JP5800480B2 - 磁気メモリ素子 - Google Patents
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Description
本発明はメモリ素子に関し、より詳細には、磁気メモリ素子に関する。
電子機器の高速化、低消費電力化によって、ここに内蔵されるメモリ素子も速い読み出し／書き込み動作、低い動作電圧が要求されている。減少した動作電圧及び増加した速度を提供するための記憶素子として磁気メモリ素子が研究されている。磁気メモリ素子は高速動作及び／又は不揮発性の特性の提供が可能であることから、次世代メモリとして脚光を浴びている。
一般的に知られた磁気メモリ素子は磁気トンネル接合パターン（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ：ＭＴＪ）を含む。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する絶縁膜によって形成され、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り得る。具体的に、２つの磁性体の磁化方向が反平行である場合、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である場合、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み／判読することができる。
本発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は信頼性が向上した磁気メモリ素子を提供することにある。
また、本発明の目的は磁気抵抗比が高い磁気メモリ素子を提供することにある。
更に、本発明の目的は駆動電力が減少した磁気メモリ素子を提供することにある。
また、本発明の目的は磁気抵抗比が高い磁気メモリ素子を提供することにある。
更に、本発明の目的は駆動電力が減少した磁気メモリ素子を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明による磁気メモリ素子は、基板上に第１の磁性体と、絶縁膜と、第２の磁性体とが順次に積層される磁気メモリ素子であって、前記第１の磁性体は、第１垂直磁性層と、前記第１垂直磁性層上に非磁性層と、前記非磁性層上に第１接合磁性層とを含み、前記第１接合磁性層上には前記絶縁膜であるトンネルバリアが積層され、前記第２の磁性体は、前記トンネルバリア上に第２接合磁性層と、前記第２接合磁性層上に第２垂直磁性層とを含み、前記非磁性層が前記第１垂直磁性層と前記第１接合磁性層との間に配置され、前記第１接合磁性層が前記非磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアが前記第１接合磁性層と前記第２接合磁性層との間に配置され、前記第２接合磁性層が前記トンネルバリアと前記第２垂直磁性層との間に配置され、前記非磁性層は該非磁性層の上部面及び／又は下部面と接する金属化合物層を含み、前記金属化合物層は金属酸化物、金属窒化物、及び金属酸窒化物の中から選択された少なくとも１つを含み、前記第１接合磁性層及び第２接合磁性層の中のいずれか１つは基準層として機能し、他の１つは自由層として機能することを特徴とする。
本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子は、基板上のトンネルバリア、第１接合磁性層、第２接合磁性層、及び非磁性層を含む。前記第１接合磁性層は前記トンネルバリアの一面と接する。第１垂直磁性層は前記第１接合磁性層によって前記トンネルバリアから離隔される。前記第２接合磁性層はトンネルバリアの他の一面と接し、第２垂直磁性層は前記第２接合磁性層によって前記トンネルバリアから離隔される。前記非磁性層は前記第１接合磁性層と前記第１垂直磁性層との間に配置される。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第１垂直磁性層と前記第２垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に垂直であり得る。
一実施形態において、前記第２接合磁性層と前記第２垂直磁性層との間に他の非磁性層を更に介在することができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び／又は第２接合磁性層は第１結晶構造を有し、前記第１垂直磁性層及び／又は第２垂直磁性層は前記第１結晶構造と異なる第２結晶構造を有することができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアと前記第１接合磁性層との間の界面での前記トンネルバリアの結晶面は前記界面での前記第１接合磁性層の結晶面と同一であり得る。前記第１結晶構造はＮａＣｌ型結晶構造又はＢＣＣ（体心立方）結晶構造であり、前記結晶面は００１結晶面であり得る。
一実施形態において、前記第２結晶構造はＬ１０結晶構造、面心立方格子（ＦＣＣ）結晶構造、又は稠密六方格子であり得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層はＲＥ−ＴＭ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ−Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ）合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層は交互に複数回積層された非磁性金属層及び強磁性金属層を含み、前記強磁性金属層は１〜数個原子の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び／又は前記第２接合磁性層はコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む合金磁性物質を含み、前記合金磁性物質は非磁性元素を更に含むことができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層は鉄（Ｆｅ）を含み、前記第２接合磁性層内の鉄の含量は前記第１接合磁性層内の鉄の含量より大きいか、又は少なくとも同一であることができる。
一実施形態において、前記非磁性層は２Å〜２０Å範囲の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記非磁性層は非磁性金属の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。前記非磁性金属は非磁性遷移金属の中から選択された少なくとも１つであり得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び前記第１接合磁性層は前記非磁性層により交換結合することができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第１垂直磁性層と前記第２垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に垂直であり得る。
一実施形態において、前記第２接合磁性層と前記第２垂直磁性層との間に他の非磁性層を更に介在することができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び／又は第２接合磁性層は第１結晶構造を有し、前記第１垂直磁性層及び／又は第２垂直磁性層は前記第１結晶構造と異なる第２結晶構造を有することができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアと前記第１接合磁性層との間の界面での前記トンネルバリアの結晶面は前記界面での前記第１接合磁性層の結晶面と同一であり得る。前記第１結晶構造はＮａＣｌ型結晶構造又はＢＣＣ（体心立方）結晶構造であり、前記結晶面は００１結晶面であり得る。
一実施形態において、前記第２結晶構造はＬ１０結晶構造、面心立方格子（ＦＣＣ）結晶構造、又は稠密六方格子であり得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層はＲＥ−ＴＭ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ−Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ）合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層は交互に複数回積層された非磁性金属層及び強磁性金属層を含み、前記強磁性金属層は１〜数個原子の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び／又は前記第２接合磁性層はコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む合金磁性物質を含み、前記合金磁性物質は非磁性元素を更に含むことができる。
一実施形態において、前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層は鉄（Ｆｅ）を含み、前記第２接合磁性層内の鉄の含量は前記第１接合磁性層内の鉄の含量より大きいか、又は少なくとも同一であることができる。
一実施形態において、前記非磁性層は２Å〜２０Å範囲の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記非磁性層は非磁性金属の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。前記非磁性金属は非磁性遷移金属の中から選択された少なくとも１つであり得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層及び前記第１接合磁性層は前記非磁性層により交換結合することができる。
本発明の更に他の特徴による磁気メモリ素子は、基板上に第１の磁性体と、絶縁膜と、第２の磁性体とが順次に積層される磁気メモリ素子であって、前記第１の磁性体は、稠密六方格子構造を有する第１垂直磁性層と、下部交換結合調節層と、第１接合磁性層とを含み、前記第１の磁性体上に前記絶縁膜であるトンネルバリアが積層され、前記第２の磁性体は、前記トンネルバリア上に、稠密六方格子構造を有する第２垂直磁性層と、上部交換結合調節層と、第２接合磁性層とを含み、前記第１の磁性体は前記基板と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアは前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置され、前記第１接合磁性層は前記トンネルバリアと隣接し、前記第１垂直磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記第２接合磁性層は前記トンネルバリアと隣接し、前記トンネルバリアと前記第２垂直磁性層との間に配置され、下部交換結合調節層は、前記第１垂直磁性層と前記第１接合磁性層との間に配置され、上部交換結合調節層は、前記第２垂直磁性層と前記第２接合磁性層との間に配置され、前記第２垂直磁性層上に交互に複数回積層された非磁性層及び強磁性層をさらに含み、前記下部及び上部交換結合調節層は該下部及び上部交換結合調節層の上部面及び／又は下部面と接する金属化合物層を含み、前記金属化合物層は金属酸化物であることを特徴とする。
本発明の第３実施形態による磁気メモリ素子は、基板と、前記基板上に順に積層された第１磁性体と、トンネルバリアと、第２磁性体とを含む。前記第１磁性体は、前記基板に隣接し、稠密六方格子（ＨｅｘＡｇｏｎＡｌＣｌｏｓｅ−Ｐａｃｋｉｎｇ、ＨＣＰ）構造を有する第１垂直磁性層を含む。
一実施形態において、前記稠密六方格子のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
一実施形態において、前記ｃ軸は前記第１垂直磁性層の磁化容易軸であり得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子は前記基板と前記第１の磁性体との間の稠密六方格子を含むシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）を更に含むことができる。
一実施形態において、前前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層の各々は軟磁性物質を含むことができる。
一実施形態において、前記上部及び下部交換結合調節層の結晶構造は前記第１接合磁性層の結晶構造及び／又は前記第２接合磁性層の結晶構造に沿って配向され得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層は１０〜４５ａｔ．％の白金含量の無秩序コバルト−白金合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層はＣｏ３Ｐｔを含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層はホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアはマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグ ネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
一実施形態において、前記第２磁性体上にキャッピング層を更に含むことができる。前記キャッピング層はタンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記基板の平面に実質的に垂直な方向に電流が流れ得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第２垂直磁性層及び第１垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
一実施形態において、前記稠密六方格子のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
一実施形態において、前記ｃ軸は前記第１垂直磁性層の磁化容易軸であり得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子は前記基板と前記第１の磁性体との間の稠密六方格子を含むシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）を更に含むことができる。
一実施形態において、前前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層の各々は軟磁性物質を含むことができる。
一実施形態において、前記上部及び下部交換結合調節層の結晶構造は前記第１接合磁性層の結晶構造及び／又は前記第２接合磁性層の結晶構造に沿って配向され得る。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層は１０〜４５ａｔ．％の白金含量の無秩序コバルト−白金合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層はＣｏ３Ｐｔを含むことができる。
一実施形態において、前記第１垂直磁性層はホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアはマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグ ネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
