JP6375414B2 - 垂直磁気異方性を有する多層薄膜 - Google Patents

Description

本発明は、磁性多層薄膜に関するものとして、より詳細には、 セ氏５００度程度の高温熱処理にも垂直磁気異方性を維持する磁性多層薄膜と、これを用いた磁気メモリ素子に関する。

既存メモリを代替するための次世代メモリの中で、不揮発性メモリである磁気ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）は、速い駆動速度、低い駆動電圧、高い情報維持耐久性などの長所として注目されている。

磁気メモリは、既存の揮発性素子であるＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の高集積度とＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の高速度を具現することができるため、スマートフォン、コンピュータ及びネットワークに使用される既存のメモリの代替手段として目立たせている。また、低電力、不揮発性を要求するモノのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ、ＩｏＴ）用の電子製品に適用しようとする試みが進行中であり、自動車、ロボットなどに活用可能性が高い。

磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＴＪ）は、ＭＲＡＭの核心素子であり、高いトンネル磁気抵抗比（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ、ＴＭＲ）、高い記録安定性、低い電流密度、高集積化を実現するために、磁気トンネル接合は必須的に垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ、ＰＭＡ）が具現されなければならない。

磁気トンネル接合は、基本的に強磁性体／酸化物／強磁性体の三重層構造からなり、それぞれ磁化固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ、ＰＬ）、トンネルバリア（ｔｕｎｎｅｌ ｂａｒｒｉｅｒ、ＴＢ）、及び磁化自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ、ＦＬ）を含み、自由層と固定層の位置は、互いに変えることができる。トンネルバリアを介して隣り合う自由層と固定層のスピン方向が平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）又は反平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）に配列された状態によって、トンネルバリアを通過するトンネリング電流の値が変わる性質を用い、この時の抵抗の差をトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ）という。固定層のスピン方向は固定されていて、自由層のスピン方向を磁場又は電流を流して操作することによって情報を入力する。

ここで磁気トンネル接合は、トンネリング障壁（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｂａｒｒｉｅｒ）として絶縁層（一般的にＭｇＯ）を介する二つの強磁性層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）のサンドイッチ状となっていて、電流が各層に垂直に流れる現象を示す。ここで、二つの強磁性層は、基準層として作用する固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）と格納又は感知の機能をする自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）をいう。電流が流れるとき、二つの強磁性層の磁化方向が同じであれば（ｐａｒａｌｌｅｌ）、抵抗が小さく、電流のトンネリング確率が大きくなる。一方、二つの強磁性層のスピン方向が正反対であれば（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）、抵抗が大きく、電流のトンネリング確率が小さくなる。磁気メモリの超高集積化のためには、 サブマイクロメータ単位のメモリセルを形成する必要がある。このように磁気メモリの高集積化のために、磁気トンネル接合の大きさを減少させると同時に、セルのアスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）を小さくする場合には、磁気トンネル接合の磁性体内部で強い反磁場（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）による多磁区（ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ）又はボルテックス（ｖｏｒｔｅｘ）が形成され、これによって不安定なセルスイッチング現象が現れ、記録マージンが減ることになる。

高アスペクト比でセルを制作すると、このような多磁区構造は、形状磁気異方性によって発生しないが、高集積化を達成することができなく、大きなスイッチング磁場を要することになって、結果的に高集積化を達成することができない。

このような理由で開発されたものが垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ、ＰＭＡ）を有する磁気トンネル接合である（Ｎａｏｋｉ Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ.、Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.、ｖｏｌ.９１、ｐ.５２４６.２００２）。Ｎｉｓｈｉｍｕｒａグループは、垂直磁気異方性物質としてよく知られたＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏを自由層と固定層として使用して磁気トンネル接合をコントロールして磁気抵抗比５５％を得た。また、ＭＦＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を通じて、垂直磁気異方性磁気トンネル接合で磁化歪み現象がないということを確認した。しかし、この実験で使用されたＴｂ、Ｇｄなどは、希土類金属で、地球上で存在量が少なくて、実用化が不可能である。したがって、垂直磁気異方性磁気トンネル接合を実用化するためには、新たな垂直磁気異方性物質の開発が必要である。

既存に研究された垂直磁気異方性薄膜は、高密度化において、限界に立ち向かう水平磁気記録媒体を代替するために開発された。垂直磁気異方性を見せる物質はＣｏＣｒ系合金膜、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ多層薄膜などで、この時要求される物理的性質は、記録磁区の安定性と信頼性のために垂直磁気異方性が高く、保磁力が高く、残留磁化（ｒｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）値が大きいものを要求する。

しかし、磁気メモリは、速いスイッチングと低電力動作が求められ、これによって低い保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）と再生マージン（ｒｅａｄｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ）の増進のための高い磁気異方性が要求される。また、残留磁化（ｒｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）値が飽和磁化（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）値と類似し、同時に低い値を維持することが電流消耗を減らすために必要である。

垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合を簡単にｐＭＴＪ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）と称する。ｐＭＴＪの自由層として使用するために、低い保磁力と高い磁気異方性を有する垂直磁気異方性薄膜が要求される。一方、ｐＭＴＪの固定層として使用するために、高い保磁力、高い熱安定性のために高い垂直磁気異方性薄膜を要求する。

一般的に磁気トンネル接合は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）などの蒸着方法を用いて製作する。しかし、垂直磁気異方性が示される材料は、限定されていて、蒸着された膜の微細構造及び界面変化に大きな影響を受ける。特に、半導体工程のうち、後工程（ｂａｃｋ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ、ＢＥＯＬ）の際に必要な高い温度（通常４００℃以上）で垂直磁気異方性特性を維持することが重要な技術的問題である。

多層薄膜は、垂直磁気異方性を有する範囲内で簡単に構造的な変化を起こす。これを通じて、磁気的特性にも変化を起こすという長所を有する。しかし、既存の多層薄膜の致命的な短所は、セ氏２５０度程度の後続熱処理の後、垂直磁気異方性が弱くなる問題がある。現在、セ氏４００度以上の熱処理温度でも強い垂直磁気異方性を維持する新しい自由層又は固定層用の磁性材料が要求される。

本発明が解決しようとする課題は、高温熱処理後にも垂直磁気異方性を維持する磁気トンネル接合に必要な磁性層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、上述した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解される。

本発明の一実施例による垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを交互にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上に［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する段階を含む。前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する前にバッファ層を形成する段階をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記バッファ層を形成する前にシード層を形成する段階と、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成した後にキャッピング層を形成する段階と、をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットと前記Ｐｄターゲットを用いてＤＣスパッタ法によって形成される。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＳｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）であり、ｘ＝７０.５〜７５、ｙ＝４.５〜０である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、アルゴン雰囲気下で１ ｍＴｏｒｒないし１０ ｍＴｏｒｒの雰囲気下で蒸着される。

本発明の一実施例において、ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、磁気異方性エネルギは、１.０×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上である。

本発明の一実施例による垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを交互にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上に［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する段階を含む。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する前にバッファ層を形成する段階をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記バッファ層を形成する前にシード層を形成する段階と、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成した後にキャッピング層を形成する段階と、をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、前記ＣｏＳｉＢターゲットと前記Ｐｄターゲットを用いてＤＣスパッタ法によって形成される。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_７５Ｓｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、アルゴン雰囲気下で１ ｍＴｏｒｒないし１０ ｍＴｏｒｒの雰囲気下で蒸着される。

本発明の一実施例において、ＣｏＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である

本発明の一実施例による垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜は、基板上に形成された［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含む。前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、磁気異方性エネルギは、１.０×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の下部にバッファ層と、前記バッファ層下部にシード層と、をさらに含む。前記バッファ層は、Ｐｄであり、３ ｎｍ以上の厚さを有し、前記シード層は、Ｔａである。

本発明の一実施例による垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜は、基板上に形成された［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含む。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上である。

本発明の一実施例において、前記垂直磁気異方性が発現した前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、ＣｏＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である。

本発明の一実施例において、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の下部にバッファ層と、前記バッファ層下部にシード層と、をさらに含む。前記バッファ層は、Ｐｄであり、３ ｎｍ以上の厚さを有し、前記シード層は、Ｔａである。

本発明の一実施例による磁気トンネル接合は、磁化方向がスイッチングされる自由層と磁化方向が固定された固定層との間に介在されたトンネル絶縁層を含む。前記固定層は、シード層と、前記シード層上に形成されたバッファ層と、及び、前記バッファ層上に形成された第１固定層と、を含む。前記第１固定層は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含み、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上である。

本発明の一実施例において、前記固定層は、前記第１固定層上に配置された非磁性金属層及び前記非磁性金属層上に配置された第２固定層をさらに含み、前記第２固定層は、垂直磁気異方性を有したＣｏＦｅＢ薄膜を含む。

本発明の一実施例による磁性層は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を用いて容易に垂直磁気異方性を具現することができる。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、熱処理後に垂直磁気異方性を維持し、高い角形比、高い垂直異方性エネルギ、熱処理温度に関わらず、一定の飽和磁化を見せる。

本発明の一実施例による垂直磁気異方性多層薄膜を説明する断面である。 振動試験片磁力計（ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ、ＶＳＭ）で測定した熱処理温度による磁気ヒステリシス（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）曲線である。 本発明の一実施例による多層薄膜の熱処理温度による磁気的特性を示す。 透過電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＴＥＭ）を用いて得た薄膜試験片の断面写真である。 二次イオン質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＩＭＳ）を用いて測定した熱処理温度による深さ方向元素分析の結果である。 本発明の一実施例による多層薄膜のＸ線回折（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターンである。 Ｐｄバッファ層の厚さによる合金薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す。 ［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数による磁気ヒステリシス曲線を示す。 ［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_２多層薄膜の熱処理温度による磁気ヒステリシス曲線を示す。 ［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_１０多層薄膜のＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さによる磁気ヒステリシス曲線を示す。 ［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_９多層薄膜のＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さによる磁気ヒステリシス曲線を示す。 本発明の他の実施例による垂直磁気異方性多層薄膜を説明する概念図である。 図１２Ａの垂直磁気異方性多層薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す図面である。 本発明の一実施例による磁気メモリ素子を示す概念図である。 本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を示す概念図である。

