JP2014022730A - 磁気素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 漏れ磁界によるスイッチング不良を防止し、安定したスイッチング特性及び高い読み出しマージンを確保する磁気素子を提供する。
【解決手段】 含まれる窒素の割合が比較的低いＴｉＮ膜から形成される電極１１０上にはバッファ層１１４及びシード層１２０を介してＳＡＦ構造を持つ上部磁化固定層１８０及び上部磁化固定層１８０での漏れ磁界を相殺する下部磁化固定層１３０が設けられる。バッファ層１１４とシード層１２０とは同じ結晶構造を有し、バッファ層１１４を構成する原子は、（０００１）面において最密充填構造となるよう配置されている。これにより、高い垂直磁気異方性を持つ長範囲規則の超格子から構成される下部磁化固定層１３０を比較的低温下で形成することができる。したがって、上部磁化固定層１８０での漏れ磁界が効率よく相殺され、スイッチング特性を向上することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明の技術的思想は、垂直磁気異方性（ＰＭＡ：ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を持つ磁性層を備える磁気素子及びその製造方法に関する。

磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）の磁気抵抗特性を用いる磁気素子についての多くの研究がなされつつある。特に、高集積化したＭＲＡＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）素子のＭＴＪセルが微細化するにつれて、ＭＴＪセルに直接電流を印加して磁化反転を誘導し、ＳＴＴ（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）という物理現象によって情報を保存するＳＴＴ−ＭＲＡＭが注目されている。高集積化したＳＴＴ−ＭＲＡＭを具現するために微細なサイズのＭＴＪ構造を形成する必要があり、このように微細なサイズのＭＴＪ構造の磁性層内で十分な垂直磁気異方性を確保する必要がある。例えば、特許文献１には、メモリセルの磁気トンネル接合の形成方法が記載されている。

特表２０１１−５０９５３２号公報

本発明の目的は、漏れ磁界（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）によるスイッチング不良を防止し、高いスピン分極率によって安定したスイッチング特性及び高い読み出しマージン（ｒｅａｄｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ）を確保する磁気素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、電極物質とのマッチングが良好に行われつつ高い垂直磁気異方性を発生させ、かつ高いスピン分極率によって安定したスイッチング特性を提供できる積層構造を持つ磁気素子の製造方法を提供することにある。

本発明の磁気素子は、磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子に電流を印加するために磁気抵抗素子を介して配された下部電極及び上部電極を含むメモリセルと、を備える。磁気抵抗素子は、下部電極に当接し、磁気抵抗素子での垂直磁気異方性を誘導するための結晶軸を制御するバッファ層と、バッファ層に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶面に配向したシード層と、シード層に当接し、Ｌ１１型原子規則構造を持つ垂直磁化固定層と、を含む。

また、本発明の磁気素子は、電極と、電極上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成されたシード層と、シード層上に形成された第１磁化層と、第１磁化層上に形成された第１トンネルバリアと、第１トンネルバリア上に形成された第２磁化層と、第２磁化層上に形成され、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）構造を持つ第３磁化層と、を含む。

また、本発明の磁気素子は、電極と、電極に当接し、磁気抵抗素子での垂直磁気異方性を誘導するための結晶軸を制御するバッファ層と、バッファ層に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶面に配向されたシード層と、シード層に当接し、Ｌ１１型原子規則構造を持つ下部磁化固定層と、下部磁化固定層上に形成されたトンネルバリアと、トンネルバリア上に形成された自由層と、を含む。

また、本発明の磁気素子の製造方法は、電極上にｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造を持つバッファ層を形成する段階と、バッファ層上に、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つシード層を形成する段階と、シード層上に垂直磁化固定層を形成する段階と、を含む。

本発明の磁気素子の製造方法は、ＴｉＮ膜からなる電極を形成する段階と、ＴｉＮ膜の上面に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造を持つバッファ層を形成する段階と、バッファ層の上面に当接するＲｕ膜からなるシード層を形成する段階と、Ｒｕ膜上にＬ１１型原子規則構造を持つ磁化固定層を形成する段階と、磁化固定層の上面に当接し、上面に対して垂直方向に磁化したＣｏＦｅＢ分極強化層を形成する段階と、を含む。

本発明の磁気素子は、漏れ磁界によるスイッチング不良を防止し、高いスピン分極率によって安定したスイッチング特性を提供できる。

本発明の第１実施形態による磁気素子の概略的な構成を示す図面である。 本発明の第１実施形態による磁気素子のＳＡＦ構造を持つ垂直磁化固定層を含むＭＴＪ構造を例示す図面である。 本発明の第１実施形態による磁気素子のＭＴＪ構造の自由層において反転磁場Ｈｃのシフト現象が発生する例を説明するためのグラフである。 本発明の第１実施形態による磁気素子を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による磁気素子のバッファ層内での複数の原子配列を示す一部斜視図である。 本発明の第１実施形態による磁気素子のバッファ層内での複数の原子配列を示す一部平面図である。 本発明の第１実施形態による磁気素子の下部磁化固定層内での複数の元素の例示的な配列構造を示す一部斜視図である。 本発明の第１実施形態による磁気素子の下部磁化固定層内での結晶構造を示す図面である。 本発明の第１実施形態による磁気素子で、第１上部磁化固定層、第２上部磁化固定層、及び下部磁化固定層それぞれのＨｃ分布を説明するためのグラフである。 本発明の第２実施形態による磁気素子を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による磁気素子を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法の工程順序を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法により製造された磁気素子のＭ−Ｈ曲線（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐ）を示すグラフである。 比較例の磁気素子のＭ−Ｈ曲線を示すグラフである。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法により製造された磁気素子において外部から印加される磁界による磁気モーメント特性を示すグラフである。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法により製造された磁気素子を含む電子システムのブロック図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法により製造された磁気素子を含む情報処理システムのブロック図である。 本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法により製造された磁気素子を含むメモリカードを示すブロック図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図面上の同じ構成要素については同じ参照符号を使い、これらについての重なる説明は略する。

本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施形態はいろいろな異なる形態に変形され、本発明の範囲が下記の実施形態に限定されるものではない。かえって、これら実施形態は本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。

本明細書で「第１」及び「第２」などの用語が、多様な部材、領域、層、部位及び／または構成要素を説明するために使われるが、これら部材、部品、領域、層、部位及び／または構成要素は、これら用語によって限定されてはならないということは明らかである。これら用語は特定順序や上下、または優劣を意味せず、一つの部材、領域、部位、または構成要素を他の部材、領域、部位または構成要素から区別するために使われる。よって、以下で詳述する「第１部材」、「第１領域」、「第１部位」または「第１構成要素」は、本発明の思想から逸脱せずに「第２部材」、「第２領域」、「第２部位」または「第２構成要素」を指称できる。例えば、本発明の権利範囲から逸脱しないまま、第１構成要素は第２構成要素と称されても、類似して第２構成要素も第１構成要素と称されてもよい。

特に定義されない限り、ここで使われるすべての用語は技術用語及び科学用語を含み、当業者が共通的に理解しているところと同じ意味を持つ。また、通常的に使われる、辞書に定義された用語は、関連技術の脈絡でこれらが意味するところと一貫した意味を持つと解釈されねばならず、ここで明示的に定義しない限り、過度に形式的な意味に解釈されてはならないということは理解できるであろう。

ある実施形態が異なって具現可能な場合に、特定の工程順序は説明される順序と異なって行われてもよい。例えば、連続して説明される２つの工程が実質的に同時に行われてもよく、説明される順序と逆の順序に行われてもよい。

添付図面において、例えば、製造技術及び／または公差によって、図示された形状の変形が予想される。よって、本発明の実施形態は本明細書に示した領域の特定形状に制限されると解釈されてはならず、例えば、製造過程で招来される形状の変化を含まねばならない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の技術的思想による第１実施形態による磁気素子１０の概略的な構成を示す図面である。図１には、ＳＴＴ−ＭＲＡＭからなる磁気素子１０のメモリセル２０が例示されている。