一実施形態において、前記第２磁性体上にキャッピング層を更に含むことができる。前記キャッピング層はタンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記基板の平面に実質的に垂直な方向に電流が流れ得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第２垂直磁性層及び第１垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
本発明によれば、垂直磁性層と接合磁性層との間に非磁性層が介在し、接合磁性層を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比及び垂直磁化特性を向上させることができる。また、互いに異なる鉄含量を有する自由磁性層及び基準磁性層によって、磁気メモリ素子の駆動中、スイッチング特性を改善させることができる。これによって、磁気メモリ素子の信頼性を向上させることができる。
また、本発明によれば、基板に垂直な磁化容易軸を有する稠密六方構造を有する磁性層を含むことができる。これによって、磁性層を通過する電子のスピンの方向をより容易に基板に垂直な方向に整列させることができる。従って、磁性層を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比を向上させることができる。また、磁気トンネル接合を含む磁気メモリ素子のスイッチング電流を減少させることができる。
以下、本発明の磁気メモリ素子を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明の実施例は、多様な形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されるものと解釈してはならない。本発明の実施例は、本発明をより完全に説明するために提供するものである。図面で、層及び領域の厚さは、明細書の明確性のために、誇張したものであり得る。図面上で、同じ符号は同じ要素を示す。本明細書で使用する用語「及び／又は」は、これと関連して記載した項目のうち、１つ又はそれ以上の任意の組み合わせ又はあらゆる組み合わせを含み、“／”として縮約して記載することもある。
本明細書で使用する用語は、特定の実施例を記述するための目的として用いるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本明細書で、単数として使用する用語は、それについての単数であることを示す明白な背景に関する言及がない限り、複数も含むものである。また、本明細書で使用する「包含する」という用語は、言及した特徴、領域、段階、動作、要素、及び／又は成分の存在を特定するものではあるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、領域、段階、動作、要素、成分、及び／又はグループの存在又は付加を除外するものではない。
ある層、領域又は基板のような要素が異なる要素（又はその変形物）の「上部」にあると記載した場合、ある要素は、他の要素の上部に直接存在しても、それらの間に第３の要素が介在しても良い。一方、ある要素が異なる要素（又はその変形物）の「真上」にあると記載した場合、又は他の要素の“真上に”延びると記載した場合、それらの要素間に介在する要素はない。また、ある要素が異なる要素（又はその変形物）に「連結」又は「結合」されていると記載した場合、ある要素は、他の要素に直接連結又は結合されるか、それらの間に第３の要素が介在しうる。一方、ある要素が異なる要素に「直接連結」又は「直接結合」されていると記載した場合、それらの要素間に介在する要素はない。
多様な要素、成分、領域、層及び／又は断面を記述するために、用語第１、第２などを使用できるが、それらの要素、成分、領域、層及び／又は断面は、それらの用語に限定されるものと解釈してはならない。それらの用語は、１つの要素、成分、領域、層又は断面を他の要素、成分、領域、層又は断面と区別するために用いるだけである。従って、下記説明で使用する第１要素、成分、領域、層又は断面は、本発明の開示を外れず、第２要素、成分、領域、層又は断面とも称しうる。
他の限定がない限り、本明細書で使用するあらゆる用語（技術的用語及び科学的用語）は、当業者に、通常よく知られたということを意味する。また、通常使われる辞書に定義されたような用語は、関連した技術分野を背景とする意味と同じ意味を有すると解釈せねばならず、別途の記載がない限り、理想的であるか、又は過度に解釈してはならない。
図示した形態は、例えば、製造技術及び／又は許容誤差などにより変わり得る。従って、本発明の概念の実施形態は図により限定されず、製造許容誤差などにより惹起された構成要素の形態の変形を含むものと理解しなければならない。
＜第１実施形態及びそれらの変形例＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板１００上に下部電極１１０を配置する。基板１００は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板１００は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極１１０は基板１００の導電領域と電気的に連結される。下部電極１１０は基板１００上及び／又は基板１００内に配置される。例えば、下部電極１１０はライン形、島形及び平板形の中から選択されたいずれかの形態であり得る。
図１を参照して、本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板１００上に下部電極１１０を配置する。基板１００は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板１００は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極１１０は基板１００の導電領域と電気的に連結される。下部電極１１０は基板１００上及び／又は基板１００内に配置される。例えば、下部電極１１０はライン形、島形及び平板形の中から選択されたいずれかの形態であり得る。
下部電極１１０上に第１垂直磁性層１２３を配置する。一実施形態において、第１垂直磁性層１２３は交互に積層された非磁性層１２１と強磁性層１２２とを含む。強磁性層１２２は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含み、非磁性層１２１は、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１垂直磁性層１２３は［Ｃｏ／Ｐｔ］ｍ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｍ、［Ｎｉ／Ｐｔ］ｍ（ｍは各層の積層回数として、２以上の自然数）又はこれらの組み合わせを含む。一実施形態において、非磁性層１２１及び強磁性層１２２は各々２回〜２０回積層される。第１垂直磁性層１２３は基板１００及び第１垂直磁性層１２３の平面に垂直な方向に電流が流れる場合、電流と平行な方向の磁化方向を有するように構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）。このために、強磁性層１２２は１つ〜数個の原子層の厚さとして薄く形成される。
第１垂直磁性層１２３上に第１非磁性層１３０を配置する。第１非磁性層１３０は相対的に薄い厚さを有する。例えば、第１非磁性層１３０は２Å〜２０Å範囲内の厚さで形成される。第１非磁性層１３０はテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）を有しない。例えば、第１非磁性層１３０は第１垂直磁性層１２３上に均一に形成され、薄い厚さによってテクスチャーを有しない。
第１非磁性層１３０は非磁性遷移金属を含む非磁性金属元素の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１非磁性層１３０は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
一実施形態において、第１非磁性層１３０は複数の層で形成される。例えば、第１非磁性層１３０は垂直磁性層１２３上に順に積層された第１下部金属化合物層１３３、第１非磁性金属層１３６、及び第１上部金属化合物層１３９を含む。図１と異なり、第１非磁性層１３０は垂直磁性層１２３上に順に積層された金属化合物層／非磁性金属層及び／又は非磁性金属層／金属化合物層を含むことができる。第１非磁性層１３６は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。第１下部及び上部金属化合物層１３３、１３９は金属酸化物、金属窒化物、金属酸化窒化物、又はこれらの組み合わせであり得る。例えば、各々の金属化合物層は金属層の化合物であり得る。これと異なり、第１非磁性層１３０は単一又は複数の金属層のみを含むこともできる。第１下部及び上部金属化合物層１３３、１３９によって第１非磁性金属層１３６内の金属原子が隣接した他の層に拡散するのを防止、又は減少させることができる。
第１非磁性層１３０上に第１接合磁性層１４１を配置する。第１接合磁性層１４１は軟磁性物質（ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含む。また、第１接合磁性層１４１は低いダンピング定数（ｄａｍｐｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ）及び高いスピン分極率（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を有する。例えば、第１接合磁性層１４１はコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む。第１接合磁性層１４１は例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及び／又はニッケル（Ｎｉ）原子を含む。第１接合磁性層１４１はホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中から選択される少なくとも１つを更に含む。具体的に、第１接合磁性層１４１はＣｏＦｅ又はＮｉＦｅを含み、ホウ素（Ｂ）を更に含む。これに加えて、第１接合磁性層１４１の飽和磁化量を低めるため、第１接合磁性層１４１はチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、及びシリコン（Ｓｉ）の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。
第１接合磁性層１４１と第１垂直磁性層１２３との間の第１非磁性層１３０によってこれらを含む磁気メモリセルの垂直磁気異方性は向上する。例えば、第１非磁性層１３０によって第１接合磁性層１４１は第１垂直磁性層１２３と反強磁性的に、又は強磁性的に強く交換結合する。第１垂直磁性層１２３は高い垂直磁気異方性を有するので、第１垂直磁性層１２３と交換結合した第１接合磁性層１４１の垂直磁気異方性も向上する。本明細書において、垂直磁気異方性は基板１００の平面に垂直な方向に磁化されようとする性質として定義する。本明細書で用いる“垂直の（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）”は基板１００の表面に対して垂直な方向として言及する。
また、第１非磁性層１３０によって、第１接合磁性層１４１の結晶構造は第１垂直磁性層１２３の結晶構造と異なる結晶構造を有する。これによって、磁気トンネル接合の磁気抵抗比はより向上する。これに対しては後述の第１接合磁性層１４１の形成方法で詳細に説明する。
第１接合磁性層１４１上にトンネルバリア１４５を配置する。トンネルバリア１４５はスピン拡散長さ（ｓｐｉｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ）より薄い厚さを有する。トンネルバリア１４５は非磁性物質を含む。一実施形態において、トンネルバリア１４５は絶縁物質膜であり得る。例えば、トンネルバリア１４５は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、トンネルバリア１４５は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜であり得る。これと異なり、トンネルバリア１４５は複数の層を含むことができる。例えば、トンネルバリア１４５はマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、トンネルバリア１４５は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜であり得る。
トンネルバリア１４５と第１接合磁性層１４１は類似の結晶構造を有する。例えば、第１接合磁性層１４１は体心立方（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｄ ｃｕｂｉｃ：ＢＣＣ）構造を有する磁性物質又は非磁性元素を含む体心立方構造を有する磁性物質を含む。第１接合磁性層１４１が非磁性元素を含む場合、磁性物質は非晶質化する。トンネルバリア１４５及び第１接合磁性層１４１は各々ＮａＣｌ型結晶構造及び体心立方構造を有し、トンネルバリア１４５の００１結晶面と第１接合磁性層１４１の００１結晶面が互いに接して界面をなす。これによって、トンネルバリア１４５と第１接合磁性層１４１とを含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比は向上する。
トンネルバリア１４５上に第２接合磁性層１４９を配置する。第２接合磁性層１４９は軟磁性物質を含む。例えば、第２接合磁性層１４９はコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及び／又はニッケル（Ｎｉ）原子を含み、原子の含量は第２接合磁性層１４９の飽和磁化量が低くなるように決める。第２接合磁性層１４９は低いダンピング定数及び高いスピン分極率を有する。このために、第２接合磁性層１４９はホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中から選択される少なくとも１つを更に含む。例えば、第２接合磁性層１４９はＣｏＦｅ及び／又はＮｉＦｅを含み、ホウ素を更に含む。これに加えて、第２接合磁性層１４９はチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及びタンタル（Ｔａ）を含む非磁性元素の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。選択された非磁性元素の第２接合磁性層１４９内の含量は１〜１５ａｔ．％であり得る。第２接合磁性層１４９が磁気メモリセルの自由層として用いられる場合、第２接合磁性層１４９の飽和磁化量は第１接合磁性層１４１の飽和磁化量より低く調節する。
第２接合磁性層１４９とトンネルバリア１４５は類似の結晶構造を有する。例えば、トンネルバリア１４５及び第２接合磁性層１４９は各々ＮａＣｌ型結晶構造及び体心立方構造を有し、トンネルバリア１４５の００１結晶面と第２接合磁性層１４９の００１結晶面が互いに接して界面をなす。これによって、第２接合磁性層１４９とトンネルバリア１４５とを含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比が向上する。
一実施形態において、第２接合磁性層１４９内に含まれた強磁性原子の含量は第１接合磁性層１４１内に含まれた強磁性原子の含量と異なる。例えば、第１及び第２接合磁性層１４１、１４９はコバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び鉄（Ｆｅ）の中から選択された少なくとも１つを含み、第２接合磁性層１４９内の鉄（Ｆｅ）の含量が第１接合磁性層１４１内の鉄（Ｆｅ）の含量より高いか、又は少なくとも同一であり得る。この場合、第２接合磁性層１４９は自由層として作用する。