磁気トンネル接合は、高いビット安定性（ｈｉｇｈ ｂｉｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を有した低電流密度動作（ｌｏｗ−ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を可能にする。したがって、垂直磁気異方性ＰＭＡ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有した磁気トンネル接合ＭＴＪｓ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）は、不揮発性磁気ランダムアクセスメモリに使用される。

ｐ−ＭＴＪ（ＰＭＡを基本とするＭＴＪ素子）は、通常１００％以上のＴＭＲ、６０以上の記録安定性、そして磁化反転に必要な低い臨界電流を要求する。

また、磁気トンネル接合は、セ氏４００度までの高い温度を含むＢＥＯＬ（ｂａｃｋ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ）集積回路工程を耐えなければならない。したがって、高温露出で垂直磁気異方性の劣化（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）は問題点である。したがって、垂直磁気異方性をはじめ、希望する磁気的性質を維持すると同時に、高温熱処理を耐えることができる物質の探索が重要である。

通常、多層薄膜構造は、熱処理前に垂直磁気異方性を示すが、後工程耐熱性を確保するために、蒸着後熱処理を行った後にも垂直磁気異方性を維持し続けることが重要である。

ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏのような希土類遷移金属合金（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ−ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙｓ）を含む幾つかの強磁性物質システムは、垂直磁気異方性特性を示す。

しかし、これらの合金を含む磁気トンネル接合は、セ氏２００度以上の蒸着後熱処理（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）の後に垂直磁気異方性を失う。

他のシステムは、ＦｅＰｄ又はＦｅＰｔのようなＬ１_０規則合金（Ｌ１_０ ｏｒｄｅｒｅｄ ａｌｌｏｙｓ）を含む。このような規則合金は、〜１０^７ ｅｒｇ／ｃｍ^３の大きな一軸異方性定数Ｋ_ｕ（ｕｎｉａｘｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）を提供する。しかし、このような合金は、薄膜蒸着中にセ氏５００度超過の高温処理を要求するため、化学的規則（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｒｄｅｒｉｎｇ）を達成することが難しい。

垂直磁気異方性を有する他のシステムは、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄ、又はＣｏＦｅ／Ｐｔのように、よく知られたコバルトに基づいた多層薄膜がある。ここで、飽和磁化Ｍ_ｓ（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）、そして一軸異方性定数Ｋ_ｕのような重要な磁気性質は、強磁性層及び非磁性層の厚さ、そして二重層（ｂｉｌａｙｅｒ）の個数を変更して調節される。

コバルトに基づいた多層薄膜を構成する固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒｓ）の厚さは、５ ｎｍないし２０ ｎｍの範囲にある。一方、二重層繰り返しの個数ｎは、５ないし１０までに可変される。Ｃｏ／Ｐｄ多層薄膜に対して、垂直磁気異方性の原因は、界面で低くなった対称性（ｌｏｗｅｒｅｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）に起因するか、又は強磁性層と非磁性層との間の応力界面合金化（ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ａｌｌｏｙｉｎｇ）に起因する界面効果として知られている。

追加的に、Ｃｏ／Ｐｄ界面でＣｏ−Ｐｄ相互拡散（ｉｎｔｅｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）又はＰｄの拡散に起因して、垂直磁気異方性は、コバルトに基づいた多層薄膜でセ氏３００度以上の熱処理を行う間に劣化されることが知られている。既存のＭＴＪに使用した垂直磁気異方性材料は、蒸着された膜の微細構造及び界面変化に大きな影響を受けることが知られている。

本発明で、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜（又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ）多層薄膜）で垂直磁気異方性特性を調べた。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜（又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜）は、セ氏５００度までの温度で熱処理に露出しても磁気異方性を維持した。

本発明の一実施例によると、セ氏３００度以上の熱処理工程の後にも、垂直磁気異方性を維持する磁気多層薄膜を提案する。この多層薄膜は、磁気トンネル接合の固定層又は自由層として使用される。

本発明の一実施例による多層薄膜は、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）値を誘発するＣｏＦｅＢ（自由層）／ＭｇＯ（トンネル層）／ＣｏＦｅＢ（固定層）構造の磁気トンネル接合に適用される。具体的に、Ｐｄ／［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］ｎ／Ｗ（又はＴａ）／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ（トンネル層）／ＣｏＦｅＢに適用される。これによって、高いＴＭＲ値を有すると同時に、セ氏４００度程度の高い熱処理安定性が確保される。

