、１１５、１１０は第１固定層１１０、交換結合層１１５、及び第２固定層１３５の残りの層１２５、１２３、１２０を含む。一実施形態で、中間磁性層１２５、非磁性層１２３、及び交換結合強化磁性層１２０が分極強化磁性層１３０上に順に形成される。したがって、基準磁性層１４０の第２固定層１３５が形成される。続いて、交換結合層１１５及び第１固定層１１０を第２固定層１３５上に順に形成される。キャッピング電極膜１６０が第１固定層１１０上に形成される。
図２０を参照すれば、キャッピング電極膜１６０、基準磁性層１４０、トンネルバリアー層１４５、自由磁性層１５０、及びシード層１０７を連続的にパターニングして下部層間絶縁膜１０２上に順に積層されたシードパターン１０７ａ、自由磁性パターン１５０ａ、トンネルバリアーパターン１４５ａ、基準磁性パターン１４０ａ、及びキャッピング電極１６０ａを形成する。基準磁性パターン１４０ａは第１固定パターン１１０ａ、交換結合パターン１１５ａ、及び第２固定パターン１３５ａを含む。第２固定パターン１３５ａ、交換結合パターン１１５ａ、及び第１固定パターン１１０ａがトンネルバリアーパターン１４５ａ上に順に積層される。
第２固定パターン１３５ａはトンネルバリアーパターン１４５ａの上部面上に順に積層された分極強化磁性パターン１３０ａ、中間磁性パターン１２５ａ、非磁性パターン１２３ａ、及び交換結合強化磁性パターン１２０ａを含む。
続いて、図１３の上部層間絶縁膜１６５、上部コンタクトプラグ１６７及び配線１７０を順に形成して図１３の磁気記憶素子を具現する。
本実施形態で、第２固定層１３５が界面垂直磁気異方性を誘導する中間磁性層１２５及び非磁性層１２３を含むことによって、パターン１０７ａ、１５０ａ、１４５ａ、１４０ａ、１６０ａの形成の後、後続工程の工程温度マージンを向上させることができる。例えば、後続工程の工程温度は４００℃乃至６００℃の範囲内に高温である。
上述された方法で、熱処理工程は基準磁性層１４０の残りの層１２５、１２３、１２０、１１５、１１０の形成の前に遂行される。しかし、本発明はここに限定されない。他の実施形態によれば、熱処理工程は基準磁性層１４０を形成した後に遂行されてもよい。これを図１９及び図２２を参照して説明する。
図２２は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
図１９及び図２２を参照すれば、自由磁性層１５０がシード層１０７上に形成される（Ｓ２２０）。トンネルバリアー層１４５が自由磁性層１５０上に形成される（Ｓ２２１）。基準磁性層１４０がトンネルバリアー層１４５上に形成される（Ｓ２２２）。この時、基準磁性層１４０の全体が前記トンネルバリアー層１４５上に形成される。以後に、熱処理工程が遂行される（Ｓ２２３）。熱処理工程は基準磁性層１４０を形成した後及び前記キャッピング電極膜１６０を形成する前に遂行される。これとは異なりに、熱処理工程はキャッピング電極膜１６０を形成した後に遂行されてもよい。
本実施形態で、第２固定層１３５は非磁性層１２３及び中間磁性層１２５を含むことによって、第２固定層１３５自体の垂直磁気異方性が強化される。これによって、熱処理工程が基準磁性層１４０を形成した後に遂行されても、第２固定層１３５の垂直磁気異方性の劣化が最小になることができる。
次に本実施形態による磁気記憶素子の製造方法の変形形態を説明する。以下で、説明の重複を避けるために、上述された実施形態と変形形態との間の差異点を中心に説明する。
図２３は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の一変形形態を説明するための断面図である。
図２３を参照すれば、本発明の変形形態では、非磁性層１２３が分極強化磁性層１３０直ちに上に形成され、中間磁性層１２５が非磁性層１２３直ちに上に形成される。したがって、本発明の変形形態の基準磁性層１４１の第２固定層１３６はトンネルバリアー層１４５上に順に形成された分極強化磁性層１３０、非磁性層１２３、中間磁性層１２５、及び交換結合強化磁性層１２０を含む。本発明の変形形態の他の工程は図１８乃至図２０、図２１及び図２２を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図１４に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
図２４は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法の他の変形形態を説明するための断面図である。
図２４を参照すれば、本発明の変形形態による基準磁性層１４２の第２固定層１３７は第２非磁性層１２７をさらに含む。具体的に、非磁性層１２３が中間磁性層１２５の上部面と交換結合強化磁性層１２０との間に形成され、第２非磁性層１２７が中間磁性層１２５の下部面と分極強化磁性層１３０との間に形成される。本発明の変形形態の他の工程は図１８乃至図２０、図２１及び図２２を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図１５に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
図２５は本発明の他の実施形態による磁気記憶素子の製造方法のその他の変形形態を説明するための断面図である。
図２５を参照すれば、本発明の変形形態による自由磁性層１５１はシード層１０７上に順に形成された第１自由磁性層１４７、挿入層１４８、及び第２自由磁性層１４９を含む。本発明の変形形態の他の工程は図１８乃至図２０、図２１及び図２２を参照して説明した対応される工程と同一である。したがって、図１６に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
一方、図１９を参照して説明した製造方法で、交換結合強化磁性層１２０を形成する前に、中間磁性層１２５及び非磁性層１２３を少なくとも２回交互に形成される。したがって、図１７に開示された磁気記憶素子を具現することができる。