第２接合磁性層１４９上に第２非磁性層１５０を配置する。第２非磁性層１５０は相対的に薄い厚さで形成される。例えば、第２非磁性層１５０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。第２非磁性層１５０はテクスチャーを有しない。例えば、第２非磁性層１５０は第２接合磁性層１４９上に均一に形成され、薄い厚さによりテクスチャーを有しない。
第２非磁性層１５０は非磁性遷移金属を含む非磁性金属元素の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第２非磁性層１５０は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
一実施形態において、第２非磁性層１５０は複数の層で形成される。例えば、第２非磁性層１５０は第２接合磁性層１４９上に順に積層された第２下部金属化合物層１５３、第２非磁性金属層１５６、及び第２上部金属化合物層１５９を含む。図１と異なり、第２非磁性層１５０は第２接合磁性層１４９上に順に積層された金属化合物層／非磁性金属層、又は非磁性金属層／金属化合物層を含むことができる。第２非磁性金属層１５６は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。第２下部及び上部金属化合物層１５３、１５９は金属酸化物、金属窒化物、金属酸化窒化物又はこれらの組み合わせであり得る。例えば、第２下部及び上部金属化合物層１５３、１５９は第２非磁性金属層１５６の化合物であり得る。第２下部及び上部金属化合物層１５３、１５９により第２非磁性金属層１５６内の金属原子が隣接した他の層に拡散することを防止、又は減少させることができる。これと異なり、第２非磁性層１５０は単一又は複数の金属層のみを含むこともできる。
第２非磁性層１５０上に第２垂直磁性層１６３を配置する。一実施形態において、第２垂直磁性層１６３は交互に積層された非磁性層１６１と強磁性層１６２とを含む。強磁性層１６２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含み、非磁性層１６１は、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第２垂直磁性層１６３は［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、［Ｎｉ／Ｐｔ］ｎ（ｎは層の積層回数として、２以上の自然数）又はこれらの組み合わせを含む。強磁性層１６２は１つ〜数個の原子の厚さとして薄く形成する。第２非磁性層１５０によって第２垂直磁性層１６３と第２接合磁性層１４９との間の交換結合は強化する。これによって、第２接合磁性層１４９の垂直磁気異方性が向上する。
第２垂直磁性層１６３の非磁性層１６１と強磁性層１６２との積層回数ｍは、第１垂直磁性層１２３の非磁性層１２１と強磁性層１２２の積層回数ｎと異なることができる。例えば、第２垂直磁性層１６３の非磁性層１６１及び強磁性層１６２の積層回数は第１垂直磁性層１２３の非磁性層１２１及び強磁性層１２２の積層回数より少ないことがある。この場合、第１垂直磁性層１２３と隣接した第１接合磁性層１４１は磁気メモリセルの基準層（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌａｙｅｒ）として作用し、第２垂直磁性層１６３と隣接した第２接合磁性層１４９は磁気メモリセルの自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）として作用する。これと異なり、第２垂直磁性層１６３の非磁性層１６１と強磁性層１６２の積層回数ｍは第１垂直磁性層１２３の非磁性層１２１と強磁性層１２２の積層回数ｎより大きいことがある。この場合、第２接合磁性層１４９が基準層として作用し、第１接合磁性層１４１が自由層として作用する。
第１及び第２接合磁性層１４１、１４９は実行する機能により互いに異なる磁気的特性を有する。例えば、自由層として作用する接合磁性層が基準層として作用する接合磁性層より小さい飽和磁化量を有することができる。飽和磁化量は含まれる強磁性物質（Ｃｏ、Ｎｉ、及び／又はＦｅ）の割合及び／又は非磁性物質の割合によって調節することができる。
第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、及び第２接合磁性層１４９は磁気メモリセルの磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を構成する。自由層と基準層の磁化方向が平行であるか、又は反平行であるかによる磁気トンネル接合の抵抗値の差を利用して磁気トンネル接合を含む磁気メモリセルにデータを貯蔵することができる。自由層の磁化方向は磁気メモリセルに供給される電流の方向により変わる。例えば、第１接合磁性層１４１から第２接合磁性層１４９へ電流が供給される場合の自由層の磁化方向は、第２接合磁性層１４９から第１接合磁性層１４１へ電流が供給される場合の磁化方向と互いに反平行であり得る。基準層及び自由層の磁化方向は基板１００の平面に垂直であり得る。基準層は基板１００の平面に垂直であり、固定された第１磁化方向を有する。自由層は基板１００の平面に垂直な磁化方向を有し、自由層の磁化方向は電流が供給される方向によって第１磁化方向又は第１磁化方向に反平行な第２磁化方向であり得る。
第２垂直磁性層１６３上にキャッピング層１７０を配置する。キャッピング層１７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
図２を参照して、本発明の第１実施形態の一変形例による磁気メモリ素子を説明する。説明の便宜のため、図１で説明した構成要素と実質的に同一の構成要素に対する説明は省略する。
基板１００上に下部電極１１０を配置する。下部電極１１０上にシード層１１５及び第１垂直磁性層１２４を配置する。
シード層１１５は稠密六方格子（ＨＣＰ）を構成する金属原子を含む。シード層１１５は１０Å〜１００Åで形成される。シード層１１５はルテニウム（Ｒｕ）又はチタン（Ｔｉ）を含む。これと異なり、シード層１１５は面心立方格子（ＦＣＣ）を構成する金属原子を含むこともできる。例えば、シード層１１５は白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及び／又はアルミニウム（Ａｌ）を含むことができる。シード層１１５は単一の層又は互いに異なる結晶構造を有する複数の層を含むことができる。これと異なり、シード層１１５は第１垂直磁性層１２４を構成する物質が非晶質状態の場合、省略しても良い。
第１垂直磁性層１２４の磁化方向は基板１００の平面に実質的に垂直であり、変動可能である。このために、第１垂直磁性層１２４はＬ１０結晶構造を有する物質、稠密六方格子を有する物質、及び非晶質ＲＥ−ＴＭ（Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ）合金の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１垂直磁性層１２４はＦｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、及びＦｅ５０Ｎｉ５０を含むＬ１０結晶構造を有する物質の中から選択された少なくとも１つであり得る。これと異なり、第１垂直磁性層１２４は稠密六方格子を有する１０〜４５ａｔ．％の白金（Ｐｔ）含量を有するコバルト−白金（ＣｏＰｔ）無秩序合金（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ａｌｌｏｙ）又はＣｏ３Ｐｔ秩序合金（ｏｒｄｅｒｅｄ ａｌｌｏｙ）を含むことができる。これと異なり、第１垂直磁性層１２４は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つと希土類金属であるテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）及びガドリニウム（Ｇｄ）の中から選択された少なくとも１つを含む非晶質ＲＥ−ＴＭ合金の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
第１垂直磁性層１２４上に第１非磁性層１３０を配置する。第１非磁性層１３０は薄い厚さで形成される。例えば、第１非磁性層１３０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。第１非磁性層１３０はテクスチャーを有しない。例えば、第１非磁性層１３０は第１垂直磁性層１２４上に均一に形成され、薄い厚さによってテクスチャーを有しない。
第１非磁性層１３０は非磁性遷移金属を含む非磁性金属元素の中から選択された少なくとも１つを含む。一実施形態において、第１非磁性層１３０は複数の層で形成される。例えば、第１非磁性層１３０は垂直磁性層１２４上に順に積層された第１下部金属化合物層１３３、第１非磁性金属層１３６、及び第１上部金属化合物層１３９を含む。図２と異なり、第１非磁性層１３０は第１垂直磁性層１２４上に順に積層された金属化合物層／非磁性金属層又は非磁性金属層／金属化合物層を含むことができる。非磁性金属層は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。第１下部及び上部金属化合物層１３３、１３９は金属酸化物、金属窒化物、金属酸化窒化物又はこれらの組み合わせであり得る。例えば、金属化合物層は金属層の化合物であり得る。これと異なり、第１非磁性層１３０は単一又は複数の金属層のみを含むこともできる。
第１非磁性層１３０上に第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、及び第２接合磁性層１４９を順に積層する。第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、及び第２接合磁性層１４９は磁気トンネル接合を構成する。第１接合磁性層１４１は第１非磁性層１３０によって第１垂直磁性層１２４と強く交換結合する。これによって、第１接合磁性層１４１の垂直磁気異方性は向上する。第１接合磁性層１４１及び第２接合磁性層１４９は軟磁性物質を含む。磁気メモリセルの動作中、第１接合磁性層１４１及び第２接合磁性層１４９の中のいずれか１つは基準層として機能し、他の１つは自由層として機能する。自由層として機能する接合磁性層は基準層として機能する接合層より低い飽和磁化量を有する。
第２接合磁性層１４９上に第２非磁性層１５０を配置する。第２非磁性層１５０は薄い厚さで形成される。例えば、第２非磁性層１５０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。第２非磁性層１５０はテクスチャーを有しない。例えば、第２非磁性層１５０は第２接合磁性層１４９上に均一に形成され、薄い厚さによってテクスチャーを有しない。
第２非磁性層１５０上に第２垂直磁性層１６３を配置する。第２垂直磁性層１６３は基板１００の平面に垂直な磁化方向を有するように構成される。例えば、第２垂直磁性層１６３は交互に積層された非磁性層１６１及び強磁性層１６２を含み、強磁性層１６２は１つ〜数個の原子の厚さで形成される。これによって、強磁性層１６２の磁化方向は基板１００の平面に垂直であり得る。第２垂直磁性層１６３は第２非磁性層１５０によって第２接合磁性層１４９と交換結合する。
第２垂直磁性層１６３上にキャッピング層１７０を形成する。キャッピング層１７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
図３を参照して、本発明の第１実施形態の他の変形例による磁気メモリ素子を説明する。基板１００及び下部電極１１０上にシード層１１５及び第１垂直磁性層１２４を順に積層する。シード層１１５は単一又は複数の金属膜を含む。第１垂直磁性層１２４は基板１００の平面に垂直な磁化容易軸を有する物質を含む。第１垂直磁性層１２４はＬ１０結晶構造を有する物質、稠密六方格子を有する物質、及び非晶質ＲＥ−ＴＭ合金の中から選択された少なくとも１つを含む。第１垂直磁性層１２４が非晶質ＲＥ−ＴＭ合金を含む場合、シード層１１５は省略可能である。
第１垂直磁性層１２４上に第１非磁性層１３０を配置する。第１非磁性層１３０は薄い厚さで形成される。例えば、第１非磁性層１３０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。第１非磁性層１３０はテクスチャーを有しない。
第１非磁性層１３０は非磁性遷移金属を含む非磁性金属元素の中から選択された少なくとも１つを含む。一実施形態において、第１非磁性層１３０は複数の層で形成される。例えば、第１非磁性層１３０は垂直磁性層１２４上に順に積層された第１下部金属化合物層１３３、第１非磁性金属層１３６、及び第１上部金属化合物層１３９を含む。図３と異なり、第１非磁性層１３０は第１垂直磁性層１２４上に順に積層された金属化合物層／非磁性金属層、又は非磁性金属層／金属化合物層を含むことができる。これと異なり、第１非磁性層１３０は単一又は複数の金属層のみを含むこともできる。第１非磁性層１３０は第１垂直磁性層１２３及び第１接合磁性層１４１を交換結合させる。
第１非磁性層１３０上に第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、及び第２接合磁性層１４９を順に積層する。第１接合磁性層１４１及び第２接合磁性層１４９は軟磁性物質を含む。磁気メモリセルの動作中、第１接合磁性層１４１及び第２接合磁性層１４９の中のいずれか１つは基準層として機能し、他の１つは自由層として機能する。自由層として機能する接合磁性層は基準層として機能する接合層より低い飽和磁化量を有する。
第２接合磁性層１４９上に第２非磁性層１５０を配置する。第２非磁性層１５０は薄い厚さで形成される。例えば、第２非磁性層１５０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。第２非磁性層１５０はテクスチャーを有しない。
第２非磁性層１５０上に第２垂直磁性層１６４を配置する。第２垂直磁性層１６４は磁気トンネル接合を構成する第１及び第２接合磁性層１４１、１４９の平面に垂直な磁化方向を有するように構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）。第２垂直磁性層１６４は第２非磁性層１５０によって第２接合磁性層１４９と交換結合する。例えば、第２垂直磁性層１６４は非晶質のＲＥ−ＴＭ合金を含む。第２垂直磁性層１６４上にキャッピング層１７０を配置する。
図４、図５、図６及び図１を参照して本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の図１を参照して説明した部分は一部省略する。
図４を参照すると、基板１００上に下部電極１１０を形成する。下部電極１１０は基板１００上に及び／又は基板１００内に形成される。
下部電極１１０上に非磁性層１２１と強磁性層１２２を交互に積層する。非磁性層１２１及び強磁性層１２２の積層回数は２〜２０回であり得る。強磁性層１２２は１つ〜数個の原子の厚さで形成される。非磁性層１２１と強磁性層１２２は第１垂直磁性層１２３を構成する。
図５を参照すると、第１垂直磁性層１２３上に第１下部金属化合物層１３３を形成する。第１下部金属化合物層１３３は第１垂直磁性層１２３上に薄く金属膜を形成した後、金属膜を酸化及び／又は窒化して形成される。金属膜は金属、例えば遷移金属の中から選択された少なくとも１つを含む。