以下、本発明に添付の図面を参照して、本発明の実施例と結果などについて説明する。以下の実施例と結果は、本発明の開示が完全になるようにし、通常の知識を有した者に発明の範囲を完全に知らせるために提供される。また、図面において、構成要素は、説明の便宜のために、その大きさが誇張又は縮小される。

図１は、本発明の一実施例による垂直磁気異方性多層薄膜を説明する断面である。

図１に示すように、垂直磁気異方性多層薄膜１１０の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを交互にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上に［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７を形成する段階を含む。

基板１０２上に順次にシード層１１２、バッファ層１１４、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７、及びキャッピング層１１８が積層される。前記シード層１１２は５ ｎｍのＴａであり、前記バッファ層１１４は１０ ｎｍのＰｄであり、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７の積層回数ｎは１０回であり、ＣｏＦｅＳｉＢ層１１５ａ〜１１５ｎは０.５ ｎｍであり、Ｐｄ層１１６ａ〜１１６ｎは１.４ ｎｍである。また、キャッピング層１１８は５ ｎｍのＴａである。

本発明の一実施例による垂直磁気異方性薄試験片は、次のように準備される。前記垂直磁気異方性薄膜１１０は、シリコン基板／シリコン酸化膜／Ｔａ ５／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／Ｔａ ５（厚さ単位：ｎｍ）である。シリコン基板は単結晶であり、シリコン酸化膜は基板上に形成された３００ ｎｍ厚さのシリコン酸化層であり、Ｔａはシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）であり、Ｐｄはバッファ層である。他のＴａ層は、キャッピング層（ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）である。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、スパッタ法を用いた多層薄膜である。前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、０.５ ｎｍ厚さのＣｏＦｅＳｉＢと１.４ ｎｍ厚さにＰｄが交互に蒸着して形成される。これによって、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７の総厚さは１９ ｎｍである。

本発明の一実施例よると、［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］多層薄膜は、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタ法によって形成される。マグネトロンスパッタリング装置は、５×１０^−９ Ｔｏｒｒ未満の初期圧力（ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を有する。薄膜の厚さは、蒸着時間とスパッタリングパワを通じて調節される。マグネトロンスパッタリング装置は、ＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを備える。前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_７０．５Ｆｅ_４．５Ｓｉ_１５Ｂ_１０である（数字は、ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）。［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］多層薄膜は、蒸着の際には垂直磁気異方性を示す。

例えば、薄膜蒸着のために、ＤＣパワ密度（ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）は２.５ Ｗ／ｃｍ^２であり、純粋なアルゴン圧力が約２ ｍＴｏｒｒで維持される。ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの蒸着速度は、それぞれ０.０２９８と０.１２７ ｎｍ／ｓである。ターゲットに印加されるパワを調節して、蒸着速度を制御する。薄膜の構造は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）５／Ｐｄ（ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ）１０／［ＣｏＦｅＳｉＢ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／Ｔａ（ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）５（単位：ｎｍ）である。前記シード層はＴａであり、接着層 （ａｄｈｅｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）として機能する。前記キャッピング層はＴａであり、保護層として機能する。蒸着された［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、非晶質状態であり、垂直磁気異方性を示す。

［薄膜蒸着後の熱処理に対する安定性］
前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７を形成した後、このシリコン基板１０２は、熱処理炉で熱処理された。試料は、薄膜蒸着後にセ氏３００度、セ氏４００度、そしてセ氏５００度の温度で、それぞれ１時間熱処理された。熱処理の際、初期真空は１０^−６ Ｔｏｒｒ帯域であり、６ ｋＯｅの外部磁場を印加し、１時間進めた。前記後続熱処理の後、前記［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］多層薄膜１１７は、垂直磁気異方性を維持した。

図２は、振動試験片磁力計（ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ、ＶＳＭ）で測定した熱処理温度による磁気ヒステリシス（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）曲線である。

図２に示すように、第１試料は、Ｔａ／Ｐｄ １０ｎｍ／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／Ｔａ構造である。第１試料は、本発明の一実施例によるＤＣスパッタ法を用いて形成され、第１試料の［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は１０回積層され、常温で熱処理前に垂直磁気異方性を見せる。第１試料は、セ氏３００度、セ氏４００度及びセ氏５００度の熱処理が進められた後に垂直磁気異方性をさらに強く見せる。

第１試料は、熱処理のない場合、約５００ Ｏｅの低い保磁力を示し、セ氏３００度１時間の熱処理の際、約１ ｋＯｅの保磁力を見せ、セ氏５００度１時間熱処理の際、約５ ｋＯｅの保磁力を見せる。

図３は、本発明の一実施例による多層薄膜の熱処理温度による磁気的特性を示す。

図３（ａ）に示すように、熱処理に関係なく角形比（ｓｑｕａｒｅｎｅｓｓ）が９０％を超え、セ氏５００度熱処理以降もこれを維持した。角形比（ｓｑｕａｒｅｎｅｓｓ）は、飽和磁化Ｍ_ｓに対する残留磁化Ｍ_ｒの比Ｍ_ｒ／Ｍ_ｓで与えられる。