上述された実施形態で開示された磁気記憶素子は多様な形態の半導体パッケージ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｅ）で具現されることができる。例えば、本発明の実施形態による磁気記憶素子はＰｏＰ（Ｐａｃｋａｇｅ ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ）、Ｂａｌｌ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙｓ（ＢＧＡｓ）、Ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ ｐａｃｋａｇｅｓ（ＣＳＰｓ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｌｅａｄｅｄ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ（ＰＬＣＣ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｕａｌ Ｉｎ−Ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＰＤＩＰ）、Ｄｉｅ ｉｎ Ｗａｆｆｌｅ Ｐａｃｋ、Ｄｉｅ ｉｎ Ｗａｆｅｒ Ｆｏｒｍ、Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）、Ｃｅｒａｍｉｃ Ｄｕａｌ Ｉｎ−Ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＣＥＲＤＩＰ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍｅｔｒｉｃ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋ（ＭＱＦＰ）、Ｔｈｉｎ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔｐａｃｋ（ＴＱＦＰ）、Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＳＯＩＣ）、Ｓｈｒｉｎｋ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳＳＯＰ）、Ｔｈｉｎ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＴＳＯＰ）、Ｔｈｉｎ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔｐａｃｋ（ＴＱＦＰ）、Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳＩＰ）、Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ（ＭＣＰ）、Ｗａｆｅｒ−ｌｅｖｅｌ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ（ＷＦＰ）、Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｓｔａｃｋ Ｐａｃｋａｇｅ（ＷＳＰ）等の方式にパッケイジングされる。
図２６は本発明の実施形態による磁気記憶素子を含む電子システムの一例を示すブロック図である。
図２６を参照すれば、本発明の実施形態による電子システム１１００はコントローラ１１１０、入出力装置１１２０（Ｉ／Ｏ）、記憶装置１１３０（ｍｅｍｏｒｙ ｄｅｖｉｃｅ）、インターフェイス１１４０及びバス１１５０（ｂｕｓ）を含む。コントローラ１１１０、入出力装置１１２０、記憶装置１１３０、及び／又はインターフェイス１１４０はバス１１５０を通じて互いに結合される。バス１１５０はデータが移動される通路に該当する。
コントローラ１１１０はマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセス、マイクロコントローラ、及びこれと類似な機能を遂行できる論理素子のうちの少なくとも１つを含む。入出力装置１１２０はキーパッド、キーボード、及びディスプレー装置等を含む。記憶装置１１３０はデータ及び／又は命令語等を格納する。記憶装置１１３０は上述された実施形態に開示された磁気記憶素子のうちの少なくとも１つを含む。また、記憶装置１１３０は他の形態の半導体記憶素子（例えば、フラッシュ記憶素子、相変化記憶素子、ＤＲＡＭ装置及び／又はＳＲＡＭ装置等）をさらに含む。インターフェイス１１４０は通信ネットワークにデータを伝送するか、或いは通信ネットワークからデータを受信する機能を遂行する。インターフェイス１１４０は有線又は無線形態である。例えば、インターフェイス１１４０はアンテナ又は有無線トランシーバー等を含む。図示されないが、電子システム１１００はコントローラ１１１０の動作を向上するための動作記憶素子として、高速のＤＲＡＭ素子及び／又はＳＲＡＭ素子等をさらに含んでもよい。
電子システム１１００は携帯情報端末（ＰＤＡ、ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ポータブルコンピュータ（ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、ウェブタブレット（ｗｅｂ ｔａｂｌｅｔ）、無線電話機（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｈｏｎｅ）、モバイルフォン（ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ）、デジタルミュージックプレーヤー（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｓｉｃ ｐｌａｙｅｒ）、メモリカード（ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）、又は情報を無線環境で送信及び／又は受信できるすべての電子製品に適用される。