メモリセル２０は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造３０及びセルトランジスタＣＴを備える。セルトランジスタＣＴのゲートはワードラインＷＬに連結され、セルトランジスタＣＴの一電極は、ＭＴＪ構造３０を通じてビットラインＢＬに連結される。セルトランジスタＣＴの他の電極は、ソースラインＳＬに連結される。

ＭＴＪ構造３０は、固定層３２及び自由層３４と、これらの間に介在されたトンネルバリア３６と、を備える。固定層３２は、固定層３２をなす膜面に対して垂直方向に磁化容易軸（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｅａｓｙ ａｘｉｓ）を持って磁化方向が固定されている。自由層３４は、自由層３４をなす膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を持ち、磁化方向は条件によって可変的である。

ＭＴＪ構造３０の抵抗値は、自由層３４の磁化方向によって変わる。自由層３４での磁化方向と固定層３２での磁化方向とが平行である時、ＭＴＪ構造３０は低い抵抗値を持ち、データ‘０’を保存できる。自由層３４での磁化方向と固定層３２での磁化方向とが逆平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）である時、ＭＴＪ構造３０は高い抵抗値を持ち、データ‘１’を保存できる。図１で、固定層３２及び自由層３４の位置は例示されたところに限定されず、それぞれの位置が互いに変わってもよい。

図１に例示した磁気素子１０で、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの書き込み動作のために、ワードラインＷＬにロジッグハイの電圧を与えてセルトランジスタＣＴをターンオンさせ、ビットラインＢＬとソースラインＳＬとの間に書き込み電流ＷＣ１、ＷＣ２を印加する。この時、書き込み電流ＷＣ１、ＷＣ２の方向に沿って自由層３４の磁化方向が定められる。例えば、書き込み電流ＷＣ１を印加すれば、固定層３２と同じスピン方向を持つ自由電子が自由層３４にトルクを印加し、自由層３４が固定層３２と同方向に磁化する。また、書き込み電流ＷＣ２を印加すれば、固定層３２と逆のスピンを持つ電子が自由層３４に戻って自由層３４にトルクを印加し、自由層３４は固定層３２と逆方向に磁化する。このように、ＭＴＪ構造３０で自由層３４の磁化方向は、スピン伝達トルク（ＳＴＴ：ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）によって変わる。

図１に例示した磁気素子１０で、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの読み出し動作のために、ワードラインＷＬにロジッグハイの電圧を与えてセルトランジスタＣＴをターンオンさせ、ビットラインＢＬからソースラインＳＬ方向に読み出し電流を印加して、ＭＴＪ構造３０に保存されたデータを判別する。この時、読み出し電流の強度は書き込み電流ＷＣ１、ＷＣ２の強度より非常に小さいため、読み出し電流によって自由層３４の磁化方向が変わらない。

高集積及び高速ＳＴＴ−ＭＲＡＭを商用化するためには、ＭＴＪ構造の自由層で安定したスイッチング特性及び高い読み出しマージンを確保せねばならない。垂直ＭＴＪ構造で、固定層は、垂直ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）構造からなる。

図２は、ＳＡＦ構造を持つ垂直磁化固定層ＰＬを含むＭＴＪ構造５０を例示した図面である。

ＳＡＦ構造を持つ垂直磁化固定層ＰＬは、非磁性薄膜（ｔｈｉｎ ｎｏｎ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）ＮＭによって互いに分離された２つの強磁性層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）ＦＭ１、ＦＭ２を含む。２つの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の間に挿入した非磁性薄膜ＮＭによるＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）相互作用によって、ＳＡＦ構造で反強磁性結合特性が示される。２つの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の互いに作用する反強磁性結合によって各強磁性層の磁区は互いに逆方向に整列し、ＳＡＦ構造の全体磁化量を最小にする。

外部から自由層ＦＬに印加される磁場が徐々に増加して磁化逆転のしきい値に至れば、磁化逆転現象によって電気抵抗値が瞬時に変わる。本明細書では、この時の磁場を反転磁場（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）Ｈｃと表示する。ところが、垂直磁化固定層ＰＬのＳＡＦ構造で、漏れ磁界が相殺されずに残る可能性がある。漏れ磁界による磁場が形成されれば、自由層ＦＬの磁化過程に影響を与える。固定層ＰＬでの漏れ磁界は、自由層ＦＬでのＨｃシフト現象を引き起こす。

図３は、図２に例示したようなＳＡＦ構造の固定層を持つＭＴＪ構造で、自由層ＦＬでのＨｃシフト現象が発生する例を説明するためのグラフである。

固定層ＰＬでの漏れ磁界は自由層ＦＬのＨｃ分布のシフトを引き起こし、スイッチング電圧の散布をもたらすか、または図３に例示したように、自由層ＦＬでＨｃ分布が、固定層を構成する２つの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２のうちいずれか一つのＨｃ分布と重なってスイッチング不良をもたらす。

第１実施形態では、固定層ＰＬでの漏れ磁界を相殺させて自由層ＦＬのＨｃシフト現象を抑制し、かつスイッチング特性を向上させるＭＴＪ構造を持つ磁気素子を提供する。

図４は、第１実施形態による磁気素子１００を示す断面図である。

磁気素子１００は、電極１１０と、電極１１０に当接して形成されるバッファ層１１４と、バッファ層１１４に当接して形成されるシード層１２０と、シード層１２０上に形成された下部磁化固定層１３０と、を含む。

バッファ層１１４は、電極１１０とシード層１２０との間に設けられ電極１１０の結晶構造及びシード層１２０の結晶構造とマッチングし、シード層１２０の垂直配向性が向上するようにシード層１２０の結晶軸を制御する。

電極１１０は、金属または金属チッ化物からなる。例えば、電極１１０はＴｉＮからなる。

電極１１０を形成するために、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、または反応性ＰＬＤ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程によって形成される。

下部磁化固定層１３０は、ＳＡＦ構造を持つ上部磁化固定層１８０での漏れ磁界を相殺し安定したスイッチング特性を提供するためのものである。下部磁化固定層１３０は、高い垂直磁気異方性を持つ長範囲規則（ｌｏｎｇ−ｒａｎｇｅ ｏｒｄｅｒ）の超格子からなる。

下部磁化固定層１３０を高い垂直磁気異方性を持つ長範囲規則の超格子として成形するとき、電極１１０と下部磁化固定層１３０との間に挿入されるバッファ層１１４及びシード層１２０が重要な役割を行う。ＭＲＡＭ素子で、電極１１０はトランジスタに連結される。よって、下部磁化固定層１３０で十分な磁化特性を確保するためには、電極１１０を構成する材料と下部磁化固定層１３０を構成する材料とのマッチングが重要である。第１実施形態では、電極１１０を構成する材料と下部磁化固定層１３０を構成する材料とのマッチングのために、電極１１０と下部磁化固定層１３０との間に、シード層１２０の結晶軸を制御するためのバッファ層１１４と、下部磁化固定層１３０が長範囲規則の超格子で形成されるときに必要なシード層１２０と、を順次に形成する。

電極１１０は、低い配線抵抗を具現するために含まれる窒素の割合が比較的低いＴｉＮ膜からなる。例えば、電極１１０は、Ｎ原子比がＴｉ原子比より小さなＴｉＮ膜からなる。第１実施形態では、電極１１０、バッファ層１１４、及びシード層１２０は同じ結晶構造を持つ。例えば、電極１１０、バッファ層１１４、及びシード層１２０は、それぞれｈｃｐ（ｈｅｘａｇｏｎａｌｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄｌａｔｔｉｃｅ：六方最密格子）結晶構造を持つ。