図３（ｂ）に示すように、熱処理温度に関係なく、略３００ ｅｍｕ／ｃｍ^３の飽和磁化値を維持した。飽和磁化は、シード層１１２、Ｐｂバッファ層１１４、キャッピング層１１８を除いた多層薄膜１１７の体積を用いて計算された。

図３（ｃ）に示すように、熱処理温度が増加するにつれて、有効一軸磁気異方性エネルギＫ_{ｕ、ｅｆｆ}が増加し、セ氏４００度熱処理の後、１.７７×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３を示した。

図３（ｄ）に示すように、保磁力Ｈ_ｃは、セ氏３００度以上の熱処理の際、急激に増加し、セ氏５００度熱処理の後、５０００ Ｏｅを見せた。このような磁気的特性に基づいて、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、磁気トンネル接合の固定層として使用される 。ＢＯＥＬ工程を模写するために、セ氏３００度超過、セ氏６００度未満の１時間以上の熱処理を行う場合、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、垂直磁気異方性特性を維持する。３ ｋＯｅ以上の高い保磁力と約３００ ｅｍｕ／ｃｍ^３の一定の飽和磁化、約１.７７×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３程度の高い磁気異方性エネルギを見せる。保磁力の変化は、薄膜の微細構造が熱処理の進行の際に変化されたことに起因したと予測される。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、磁気トンネル接合の固定層として使用される。

図４は、透過電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて得た薄膜試験片の断面写真である。

図４（ａ）は熱処理前、図４（ｂ）はセ氏５００度熱処理後の写真である。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７は、熱処理前に０.５ ｎｍ厚さのＣｏＦｅＳｉＢ層と１.４ ｎｍのＰｄ層のスタックで構成される。セ氏５００度熱処理後には、垂直磁気異方性多層薄膜１１０は、Ｔａのシード層１１２とＴａのキャッピング層１１８、そしてシード層とキャッピング層との間に配置された合金層で構成された構造を見せる。前記合金層は、多結晶構造である。セ氏５００度熱処理の後、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７とバッファ層１１４との間の境界面がなくなり、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７とバッファ層１１４は、単一多結晶相（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）の合金層に変形された。熱処理を行う間に、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜１１７とバッファ層１１４との間の相互拡散が発生する。熱処理を通じて、非晶質構造のＣｏＦｅＳｉＢ層は、多結晶合金構造に変わることを確認することができる。それにもかかわらず、垂直磁気異方性多層薄膜１１０は、垂直磁気異方性を維持した。

図５は、二次イオン質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＩＭＳ）を用いて測定した熱処理温度による深さ方向元素分析の結果である。

図５に示すように、薄膜の元素別深さプロファイル（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｄｅｐｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅｓ）は、Ｃｓ^＋イオン（ｉｏｎｓ）を使用した二次イオン質量分析法よって測定された。

熱処理前ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜とバッファ層が明確に区分され、熱処理が進むほどに、バッファ層のＰｄ元素が［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜に拡散されることを確認できる。ほとんどのＢ元素は、セ氏３００度の熱処理を行う場合、バッファ層に移動し、セ氏５００度の熱処理でキャッピング層１１８とシード層１１２に移動する。

図６は、本発明の一実施例による多層薄膜のＸ線回折（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターンである。

図６に示すように、熱処理後のＣｏＰｄ系列の合金ないし金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）が生成されたことを確認できる。バッファ層であるＰｄ１１１層内にＢ（ボロン）が拡散されて、Ｐｄ格子が膨張されることが分かる。熱処理前蒸着された状態で、４０.３６°のピークは、面心立方晶（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ、ｆｃｃ）１１１−Ｐｄに起因する。セ氏３００度熱処理の後、Ｐｄのピークは、２つに分かれる。バッファ層のピーク位置は、熱処理の間のＢ拡散に起因して低い角度で移動する。Ｐｄマトリックスで格子間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）Ｂ原子と推定された組成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、５ ａｔ.％〜６ ａｔ.％である。

セ氏５００度熱処理後の［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜のＸＲＤのピーク位置は、４１.２°である。このピークは、１１１方向に整列された（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）ＣｏＰｄ（４１.０°）、そしてＣｏＰｄ_３（４０.９°）のピークととても近い。

多層薄膜の二つの主な構成要素であるＣｏとＰｄの組成は、それぞれ１９と８１ ａｔ.％である。たとえ、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、純粋な異種Ｃｏ−Ｐｄシステムではないが、主な構成要素はＣｏとＰｄであり、他の構成要素の量は小さい。したがって、熱処理後形成された合金は、Ｐｄ−ｒｉｃｈ Ｃｏ−Ｐｄ合金として扱われる。熱処理前の［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の垂直磁気異方性の原因は、界面効果に起因するが、高温熱処理後に［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の垂直磁気異方性の主な原因は、バルク効果（ｂｕｌｋ ｅｆｆｅｃｔ）に起因すると推定される。