図２７は本発明の一実施形態磁気記憶素子を含むメモリカードの一例を示すブロック図である。
図２７を参照すれば、本発明の一実施形態によるメモリカード１２００は記憶装置１２１０を含む。記憶装置１２１０は上述された実施形態による磁気記憶素子のうちの少なくとも１つを含む。また、記憶装置１２１０は他の形態の半導体記憶素子（例えば、相変化記憶素子、フラッシュ記憶素子、ＤＲＡＭ装置及び／又はＳＲＡＭ装置等）をさらに含む。メモリカード１２００はホスト（Ｈｏｓｔ）と記憶装置１２１０との間のデータ交換を制御するメモリコントローラ１２２０を含む。
メモリコントローラ１２２０はメモリカードの全般的な動作を制御するプロセシングユニット１２２２を含む。また、メモリコントローラ１２２０はプロセシングユニット１２２２の動作メモリとして使用されるＳＲＡＭ１２２１を含む。これに加えて、メモリコントローラ１２２０はホストインターフェイス１２２３、メモリインターフェイス１２２５をさらに含む。ホストインターフェイス１２２３はメモリカード１２００とホストとの間のデータ交換プロトコルを具備する。メモリインターフェイス１２２５はメモリコントローラ１２２０と記憶装置１２１０とを接続させる。メモリコントローラ１２２０はエラー訂正ブロック１２２４（Ｅｃｃ）をさらに含む。エラー訂正ブロック１２２４は記憶装置１２１０から読出されたデータのエラーを検出及び訂正できる。図示されないが、メモリカード１２００はホストとのインターフェイシングのためのコードデータを格納するＲＯＭ装置（ＲＯＭ ｄｅｖｉｃｅ）をさらに含んでもよい。メモリシステム１２００は携帯用データ格納カードとして使用されることができる。これと異なりに、メモリシステム１２００はコンピューターシステムのハードディスクを代替できる固相ディスク（ＳＳＤ、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ）としても具現されることができる。
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明はその技術的思想や必須的な特徴を変形することなく、他の具体的な形態で実施されることもあり得る。したがって、以上で記述した実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないことを理解しなければならない。
１００ 基板
１０２ 下部層間絶縁膜
１０５ 自由磁性層
１０７ シード層
１１０ 第１固定層
１１５ 交換結合層
１２０ 交換結合強化磁性層
１２３ 非磁性層
１２５ 中間磁性層
１３０ 分極強化磁性層
１３５ 第２固定層
１４０ 基準磁性層
１４５ トンネルバリアー層
１５０ 自由磁性層
１５５ キャッピング酸化層
１６０ キャッピング電極層
１６５ 上部層間絶縁膜
１６７ 上部コンタクトプラグ
１７０ 配線

Claims (25)

  1. 基板と、
    前記基板の上の磁気トンネル接合記憶素子と、を含み、
    前記磁気トンネル接合記憶素子が、
    第１被固定層、交換結合層、及び第２被固定層を含む基準磁性層と、
    トンネルバリアー層と、
    自由磁性層と、を含み、
    前記交換結合層が、第１被固定層と第２被固定層との間に配置され、前記第２被固定層が、強磁性層及び非磁性層を含み、
    前記第２被固定層が、前記第１被固定層と前記トンネルバリアー層との間に配置され、
    前記トンネルバリアー層が、前記基準磁性層と前記自由磁性層との間に配置される磁気記憶素子。
  2. 前記強磁性層が、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、鉄−ボロン（ＦｅＢ）及びコバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  3. 前記非磁性層が、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  4. 前記強磁性層が、第１強磁性層であり、前記第２被固定層が、第２強磁性層を含み、前記非磁性層が、前記第１及び第２強磁性層の間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  5. 前記第１強磁性層が、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層が、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層が、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の磁気記憶素子。
  6. 前記第１強磁性層が、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層が、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２強磁性層が、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む、請求項４に記載の磁気記憶素子。
  7. 前記第１強磁性層が、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層が、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層が、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む、請求項４に記載の磁気記憶素子。
