JP6440769B2 - 垂直磁気異方性を有する合金薄膜 - Google Patents

Description

本発明は、磁性合金薄膜に関するものとして、より詳細には、熱処理の後、垂直磁気異方性が発現され、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合金薄膜と、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、高集積化を具現するために、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、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、既存に使用された多層薄膜磁性層をより簡単な方法である同時蒸着法（ｃｏ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を合金薄膜蒸着に用いて工程過程を短縮することにある。

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合金薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上にＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する段階と、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜が形成された基板を垂直磁気異方性を発現させるために熱処理する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金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合金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合金薄膜が形成された基板を熱処理する温度は、セ氏３００度超過６００度未満である。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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合金薄膜は、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の体積比は、１：１.６ないし１：７である。

本発明の一実施例において、前記垂直磁気異方性が発現された前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、磁気異方性エネルギは、１.５３×１０^６ 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合金薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上にＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する段階と、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜が形成された基板を、垂直磁気異方性を発現させるために熱処理する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金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合金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合金薄膜が形成された基板を熱処理する温度は、セ氏３００度超過６００度未満である。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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合金薄膜は、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の体積比は、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合金薄膜は、基板上に形成される。前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、非晶質状態で同時蒸着され、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理して多結晶構造に変更される。

本発明の一実施例において、垂直磁気異方が発現された前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、磁気異方性エネルギは、１.５３×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上である。

本発明の一実施例において、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの体積比は、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合金薄膜の下部にバッファ層をさらに含み、前記バッファ層は、３ ｎｍ以上の厚さのＰｄ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合金薄膜は、基板上に形成される。前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、非晶質状態で同時蒸着され、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理して多結晶構造に変更される。

本発明の一実施例において、前記垂直磁気異方性が発現された前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、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合金薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、ＣｏＳｉＢとＰｄの体積比は、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合金薄膜の下部にバッファ層をさらに含み、前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄ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合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を含み、前記第１固定層の前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又は前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、後続熱処理によって垂直磁気異方性を発現する。

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固定層をさらに含む。前記第２固定層は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ薄膜を含む。

本発明の一実施例による磁性層は、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金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合金薄膜は、熱処理後に垂直磁気異方性を発現し、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合金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合金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合金薄膜の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合金薄膜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薄膜を説明する概念図である。 図９Ａの垂直磁気異方性薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す。 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ＭＴＪ（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。

ｐＭＴＪ（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４５０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、このような規則合金は、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。

本発明において、我々は、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜(又は、ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜)で垂直磁気異方性特性を調べた。ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜(又は、ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜)は、同時蒸着によって準備され、セ氏５００度までの温度で熱処理した後も垂直磁気異方性を発現した。同時蒸着によって準備されたＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は(又は、ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜)、多層薄膜を形成する時間を減少させて生産性を向上させる。

本発明の一実施例によると、薄膜蒸着の際には垂直磁気異方性を発現しないが、蒸着後熱処理工程を通じて垂直磁気異方性を発現する新たな磁気薄膜を提案する。この磁気薄膜は、多層薄膜を形成するために、精密な薄膜の厚さ及び組成比を制御し、複雑な工程構造及び工程時間を要求する従来の多層薄膜構造に比べて、著しい経済的効果をもたらす。前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜(又は、ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜)が形成された基板を垂直磁気異方性を発現させるために、熱処理は独立的に行われるか、又は磁気トンネル接合に必要な他の薄膜を形成した後に伴う熱処理に代替されて、工程段階を減少させる。 熱処理によって発現される合金薄膜は、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合金薄膜は、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／Ｗ（又はＴａ）／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ（トンネル層）／ＣｏＦｅＢ／Ｗ（又はＴａ）／ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ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度水準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合金薄膜を説明する断面である。

図１に示すように、垂直磁気異方性合金薄膜１１０の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上にＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６を形成する段階と、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６が形成された基板１０２を垂直磁気異方性を発現させるために熱処理する段階と、を含む。

基板１０２上に順次にシード層１１２、バッファ層１１４、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６、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合金薄膜１１６は１９ ｎｍのＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金である。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膜試験片は、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 ５−Ｐｄ １４］／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合金薄膜１１６は、同時蒸着法を用いた合金薄膜である。前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６は、５ｎｍ厚さに対応するＣｏＦｅＳｉＢと１４ｎｍ厚さに対応するＰｄが同時蒸着して形成される。これによって、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６の総厚さは１９ｎｍである。