第１実施形態の変形例では、電極１１０の結晶構造とは関係なく、バッファ層１１４及びシード層１２０は同じ結晶構造を持つ。例えば、バッファ層１１４及びシード層１２０は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ。このために、バッファ層１１４は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＳｃまたはＭｇからなる薄膜を含む。そして、シード層１２０はＲｕ層を含む。

図５Ａ及び図５Ｂは、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つバッファ層１１４内での複数の原子１１４Ａの配列を示す一部斜視図及び一部平面図である。

バッファ層１１４を構成する複数の原子１１４Ａは、最密充填面である（０００１）面において最密充填構造となるよう配置されている。

再び図４を参照すれば、シード層１２０は、図５Ａ及び図５Ｂに例示した複数の原子１１４Ａの配列構造と同じ方式に配列された複数の金属原子を含む。

第１実施形態の変形例で、図４に例示したバッファ層１１４は非晶質層からなり、シード層１２０はｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ。バッファ層１１４は、Ｃｏを含む非晶質合金層からなる。例えば、バッファ層１１４は、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆまたはＣｏＦｅＢＴａからなる薄膜を含む。

バッファ層１１４及びシード層１２０は、それぞれＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤまたは反応性ＰＬＤ工程によって形成される。第１実施形態では、バッファ層１１４及びシード層１２０は、それぞれスパッタリングガスとしてクリプトンガスを使うＤＣマグネトロンスパッタリング工程によって形成される。

バッファ層１１４は、約０．１〜１．５ｎｍの厚さを持つ。シード層１２０は、約１〜１０ｎｍの厚さを持つ。シード層１２０の厚さは、バッファ層１１４の厚さよりさらに大きくなる。

下部磁化固定層１３０は、シード層１２０に当接する面に対して垂直方向に磁化容易軸を持つ。下部磁化固定層１３０では磁化方向が変わらない。図４には、下部磁化固定層１３０の磁化方向が電極１１０に対して逆方向、すなわち、上部磁化固定層１８０に向かう方向に例示されているが、これに限定されるものではない。下部磁化固定層１３０の磁化方向が電極１１０に向かうように形成されてもよい。

第１実施形態では、下部磁化固定層１３０は、Ｌ１１型原子規則構造を持つ。シード層１２０がｈｃｐ（０００１）構造を持つことで、シード層１２０上に下部磁化固定層１３０を形成する時、１１１面での成長を促進させ、シード層１２０上でＬ１１型原子規則構造を持つ長範囲規則の超格子からなる下部磁化固定層１３０が形成される（ここで、Ｌ１１は、ｓｔｒｕｋｔｕｒｂｅｒｉｃｈｔ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎによって名付けたものである）。

Ｌ１１型原子規則構造は準安定性菱面相（ｑｕａｓｉｓｔａｂｌｅ ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ ｐｈａｓｅ）を持ち、膜面に対して垂直の磁化容易軸を持つ。Ｌ１１構造を持つ下部磁化固定層１３０で、構成元素が＜１１１＞方向に沿って積層されたｆｃｃ層を含む。

図６Ａは、Ｌ１１構造を持つ下部磁化固定層１３０内で複数の元素の例示的な配列構造を示す一部斜視図であり、図６Ｂは、Ｌ１１構造を持つ下部磁化固定層１３０の結晶構造を示す図面である。

下部磁化固定層１３０は、第１原子１３２からなる第１層１３２Ａと、第２原子１３４からなる第２層１３４Ａと、が交互に形成された垂直磁化固定層からなる。第１実施形態では、下部磁化固定層１３０は、Ｃｏ基盤の垂直磁化固定層からなる。例えば、下部磁化固定層１３０の第１原子１３２は、Ｃｏであり、下部磁化固定層１３０の第２原子１３４は、ＰｔまたはＰｄである。下部磁化固定層１３０で、第１層１３２Ａ及び第２層１３４Ａはそれぞれｆｃｃ（１１１）面に配向する。

第１実施形態では、下部磁化固定層１３０は、約１〜２Åの厚さを持つＣｏ膜と、約１〜２Åの厚さを持つＰｔ膜とが交互に複数回積層された［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎ（ｎ：繰り返し回数）構造を持つ。第１実施形態の変形例では、下部磁化固定層１３０は、約１〜２Åの厚さを持つＣｏ膜と、約１〜２Åの厚さを持つＰｄ膜とが交互に複数回積層された［Ｃｏ／Ｐｄ］×ｎ（ｎ：繰り返し回数）構造を持つ。

下部磁化固定層１３０は、固相エピタキシ成長による超薄膜エピタキシャル成長工程によって形成される。例えば、下部磁化固定層１３０は、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）またはＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）工程によって形成される。

下部磁化固定層１３０は、約２００〜４００℃の比較的低温の工程温度下で形成される。例えば、下部磁化固定層１３０は、約３００℃の温度下で形成される。このように、下部磁化固定層１３０を比較的低い工程温度下で形成できるので、磁気素子１００の他の部分に高温工程による悪影響を及ぼさずに下部磁化固定層１３０を容易に形成できる。また、垂直磁性特性を持つ磁性層を含むＭＴＪ構造で、後続の高温アーニリング工程下でも磁性層での垂直磁性特性が劣化せずに維持されねばならない。下部磁化固定層１３０を構成するＬ１１構造の超格子層は、約３７０℃の後続アーニリング工程温度下でも安定した垂直特性を維持し、優秀な垂直磁性特性を保有する。

下部磁化固定層１３０は、ＭＢＥ工程、マグネトロンスパッタリング工程、及びＵＨＶ（ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ）スパッタリング工程などによって形成される。下部磁化固定層は、約２０〜３０Åの厚さを持つ。

下部磁化固定層１３０は、優秀な垂直異方性を持って比較的低温下で形成するので、磁気素子に好適に適用できる。

再び図４を参照すれば、シード層１２０の（０００１）最密面は、Ｌ１１構造を持つ下部磁化固定層１３０のｆｃｃ（１１１）最密面への整合性を持っている。よって、バッファ層１１４上にシード層１２０を形成することで、バッファ層１１４によってシード層１２０の垂直配向性が向上した状態でシード層１２０上にＬ１１型超格子層を形成すれば、シード層１２０を構成する元素のグレーンの垂直（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）軸に沿って、Ｌ１１型超格子層が長範囲規則構造に成長して高い垂直異方性を持ち、保磁力が急増して磁気素子の信頼性が向上し、磁気素子の駆動電力が低減する。

下部磁化固定層１３０上には、下部磁化固定層１３０でのスピン分極を増加させるための第１分極強化層１５０が形成されている。第１分極強化層１５０は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＢ原子からなる磁性層（以下、「ＣｏＦｅＢ磁性層」という）からなる。ＣｏＦｅＢ磁性層は、基本的に水平磁気異方性を持つ物質である。しかし、ＣｏＦｅＢ磁性層をＬ１１型超格子層からなる下部磁化固定層１３０と接合させて形成する場合、ＣｏＦｅＢ磁性層は、少なくとも１７Åの厚さまで垂直に配向できる。よって、下部磁化固定層１３０の上に形成される第１分極強化層１５０は、垂直配向されたＣｏＦｅＢ磁性層からなり、下部磁化固定層１３０と第１分極強化層１５０との組み合わせによって高いスピン分極率を提供できる。第１分極強化層１５０の磁化方向は、下部磁化固定層１３０の磁化方向と同じ磁化方向を持つ。第１分極強化層１５０は、約１０〜２０Åの厚さを持つ。

第１分極強化層１５０上には、第１トンネルバリア１６０が形成されており、第１トンネルバリア１６０上には、磁化方向の可変的な磁化自由層１６４が形成されている。また、磁化自由層１６４上には、第２トンネルバリア１７０が形成されており、第２トンネルバリア１７０上には、上部磁化固定層１８０が形成されている。