第１下部金属化合物層１３３上に第１非磁性金属層１３６を形成する。第１非磁性金属層１３６は非磁性金属、例えば非磁性遷移金属の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１非磁性金属層１３６及び第１下部金属化合物層１３３は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。第１非磁性金属層１３６は第１下部金属化合物層１３３と同一の金属を含む。
図６を参照すると、第１非磁性金属層１３６上に第１上部金属化合物層１３９を形成する。第１上部金属化合物層１３９は第１非磁性金属層１３６の上部面を酸化、又は窒化して形成される。酸化又は窒化のために第１上部金属化合物層１３９の上部面上に少量の酸化ガス及び／又は窒化ガスを提供する。これと異なり、第１上部金属化合物層１３９は、第１非磁性金属層１３６上に別途の金属層を形成した後、これを酸化及び／又は窒化して形成するか、又は別途の金属化合物層を形成することも可能である。
第１上部金属化合物層１３９上に第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、及び第２接合磁性層１４９を順に形成する。第１接合磁性層１４１及び第２接合磁性層１４９は軟磁性物質を含む。一実施形態において、第１接合磁性層１４１と第２接合磁性層１４９は互いに異なる飽和磁化量を有する物質を含む。第１及び第２接合磁性層１４１、１４９は非晶質状態に形成される。一実施形態において、第１接合磁性層１４１の最上部が酸化される工程を追加的に実行する。
トンネルバリア１４５は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。これと異なり、トンネルバリア１４５は複数の層を含むことができる。複数の層を金属膜、金属酸化膜、金属窒化膜、及び金属酸窒化膜の中から選択された少なくとも２つ以上の膜であり得る。トンネルバリア１４５は所定の結晶構造、例えば、ＮａＣｌ型結晶構造を有する。
トンネルバリア１４５上に第２接合磁性層１４９を形成する。第２接合磁性層１４９が磁気メモリセルの自由層として用いられる場合、第２接合磁性層１４９は第１接合磁性層１４１より低い飽和磁化量を有する。また、第２接合磁性層１４９の鉄（Ｆｅ）含量は第１接合磁性層１４１より大きいか、又は少なくとも同一であり得る。
第２接合磁性層１４９の上部面は酸化及び／又は窒化される。これによって、第２接合磁性層１４９の最上部内に予備下部金属化合物層１５２を形成する。第２接合磁性層１４９の上部面は第１非磁性金属層１３６の上部面と同一の方法で酸化及び／又は窒化される。これと異なり、第２接合磁性層１４９の酸化及び／又は窒化工程は省略可能である。
第２接合磁性層１４９及び予備下部金属化合物層１５２上に第２非磁性金属層１５６を形成する。第２非磁性金属層１５６は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びハフニウム（Ｈｆ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
再び図１を参照すると、第２非磁性金属層１５６上に第２上部金属化合物層１５９を形成する。第２上部金属化合物層１５９は第２非磁性金属層１５６の上部面を酸化、又は窒化して形成される。酸化又は窒化のために第２上部金属化合物層１５９の上部面上には少量の酸化ガス及び／又は窒化ガスを提供する。これと異なり、第２上部金属化合物層１５９は第２非磁性金属層１５６上に別途の金属層を形成した後、これを酸化及び／又は窒化して形成するか、又は別途の金属化合物層を蒸着して形成することも可能である。
第２上部金属化合物層１５９上に非磁性層１６１及び強磁性層１６２を交互に積層する。強磁性層１６２は１つ〜数個の原子の厚さで形成される。非磁性層１６１及び強磁性層１６２は第２垂直磁性層１６３を構成する。第２垂直磁性層１６３の非磁性層１６１及び強磁性層１６２の積層回数は第１垂直磁性層１２３の非磁性層１２１及び強磁性層１２２の積層回数と異なり得る。
第２垂直磁性層１６３の形成以前及び／又は以後、アニーリング工程を実行する。アニーリング工程によって非晶質状態の第１及び第２接合磁性層１４１、１４９を、トンネルバリア１４５をシード層として結晶化する。アニーリング工程はマグネチックアニーリング工程又はその他のアニーリング工程であり得る。トンネルバリア１４５がシード層として作用することによって、トンネルバリア１４５及び第１及び第２接合磁性層１４１、１４９は類似の結晶構造を有する。また、第１及び第２接合磁性層１４１、１４９のトンネルバリア１４５の面と接する面はトンネルバリア１４５の面と同一の結晶面を有する。例えば、トンネルバリア１４５の上部面及び下部面がＮａＣｌ型結晶構造の００１結晶面に該当する場合、第１及び第２接合層１４１、１４９のトンネルバリア１４５と接する面は体心立方構造の００１結晶面であり得る。
アニーリング時、第１及び第２非磁性層１３０、１５０は第１及び第２接合磁性層１４１、１４９がトンネルバリア１４５ではない他の層の結晶構造に沿って結晶化されることを防止する。例えば、第１及び第２非磁性層１３０、１５０が省略される場合、第１及び第２接合磁性層１４１、１４９の結晶化は第１及び第２垂直磁性層１２３、１６３に影響を受けることがある。この場合、第１及び第２接合磁性層１４１、１４９はトンネルバリア１４５と同一の結晶構造及び／又は結晶面を有することもできない。第１及び第２接合磁性層１４１、１４９がトンネルバリア１４５と異なる結晶構造及び／又は結晶面を有する場合、これらを含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比は顕著に減少する。しかし、本実施形態によって第１垂直磁性層１２３と第１接合磁性層１４１との間及び／又は第２垂直磁性層１６３と第２接合磁性層１４９との間に第１及び第２非磁性層１３０、１５０が介在する場合、第１及び第２垂直磁性層１２３、１６３は第１及び第２接合磁性層１４１、１４９の結晶化のシード層として作用しない。これによって、第１及び第２接合磁性層１４１、１４９の結晶構造をトンネルバリア１４５の結晶構造に配向できる。従って、これらを含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比は向上する。
第２垂直磁性層１６３上にキャッピング層１７０を形成する。キャッピング層１７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
第１垂直磁性層１２３、第１非磁性層１３０、第１接合磁性層１４１、トンネルバリア１４５、第２接合磁性層１４９、第２非磁性層１５０、第２垂直磁性層１６３、及びキャッピング層１７０をパターニングする。パターニングはフォトリソグラフィ及び／又は電子ビームパターニングを含む多様なパターニング工程の中から選択された少なくとも１つによって実行する。パターニングは全ての膜が形成された後に実行するか、又は一部の膜を形成した後に実行することもできる。一部の膜のみに対してパターニングを実行した場合、残りの膜を形成した後、追加的にパターニングを実行する。
図２を参照して、本発明の第１実施形態の一変形例による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の図１を参照して説明した構成要素の形成方法に対する説明は省略する。
基板１００上にシード層１１５を形成する。シード層１１５は単一又は複数の金属膜を含む。シード層１１５は所定の結晶構造を有する金属膜を含む。例えば、シード層１１５は体心立方格子（ＢＣＣ）、面心立方格子（ＦＣＣ）、及び稠密六方格子（ＨＣＰ）の中から選択された１つ以上の結晶構造を有する。
シード層１１５上に第１垂直磁性層１２４を形成する。第１垂直磁性層１２４はシード層１１５をシードとして用いて蒸着される。シード層１１５をシードとして蒸着される第１垂直磁性層１２４は稠密六方格子又はＬ１０結晶構造を有する。第１垂直磁性層１２４を非晶質のＲＥ−ＴＭ合金で形成する場合、シード層１１５は省略可能である。
図３を参照して、本発明の第１実施形態の他の変形例による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の図１及び図２を参照して説明した構成要素の形成方法の説明は省略する。
第２非磁性層１５０上に第２垂直磁性層１６４を形成する。第２垂直磁性層１６４は例えば、非晶質ＲＥ−ＴＭ合金を含む。図３と異なり、第２垂直磁性層１６４は複数の強磁性層を含むことができる。強磁性層の間には非磁性金属層を介在することもできる。第２垂直磁性層１６４は垂直磁化方向を有する強磁性物質層の範囲内で多様な形態に変形可能である。
＜第２実施形態＞
図７を参照して、本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板２００上に下部電極２１０を配置する。基板２００は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板２００は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極２１０を基板２００の導電領域と電気的に連結する。下部電極２１０は基板２００上及び／又は基板２００内に配置される。下部電極２１０はライン形、島形、及び平板形で構成されるグループの中から選択されたいずれかを有する。
図７を参照して、本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板２００上に下部電極２１０を配置する。基板２００は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板２００は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極２１０を基板２００の導電領域と電気的に連結する。下部電極２１０は基板２００上及び／又は基板２００内に配置される。下部電極２１０はライン形、島形、及び平板形で構成されるグループの中から選択されたいずれかを有する。
下部電極２１０上に固定層２２６（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を配置する。固定層２２６は反強磁性物質を含む。例えば、固定層２２６は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＭｎＯ、ＭｎＳ、ＭｎＴｅ、ＭｎＦ２、ＦｅＦ２、ＦｅＣｌ２、ＦｅＯ、ＣｏＣｌ２、ＣｏＯ、ＮｉＣｌ２、ＮｉＯ、及びＣｒの中から選択された少なくとも１つを含む。固定層２２６は隣接した磁性層の磁化方向を一方向に固定させる。
固定層２２６上に下部基準層２２７を提供する。下部基準層２２７は強磁性物質を含む。例えば、下部基準層２２７は、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＭｎＡｓ、ＭｎＢｉ、ＭｎＳｂ、ＣｒＯ２、ＭｎＯＦｅ２Ｏ３、ＦｅＯＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯＦｅ２Ｏ３、ＣｕＯＦｅ２Ｏ３、ＥｕＯ、及びＹ３Ｆｅ５Ｏ１２の中から選択された少なくとも１つを含む。下部基準層２２７の磁化方向は固定層２２６によって一方向に固定される。一方向は基板２００の平面に平行な方向の中から選択できる。他の例として、下部基準層２２７はＬ１０結晶構造を有する物質、稠密六方格子を有する物質、及び非晶質ＲＥ−ＴＭ合金の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。この場合、下部基準層２２７の磁化方向は基板２００の平面に垂直であり得る。
下部基準層２２７上に基準交換結合層２２８を配置する。基準交換結合層２２８はルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
基準交換結合層２２８上に上部基準層２４１を形成する。上部基準層２４１は鉄（Ｆｅ）を含むことができる。上部基準層２４１はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。上部基準層２４１は、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中で少なくとも１つを更に含むことができる。上部基準層２４１は基準交換結合層２２８によって下部基準層２２７と交換結合する。
上部基準層２４１上にトンネルバリア２４５を形成する。トンネルバリア２４５は非磁性物質を含む。トンネルバリア２４５は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、トンネルバリア２４５は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜であり得る。これと異なり、トンネルバリア２４５は金属膜及び金属化合物膜を含む複数の層を含むことができる。
トンネルバリア２４５及び上部基準層２４１は類似の結晶構造を有する。例えば、トンネルバリア２４５及び上部基準層２４１は各々ＮａＣｌ型結晶構造及び体心立方構造を有する。トンネルバリア２４５と上部基準層２４１との間の界面は同一の結晶面で構成される。例えば、トンネルバリア２４５の００１結晶面は上部基準層２４１の００１結晶面で構成される。
トンネルバリア２４５上に下部自由層２４９を配置する。下部自由層２４９は鉄（Ｆｅ）を含むことができる。下部自由層２４９は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。下部自由層２４９は、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中で少なくとも１つを更に含むことができる。
下部自由層２４９内の鉄（Ｆｅ）の含量は上部基準層２４１内の鉄（Ｆｅ）の含量より高いことがある。下部自由層２４９の高い鉄（Ｆｅ）の含量によって上部基準層２４１及び下部自由層２４９を含む磁気メモリセルの信頼性は向上する。磁気トンネル接合を構成する基準層と自由層において、基準層の鉄の含量が高い場合、このような磁気トンネル接合を含む磁気メモリセルは非正常的なスイッチング挙動を示すことがある。一例として、相対的に低い含量の鉄を含む自由層の磁化方向は基準層の磁化方向と平行な方向に維持することができない。これによって、磁気メモリセルを平行状態（自由層の磁化方向と基準層の磁化方向が平行な状態）にスイッチングする場合、自由層の磁化方向が非正常的に反転される。このような非正常的なスイッチング現象によって自由層を含む磁気メモリセルの信頼性は低下する。しかし、本実施形態によると、下部自由層２４９は上部基準層２４１に比較して高い鉄含量を有する。これによって、磁気メモリセルの平行状態へのスイッチング動作で下部自由層２４９の磁化方向は上部基準層２４１の磁化方向と平行な状態で安定的に維持される。即ち、下部自由層２４９の磁化方向が非正常的に反転されない。従って、下部自由層２４９を含む磁気メモリセルの信頼性が向上する。
下部自由層２４９上に自由交換結合層２６５を配置する。自由交換結合層２６５は、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
自由交換結合層２６５上に上部自由層２６６を配置する。上部自由層２６６は強磁性物質を含む。例えば、上部自由層２６６は、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＭｎＡｓ、ＭｎＢｉ、ＭｎＳｂ、ＣｒＯ２、ＭｎＯＦｅ２Ｏ３、ＦｅＯＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯＦｅ２Ｏ３、ＣｕＯＦｅ２Ｏ３、ＥｕＯ、及びＹ３Ｆｅ５Ｏ１２の中から選択された少なくとも１つを含む。磁気メモリセルの動作中、上部自由層２６６の磁化方向は基板２００の平面に平行な第１方向又は第２方向に変わる。他の例として、上部自由層２６６は非晶質ＲＥ−ＴＭ合金の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。この場合、磁気メモリセルの動作中、上部自由層２６６の磁化方向は基板２００の平面に垂直な第１方向又は第２方向に変わる。上部自由層２６６は自由交換結合層２６５によって下部自由層２４９と交換結合する。