本発明の一実施例によると、［ＣｏＦｅＳｉＢ ５−Ｐｄ １４］合金薄膜は、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ターゲットに印加されるスパッタリングパワと、前記Ｐｄターゲットに印加されるスパッタリングパワを調節して、［ＣｏＦｅＳｉＢ ５−Ｐｄ １４］合金薄膜を同時に形成する。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）。［ＣｏＦｅＳｉＢ５−Ｐｄ１４］合金薄膜は、蒸着の際に常温では垂直磁気異方性を示さない。

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／［ＣｏＦｅＳｉＢ ５−Ｐｄ １４］／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合金薄膜１１６は、非晶質状態であり、垂直磁気異方性を示さない。蒸着したＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６は、後続熱処理によって多結晶状態に変換されて垂直磁気異方性を発現する。

［薄膜蒸着後の熱処理］
前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６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 ５−Ｐｄ １４］合金薄膜１１６は、垂直磁気異方性を発現した。

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 １０ ｎｍ／［ＣｏＦｅＳｉＢ ５ ｎｍ−Ｐｄ １４ ｎｍ］／Ｔａ構造である。第１試料は、本発明の一実施例による同時蒸着法を用いて形成され、第１試料のＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、常温で熱処理前には垂直磁気異方性を見せなかった。しかし、第１試料は、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が強く示された。

第１試料は、蒸着の際、低い保磁力を示し、セ氏３００度１時間熱処理の際、約３ 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合金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、セ氏４００度以上の熱処理を行う場合、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。

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５００度熱処理後、１.５３×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３を示した。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を除いた合金薄膜１１６の体積を用いて計算された。

図３（ｄ）に示すように、保磁力Ｈ_ｃは、セ氏４００度熱処理の際、急激に増加し、セ氏５００度熱処理後、４７００ Ｏｅを見せた。このような磁気的特性に基づいて、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６は、磁気トンネル接合の固定層として使用される。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合金薄膜１１６は、垂直磁気異方性特性を示す。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１.５３×１０^６ 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合金薄膜１１６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ＴＥＭ（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。これを通じて非晶質構造から熱処理後の多結晶構造に変わることを確認できる。熱処理前には、ぼやけたリング状のＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）回折パターンを通じて 非晶質相であることを確認できる。セ氏５００度熱処理の後、合金薄膜とバッファ層との間に相互拡散が発生する。

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 ｐｒｏｆｉｌｅ）は、Ｃｓ^＋イオン（ｉｏｎｓ）を使用した二次イオン質量分析法によって測定された。

熱処理前ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金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合金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合金薄膜の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。熱処理前には、垂直磁気異方性が発現されないが、高温熱処理の後には、ＣｏＰｄ系合金ないし金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）が形成されて、垂直磁気異方性が維持されると判断される。熱処理前蒸着された状態で、４０.５１°のピークは、面心立方晶（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ、ｆｃｃ）１１１−Ｐｄに起因する。Ｐｄピークは、同時−蒸着したＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の格子変形に起因して、ｆｃｃ１１１−Ｐｄ（ＪＣＰＤＳ Ｎｏ.０７−０６４５）に比べて若干高い角度を有する。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合金薄膜のＸＲＤのピーク位置は、４１.３°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。

合金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合金は、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。高温熱処理後に同時蒸着されたＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金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のＰｄ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 ５ ｎｍ−Ｐｄ １４ ｎｍ］／Ｔａ構造である。第３試料は、Ｔａ／Ｐｄ ０ ｎｍ／［ＣｏＦｅＳｉＢ ５ ｎｍ−Ｐｄ １４ ｎｍ］／Ｔａ構造である。

前記第２試料は、熱処理の後、十分な保磁力を示さない。また、第３試料は、垂直磁気異方性を完全に失った。したがって、［ＣｏＦｅＳｉＢ ５ ｎｍ−Ｐｄ １４ ｎｍ］合金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Ｐｄバッファ層を有する必要がある。