第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、非磁性物質を含む。第１実施形態では、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、Ｍｇ、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｇＺｎ及びＭｇＢから選択されるいずれか一つの物質の酸化物からなる。第１実施形態の変形例では、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、チタン窒化物またはバナジウム窒化物からなる。第１実施形態では、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、単一層からなる。第１実施形態の変形例では、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、順次に積層された複数の層を含む多重層からなる。例えば、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０は、Ｍｇ／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｍｇ及びＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇから選択される多重層構造を持つ。第１実施形態では、第１トンネルバリア１６０より第２トンネルバリア１７０がさらに大きい厚さを持つ。

図４に例示した磁気素子１００は、第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０を含むデュアルＭＴＪ構造を提供する。第１トンネルバリア１６０及び第２トンネルバリア１７０を含むデュアルＭＴＪ構造を通じて電流が供給される時、磁化自由層１６４は、安定した磁気状態間のスイッチングが行われる。磁気素子１００がデュアルＭＴＪ構造を持つことで、さらに高集積化した磁気メモリ素子で向上した性能を提供できる。
第２トンネルバリア１７０と上部磁化固定層１８０との間には、第２分極強化層１７２が介在されている。

第２分極強化層１７２は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される強磁性物質を含む。第２分極強化層１７２は、高いスピン分極率及び低いダンピング定数を持つ。このために、第２分極強化層１７２は、Ｂ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＣまたはＮから選択される非磁性物質をさらに含む。第１実施形態では、第２分極強化層１７２はＣｏＦｅＢ磁性層からなる。第２分極強化層１７２は、約１０〜２０Åの厚さを持つ。

上部磁化固定層１８０は、第１上部磁化固定層１８２と、第２上部磁化固定層１８４と、第１上部磁化固定層１８２と第２上部磁化固定層１８４との間に介在された交換結合膜１８６と、を含む。

第１上部磁化固定層１８２は、下部磁化固定層１３０での磁気モーメントと逆平行の磁気モーメントを持つ。第２上部磁化固定層１８４は、第１上部磁化固定層１８２と逆平行の磁気モーメントを持つ。

上部磁化固定層１８０は、図２を参照して、垂直磁化固定層ＰＬについて説明したようなＳＡＦ構造を持つ。この時、第１上部磁化固定層１８２及び第２上部磁化固定層１８４は、２つの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２に対応する。そして、交換結合膜１８６は、２つの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の間に挿入した非磁性薄膜ＮＭに対応する。

第２分極強化層１７２は、第１上部磁化固定層１８２でのスピン分極を増加させる役割を行える。第２分極強化層１７２の磁化方向は、第１上部磁化固定層１８２と同じ磁化方向を持つ。

上部磁化固定層１８０上にキャッピング層１９０が形成されている。キャッピング層１９０は、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＴａＮ及びＴｉＮから選択される少なくとも一つの物質を含む。

図４に例示した磁気素子１００において、デュアルＭＴＪ構造を通じて流れる電子の方向によって、磁気素子１００での抵抗値が変わり、このような抵抗値の差を用いて、磁気素子１００を含むメモリセルにデータが保存される。

図４に例示した磁気素子１００で、下部磁化固定層１３０のＨｃが、上部磁化固定層１８０でＳＡＦ構造をなす第１上部磁化固定層１８２及び第２上部磁化固定層１８４それぞれのＨｃ間の範囲に属するように、下部磁化固定層１３０のＨｃを最適化することで、磁化自由層１６４でのＨｃシフトを防止してスイッチング特性を向上させる。

下部磁化固定層１３０のＨｃを最適化するために、下部磁化固定層１３０を、Ｌ１１型原子規則構造を持つ超格子層で構成する。特に、下部磁化固定層１３０を、高い垂直異方性及び向上した保磁力を提供する長範囲規則（ｌｏｎｇ−ｒａｎｇｅ ｏｒｄｅｒ）の超格子で形成するために、電極１１０と下部磁化固定層１３０との間に、バッファ層１１４と、バッファ層１１４によって結晶軸が制御されるシード層１２０とを順次に形成する。このように、バッファ層１１４及びシード層１２０が順次に形成されてバッファ層１１４によってシード層１２０の垂直配向性が増加した状態で、シード層１２０上にＬ１１型超格子層からなる下部磁化固定層１３０を形成することで、下部磁化固定層１３０のＨｃが第１上部磁化固定層１８２及び第２上部磁化固定層１８４それぞれのＨｃ間の範囲に属するように制御できる。

図７は、図４に例示した磁気素子１００で、第１上部磁化固定層１８２、第２上部磁化固定層１８４、及び下部磁化固定層１３０それぞれのＨｃ分布を説明するためのグラフである。

図７で、第１上部磁化固定層１８２のＨｃ分布はＰＬ１で示し、第２上部磁化固定層１８４のＨｃ分布はＰＬ２で示し、下部磁化固定層１３０のＨｃ分布はＰＬ３で示した。そして、磁化自由層１６４のＨｃ分布はＦＬで示した。

磁気素子１００で、下部磁化固定層１３０が高い垂直異方性を持つＬ１１型超格子層で形成された結果として、下部磁化固定層１３０のＨｃ分布が、第１上部磁化固定層１８２及び第２上部磁化固定層１８４それぞれのＨｃ分布領域間の範囲に属する。よって、ＳＡＦ構造の上部磁化固定層１８０で漏れ磁界がある場合にも、下部磁化固定層１３０によって上部磁化固定層１８０での漏れ磁界が相殺され、図７に例示したように、磁化自由層１６４でのＨｃ分布の許容可能な読み出しマージンの範囲内に位置して、スイッチング特性が向上する。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態による磁気素子２００を示す断面図である。図８において、図４と同じ参照符号は同一部材を示し、ここでは重複説明を回避するために、これらについての詳細な説明は略する。

磁気素子２００は、図４に例示した磁気素子１００とほぼ同じ構成を持つ。但し、磁気素子２００は、下部磁化固定層１３０と第１分極強化層１５０との間に介在されている第１非晶質Ｔａ膜２３４と、第２分極強化層１７２と第１上部磁化固定層１８２との間に介在されている第２非晶質Ｔａ膜２７４と、をさらに含む。第１非晶質Ｔａ膜２３４及び第２非晶質Ｔａ膜２７４は、それぞれ約２〜６Åの厚さを持つ。

第１実施形態では、磁気素子２００の第１非晶質Ｔａ膜２３４、第１分極強化層１５０、第１トンネルバリア１６０、磁化自由層１６４、第２トンネルバリア１７０、第２分極強化層１７２、第２非晶質Ｔａ膜２７４、及び第１上部磁化固定層１８２がＴａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ積層構造に形成されることで、比較的高いＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ）が得られ、磁気素子２００の磁性体積層構造が２０ｎｍまたはそれ以下の微細な線幅を持つ場合にも優秀な熱的安定性を得ることができ、スイッチング電流を低める。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態による磁気素子３００を示す断面図である。図９において、図４と同じ参照符号は同一部材を示し、ここでは重複説明を回避するために、これらについての詳細な説明は略する。

磁気素子３００は、図４を参照して説明したように、電極１１０、バッファ層１１４、及びシード層１２０が順次に積層された構造を含む。シード層１２０上には、垂直磁気異方性を持つ下部磁化固定層１３０が形成されている。第３実施形態では、下部磁化固定層１３０は、Ｌ１１型原子規則構造を持つ長範囲規則の超格子で形成される。

下部磁化固定層１３０上には、交換結合膜３４０及び上部磁化固定層３５０が順次に形成されている。上部磁化固定層３５０は、下部磁化固定層１３０と逆平行の磁気モーメントを持つ。上部磁化固定層３５０についてのさらに詳細な構成は、図４を参照して第２上部磁化固定層１８４について説明した通りである。