図７は、Ｐｄバッファ層の厚さによる合金薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す。

図７に示すように、（ａ）はバッファ層の厚さが３ ｎｍであり、（ｂ）はバッファ層がない場合である。垂直磁気異方性の特性で注目すべき変化は、バッファ層１１４が１０ ｎｍから５ ｎｍに減少した場合にも観測されなかった。しかし、バッファ層１１４が３ ｎｍに減少した場合、磁気特性が著しく変更された。第２試料は、Ｔａ／Ｐｄ ３ ｎｍ／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／Ｔａ構造である。第３試料は、Ｔａ／Ｐｄ ０ ｎｍ／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／Ｔａ構造である。

前記第２試料は、熱処理前にも、十分な熱処理後の保磁力を示さない。また、第３試料は、熱処理前にも、十分な熱処理後の保磁力を示さない。したがって、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］ｎ多層薄膜が磁気トンネル接合の磁性層として使用するために、少なくとも３ ｎｍ以上のバッファ層を有する必要がある。

図８は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数による磁気ヒステリシス曲線を示す。

図８に示すように、熱処理前のＴａ／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.３／Ｐｄ １.１］ｎ／Ｔａ構造の磁気ヒステリシス曲線であり、積層回数ｎは、１から１０まで増加することによって、保磁力と飽和磁化が増加する。これによって、適切な保磁力、飽和磁化、角形比、又は垂直異方性エネルギを達成するために、多層薄膜の積層回数が選ばれる。また、積層回数ｎが３以上である場合、セ氏５００度の熱処理後にも垂直磁気異方性が維持される。

図９は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_２多層薄膜の熱処理温度による磁気ヒステリシス曲線を示す。

図９に示すように、Ｔａ／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ０.５／Ｐｄ１.４］_２／Ｔａ構造の磁気ヒステリシス曲線であり、積層回数ｎが２である場合、セ氏３００度熱処理の際、垂直磁気異方性が現れるが、セ氏４００度以上の熱処理の際、垂直磁気異方性が失われる。したがって、積層回数は、３以上であることが好ましい。

図１０は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_１０多層薄膜のＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さによる磁気ヒステリシス曲線を示す。

図９に示すように、Ｔａ／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.３／Ｐｄ］_１０／Ｔａ構造の磁気ヒステリシス曲線であり、積層回数ｎは１０であり、ＣｏＦｅＳｉＢ層の厚さは０.３ ｎｍで固定され、Ｐｄ層の厚さは０.５ ｎｍないし１.７ ｎｍの範囲で変更された。ＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さ比は、１：１.６ないし１：７である。前記ＣｏＦｅＳｉＢ層の厚さは、０.３ ｎｍ以上である。

また、Ｐｄの厚さがＣｏＦｅＳｉＢに対比して増加すると、飽和磁化が減少し、保磁力は増加する。ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である。これによって、適切な保磁力、飽和磁化、角形比、又は垂直磁気異方性エネルギを達成するために、ＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さ比が選ばれる。また、セ氏５００度の熱処理後にも垂直磁気異方性が維持される。前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであることが好ましい。

図１１は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］_９多層薄膜のＣｏＦｅＳｉＢ層とＰｄ層の厚さによる磁気ヒステリシス曲線を示す。

図１１に示すように、Ｔａ ５／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｐｄ １.４］_１０／ＣｏＦｅＳｉＢ ０.５／Ｔａ ０.４／ＣｏＦｅＢ １.０／ＭｇＯ １.０／Ｔａ ５構造の磁気ヒステリシス曲線であり、セ氏５００度の熱処理後にも垂直磁気異方性が維持される。このような構造は、磁気トンネル接合のＴＭＲ値を向上させるために、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢに適用される。このような場合にも、垂直磁気異方性が維持される。

図１２Ａは、本発明の他の実施例による垂直磁気異方性多層薄膜を説明する概念図である。

図１２Ｂは、図１２Ａの垂直磁気異方性多層薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す図面である。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、垂直磁気異方性薄膜２１０は、基板１０２上に順次にシード層１１２、バッファ層１１４、［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７、及びキャッピング層１１８を含む。前記シード層１１２は５ ｎｍのＴａであり、前記バッファ層１１４は１０ ｎｍのＰｄであり、前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７は０.５ ｎｍのＣｏＳｉＢ層２１５ａと１.４ ｎｍのＰｄ層２１６ａを含む。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７の積層回数は、３ないし１０である。前記キャッピング層１１８は、５ ｎｍのＴａである。

垂直磁気異方性多層薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを交互にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板１０２上に［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７を形成する前にバッファ層１１４が形成される。前記バッファ層１１４を形成する前にシード層１１２を形成する段階、及び前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７を形成した後にキャッピング層１１８を形成する。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７は、前記ＣｏＳｉＢターゲットと前記Ｐｄターゲットを用いてＤＣスパッタ法によって形成される。前記ＣｏＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_７５Ｓｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）である。前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７は、アルゴン雰囲気下で１ ｍＴｏｒｒないし１０ ｍＴｏｒｒの雰囲気下で蒸着される。ＣｏＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７である 。［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜２１７の総厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍである。