上部自由層２６６上にキャッピング層２７０を配置する。キャッピング層２７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
図示した場合と異なり、下部及び上部自由層２４９、２６６と下部及び上部基準層２２７、２４１の位置は変更可能である。例えば、下部及び上部自由層２４９、２６６をトンネルバリア２４５下に配置し、下部及び上部基準層２２７、２４１はトンネルバリア２４５上に配置できる。この場合、下部電極２１０とトンネルバリア２４５との間に上部自由層２６６、自由交換結合層２６５、及び下部自由層２４９を順に積層し、トンネルバリア２４５とキャッピング層２７０との間に上部基準層２４１、基準交換結合層２２８、及び下部基準層２２７を順に積層する。
図８を参照して、本発明の第２実施形態の変形例による磁気メモリ素子を説明する。図７を参照して説明した構成要素に対する説明は省略する。
下部電極２１０上に垂直下部基準層２２３を配置する。垂直下部基準層２２３は交互に積層された非磁性層２２１と強磁性層２２２とを含む。強磁性層２２２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含み、非磁性層１２１はクロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、垂直下部基準層２２３は［Ｃｏ／Ｐｔ］ｍ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｍ、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］ｍ（ｍは層の積層回数として、２以上の自然数）を含む。一実施形態において、非磁性層２２１及び強磁性層２２２は各々２〜２０回積層される。垂直下部基準層２２３は基板２００及び垂直下部基準層２２３の平面に垂直な方向に電流が流れる場合、電流と平行な方向の磁化方向を有するように構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）。このために、強磁性層２２２は１つ〜数個の原子層の厚さで薄く形成される。
下部自由層２４９上に垂直上部自由層２６３を配置する。垂直上部自由層２６３は交互に積層された非磁性層２６１と強磁性層２６２とを含む。強磁性層２６２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含み、非磁性層２６１は、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、垂直上部自由層２６３は［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、及び／又は［Ｎｉ／Ｐｔ］ｎ（ｎは層の積層回数として、２以上の自然数）を含む。一実施形態において、非磁性層２６１及び強磁性層２６２は各々２〜２０回積層される。垂直上部自由層２６３内の非磁性層２６１と強磁性層２６２の積層回数ｎは垂直下部基準層２２３内の非磁性層２２１と強磁性層２２２の積層回数ｍより小さいことがある。
再び図７を参照して、本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。基板２００上に下部電極２１０が形成される。下部電極２１０は基板２００上及び／又は基板２００内に形成される。
下部電極２１０上に固定層２２６を形成する。固定層２２６は反強磁性物質を含む。一実施形態において、固定層２２６を取り替えてシード層を形成することができる。シード層は所定の結晶構造を有する金属又は金属合金を含む。
固定層２２６上に下部基準層２２７を形成する。下部基準層２２７は強磁性物質を含む。例えば、下部基準層２２７は、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＭｎＡｓ、ＭｎＢｉ、ＭｎＳｂ、ＣｒＯ２、ＭｎＯＦｅ２Ｏ３、ＦｅＯＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯＦｅ２Ｏ３、ＣｕＯＦｅ２Ｏ３、ＥｕＯ、及びＹ３Ｆｅ５Ｏ１２の中から選択された少なくとも１つを含む。他の例として、下部基準層２２７はＬ１０結晶構造を有する物質、稠密六方格子を有する物質、及びＲＥ−ＴＭ合金の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。
下部基準層２２７上に基準交換結合層２２８を形成する。基準交換結合層２２８は、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
基準交換結合層２２８上に上部基準層２４１、トンネルバリア２４５、及び下部自由層２４９を形成する。上部基準層２４１及び下部自由層２４９は非晶質状態に形成され、トンネルバリア２４５はＮａＣｌ型の結晶状態に形成される。上部基準層２４１及び下部自由層２４９の結晶構造は以後のアニーリング工程によってトンネルバリア２４５の結晶構造に沿って配向される。
下部自由層２４９上に自由交換結合層２６５を形成する。自由交換結合層２６５は、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
自由交換結合層２６５上に上部自由層２６６を形成する。上部自由層２６６は強磁性物質を含む。上部自由層２６６上にキャッピング層２７０を形成する。
下部電極２１０上に積層された層をパターニングする。パターニングはフォトリソグラフィ及び電子ビームを含む多様なパターニング工程の中から選択された少なくとも１つによって実行する。パターニングは全ての膜が形成された後に実行するか、又は一部の膜を形成した後に実行することもできる。一部の膜のみに対してパターニングを実行した場合、残りの膜を形成した後、追加的にパターニングを実行することができる。
図８を参照して、本発明の第２実施形態の変形例による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の図７で説明した構成要素の形成方法に関する説明は省略する。
下部電極２１０上に非磁性層２２１及び強磁性層２２２を交互に積層する。強磁性層２２２は１つ〜数個の原子の厚さで蒸着される。下部電極２１０上に形成された非磁性層２２１及び強磁性層２２２は垂直下部基準層２２３を構成する。
下部自由層２４９上に非磁性層２６１及び強磁性層２６２を交互に積層する。強磁性層２６２は１つ〜数個の原子の厚さで形成される。下部自由層２４９上に形成された非磁性層２２１及び強磁性層２２２は垂直上部自由層２６３を構成する。
垂直下部基準層２２３の非磁性層２２１及び強磁性層２２２の積層回数は垂直上部自由層２６２の非磁性層２６１及び強磁性層２６２の積層回数より多いことがある。
＜第３実施形態＞
図９を参照して、本発明の第３実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板３１０上に下部電極３２０を配置する。基板３１０は半導体元素基盤の基板及び金属化合物基盤の基板を含む多様な基板の中から選択されたいずれかであり得る。基板３１０は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極３２０は基板３１０上に配置される。これと異なり、基板３１０内に含むこともできる。下部電極３２０は電極又は電極コンタクトであり得る。下部電極３２０は基板３１０内の導電領域と電気的に連結される。例えば、下部電極３２０は基板１００内に含まれたトランジスタ及びダイオードを含むスイッチング素子の中の少なくとも１つと電気的に連結される。
図９を参照して、本発明の第３実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板３１０上に下部電極３２０を配置する。基板３１０は半導体元素基盤の基板及び金属化合物基盤の基板を含む多様な基板の中から選択されたいずれかであり得る。基板３１０は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極３２０は基板３１０上に配置される。これと異なり、基板３１０内に含むこともできる。下部電極３２０は電極又は電極コンタクトであり得る。下部電極３２０は基板３１０内の導電領域と電気的に連結される。例えば、下部電極３２０は基板１００内に含まれたトランジスタ及びダイオードを含むスイッチング素子の中の少なくとも１つと電気的に連結される。
基板３１０上にシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）３３０を配置する。シード層３３０は稠密六方格子（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｃｌｏｓｅｄ−Ｐａｃｋｉｎｇ、ＨＣＰ）を構成する金属原子を含む。稠密六方格子は図１１に示すように、３つのａ軸と、ａ軸と共に六角形の平面を構成する３つのｂ軸、そして六角形の平面に実質的に垂直なｃ軸を含む格子であり得る。ａ軸及びｂ軸によって構成される六角形の平面は基板３１０の平面に実質的に平行であり、ｃ軸は基板３１０の平面に実質的に垂直であり得る。即ち、シード層３３０を構成する結晶構造の＜０００１＞結晶面は基板３１０の平面に平行であり得る。シード層３３０は薄い厚さで形成される。例えば、シード層３３０は１０Å〜１００Åで形成される。シード層３３０はルテニウム（Ｒｕ）又はチタン（Ｔｉ）を含む。これと異なり、シード層３３０は面心立方格子（Ｆａｃｅ Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｃｕｂｉｃ、ＦＣＣ）を構成する金属原子を含むこともできる。例えば、シード層３３０は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及び／又はアルミニウム（Ａｌ）を含む。
シード層３３０上に自由磁性体３４０を配置する。自由磁性体３４０はシード層３３０と接する垂直自由磁性層３４２と垂直自由磁性層３４２上の接合自由磁性層３４８を含む。図示した場合と異なり、垂直自由磁性層３４２と接合自由磁性層３４８は複数の層を含むこともできる。
垂直自由磁性層３４２は強磁性物質を含む。垂直自由磁性層３４２に含まれる原子は稠密六方格子を構成する。垂直自由磁性層３４２の稠密六方格子は図１１に示すように、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸で構成される。垂直自由磁性層３４２を構成する稠密六方格子のｃ軸は基板３１０の平面に実質的に垂直であり得る。言い換えれば、垂直自由磁性層３４２を構成する稠密六方格子の＜０００１＞面は基板３１０の平面に平行であり得る。垂直自由磁性層３４２の磁化容易軸はｃ軸であり得る。これによって、垂直自由磁性層３４２の磁化方向は基板３１０に対して垂直であり得る。即ち、垂直自由磁性層３４２は基板３１０の平面に垂直な方向の磁気異方性を有する。
垂直自由磁性層３４２の強磁性の特徴と格子構造は垂直自由磁性層３４２を構成する原子の種類及び／又は原子の含量に起因する。
一実施形態において、垂直自由磁性層３４２は１０〜４５ａｔ．％の白金原子の含量を有するコバルト−白金（ＣｏＰｔ）無秩序合金（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ａｌｌｏｙ）を含む。垂直自由磁性層３４２内の白金原子の含量は、例えば、２０〜３０ａｔ．％であり得る。垂直自由磁性層３４２は非磁性物質を更に含む。例えば、垂直自由磁性層３４２は、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含む。
他の実施形態において、垂直自由磁性層３４２は秩序合金であるＣｏ３Ｐｔを含むことができる。垂直自由磁性層３４２は非磁性物質を更に含むことができる。例えば、垂直自由磁性層３４２は、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。
また他の実施形態において、垂直自由磁性層３４２は複層で形成することができる。この場合、垂直自由磁性層３４２はシード層３３０上に順に積層された稠密六方格子を有する第１自由強磁性層と第１自由強磁性層上の第２自由強磁性層とを含む。第１自由強磁性層は上述の垂直自由磁性層３４２の実施形態の中から選択された１つであり、第２自由強磁性層は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つと希土類金属の中から選択された少なくとも１つとを含む合金であり得る。例えば、希土類金属はトオビュム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びガドリニウム（Ｇｄ）の中から選択された少なくとも１つであり得る。これと異なり、第２自由強磁性層はＦｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、及びＦｅ５０Ｎｉ５０を含むＬ１０の結晶構造を有する強磁性物質の中から選択された少なくとも１つであり得る。
垂直自由磁性層３４２の結晶構造、即ち、垂直自由磁性層３４２の稠密六方格子構造によって垂直自由磁性層３４２は高い垂直磁気異方性を有する。本明細書において、垂直磁気異方性は基板３１０の平面に対して垂直な方向の磁気異方性を意味する。高い垂直磁気異方性によって垂直自由磁性層３４２を含む磁気メモリ素子の信頼性が向上し、磁気メモリ素子の駆動電力が減少する。具体的に、垂直自由磁性層３４２を通過する電子の中、より多い電子のスピン方向は垂直自由磁性層３４２によって基板３１０の平面に垂直な方向に整列する。これによって、垂直自由磁性層３４２を通過する電子の中、より多い電子は磁気メモリ素子の書き込み動作に実質的に用いることができる。従って、磁気メモリ素子の信頼性が向上し、少ないスイッチング電流でも磁気メモリ素子を作動させることができる。
垂直自由磁性層３４２上に下部交換結合調節層３４４を配置する。下部交換結合調節層３４４は交換結合定数が大きい磁性物質又は表面磁気異方性を増加させることができる非磁性物質を含む。例えば、下部交換結合調節層３４４は交換結合定数が大きい鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中の少なくとも１つを含む。この場合、下部交換結合調節層３４４は白金（Ｐｔ）を更に含むことができる。下部交換結合調節層３４４の厚さは２Å〜２０Åであり得る。下部交換結合調節層３４４は垂直自由磁性層３４２と後述の接合自由磁性層３４８との間の交換結合を強化させる。垂直自由磁性層３４２は基板３１０の平面に対して垂直な方向に高い磁気異方性を有するので、垂直自由磁性層３４２と下部交換結合調節層３４４によって交換結合される接合自由磁性層３４８も基板３１０の平面に対して垂直な方向に高い磁気異方性を有する。
他の例として、下部交換結合調節層３４４は遷移金属を含む金属元素の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。下部交換結合調節層３４４は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）を含む非磁性金属の中から選択された少なくとも１つを含む。これによって、下部交換結合調節層３４４は隣接した磁性層の表面の垂直磁気異方性を増加させることができる。
一実施形態において、下部交換結合調節層３４４は下部交換結合調節層３４４の表面の酸化膜を更に含む。酸化膜は下部交換結合調節層３４４の表面を構成する物質の酸化物であり得る。