上部磁化固定層３５０上には、分極強化層３６０、トンネルバリア３７０、磁化自由層３８０、ＮＯＬ（ｎａｎｏ−ｏｘｉｄｅ ｌａｙｅｒ）３８２、及びキャッピング層３９０が順次に形成されている。

分極強化層３６０は、ＣｏＦｅＢ磁性層からなる。トンネルバリア３７０は、非磁性物質を含む。トンネルバリア３７０及び磁化自由層３８０は、図４を参照して第２トンネルバリア１７０及び磁化自由層１６４についてそれぞれ説明した通りである。ＮＯＬ３８２は、Ｔａ酸化物またはＭｇ酸化物からなる。

キャッピング層３９０についての詳細な構成は、図４を参照してキャッピング層１９０について説明した通りである。

図９に例示した磁気素子３００の積層構造で、バッファ層１１４によってシード層１２０の垂直配向性が増加した状態で、シード層１２０上に高い垂直異方性を持つＬ１１型超格子層からなる下部磁化固定層１３０を形成することで、磁気素子３００で高いスピン分極度を提供でき、したがって、向上したスイッチング特性を提供できる。

（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法を説明する工程順序を示すフローチャートである。

図４及び図１０を参照すれば、工程４１０で、電極１１０上にシード層１２０の結晶軸を制御するためのバッファ層１１４を形成する。バッファ層１１４は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造、または非晶質構造を持つ。第４実施形態では、バッファ層１１４は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ薄膜からなる。ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つバッファ層１１４は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＳｃまたはＭｇから選択される少なくとも一つの物質からなる。第４実施形態の変形例では、バッファ層１１４は、非晶質構造を持つ薄膜からなる。非晶質構造を持つバッファ層１１４は、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆまたはＣｏＦｅＢＴａから選択される少なくとも一つの合金からなる。

第４実施形態では、バッファ層１１４を形成する工程は、約１０〜５０℃の温度で行われる。例えば、バッファ層１１４は、常温で形成される。バッファ層１１４は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤまたは反応性ＰＬＤ工程によって形成される。第４実施形態では、バッファ層１１４は、スパッタリングガスとしてＫｒを使うＤＣマグネトロンスパッタリング工程によって形成される。バッファ層１１４は、約０．１〜１．５ｎｍの厚さを持つように形成される。

工程４２０で、バッファ層１１４上にｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つシード層１２０を形成する。

バッファ層１１４がｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造を持つように形成された状態で、バッファ層１１４上にｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つシード層１２０を形成するので、バッファ層１１４によってシード層１２０の垂直配向性が増加する。よって、高い垂直配向性を持つシード層１２０が形成される。

第４実施形態では、シード層１２０は、Ｒｕからなる。シード層１２０を形成する工程は、約１０〜５０℃の温度で行われる。例えば、シード層１２０は、常温で形成される。シード層１２０は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤまたは反応性ＰＬＤ工程によって形成される。第４実施形態では、シード層１２０は、スパッタリングガスとしてＫｒを使うＤＣマグネトロンスパッタリング工程によって形成される。シード層１２０は、約１〜１０ｎｍの厚さを持つ。シード層１２０の厚さは、バッファ層１１４の厚さよりさらに大きくなる。

工程４３０で、シード層１２０上に下部磁化固定層１３０を形成する。

下部磁化固定層１３０を形成するに際して、シード層１２０の（０００１）最密面は、Ｌ１１構造を持つ下部磁化固定層１３０のｆｃｃ（１１１）最密面の成長への整合性を持っているので、ｈｃｐ（０００１）構造を持つシード層１２０上に下部磁化固定層１３０を形成する時、１１１面での成長が促進される。よって、シード層１２０上でＬ１１型原子規則構造を持つ長範囲規則の超格子からなる下部磁化固定層１３０を形成できる。
下部磁化固定層１３０は、ＭＢＥ工程、マグネトロンスパッタリング工程、及びＵＨＶスパッタリング工程などによって形成される。下部磁化固定層１３０は、約２０〜３０Åの厚さを持つ。

下部磁化固定層１３０を形成する段階は、２００〜４００℃の温度で行われる。下部磁化固定層１３０は、優秀な垂直異方性を持って比較的低温下での形成ができるので、磁気素子に好適に適用する。

第４実施形態では、下部磁化固定層１３０は、［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎ（ｎ：繰り返し回数）構造または［Ｃｏ／Ｐｄ］×ｎ（ｎ：繰り返し回数）構造を持つように形成される。下部磁化固定層１３０は、約２０〜３０Åの厚さを持つように形成される。
工程４４０で、下部磁化固定層３３０の上面から上面に対して垂直方向に磁化した分極強化層１５０を形成する。

分極強化層１５０を形成する工程は、ＣｏＦｅＢ磁性層を形成する工程を含む。ＣｏＦｅＢ磁性層を、Ｌ１１型超格子層からなる下部磁化固定層１３０と接合するように形成することで、垂直に配向されるＣｏＦｅＢ磁性層からなる分極強化層１５０を形成する。第１分極強化層１５０の磁化方向は、下部磁化固定層１３０の磁化方向と同じ磁化方向を持つように形成される。第１分極強化層１５０は、約１０〜２０Åの厚さを持つように形成される。

図１１Ａないし図１１Ｋは、本発明の第４実施形態による磁気素子５００（図１１Ｋ参照）の製造方法の工程順序を示す断面図である。本例では、図４に例示した磁気素子１００の積層構造を含むＳＴＴ−ＭＲＡＭ（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）素子の製造工程について説明する。図１１Ａないし図１１Ｋにおいて、図４と同じ参照符号は同一部材を示し、したがって、ここではこれらについての詳細な説明は略する。

図１１Ａを参照すれば、基板５０２上に素子分離膜５０４を形成して活性領域５０６を定義し、活性領域５０６にトランジスタ５１０を形成する。

第４実施形態では、基板５０２は、半導体ウェーハである。基板５０２はＳｉを含む。第４実施形態の変形例では、基板５０２は、Ｇｅのような半導体元素、またはＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ及びＩｎＰのような化合物半導体を含む。さらに第４実施形態の他の変形例では、基板５０２は、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を持つ。例えば、基板５０２は、ＢＯＸ層（ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ ｌａｙｅｒ）を含む。第４実施形態では、基板５０２は導電領域、例えば、不純物がドーピングされたウェル、または不純物がドーピングされた構造物を含む。素子分離膜５０４は、ＳＴＩ（ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を持つ。

トランジスタ５１０は、ゲート絶縁膜５１２、ゲート電極５１４、ソース領域５１６、及びドレイン領域５１８を含む。ゲート電極５１４は、絶縁キャッピングパターン５２０及び絶縁スペーサ５２２によってその上面及び両側壁がそれぞれ絶縁されるように形成される。

次いで、基板５０２上にトランジスタ５１０を覆う平坦化した第１層間絶縁膜５３０を形成し、第１層間絶縁膜５３０を貫通してソース領域５１６に電気的に連結される第１コンタクトプラグ５３２と、ドレイン領域５１８に電気的に連結される第２コンタクトプラグ５３４と、を形成する。第１層間絶縁膜５３０上に導電層を形成した後、導電層をパターニングし、複数の第１コンタクトプラグ５３２を通じてソース領域５１６に電気的に連結されるソースライン５３６と、ソースライン５３６の両側で第２コンタクトプラグ５３４を通じてドレイン領域５１８にそれぞれ電気的に連結される導電パターン５３８と、を形成する。

次いで、第１層間絶縁膜５３０の上で、ソースライン５３６及び導電パターン５３８を覆うように第２層間絶縁膜５４０を形成する。フォトリソグラフィ工程を用いて、導電パターン５３８の上面を露出させるように第２層間絶縁膜５４０を一部除去し、下部電極コンタクトホール５４０Ｈを形成する。下部電極コンタクトホール５４０Ｈ内に導電物質を満たし、第２層間絶縁膜５４０の上部面が露出されるように導電物質を研磨して下部電極コンタクトプラグ５４２を形成する。第４実施形態では、下部電極コンタクトプラグ５４２は、ＴｉＮ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴａまたはＷから選択される少なくとも一つの物質を含む。