垂直磁気異方性薄膜２１０は、セ氏３００度ないしセ氏５００度の１時間熱処理後にも垂直磁気異方性を維持する。

図１３は、本発明の一実施例による磁気メモリ素子を示す概念図である。

図１３に示すように、磁気メモリ素子３００は、選択トランジスタ１０４と磁気トンネル接合３０１を含む。前記磁気トンネル接合３０１は、磁化方向がスイッチングされる自由層３３０と磁化方向が固定された固定層３１０との間に介在されたトンネル絶縁層３２０を含む。前記固定層３１０は、シード層３１２と、前記シード層上に形成されたバッファ層３１４と、前記バッファ層３１４上に形成された第１固定層３１７を含む。前記シード層３１２はＴａであり、前記バッファ層３１４はＰｄである。前記第１固定層３１７は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含む。前記第１固定層３１７の前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は前記［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、セ氏３００度ないしセ氏５００度の１時間熱処理後にも垂直磁気異方性を維持する。

選択トランジスタ１０４は、基板上に配置されたゲート絶縁膜１０４ｂ及び前記ゲート絶縁膜１０４Ｂ上に配置されたゲート電極１０４ｃ、及び前記ゲート絶縁膜の両側に配置された不純物領域１０４ａを含む。前記選択トランジスタの不純物領域１０４ａは、前記磁気トンネル接合に電気的に連結される。前記不純物領域の導電型は、前記ゲート絶縁膜下部のチャンネル領域の導電型とは反対の形である。第１層間絶縁膜１０６は、前記選択トランジスタ１０４を覆うように配置される。前記不純物領域は、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）とドレイン（ｄｒａｉｎ）を提供する。前記第１層間絶縁膜を貫いて前記不純物領域に接触するコンタクトプラグ１０６が配置される。前記コンタクトプラグ１０４上に磁気トンネル接合が配置される。

前記磁気トンネル接合３０１は、順次に積層した固定層３１０、トンネル絶縁層３２０、及び自由層３３０を含む。前記固定層３１０は、順次に積層したシード層３１２、バッファ層３１４及び第１固定層３１７を含む。前記シード層３１２はＴａであり、前記バッファ層３１４はＰｄであり、前記第１固定層３１７は交互に蒸着された［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜である。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数は、３以上である。前記第１固定層３１７は、セ氏３００度超過セ氏６００度未満の熱処理の後にも垂直磁気異方性を維持する。

前記固定層３１０上にトンネル絶縁層２２０が配置される。前記トンネルの絶縁層３２０は、ＭｇＯターゲットをスパッタリングして結晶状態で蒸着される。

前記トンネルの絶縁層３２０上に自由層３３０が配置される。前記自由層３３０は、ＤＣスパッタ法による［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜である。前記自由層３３０は、蒸着の際に垂直磁気異方性を発現する。前記自由層３３０の磁気特性と前記第１固定層３１７の磁気特性は互いに異なる。具体的に、前記第１固定層３１７の飽和磁化は、前記自由層３３０の飽和磁化より大きい。また、前記第１固定層３１７の保磁力は、前記自由層３３０の保磁力より大きい。

本発明の変形した実施例によると、前記自由層３３０は、垂直磁気異方性を有する他の物質に変形する。

前記自由層３３０上に導電パターン３４０が配置される。前記導電パターン３４０と接触した自由層３３０は、前記磁気トンネル接合を通じて流れる電流に起因したスピン伝達トルクによってスイッチングされる。又は、前記自由層３３０は、前記導電パターン３４０に流れる面内電流によって発生したスピン電流によってスイッチングされる。或いは、自由層３３０は、スピン伝達トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）及びスピンオービットトルク（ｓｐｉｎ ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）によってスイッチングされる。

本実施例による磁気メモリ素子３００において、基板１０２上に選択トランジスタ１０４が形成された後、第１層間絶縁膜１０７が蒸着される。前記第１層間絶縁膜１０７の上部は、平坦化される。前記第１層間絶縁膜１０７に、パターニング工程を使用してコンタクトプラグ１０６が配置されるコンタクトホールを形成する。前記コンタクトホールが形成された基板上にコンタクトホールを満たす導電体を埋め立てた後、 エッチバック （ｅｔｃｈ−ｂａｃｋ）工程を使用してコンタクトプラグ１０６を形成する。

第１層間絶縁膜１０７上に順次に固定層３１０、トンネル絶縁層３２０、及び自由層３３０を形成する。パターニング工程を通じて、固定層３１０、トンネル絶縁層３２０、及び自由層３３０をパターニングして磁気トンネル接合３０１を形成する。