下部交換結合調節層３４４上に接合自由磁性層３４８を配置する。接合自由磁性層３４８は下部交換結合調節層３４４及び／又は垂直自由磁性層３４２によって高い垂直異方性を有する。例えば、接合自由磁性層３４８は高い垂直異方性を有する垂直自由磁性層３４２と下部交換結合調節層３４４によって強く交換結合されることによって、高い垂直異方性を有する。他の例として、非磁性金属を含む下部交換結合調節層３４４によって接合自由磁性層３４８の表面の垂直磁気異方性を増加することができる。
接合自由磁性層３４８は軟磁性物質（ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含む。また、接合自由磁性層３４８は低いダンピング定数（ｄａｍｐｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ）及び高いスピン分極率（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を有する。例えば、接合自由磁性層３４８は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）原子を含む。接合自由磁性層３４８は、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中で少なくとも１つを更に含むことができる。具体的に、接合自由磁性層３４８はＣｏＦｅ及び／又はＮｉＦｅを含み、ホウ素を更に含むことができる。これに加えて、接合自由磁性層３４８の飽和磁化量を更に低めるため、接合自由磁性層３４８はチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、及びシリコン（Ｓｉ）の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。飽和磁化量の減少によって、接合自由磁性層３４８を含む磁気メモリセルのスイッチング電流が減少する。
図示した場合と異なり、接合自由磁性層３４８は複数の磁性層を含むことができる。例えば、接合自由磁性層３４８は下部交換結合磁性層３４４上に順に積層された第１自由強磁性層、自由非磁性層、及び第２自由強磁性層、即ちＳＡＦ層（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｌａｙｅｒ）を含むことができる。接合自由磁性層３４８は磁化方向が変更可能な多様な磁性層の形態を含むことができる。
自由磁性体３４０を構成する複数の層の中の少なくとも一層の磁化方向は変動可能である。例えば、接合自由磁性層３４８は変動可能な磁化方向を有する。接合自由磁性層３４８の磁化方向は接合自由磁性層３４８の外部から提供される電気及び／又は磁気的な要因によって基板３１０に垂直な第１方向又は第１方向に反平行な第２方向に変わる。
自由磁性体３４０上にトンネルバリア３５０を配置する。トンネルバリア３５０はスピン拡散長さ（ｓｐｉｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ）より薄い厚さを有する。トンネルバリア３５０は非磁性物質を含む。一実施形態において、トンネルバリア３５０は絶縁物質膜であり得る。例えば、トンネルバリア３５０は、マグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）、及び／又はマグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）を含む。
トンネルバリア３５０上に基準磁性体３６０を形成する。基準磁性体３６０はトンネルバリア３５０上に順に積層された接合基準磁性層３６１、上部交換結合調節層３６２、及び垂直基準磁性層３６３を含む。垂直基準磁性層３６３上に複数の上部基準非磁性層３６４及び基準強磁性層３６５を交互に積層する。
接合基準磁性層３６１は軟磁性物質を含む。例えば、接合基準磁性層３６１は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及び／又はニッケル（Ｎｉ）原子を含み、原子の含量は接合基準磁性層３６１の飽和磁化量が低くなるように決められる。接合基準磁性層３６１は低いダンピング定数及び高いスピン分極率を有する。このために、接合基準磁性層３６１は、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中で少なくとも１つを更に含む。例えば、接合基準磁性層３６１はＣｏＦｅ及び／又はＮｉＦｅを含み、ホウ素を更に含む。これに加えて、接合基準磁性層３６１は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及びタンタル（Ｔａ）を含む非磁性元素の中から選択された少なくとも１つを更に含むことができる。選択された非磁性元素の接合基準磁性層３６１内の含量は１〜１５ａｔ．％であり得る。
接合自由磁性層３４８、トンネルバリア３５０、及び接合基準磁性層３６１は磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を構成する。本実施形態による磁気メモリセルは磁気トンネル接合を構成する２つの磁性体、即ち、接合自由磁性層３４８及び接合基準磁性層３６１の磁化方向が平行であるか、又は反平行であるかによる抵抗値の差を利用してデータを貯蔵することができる。具体的に、磁気トンネル接合を通過する電子の方向によって、接合自由磁性層３４８の磁化方向は変わる。
例えば、接合自由磁性層３４８から接合基準磁性層３６１方向に電子が移動する場合、接合基準磁性層３６１と同一の磁化方向の第１方向のスピンを有する電子は接合基準磁性層３６１を通過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）し、接合基準磁性層３６１の磁化方向と反対方向の第２方向のスピンを有する電子は接合基準磁性層３６１を通過することができず、反射（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）されて接合自由磁性層３４８に再び伝達される。第２方向のスピンを有する電子によって接合自由磁性層３４８の磁化方向は第２方向になる。これによって、接合基準磁性層３６１と接合自由磁性層３４８は互いに反対の反平行な磁化方向を有する。互いに反平行な磁化方向を有する磁性体によって構成される磁気トンネル接合は相対的に高い抵抗を有する。本実施形態において、第１方向と第２方向は基板３１０の平面に実質的に垂直な方向であり得る。
他の例として、接合基準磁性層３６１から接合自由磁性層３４８に電子が移動する場合、接合基準磁性層３６１を通過する第１方向のスピンを有する電子が接合自由磁性層３４８に到逹する。接合自由磁性層３４８に到逹した第１方向のスピンを有する電子によって接合自由磁性層３４８の磁化方向は第１方向に変わる。これによって、接合基準磁性層３６１及び接合自由磁性層３４８は第１方向の磁化方向を有する。互いに平行な磁化方向を有する磁性体によって構成される磁気トンネル接合は相対的に低い抵抗を有する。
このように、磁気トンネル接合を流れる電子の方向に沿って磁気トンネル接合の抵抗値が変わる。抵抗値の差を利用して磁気メモリセルにデータを貯蔵することができる。
接合基準磁性層３６１上に上部交換結合調節層３６２を配置する。上部交換結合調節層３６２は交換結合定数が大きい物質、例えば強磁性金属を含むか、又は隣接した磁性体の配向性を調節することができる物質、例えば非磁性金属を含む。例えば、上部交換結合調節層３６２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む。他の例として、上部交換結合調節層３６２は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。一実施形態において、上部交換結合調節層３６２は上部交換結合調節層３６２表面上の酸化膜を更に含む。酸化膜は上部交換結合調節層３６２の一部が酸化されて形成された膜であり得る。上部交換結合調節層３６２の機能及び構成は下部交換結合調節層３４４と実質的に同一であり得る。
上部交換結合調節層３６２上に垂直基準磁性層３６３を配置する。垂直基準磁性層３６３は強磁性物質を含む。垂直基準磁性層３６３を構成する原子は基板３１０の平面に実質的に垂直な方向の磁化容易軸を有する結晶構造を構成する。例えば、垂直基準磁性層３６３は稠密六方格子を有するコバルト（Ｃｏ）及び／又は白金（Ｐｔ）の秩序合金又は無秩序合金を含み、稠密六方格子のｃ軸が基板３１０の平面に垂直であり得る。これによって、垂直基準磁性層３６３の垂直異方性は大きく向上する。垂直基準磁性層３６３は、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含む。
上部交換結合調節層３６３上に上部基準磁性層を配置する。上部基準磁性層は交互に繰り返して積層された上部基準非磁性層３６４と基準強磁性層３６５とを含む。上部基準非磁性層３６４は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含み、基準強磁性層３６５は、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、上部基準磁性層は［Ｃｏ／Ｐｂ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］ｎ（ｎは２以上の自然数）を含む。上部基準非磁性層３６４及び基準強磁性層３６５の積層回数は２回〜１１回であり得る。基準強磁性層３６５は非常に薄い厚さで形成される。例えば、基準強磁性層３６５は原子層の厚さで形成される。これによって、基準強磁性層３６５の磁化方向は基板３１０の平面に垂直であり得る。
上部基準磁性層は他の形態でも配置できる。例えば、上部基準磁性層は垂直基準磁性層３６３上に順に積層された第１基準強磁性層、基準非磁性層、及び第２基準強磁性層、即ち、ＳＡＦ層（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｌａｙｅｒ）を含むことができる。
上部基準磁性層上にキャッピング層３７０を配置する。キャッピング層３７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
図９及び図１０を参照して、本発明の第３実施形態による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の図９を参照して説明した内容は省略する。
図１０を参照すると、基板３１０上に下部電極３２０を形成する。下部電極３２０は金属又は金属化合物を含む。
下部電極３２０上にシード層３３０を形成する。シード層３３０は稠密六方格子又は面心立方格子を有する金属を含む。例えば、シード層３３０は、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された少なくとも１つを含む。シード層３３０は比較的薄い厚さで形成される。例えば、シード層３３０は２Å〜２０Åの厚さで形成される。
シード層３３０上に垂直自由磁性層３４２を形成する。垂直自由磁性層３４２の結晶構造はシード層３３０の結晶構造に沿って配向される。例えば、垂直自由磁性層３４２はシード層３３０の結晶構造と同一の稠密六方格子で形成される。垂直自由磁性層３４２はコバルト（Ｃｏ）及び／又は白金（Ｐｔ）を含む。垂直自由磁性層３４２はコバルト（Ｃｏ）及び白金（Ｐｔ）の秩序合金又は無秩序合金を含む。
シード層３３０をシードとして成長される垂直自由磁性層３４２は比較的低温の工程を通じて形成することができる。例えば、シード層３３０をシードとして形成される垂直自由磁性層３４２は常温で蒸着できる。
磁性体の磁化方向が基板に垂直な磁気メモリ素子の場合、垂直異方性が大きい結晶構造の磁性体、例えばＬ１０秩序合金で構成された強磁性体が用いられる。Ｌ１０秩序合金の強磁性体を形成するために面心立方格子を有するクロム（Ｃｒ）シード層と体心立方格子を有する白金（Ｐｔ）シード層とを含む複層のシード層を要求する。複層のシード層は単一シード層に比較して厚く形成される。従って、シード層を含む素子の大きさが増加する。また、シード層のパターニング工程中、シード層のエッチング副産物によって他の磁性層及び／又は絶縁層が汚染されることがある。特に、シード層のエッチング副産物によって後述のトンネルバリアが汚染される場合、トンネルバリアにショーティング現象が発生してメモリの機能が低下する。これに加えて、Ｌ１０秩序合金は４００℃以上の高温蒸着工程及び／又は６００℃以上の高温のアニーリング工程によって形成される。
これと異なり、本実施形態によって稠密六方格子の垂直自由磁性層３４２を形成する場合、シード層３３０は単一層で形成される。これによって、シード層３３０の厚さを複層のシード層に比較して薄くできる。また、垂直自由磁性層３４２の結晶構造はシード層３３０に対する依存性が大きい。これによって、本実施形態による垂直自由磁性層３４２は低い工程温度でもシード層３３０の結晶構造に沿って配向することができる。即ち、高温の蒸着工程又は高温のアニーリング工程が必須ではない。
垂直自由磁性層３４２上に下部交換結合調節層３４４を形成する。下部交換結合調節層３４４は交換結合定数が大きい強磁性金属、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）を含む金属の中から選択された少なくとも１つを含む。これと異なり、下部交換結合調節層３４４は隣接した磁性体の表面磁気異方性を増加させるか、又は下部交換結合調節層３４４上に形成される磁性体の結晶配向性を調節することができる非磁性物質を含むことができる。例えば、下部交換結合調節層３４４は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）の中の少なくとも１つを含む。一実施形態において、下部交換結合調節層３４４の表面は酸化される。酸化のための工程は下部交換結合調節層３４４の形成以前、垂直自由磁性層３４２が形成された結果物がローディングされたチャンバ内に極少量の酸素を注入するか、又は下部交換結合調節層３４４を原子層の厚さに成膜した後、チャンバ内に極少量の酸素を注入して酸化膜を形成した後、残りの下部交換結合調節層３４４を成膜する。
下部交換結合調節層３４４上に接合自由磁性層３４８を形成する。接合自由磁性層３４８の垂直異方性は垂直自由磁性層３４２及び／又は下部交換結合調節層３４４によって向上する。具体的に、下部交換結合調節層３４４の結晶構造によって接合自由磁性層３４８が垂直自由磁性層３４２の結晶構造に沿って結晶化することを防止、又は減少させる。例えば、下部交換結合調節層３４４が省略される場合、非晶質状態で形成された接合自由磁性層３４８が熱工程によって垂直自由磁性層３４２の結晶構造に沿って結晶化することがある。この場合、接合自由磁性層３４８の結晶構造は垂直自由磁性層３４２の結晶構造、即ち体心立方構造の００１結晶面ではなく、０１１結晶面によって配向されて接合自由磁性層３４８を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比が減少する。しかし、本実施形態によると、下部交換結合調節層３４４によって垂直自由磁性層３４２と接合自由磁性層３４８が離隔されるので、接合自由磁性層３４８の結晶構造が垂直自由磁性層３４２の結晶構造に沿って配向されない。これによって、磁気トンネル接合の磁気抵抗比が向上する。
再び図９を参照すると、接合自由磁性層３４８上にトンネルバリア３５０を形成する。トンネルバリア３５０は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。例えば、トンネルバリア３５０は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜であり得る。これと異なり、トンネルバリア３５０は複数の層を含むことができる。例えば、トンネルバリア３５０はマグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）、及び／又はマグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。トンネルバリア３５０は接合自由磁性層３４８上に金属酸化物又は金属窒化物を蒸着するか、又は接合自由磁性層３４８上に金属膜を形成した後、金属膜を酸化させることによって形成する。一実施形態において、トンネルバリア３５０は所定の結晶構造を有する。例えば、トンネルバリア３５０はＮａＣｌ結晶構造（面心立方格子構造）を有する。