図１１Ｂを参照すれば、第２層間絶縁膜５４０及び下部電極コンタクトプラグ５４２上に下部電極層５５２を形成する。

第４実施形態では、下部電極層５５２は金属または金属チッ化物からなる。例えば、下部電極層５５２は、ＴｉＮからなる。下部電極層５５２についてのさらに詳細な事項は、図４を参照して電極１１０について説明した通りである。

図１１Ｃを参照すれば、下部電極層５５２上にバッファ層５５４を形成する。

バッファ層５５４は、後続工程でバッファ層５５４上に形成されるシード層５５６（図１１Ｄ参照）の結晶軸方向を所望の方向に制御するために形成するものである。バッファ層５５４は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ物質、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＳｃまたはＭｇから選択される少なくとも一つの物質からなる。または、バッファ層５５４は、非晶質構造を持つ物質、例えば、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆまたはＣｏＦｅＢＴａから選択される少なくとも一つの合金からなる。

バッファ層５５４は、常温で形成される。バッファ層５５４についてのさらに詳細な事項は、図４を参照してバッファ層１１４について説明した通りである。

図１１Ｄを参照すれば、バッファ層５５４上にシード層５５６を形成する。

シード層５５６は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ物質で形成される。例えば、シード層５５６は、Ｒｕ層を含む。

ｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造の物質からなるバッファ層５５４上にシード層５５６を形成した結果、垂直配向性が増加したシード層５５６が形成される。シード層５５６についてのさらに詳細な構成は、図４を参照してシード層１２０について説明した通りである。

図１１Ｅを参照すれば、シード層５５６上に下部磁化固定層５５８を形成する。

下部磁化固定層５５８は、シード層５５６に当接する面に対して垂直方向に磁化容易軸を持つように形成される。

下部磁化固定層５５８は、Ｌ１１構造を持つ超格子層からなる。第４実施形態では、下部磁化固定層５５８は、約１〜２Åの厚さを持つＣｏ膜と、約１〜２Åの厚さを持つＰｔ膜とが交互にｎ回積層された構造を持つように形成される。第４実施形態の変形例では、下部磁化固定層５５８は、約１〜２Åの厚さを持つＣｏ膜と、約１〜２Åの厚さを持つＰｄ膜とが交互にｎ回積層された構造を持つように形成される。ここで、ｎは、２ないし２０の定数である。

下部磁化固定層５５８は、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤ工程によって形成される。下部磁化固定層５５８は、約２００〜４００℃の比較的低温の工程温度下で形成される。例えば、下部磁化固定層５５８は、約３００℃の温度下で形成される。下部磁化固定層５５８は、約２０〜３０Åの厚さを持つ。

下部磁化固定層５５８についてのさらに詳細な構成は、図４を参照して下部磁化固定層１３０について説明した通りである。

図１１Ｆを参照すれば、下部磁化固定層５５８上に第１分極強化層５６０を形成する。
第１分極強化層５６０は、ＣｏＦｅＢ磁性層からなる。第１分極強化層５６０を形成するに際して、ＣｏＦｅＢ磁性層がＬ１１型超格子層からなる下部磁化固定層５５８と接合してその上に形成されるので、垂直に配向されたＣｏＦｅＢ磁性層が得られる。よって、下部磁化固定層５５８と第１分極強化層５６０との組み合わせによって、高いスピン分極率を提供できる。第１分極強化層５６０は、約１０〜２０Åの厚さを持つ。第１分極強化層５６０についてのさらに詳細な構成は、図４を参照して第１分極強化層１５０について説明した通りである。

図１１Ｇを参照すれば、第１分極強化層５６０上に第１トンネルバリア１６０、磁化自由層１６４、第２トンネルバリア１７０、第２分極強化層１７２、上部磁化固定層１８０及びキャッピング層１９０を順次に形成する。上部磁化固定層１８０は、第１上部磁化固定層１８２と、第２上部磁化固定層１８４と、第１上部磁化固定層１８２と第２上部磁化固定層１８４との間に介在された交換結合膜１８６と、を含む。

キャッピング層１９０は、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、ＴａＮ及びＴｉＮから選択される少なくとも一つの物質を含む。

本例では、下部電極層５５２からキャッピング層１９０に至るまで順次に積層された積層構造５７０が、図４の磁気素子１００の積層構造と同じ順序に形成された場合を例示する。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、積層構造５７０の代わりに、図８に例示した磁気素子２００と同じ順序に積層された積層構造、または図９に例示した磁気素子３００と同じ順序に積層された積層構造を形成してもよい。第４実施形態によれば、磁気素子の所望の特性によって、積層構造５７０内に多様な種類の膜が追加または取り替えられる。

図１１Ｈを参照すれば、積層構造５７０上に複数の導電性マスクパターン５７２を形成する。

複数の導電性マスクパターン５７２は、金属または金属チッ化物からなる。第４実施形態では、複数の導電性マスクパターン５７２は、Ｒｕ、Ｗ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｔｉ、Ｔａまたは金属性ガラス合金から選択される少なくとも一つの物質を含む。例えば、導電性マスクパターン５７２は、Ｒｕ／ＴｉＮまたはＴｉＮ／Ｗの二重層構造を持つ。導電性マスクパターン５７２は、下部電極コンタクトプラグ５４２と同一軸上に位置するように形成される。

図１１Ｉを参照すれば、複数の導電性マスクパターン５７２をエッチングマスクとして用いて、積層構造５７０をエッチングする。

積層構造５７０をエッチングするために、複数の導電性マスクパターン５７２が形成された結果物をプラズマエッチングチャンバ内にローディングした後、プラズマエッチング工程を行える。第４実施形態では、積層構造５７０をエッチングするために、ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）、ＩＢＥ（ｉｏｎ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ）、またはＡｒミーリング工程を用いる。積層構造５７０のエッチングのために、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＳｉＦ₄、ＣＦ₄、Ｃｌ₂、ＣＨ₃ＯＨ、ＣＨ₄、ＣＯ、ＮＨ₃、Ｈ₂、Ｎ₂、ＨＢｒまたはこれらの組み合わせからなる第１エッチングガスを使うことができる。第４実施形態の変形例では、積層構造５７０のエッチングの時、第１エッチングガスに加えてＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅから選択される少なくとも一つの第１添加ガス（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｇａｓ）をもっと使うことができる。

積層構造５７０のエッチング工程は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソース、ＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソース、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマソース、へリコン波励起プラズマ（ＨＷＥＰ：Ｈｅｌｉｃｏｎ−Ｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソース、またはＡＣＰ（Ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソースから形成されたプラズマを用いて行われる。

積層構造５７０のエッチング工程は、第１エッチングガスとは異なる組成を持つ第２エッチングガスを使うエッチング工程をさらに含む。第２エッチングガスは、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＳｉＦ₄、ＣＦ₄、Ｃｌ₂、ＣＨ₃ＯＨ、ＣＨ₄、ＣＯ、ＮＨ₃、Ｈ₂、Ｎ₂、ＨＢｒまたはこれらの組み合わせからなる。第４実施形態の変形例では、第２エッチングガスを使うエッチング工程時、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅから選択される少なくとも一つの第２添加ガスをさらに使える。

積層構造５７０のエッチング工程は、約−１０〜６５℃の温度、及び約２〜５ｍＴの圧力下で行われる。積層構造５７０のエッチング工程が行われる間に、複数の導電性マスクパターン５７２は、その上面から一部がエッチング雰囲気によって消耗して低くなった厚さを持つ。