  8. 前記非磁性層が、第１非磁性層であり、前記第２被固定層が、第２非磁性層を含み、前記強磁性層が、前記第１及び第２非磁性層との間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  9. 前記第１非磁性層が、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、前記強磁性層が、鉄（Ｆｅ）及び鉄ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の磁気記憶素子。
  10. 前記強磁性層が、第１強磁性層であり、前記非磁性層が、前記第１強磁性層上の第１非磁性層であり、前記第２被固定層が、前記第１非磁性層上の第２強磁性層、前記第２強磁性層上の第２非磁性層、及び前記第２非磁性層上の第３強磁性層をさらに含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  11. 前記第１強磁性層が、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第１非磁性層が、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２強磁性層が、鉄（Ｆｅ）及び鉄ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第２非磁性層が、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含み、前記第３強磁性層が、コバルト−鉄−ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む、請求項１０に記載の磁気記憶素子。
  12. 前記交換結合層及び前記第１強磁性層が、第１結晶構造を有し、前記第２強磁性層及び前記第３強磁性層が、第２結晶構造を有し、前記第１及び第２結晶構造が、互に異なる、請求項１０に記載の磁気記憶素子。
  13. 前記第１結晶構造が、六方最密充填結晶構造であり、前記第２結晶構造が、体心立方結晶構造である、請求項１２に記載の磁気記憶素子。
  14. 前記第１及び第２非磁性層が、体心立方結晶構造を有する、請求項１３に記載の磁気記憶素子。
  15. 前記基準磁性層及び前記自由磁性層の磁化方向が、前記自由磁性層と前記トンネルバリアー層との間の界面に対して垂直である、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  16. 前記非磁性層が、前記強磁性層及び前記第１被固定層の間に配置され、前記第１被固定層及び前記強磁性層が、互に異なる結晶構成を有する、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  17. 前記第１被固定層が、ＣｏＰｔ合金及び（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ Ｌ１１超格子（ｎは自然数）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の磁気記憶素子。
  18. 前記基準磁性層が、前記トンネルバリアー層と前記基板との間に配置され、前記第１被固定層が、前記交換結合層と前記基板との間に配置され、前記トンネルバリアー層が、前記自由磁性層と前記基板との間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  19. 前記自由磁性層上のキャッピング酸化層をさらに含み、前記磁気トンネル接合記憶素子が、前記キャッピング酸化層と前記基板との間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  20. 前記キャッピング酸化層が、界面垂直磁気異方性を誘導するように構成される、請求項１９に記載の磁気記憶素子。
  21. 前記基板と前記第１被固定層との間のシード層と、
    前記自由磁性層上のキャッピング電極と、をさらに含み、
    前記磁気トンネル接合記憶素子が、前記シード層と前記キャッピング電極との間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  22. 前記自由磁性層が、前記トンネルバリアー層と前記基板との間に配置され、前記トンネルバリアー層が、前記第２被固定層と前記基板との間に配置され、前記第２被固定層が、前記交換結合層と前記基板との間に配置され、前記交換結合層が、前記第１被固定層と前記基板との間に配置される、請求項１に記載の磁気記憶素子。
  23. 基板と、
    前記基板の上の磁気トンネル接合記憶素子と、を含み、
    前記磁気トンネル接合記憶素子が、
    第１被固定層、交換結合層、及び第２被固定層を含む基準磁性層と、
    トンネルバリアー層と、
    自由磁性層と、を含み、
    前記交換結合層が、前記第１被固定層と前記第２被固定層との間に配置され、前記第２被固定層が、第１強磁性層、非磁性層、及び第２強磁性層を含み、
    前記非磁性層が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配置され、
    前記第２被固定層が、前記第１被固定層と前記トンネルバリアー層との間に配置され、
    前記トンネルバリアー層が、前記基準磁性層と前記自由磁性層との間に配置される磁気記憶素子。
  24. 前記非磁性層が、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の磁気記憶素子。
  25. 前記第１強磁性層が、前記非磁性層と前記交換結合層との間に配置され、前記第１強磁性層が、コバルト（Ｃｏ）を含み、前記第２強磁性層が、鉄（Ｆｅ）及び鉄−ボロン（ＦｅＢ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の磁気記憶素子。
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