トンネルバリア３５０上に接合基準磁性層３６１を形成する。接合基準磁性層３６１は相対的に低い飽和磁化量を有する。接合基準磁性層３６１は軟磁性物質を含む。接合基準磁性層３６１は非磁性物質を更に含む。接合基準磁性層３６１は接合自由磁性層３４８と同一の磁気的性質を有する。これと異なり、接合基準磁性層３６１は接合自由磁性層３４８と異なる磁気的性質を有することができる。例えば、接合基準磁性層３６１の厚さ及び接合基準磁性層３６１の飽和磁化量の積は、接合自由磁性層３４８の厚さ及び接合自由磁性層３４８の飽和磁化量の積より大きいことがある。
接合基準磁性層３６１の結晶構造はトンネルバリア３５０に沿って配向される。例えば、トンネルバリア３５０の００１結晶面が基板３１０の平面に平行なＮａＣｌ面心立方格子構造を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成される場合、接合基準磁性層３６１はトンネルバリア３５０の結晶構造に沿って配向される。これによって、接合基準磁性層３６１の垂直磁気異方性は向上する。接合基準磁性層３６１の結晶化は熱工程によって実行することができる。
接合基準磁性層３６１上に上部交換結合調節層３６２を形成する。一実施形態において、上部交換結合調節層３６２は交換結合定数が大きい磁性物質を含む。これによって、垂直基準磁性層３６３と磁気の接合基準磁性層３６１との間の交換結合が増加し、接合基準磁性層３６１の垂直磁気異方性が増加する。また、上部交換結合調節層３６２がシード層として作用し、後述の垂直基準磁性層３６３の磁化容易軸は基板３１０の平面に垂直に配向される。一実施形態において、上部交換結合調節層３６２の表面は酸化される。酸化のための工程は上部交換結合調節層３６２の形成前、上部接合基準磁性層３６１が形成された結果物がローディングされたチャンバ内に極少量の酸素を注入するか、又は上部交換結合調節層３６２を原子層の厚さに成膜した後、チャンバ内に極少量の酸素を注入して酸化膜を形成した後、残りの交換結合調節層３６２を成膜する。
上部交換結合調節層３６２上に垂直基準磁性層３６３を形成する。垂直基準磁性層３６３は非晶質状態の強磁性膜であり得る。例えば、垂直基準磁性層３６３はコバルト（Ｃｏ）及び／又は白金（Ｐｔ）合金の非晶質状態であり得る。垂直基準磁性層３６３は、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
垂直基準磁性層３６３上に上部基準磁性層を形成する。上部基準磁性層は上部基準非磁性層３６４と基準強磁性層３６５とを交互に複数回積層して形成される。基準強磁性層３６５は非常に薄い厚さで形成される。例えば、基準強磁性層３６５は原子層の厚さで形成される。
上部基準磁性層は他の形態でも形成することができる。例えば、上部基準磁性層は垂直基準磁性層３６３上に順に積層された第１基準強磁性層、基準非磁性層、及び第２基準強磁性層、即ち、ＳＡＦ層（Ｓｙｓｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｌａｙｅｒ）を含むことができる。
上部基準非磁性層３６４と接合基準磁性層３６１との間に垂直基準磁性層３６３及び／又は上部交換結合調節層３６２が介在することによって接合基準磁性層３６１を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比が向上する。具体的に、接合基準磁性層３６１上に上部基準非磁性層３６４を直接形成する場合、以後の熱工程の間に上部基準非磁性層３６４を構成する金属と基準磁性層３６１を構成する物質が反応して磁気特性を有しない膜を形成することがある。磁気特性を有しない膜によって磁気トンネル接合の磁気抵抗比が顕著に減少する。
一実施形態において、接合基準磁性層３６１は垂直磁化特性のために所定の臨界厚さ以下に薄く形成することがある。この場合、接合基準磁性層３６１が上部基準非磁性層３６４との反応によって消耗して磁気抵抗比が減少する。一方、本実施形態によると、接合基準磁性層３６１と上部基準非磁性層３６４との間に垂直基準磁性層３６３及び／又は上部交換結合調節層３６２が形成されるので、磁気特性を有しない膜を形成しない。これによって、接合基準磁性層３６１も不必要に消耗しない。従って、接合基準磁性層３６１を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比は向上する。
上部基準磁性層上にキャッピング層３７０を形成する。キャッピング層３７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
基板３１０上に積層された層をパターニングする。パターニングは下部電極３１０からキャッピング層３７０までの全ての層が積層された後に実行するか、又は一部の層に対するパターニングを他の層の積層に先行して実行する。パターニングはイオンビーム工程及び／又はフォトリソグラピ工程を利用して実行する。パターニングは異方性エッチング工程を実行する場合を含む。
＜第４実施形態＞
図１２を参照して、本発明の第４実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板４１０上に下部電極４２０を配置する。基板４１０は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極４２０は基板４１０内の導電領域と電気的に連結される。
図１２を参照して、本発明の第４実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板４１０上に下部電極４２０を配置する。基板４１０は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極４２０は基板４１０内の導電領域と電気的に連結される。
下部電極４２０上にシード層４３０を配置する。シード層４３０は稠密六方格子を構成する金属原子を含む。稠密六方格子のｃ軸は基板４１０の平面に実質的に垂直であり得る。
シード層４３０上に基準磁性体４４０を配置する。基準磁性体４４０はシード層４３０上に順に積層された垂直基準磁性層４４２、下部交換結合調節層４４４、及び／又は接合基準磁性層４４８を含む。
垂直基準磁性層４４２は強磁性物質を含む。垂直基準磁性層４４２は基板４１０に垂直な方向の磁化容易軸を有する。例えば、垂直基準磁性層４４２は稠密六方格子（ＨＣＰ）を有する。垂直基準磁性層４４２の稠密六方格子（ＨＣＰ）は図１１に示すように、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸で構成される。垂直基準磁性層４４２を構成する稠密六方格子のｃ軸はシード層４３０を構成するｃ軸に実質的に平行であり得る。従って、垂直基準磁性層４４２を構成する稠密六方格子のｃ軸は基板４１０の平面に実質的に垂直であり得る。垂直基準磁性層４４２の磁化容易軸はｃ軸であり得る。これによって、垂直基準磁性層４４２の磁化方向は基板４１０に対して垂直であり得る。
一実施形態において、垂直基準磁性層４４２は１０〜４５ａｔ．％の白金原子の含量を有するコバルト−白金（ＣｏＰｔ）無秩序合金を含む。垂直基準磁性層４４２内の白金原子の含量は、例えば、２０〜３０ａｔ．％であり得る。垂直基準磁性層４４２は非磁性物質を更に含む。例えば、垂直基準磁性層４４２はホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含む。
他の実施形態において、垂直基準磁性層４４２は秩序合金であるＣｏ３Ｐｔを含むことができる。垂直基準磁性層４４２は非磁性物質を更に含むことができる。例えば、垂直基準磁性層４４２は、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、及び銅（Ｃｕ）の中から選択された少なくとも１つを更に含む。
また他の実施形態において、垂直基準磁性層４４２は複数の層を含むことができる。この場合、垂直基準磁性層４４２はシード層４３０上に順に積層された稠密六方格子を有する第１基準強磁性層と第１基準強磁性層上の第２基準強磁性層を含む。第１基準強磁性層は上述の垂直基準磁性層４４２の多様な実施形態の中から選択された１つであり、第２基準強磁性層は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つと希土類金属の中から選択された少なくとも１つを含む合金であり得る。例えば、希土類金属はトオビュム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びガドリニウム（Ｇｄ）の中から選択された少なくとも１つであり得る。これと異なり、第２基準強磁性層は、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、及びＦｅ５０Ｎｉ５０を含むＬ１０の結晶構造を有する強磁性物質の中から選択された少なくとも１つであり得る。
垂直基準磁性層４４２の稠密六方構造によって、垂直基準磁性層４４２は高い垂直異方性を有する。これによって、垂直基準磁性層４４２を含む磁気メモリ素子の抵抗散布及びスイッチング電流特性を改善することができる。
垂直基準磁性層４４２上に下部交換結合調節層４４４を配置する。下部交換結合調節層４４４は交換結合定数が大きい磁性物質又は表面磁気異方性を増加させることができる非磁性物質を含む。例えば、下部交換結合調節層４４４は交換結合定数が大きい鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中の少なくとも１つを含む。この場合、下部交換結合調節層４４４は白金（Ｐｔ）を更に含む。下部交換結合調節層４４４の厚さは２Å〜２０Åであり得る。下部交換結合調節層４４４は垂直基準磁性層４４２と後述の接合基準磁性層４４８との間の交換結合を強化させる。上述のように、垂直基準磁性層４４２は高い垂直異方性を有するので、垂直基準磁性層４４２と下部交換結合調節層４４４によって交換結合される接合基準磁性層４４８も高い垂直異方性を有する。
他の例として、下部交換結合調節層４４４は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）を含む非磁性金属の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。非磁性金属は隣接した磁性層の結晶構造の配向性を調節する。一実施形態において、下部交換結合調節層４４４は下部交換結合調節層４４４の表面上の酸化膜を更に含む。酸化膜は下部交換結合調節層４４４の表面が酸化された膜であり得る。下部交換結合調節層４４４によって隣接した磁性層の表面磁気異方性が増加する。
接合基準磁性層４４８上にトンネルバリア４５０を形成する。トンネルバリア４５０は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛Ｍｇ−Ｚｎ及び／又はマグネシウム−ホウ素（Ｍｇ−Ｂ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。トンネルバリア４５０は複数の層を含むことができる。例えば、トンネルバリア４５０は、マグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）、及び／又はマグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。
トンネルバリア４５０上に自由磁性体４６０を配置する。自由磁性体４６０はトンネルバリア４５０と接する接合自由磁性層４６１、接合自由磁性層４６１上の上部交換結合調節層４６３、及び上部交換結合調節層４６３上の上部自由磁性層４６６を含む。
接合自由磁性層４６１は軟磁性物質を含む。接合自由磁性層４６１は低い飽和磁化量を有する。また、接合自由磁性層４６１は低いダンピング定数及び高いスピン分極率を有する。接合自由磁性層４６１は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む。接合自由磁性層４６１は、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）、及び窒素（Ｎ）を含む非磁性物質の中の少なくとも１つを更に含む。
例えば、接合自由磁性層４６１はＣｏＦｅ及び／又はＮｉＦｅを含み、ホウ素を更に含む。これに加えて、接合自由磁性層４６１はチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及びタンタル（Ｔａ）を含む非磁性元素の中から選択された少なくとも１つを更に含む。選択された非磁性元素の接合自由磁性層４６１内の含量は１〜１５ａｔ．％であり得る。
接合自由磁性層４６１上に上部交換結合調節層４６３を配置する。上部交換結合調節層４６３は交換結合定数が大きい物質、例えば強磁性金属を含むか、又は隣接した磁性体の配向性及び垂直異方性を増加させることができる物質、例えば非磁性金属を含む。例えば、上部交換結合調節層４６３は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の中から選択された少なくとも１つを含む。他の例として、上部交換結合調節層４６３は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）の中から選択された少なくとも１つを含むことができる。一実施形態において、上部交換結合調節層４６３は上部交換結合調節層４６３と接する酸化膜を更に含む。酸化膜は上部交換結合調節層２６４の一部の酸化物であり得る。
上部自由磁性層４６６は単一磁性層又は複数の磁性層を含むことができる。例えば、上部自由磁性層４６６は上部交換結合調節層４６３上に順に積層された第１自由強磁性層、自由非磁性層及び第２自由強磁性層、即ちＳＡＦ層（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｌａｙｅｒ）を含むことができる。上部自由磁性層４６６は磁化方向が変更可能な多様な磁性層の形態を含むことができる。
上部自由磁性層４６６上にキャッピング層４７０を配置する。キャッピング層は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
図１２を参照して、本発明の第４実施形態による磁気メモリ素子の形成方法を説明する。上述の構成要素に対する説明は省略する。
再び図１２を参照すると、基板４１０上に下部電極４２０及びシード層４３０を形成する。シード層４３０は稠密六方格子又は面心立方格子を有する金属を含む。例えば、シード層４３０は、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された少なくとも１つを含む。シード層４３０は比較的薄い厚さで形成される。例えば、シード層４３０は１０Å〜１００Åの厚さで形成される。
シード層４３０上に垂直基準磁性層４４２を形成する。垂直基準磁性層４４２はシード層４３０に対する依存度が大きい物質を含む。例えば、垂直基準磁性層４４２の結晶構造はシード層４３０の結晶構造に沿って配向される。例えば、垂直基準磁性層４４２はシード層４３０のｃ軸に沿って成長する。これによって、シード層４３０をシードとして成長する垂直基準磁性層４４２は比較的低温工程を通じて形成することができる。
例えば、垂直基準磁性層４４２はコバルト（Ｃｏ）及び／又は白金（Ｐｔ）を含む。垂直基準磁性層４４２はコバルト（Ｃｏ）及び白金（Ｐｔ）の含量によって秩序合金又は無秩序合金を含む。例えば、シード層３３０をシードとして形成される垂直基準磁性層４４２は常温で蒸着することができる。