図示していないが、積層構造５７０をエッチングして下部電極層５５２が複数の下部電極５５２Ａに分離された後、露出される第２層間絶縁膜５４０がその上面から所定厚さほどエッチングされる。

積層構造５７０をエッチングした結果物として、複数の下部電極コンタクトプラグ５４２上には、積層構造５７０のエッチングの結果、残りの結果物からなる複数の磁気抵抗素子５７０Ａが得られる。複数の磁気抵抗素子５７０Ａで、複数の導電性マスクパターン５７２の残りの部分及びキャッピング層１９０は、上部電極としての機能を行う。

図１１Ｊを参照すれば、複数の磁気抵抗素子５７０Ａを覆う平坦化した第３層間絶縁膜５８０を形成し、複数の磁気抵抗素子５７０Ａを構成する導電性マスクパターン５７２の上面が露出されるように、第３層間絶縁膜５８０の一部領域をエッチングによって除去して複数のビットラインコンタクトホール５８０Ｈを形成する。次いで、複数のビットラインコンタクトホール５８０Ｈの内部を満たす導電層を形成した後、第３層間絶縁膜５８０の上面が露出されるまで導電層を研磨またはエッチバックして、複数のビットラインコンタクトホール５８０Ｈ内に複数のビットラインコンタクトプラグ５８２を形成する。

図１１Ｋを参照すれば、第３層間絶縁膜５８０及び複数のビットラインコンタクトプラグ５８２上に導電層を形成し、導電層をパターニングし、複数のビットラインコンタクトプラグ５８２と電気的に連結されるライン状のビットライン５９０を形成して磁気素子５００を完成する。

図１２は、第４実施形態による磁気素子の製造方法で製造された磁気素子のＭ−Ｈ曲線（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐ）を示す。

図１２の評価のために、図８に例示した積層構造を持つ磁気素子２００と同じ順序に積層された積層構造を持つ磁気素子を製造した。さらに具体的に説明すれば、ＴｉＮ電極上にＴｉバッファ層１０Å、Ｒｕシード層５０Å、Ｌ１１構造の［Ｃｏ（２）／Ｐｔ（２）］×７の超格子層からなる下部磁化固定層（ここで、括弧内の数字は厚さを意味し、単位はそれぞれÅ、以下、同一）、第１非晶質Ｔａ膜４Å、及びＣｏＦｅＢ第１分極強化層８Åを順次に形成した。ここで、Ｔｉバッファ層及びＲｕシード層は、それぞれ常温で形成し、下部磁化固定層は、約３００℃の温度で形成した。

次いで、ＭｇＯ膜からなる第１トンネルバリア、ＣｏＦｅＢ磁化自由層１２Å、第１トンネルバリアより抵抗が約１０倍大きいＭｇＯ膜からなる第２トンネルバリア、第２非晶質Ｔａ膜４Å、ＳＡＦ構造を持つ上部磁化固定層として、［Ｃｏ（２．５）／Ｐｄ１０］×３／Ｒｕ／［Ｃｏ（２．５）／Ｐｄ１０］×３の積層構造持つ磁気素子を製造した。

本発明の技術的思想による磁気素子でＴｉバッファ層上にＲｕシード層を形成し、その上にＬ１１構造のＣｏ／Ｐｔ超格子層からなる下部磁化固定層を形成する時、Ｒｕシード層を構成するＲｕグレーンの垂直面（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）軸に沿って、Ｌ１１構造のＣｏ／Ｐｔ超格子層が長範囲規則構造で成長する。グレーンによって垂直面の曲がった軸が磁区壁の移動を妨害して垂直異方性（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）成分を増加させる効果を提供する。よって、図１２から分かるように、磁化反転が急激に行われる理想的なＭ−Ｈ曲線が得られる。

特に、図１２で、本発明の技術的思想による磁気素子は、保磁力（Ｈｃ）が約４０００Ｏｅ（Ｏｅｒｓｔｅｄ）まで増加することが分かる。これは、Ｔｉバッファ層及びＲｕシード層上にＬ１１構造のＣｏ／Ｐｔ超格子層からなる下部磁化固定層を形成させたことに起因する。

図１３は、対照例による磁気素子のＭ−Ｈ曲線である。

図１３の評価のために、Ｔｉバッファ層の代わりにＴａ層を形成したことを除いては、図１２の評価時に適用した条件と同じ条件で対照用磁気素子を製造した。

対照用磁気素子で、ＴｉＮ電極上にＴａ層を成長させる時、Ｔａが非晶質構造からｂｃｃ（体心立方格子：ｂｏｄｙ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｌａｔｔｉｃｅ）結晶構造に結晶化する。よって、Ｔａ層上にＲｕシード層を形成する時、ｂｃｃ結晶構造のＴａ層とｈｃｐ結晶構造のシード層との整合が割れ、Ｒｕシード層の結晶性を劣化させる。その結果、Ｒｕシード層上に形成されるＬ１１構造のＣｏ／Ｐｔ超格子結晶軸が曲がり、長範囲規則が割れて図１３に示したように垂直特性が劣化する。

図１４は、本発明の第４実施形態の製造方法で製造された磁気素子において外部から印加される磁界による磁気モーメント特性を示すグラフである。

図１４の評価のために、Ｃｏ_0.2Ｆｅ_0.6Ｂ_0.2磁性層からなる第１分極強化層を形成し、これらの厚さを多様にしたことを除いては、図１２の評価時に適用した条件と同じ条件で対照用磁気素子を製造した。

図１４（Ａ）は、第１分極強化層として１２ÅのＣｏＦｅＢ磁性層を形成した場合（ＣＦＢ：１２Å）である。図１４（Ｂ）は、第１分極強化層として１４．５ÅのＣｏＦｅＢ磁性層を形成した場合（ＣＦＢ：１４．５Å）である。そして、図１４（Ｃ）は、第１分極強化層として１７．１ÅのＣｏＦｅＢ磁性層を形成した場合（ＣＦＢ：１７．１Å）である。

図１４の結果から、ＣｏＦｅＢ磁性層は、約１７Åの厚さまで垂直磁気異方性を持つことが分かる。

本発明の技術的思想による磁気素子で、第１分極強化層として垂直磁気異方性を持つＣｏＦｅＢ磁性層を厚く形成するほど、ＣｏＦｅＢ磁性層がその上に形成されるＭｇＯ第１トンネルバリアと接触する時、ＭｇＯ第１トンネルバリアがｂｃｃに成長してスピン分極が増加する。

図１５は、本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法で製造された磁気素子を含む電子システム７００のブロック図である。

図１５を参照すれば、電子システム７００は、入力装置７１０、出力装置７２０、プロセッサ７３０、及びメモリ装置７４０を備える。第４実施形態では、メモリ装置７４０は、不揮発性メモリセルを含むセルアレイと、読み出し／書き込みなどの動作のための周辺回路と、を備える。第４実施形態の変形例では、メモリ装置７４０は、揮発性メモリ装置及びメモリコントローラを備える。

メモリ装置７４０に備えられるメモリ７４２は、図１ないし図１１Ｋを参照して説明した第４実施形態による磁気素子の製造方法で製造された磁気素子を含む。

プロセッサ７３０は、インターフェースを通じて入力装置７１０、出力装置７２０、及びメモリ装置７４０にそれぞれ連結されて全体的な動作を制御できる。

図１６は、本発明の第４実施形態による磁気素子の製造方法で製造された磁気素子を含む情報処理システム８００のブロック図である。

図１６を参照すれば、情報処理システム８００は、バス８０２に電気的に連結される揮発性メモリシステム８１０、モデム８２０、中央処理装置８３０、ＲＡＭ８４０、及びユーザインターフェース８５０を備える。

揮発性メモリシステム８１０は、メモリ８１２とメモリコントローラ８１４とを備える。揮発性メモリシステム８１０には、中央処理装置８３０によって処理されたデータまたは外部で入力されたデータが保存される。