図１４は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を示す概念図である。

図１４に示すように、磁気メモリ素子４００は、選択トランジスタ１０４と磁気トンネル接合４０１を含む。前記磁気トンネル接合４０１は、磁化方向がスイッチングされる自由層４３０と磁化方向が固定された固定層４１０との間に介在されたトンネル絶縁層３２０を含む。前記固定層４１０は、シード層３１２と、前記シード層上に形成されたバッファ層３１４と、前記バッファ層上に形成された第１固定層３１７と、前記第１固定層上に配置された非磁性導電層４１８と、前記非磁性導電層上に配置された第２固定層４１９と、を含む。前記第１固定層３１７は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含む。［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数は、３以上である。前記非磁性導電層４１８は、Ｔａ又はタングステンである。前記第２固定層４１９は、後続熱処理の後、垂直磁気異方性を有する非晶質ＣｏＦｅＢである。前記第１固定層３１７と前記第２固定層４１９は、同一の磁化方向を有する。前記非磁性導電層４１８は、０.４ ｎｍないし０.６ ｎｍのＴａ又はＷである。前記第２固定層４１９は、１ ｎｍ程度のＣｏＦｅＢである 。

通常、非晶質ＣｏＦｅＢを磁性層として使用する場合、垂直磁気異方性を発現するために、セ氏３００度以上の熱処理を行うと、非晶質ＣｏＦｅＢは結晶化され、セ氏４００度以上の熱処理を行うと、結晶化されたＣｏＦｅＢは垂直磁気異方性を失う。

しかし、本発明による第１固定層３１７、非磁性金属層４１８、及び第２固定層４１９構造を使用すると、セ氏３００度ないしセ氏６００度の熱処理を行った場合、第１固定層（又は［ＣｏＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜）は、垂直磁気異方性を維持し、前記第２固定層（又はＣｏＦｅＢ）もまた垂直磁気異方性を維持する。

前記第２固定層４１９上にトンネル絶縁膜２２０が配置される。前記トンネル絶縁膜３２０は、スパッタリング蒸着方法によって形成され、蒸着と同時に結晶性を有する１ ｎｍ程度のＭｇＯである。

前記トンネル絶縁膜上に自由層４３０が配置される。前記自由層４３０は、ＣｏＦｅＢである。これによって、磁気トンネル接合４０１は、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造に起因した高いＴＭＲ値を維持する。

本発明の一実施例によると、第１固定層３１７、第２固定層４１９、トンネル絶縁層３２０、及び自由層４３０を形成した後、熱処理される。これによって、前記自由層４３０を形成した後に非晶質状態の自由層のために別途の補助熱処理が行われる。前記補助熱処理の温度は、前記第１固定層２１６に垂直磁気異方性を提供するための熱処理温度より低い。

上記のように、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限られず、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で行うことができる多様な形態の実施例を全て含む。

１１２ シード層
１１４ Ｐｄバッファ層
１１７ ［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜
１１８ キャッピング層

Claims (14)

1. 真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを交互にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上に［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する段階を含み、
   前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上であることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
2. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成する前にバッファ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
3. 前記バッファ層を形成する前にシード層を形成する段階と、
   前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を形成した後にキャッピング層を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
4. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットと前記Ｐｄターゲットを用いてＤＣスパッタ法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
5. 前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＳｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）であり、
   ｘ＝７０.５、ｙ＝４.５であることを特徴とする請求項４に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
6. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜は、アルゴン雰囲気下で２ｍＴｏｒｒの雰囲気下で蒸着されることを特徴とする請求項４に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
7. ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７であることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
8. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の角形比は、９０％以上であり、
   前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、
   磁気異方性エネルギは、１.０×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜の製造方法。
9. 基板上に形成された［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含み、
   前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上であることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜。
10. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の角形比は、９０％以上であり、
    前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、
    磁気異方性エネルギは、１.０×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜。
11. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、
    ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの厚さ比は、１：１.６ないし１：７であることを特徴とする請求項９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜。
12. 前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の下部にバッファ層と、
    前記バッファ層下部にシード層と、をさらに含み、
    前記バッファ層は、Ｐｄであり、３ ｎｍ以上の厚さを有し、
    前記シード層は、Ｔａであることを特徴とする請求項９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ多層薄膜。
13. 磁化方向がスイッチングされる自由層と磁化方向が固定された固定層との間に介在されたトンネル絶縁層を含む磁気トンネル接合において、
    前記固定層は、
    シード層と、
    前記シード層上に形成されたバッファ層と、及び、
    前記バッファ層上に形成された第１固定層と、を含み、
    前記第１固定層は、［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜を含み、
    前記［ＣｏＦｅＳｉＢ／Ｐｄ］多層薄膜の積層回数ｎは、３以上であることを特徴とする磁気トンネル接合素子。
14. 前記固定層は、前記第１固定層上に配置された非磁性金属層及び前記非磁性金属層上に配置された第２固定層をさらに含み、
    前記第２固定層は、垂直磁気異方性を有したＣｏＦｅＢ薄膜を含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁気トンネル接合素子。

Images