垂直磁性層４４２上に下部交換結合調節層４４４を形成する。下部交換結合調節層４４４は交換結合定数が大きい強磁性金属、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）を含む金属の中から選択された少なくとも１つを含む。これと異なり、下部交換結合調節層４４４は隣接した磁性体の表面磁気異方性を増加させることができる。例えば、下部交換結合調節層４４４は非磁性物質、例えば非磁性金属元素又は遷移金属を含むことができる。下部交換結合調節層４４４は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）の中の少なくとも１つを含むことができる。
一実施形態において、下部交換結合調節層４４４の表面は酸化される。酸化のための工程は下部交換結合調節層４４４の形成前に垂直磁性層４４２が形成された結果物がローディングされたチャンバ内に極少量の酸素を注入するか、又は下部交換結合調節層４４４を原子層の厚さに成膜した後、チャンバ内に極少量の酸素を注入して酸化膜を形成した後、残りの下部交換結合調節層４４４を成膜する。
下部交換結合調節層３４４上に接合基準磁性層４４８を形成する。接合基準磁性層４４８の垂直異方性は垂直基準磁性層４４２及び／又は下部交換結合調節層３４４によって向上する。
接合基準磁性層４４８上にトンネルバリア４５０を形成する。トンネルバリア４５０は、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム−亜鉛（ＭｇＺｎ）及び／又はマグネシウム−ホウ素（ＭｇＢ）の酸化物、及びチタン（Ｔｉ）及び／又はバナジウム（Ｖ）の窒化物の中から選択された少なくとも１つを含む。これと異なり、トンネルバリア４５０は複数の層を含むことができる。例えば、トンネルバリア４５０は、マグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）、及び／又はマグネシウム（Ｍｇ）／酸化マグネシウム（ＭｇＯ）／マグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。一実施形態において、トンネルバリア４５０はＮａＣｌ構造（体心立方格子構造）を有する。例えば、トンネルバリア４５０は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。
トンネルバリア４５０上に接合自由磁性層４６１を形成する。接合自由磁性層４６１は相対的に低い飽和磁化量を有する。接合自由磁性層４６１は軟磁性物質を含む。接合自由磁性層４６１は非磁性物質を更に含む。接合自由磁性層４６１は非晶質状態に形成する。
接合自由磁性層４６１上に上部交換結合調節層４６３を形成する。一実施形態において、接合自由磁性層４６１は交換結合定数が大きい磁性物質を含む。これによって、接合自由磁性層４６１と後述の上部基準磁性層４６６との間の交換結合が増加し、接合自由磁性層４６１の垂直異方性が増加する。具体的に、接合自由磁性層４６１上に上部交換結合調節層４６３を形成する場合、接合自由磁性層４６１の結晶構造は後述の上部自由磁性層４６６の結晶構造に沿って結晶化せず、トンネルバリア４５０の結晶構造に沿って配向される。接合自由磁性層４６１がトンネルバリア４５０の結晶構造に沿って配向されることによって、接合自由磁性層４６１を含む磁気トンネル接合の磁気抵抗比が向上する。一実施形態において、上部交換結合調節層４６３は上部接合自由磁性層４６１との界面を酸化する。酸化のための工程は上部接合自由磁性層４６１の形成後、上部接合自由磁性層４６１が形成された基板４１０がローディングされたチャンバ内に極少量の酸素を注入するか、又は交換結合調節層４６３を原子層に成膜した後、チャンバ内に極少量の酸素を注入して酸化物を形成した後、残りの交換結合調節層４６３を成膜することによって実行する。
上部交換結合調節層４６３上に上部自由磁性層４６６を形成する。上部自由磁性層４６６は強磁性物質を含む単一層又は単一層を含む複数層を含むことができる。一実施形態において、上部自由磁性層４６６は強磁性層−反強磁性層−強磁性層構造を含む。
上部自由磁性層４６６上にキャッピング層４７０を形成する。キャッピング層４７０は、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）の中から選択された少なくとも１つを含む。
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
１００、２００、３１０、４１０ 基板
１１０、２１０、３２０、４２０ 下部電極
１１５、３３０、４３０ シード層
１２１、１６１、２２１、２６１ 非磁性層
１２２、１６２、２２２、２６２ 強磁性層
１２３、１２４ 第１垂直磁性層
１３０ 第１非磁性層
１３３ 第１下部金属化合物層
１３６ 第１非磁性金属層
１３９ 第１上部金属化合物層
１４１ 第１接合磁性層
１４５、２４５、３５０、４５０ トンネルバリア
１４９ 第２接合磁性層
１５０ 第２非磁性層
１５２ 予備下部金属化合物層
１５３ 第２下部金属化合物層
１５６ 第２非磁性金属層
１５９ 第２上部金属化合物層
１６３、１６４ 第２垂直磁性層
１７０、２７０、３７０、４７０ キャッピング層
２２３ 垂直下部基準層
２２６ 固定層
２２７ 下部基準層
２２８ 基準交換結合層
２４１ 上部基準層
２４９ 下部自由層
２６３ 垂直上部自由層
２６５ 自由交換結合層
２６６ 上部自由層
３４０、４６０ 自由磁性体
３４２ 垂直自由磁性層
３４４、４４４ 下部交換結合調節層
３４８、４６１ 接合自由磁性層
３６０、４４０ 基準磁性体
３６１、４４８ 接合基準磁性層
３６２、４６３ 上部交換結合調節層
３６３、４４２ 垂直基準磁性層
３６４ 上部基準非磁性層
３６５ 基準強磁性層
４６６ 上部自由磁性層
１１０、２１０、３２０、４２０ 下部電極
１１５、３３０、４３０ シード層
１２１、１６１、２２１、２６１ 非磁性層
１２２、１６２、２２２、２６２ 強磁性層
１２３、１２４ 第１垂直磁性層
１３０ 第１非磁性層
１３３ 第１下部金属化合物層
１３６ 第１非磁性金属層
１３９ 第１上部金属化合物層
１４１ 第１接合磁性層
１４５、２４５、３５０、４５０ トンネルバリア
１４９ 第２接合磁性層
１５０ 第２非磁性層
１５２ 予備下部金属化合物層
１５３ 第２下部金属化合物層
１５６ 第２非磁性金属層
１５９ 第２上部金属化合物層
１６３、１６４ 第２垂直磁性層
１７０、２７０、３７０、４７０ キャッピング層
２２３ 垂直下部基準層
２２６ 固定層
２２７ 下部基準層
２２８ 基準交換結合層
２４１ 上部基準層
２４９ 下部自由層
２６３ 垂直上部自由層
２６５ 自由交換結合層
２６６ 上部自由層
３４０、４６０ 自由磁性体
３４２ 垂直自由磁性層
３４４、４４４ 下部交換結合調節層
３４８、４６１ 接合自由磁性層
３６０、４４０ 基準磁性体
３６１、４４８ 接合基準磁性層
３６２、４６３ 上部交換結合調節層
３６３、４４２ 垂直基準磁性層
３６４ 上部基準非磁性層
３６５ 基準強磁性層
４６６ 上部自由磁性層
Claims (28)
- 基板上に第１の磁性体と、絶縁膜と、第２の磁性体とが順次に積層される磁気メモリ素子であって、
前記第１の磁性体は、第１垂直磁性層と、前記第１垂直磁性層上に非磁性層と、前記非磁性層上に第１接合磁性層とを含み、
前記第１接合磁性層上には前記絶縁膜であるトンネルバリアが積層され、
前記第２の磁性体は、前記トンネルバリア上に第２接合磁性層と、前記第２接合磁性層上に第２垂直磁性層とを含み、
前記非磁性層が前記第１垂直磁性層と前記第１接合磁性層との間に配置され、前記第１接合磁性層が前記非磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアが前記第１接合磁性層と前記第２接合磁性層との間に配置され、前記第２接合磁性層が前記トンネルバリアと前記第２垂直磁性層との間に配置され、
前記非磁性層は該非磁性層の上部面及び／又は下部面と接する金属化合物層を含み、前記金属化合物層は金属酸化物、金属窒化物、及び金属酸窒化物の中から選択された少なくとも１つを含み、
前記第１接合磁性層及び第２接合磁性層の中のいずれか１つは基準層として機能し、他の１つは自由層として機能することを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記第１垂直磁性層と前記第２垂直磁性層の磁化方向は前記トンネルバリアの平面に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は第１非磁性層であり、前記第２接合磁性層と前記第２垂直磁性層との間に第２非磁性層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１接合磁性層及び／又は前記第２接合磁性層は第１結晶構造を有し、
前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層は前記第１結晶構造と異なる第２結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。 - 前記トンネルバリアと前記第１接合磁性層との間の界面での前記トンネルバリアの結晶面と、前記トンネルバリアと前記第１接合磁性層との間の前記界面での前記第１接合磁性層の結晶面とは同一であることを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１結晶構造はＢＣＣ（体心立方）結晶構造であり、前記結晶面は前記ＢＣＣ結晶構造の００１結晶面であることを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第２結晶構造はＬ１０結晶構造、又は稠密六方格子であることを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層は交互に複数回積層された非磁性金属層及び強磁性金属層を含み、前記強磁性金属層は１つ〜数個の原子の厚さを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１接合磁性層及び／又は前記第２接合磁性層はコバルト、鉄、及びニッケルの中から選択された少なくとも１つ、及び非磁性元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層は鉄（Ｆｅ）を含み、前記第２接合磁性層内の鉄の含量は前記第１接合磁性層内の鉄の含量より大きいか、又は少なくとも同一であることを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層及び／又は前記第２垂直磁性層はＲＥ−ＴＭ合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は２Å〜２０Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は、非磁性金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は非磁性遷移金属を含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層及び前記第１接合磁性層は前記非磁性層によって交換結合することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 基板上に第１の磁性体と、絶縁膜と、第２の磁性体とが順次に積層される磁気メモリ素子であって、
前記第１の磁性体は、稠密六方格子構造を有する第１垂直磁性層と、下部交換結合調節層と、第１接合磁性層とを含み、
前記第１の磁性体上に前記絶縁膜であるトンネルバリアが積層され、
前記第２の磁性体は、前記トンネルバリア上に、稠密六方格子構造を有する第２垂直磁性層と、上部交換結合調節層と、第２接合磁性層とを含み、
前記第１の磁性体は前記基板と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアは前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置され、
前記第１接合磁性層は前記トンネルバリアと隣接し、前記第１垂直磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、
前記第２接合磁性層は前記トンネルバリアと隣接し、前記トンネルバリアと前記第２垂直磁性層との間に配置され、
下部交換結合調節層は、前記第１垂直磁性層と前記第１接合磁性層との間に配置され、上部交換結合調節層は、前記第２垂直磁性層と前記第２接合磁性層との間に配置され、
前記第２垂直磁性層上に交互に複数回積層された非磁性層及び強磁性層をさらに含み、
前記下部及び上部交換結合調節層は該下部及び上部交換結合調節層の上部面及び／又は下部面と接する金属化合物層を含み、前記金属化合物層は金属酸化物であることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記稠密六方格子のｃ軸は前記基板の平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記ｃ軸は前記垂直磁性層の磁化容易軸であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリ素子。
- 前記基板と前記第１の磁性体との間の稠密六方格子構造を有するシード層を更に含むことを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１接合磁性層及び前記第２接合磁性層の各々は軟磁性物質を含むことを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記上部及び下部交換結合調節層の結晶構造は前記第１接合磁性層の結晶構造及び／又は前記第２接合磁性層の結晶構造に沿って配向されることを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層は１０〜４５ａｔ．％範囲の白金含量を有する無秩序コバルト−白金合金を含むことを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層はＣｏ３Ｐｔを含むことを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１垂直磁性層はホウ素、クロム、及び銅の中から選択された少なくとも１つを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記トンネルバリアはマグネシウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム−亜鉛及び／又はマグネシウム−ホウ素の酸化物、及びチタン及び／又はバナジウムの窒化物の中から選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第２の磁性体上に、キャッピング層を更に含み、該キャッピング層はタンタル、アルミニウム、銅、金、銀、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンの中から選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記磁気メモリ素子の動作中、前記基板の平面に対して実質的に垂直な方向に電流が流れることを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記磁気メモリ素子の動作中、前記第１垂直磁性層の磁化方向及び／又は前記第２垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１又は１６に記載の磁気メモリ素子。
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