揮発性メモリシステム８１０は、ＭＲＡＭ、ＰＲＡＭ（登録商標）、ＲＲＡＭ（登録商標）、ＦＲＡＭ（登録商標）などの揮発性メモリを備える。メモリ８１２及びＲＡＭ８４０のうち少なくとも一つは、図１ないし図１１Ｋを参照して説明した本発明の実施形態による磁気素子を含む。

情報処理システム８００は、ポータブルコンピュータ、ウェブタブレット、無線フォン、モバイルフォン、デジタルミュージックプレーヤ、メモリカード、ＭＰ３プレーヤ、ナビゲーション、ポータブルマルチメディア再生機（ｐｏｒｔａｂｌｅ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｐｌａｙｅｒ：ＰＭＰ）、固体ディスク（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｄｉｓｋ：ＳＳＤ）、または家電製品（ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ）に用いられる。

図１７は、本発明の磁気素子を含むメモリカード９００である。

メモリカード９００は、メモリ９１０及びメモリ制御器９２０を備える。

メモリ９１０は、データを保存できる。本発明の磁気素子では、メモリ９１０は、電源供給が中断されても保存されたデータをそのまま維持できる揮発性特性を持つ。メモリ９１０は、図１ないし図１１Ｋを参照して説明した本発明の磁気素子を含む。

メモリ制御器９２０は、ホスト９３０の読み出し／書く要請に応答してメモリ９１０に保存されたデータを読み出すか、またはメモリ９１０のデータを保存する。

以上、本発明の実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は実施形態に限定されず、当業者によっていろいろな変形及び変更が可能である。

本発明は、磁気素子関連の技術分野に好適に用いられる。

１００・・・磁気素子、
１１０・・・電極、
１１４・・・バッファ層、
１２０・・・シード層、
１３０・・・下部磁化固定層、
１５０・・・第１分極強化層、
１６０・・・第１トンネルバリア、
１６４・・・磁化自由層、
１７０・・・第２トンネルバリア、
１７２・・・第２分極強化層、
１８０・・・上部磁化固定層、
１９０・・・キャッピング層。

Claims (30)

1. 磁気抵抗素子と、
   前記磁気抵抗素子に電流を印加するために前記磁気抵抗素子を介して配された下部電極及び上部電極を含むメモリセルと、
   を備え、
   前記磁気抵抗素子は、
   前記下部電極に当接し、前記磁気抵抗素子での垂直磁気異方性を誘導するための結晶軸を制御するバッファ層と、
   前記バッファ層に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶面に配向したシード層と、
   前記シード層に当接し、Ｌ１１型原子規則構造を持つ垂直磁化固定層と、
   を含むことを特徴とする磁気素子。
2. 前記バッファ層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｃ、Ｍｇ、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆ、またはＣｏＦｅＢＴａを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
3. 電極と、
   前記電極上に形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成されたシード層と、
   前記シード層上に形成された第１磁化層と、
   前記第１磁化層上に形成された第１トンネルバリアと、
   前記第１トンネルバリア上に形成された第２磁化層と、
   前記第２磁化層上に形成され、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）構造を持つ第３磁化層と、
   を含むことを特徴とする磁気素子。
4. 前記バッファ層及び前記シード層は、同じ結晶構造を持つことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
5. 前記バッファ層及び前記シード層は、それぞれｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
6. 前記電極は、ｈｃｐ結晶構造を持つことを特徴とする請求項５に記載の磁気素子。
7. 前記バッファ層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＳｃまたはＭｇのうち少なくとも一つの物質からなることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
8. 前記バッファ層は非晶質層からなり、前記シード層は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
9. 前記バッファ層は、Ｃｏを含む合金からなることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
10. 前記バッファ層は、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆまたはＣｏＦｅＢＴａからなる薄膜を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気素子。
11. 前記バッファ層は、０．１〜１．５ｎｍの厚さを持つことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
12. 前記第１磁化層は、Ｌ１１型原子規則構造を持つ磁性物質からなることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
13. 前記第１磁化層は、Ｃｏからなる第１層と、ＰｔまたはＰｄからなる第２層と、が交互に形成された垂直磁化層からなることを特徴とする請求項１２に記載の磁気素子。
14. 前記第１磁化層は固定層であり、前記第２磁化層は自由層であることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
15. 前記第１磁化層と前記第１トンネルバリアとの間に介在され、前記第１トンネルバリアに当接する面に垂直方向に磁化した分極強化層をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
16. 前記第２磁化層と前記第３磁化層との間に介在された第２トンネルバリアをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
17. 電極と、
    前記電極に当接し、磁気抵抗素子での垂直磁気異方性を誘導するための結晶軸を制御するバッファ層と、
    前記バッファ層に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶面に配向されたシード層と、
    前記シード層に当接し、Ｌ１１型原子規則構造を持つ下部磁化固定層と、
    前記下部磁化固定層上に形成されたトンネルバリアと、
    前記トンネルバリア上に形成された自由層と、
    を含むことを特徴とする磁気素子。
18. 前記自由層上に形成された他のトンネルバリアと、
    前記自由層上に形成され、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）構造を持つ固定層をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の磁気素子。
19. 前記下部磁化固定層とトンネルバリアとの間に介在された第１分極強化層と、
    前記他のトンネルバリアと前記固定層との間に介在された第２分極強化層と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の磁気素子。
20. 前記下部磁化固定層と前記第１分極強化層との間に介在された第１非晶質Ｔａ膜と、
    前記第２分極強化層と前記固定層との間に介在された第２非晶質Ｔａ膜と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の磁気素子。
21. 前記第１非晶質Ｔａ膜及び第２非晶質Ｔａ膜は、それぞれ２〜６Åの厚さを持つことを特徴とする請求項２０に記載の磁気素子。
22. 前記下部磁化固定層上にある交換結合膜と、
    前記交換結合膜上にある上部磁化固定層と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の磁気素子。
23. 電極上にｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造を持つバッファ層を形成する段階と、
    前記バッファ層上に、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つシード層を形成する段階と、
    前記シード層上に垂直磁化固定層を形成する段階と、を含むことを特徴とする磁気素子の製造方法。
24. 前記バッファ層を形成する段階及び前記シード層を形成する段階のうち少なくとも一つの段階は、常温で行われることを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
25. 前記バッファ層を形成する段階は、ｈｃｐ（０００１）結晶構造を持つ薄膜を形成する段階を含み、
    前記薄膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＳｃまたはＭｇを含むことを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
26. 前記バッファ層を形成する段階は、非晶質構造を持つ薄膜を形成する段階を含み、
    前記薄膜は、ＣｏＺｒ、ＣｏＨｆまたはＣｏＦｅＢＴａを含むことを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
27. 前記バッファ層及び前記シード層のうち少なくとも一層は、スパッタリングガスとしてクリプトンガスを使うＤＣマグネトロンスパッタリング工程によって形成されることを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
28. 前記垂直磁化固定層を形成する段階は、２００〜４００℃の温度で行われることを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
29. 前記垂直磁化固定層を形成する段階は、Ｌ１１型原子規則構造を持つ磁性物質層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子の製造方法。
30. ＴｉＮ膜からなる電極を形成する段階と、
    前記ＴｉＮ膜の上面に当接し、ｈｃｐ（０００１）結晶構造または非晶質構造を持つバッファ層を形成する段階と、
    前記バッファ層の上面に当接するＲｕ膜からなるシード層を形成する段階と、
    前記Ｒｕ膜上にＬ１１型原子規則構造を持つ磁化固定層を形成する段階と、
    前記磁化固定層の上面に当接し、前記上面に対して垂直方向に磁化したＣｏＦｅＢ分極強化層を形成する段階と、を含むことを特徴とする磁気素子の製造方法。

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