図８は、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さによる磁気ヒステリシス曲線を示す。

図８に示すように、（ａ）は、Ｔａ／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ ２.５−Ｐｄ ７］／Ｔａ構造の磁気ヒステリシス曲線であり、（ｂ）は、Ｔａ／Ｐｄ １０／［ＣｏＦｅＳｉＢ １.５−Ｐｄ ４.２］／Ｔａ構造の磁気ヒステリシス曲線である。（ａ）の場合、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、２.５ ｎｍ厚さに対応するＣｏＦｅＳｉＢと７ ｎｍ厚さに対応するＰｄを同時蒸着法によって形成されて、総９.５ ｎｍの厚さを有する。この場合、セ氏４００度熱処理後に、垂直磁気異方性を示す。しかし、熱処理温度による飽和磁化値が変動されて、良好な磁気特性を示さない。

（ｂ）の場合、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、１.５ ｎｍ厚さに対応するＣｏＦｅＳｉＢと４.２ ｎｍ厚さに対応するＰｄを同時蒸着法によって形成されて、総６.７ ｎｍの厚さを有する。しかし、熱処理温度による飽和磁化値が変更されて、良好な磁気特性を示さない。

したがって、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６の厚さは、安定的な磁気特性のために、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであることが好ましい。前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さが薄すぎると、磁気特性を失う。前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さが厚すぎると、保磁力及び飽和磁化が非常に増加される。

また、Ｐｄの割合がＣｏＦｅＳｉＢに対比して増加すると、飽和磁化が減少し、保磁力が減少する。ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄ蒸着率は、１：１.６ないし１：７である。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、合金薄膜の厚さ及びＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの組成比が選択される。

図９Ａは、本発明の他の実施例による垂直磁気異方性薄膜を説明する概念図である。

図９Ｂは、図９Ａの垂直磁気異方性薄膜の磁気ヒステリシス曲線を示す。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、垂直磁気異方性薄膜１１０ａは、基板１０２上に順次にシード層１１２、バッファ層１１４、ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６ａ、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合金薄膜１１６ａは１９ ｎｍのＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金である。また、キャッピング層１１８は、５ ｎｍのＴａである。

垂直磁気異方性合金薄膜の製造方法は、真空チャンバ内でＣｏＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板１０２上にＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する段階と、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６ａが形成された基板１０２を垂直磁気異方性を発現させるために、熱処理する段階と、を含む。前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１６ａ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合金薄膜１１６ａを形成した後にキャッピング層１１８を形成する。前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜が形成された基板を熱処理する温度は、セ氏３００度超過６００度未満である。前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜１１４ａ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合金薄膜１１６ａ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の体積比は１：１.６ないし１：７である。

図１０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１０に示すように、磁気メモリ素子２００は、選択トランジスタ１０４と磁気トンネル接合２０１を含む。前記磁気トンネル接合２０１は、磁化方向がスイッチングされる自由層２３０と磁化方向が固定された固定層２１０との間に介在されたトンネル絶縁層２２０を含む。前記固定層２１０は、シード層２１２と、前記シード層上に形成されたバッファ層２１４と、前記バッファ層上に形成された第１固定層２１６と、を含む。前記第１固定層２１６は、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を含む。前記第１固定層２１６の前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又は前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、後続熱処理によって垂直磁気異方性を発現する。

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２０１は、順番に積層した固定層２１０、トンネル絶縁層２２０、及び自由層２３０を含む。前記固定層２１０は、順番に積層したシード層２１２、バッファ層２１４及び第１固定層２１６を含む。前記シード層２１２はＴａであり、前記バッファ層２１４はＰｄであり、前記第１固定層２１６は同時蒸着したＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜である。前記第１固定層２１６は、蒸着の際、垂直磁気異方性を発現しなく、セ氏３００度超過セ氏６００度未満の熱処理によって垂直磁気異方性を発現する。

前記固定層２１０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２２０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２２０上に自由層２３０が配置される。前記自由層２３０は、同時蒸着したＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜である。前記自由層２３０は、蒸着の際には垂直磁気異方性を発現しなく、別途のセ氏３００度超過セ氏６００度未満の熱処理によって多結晶化されて、垂直磁気異方性を発現する。前記自由層２３０の磁気特性と前記第１固定層２１６の磁気特性は互いに異なる。具体的に、前記第１固定層２１６の飽和磁化は、前記自由層２３０の飽和磁化より大きい。また、前記第１固定層２１６の保磁力は、前記自由層２３０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２３０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２３０上に導電パターン２４０が配置される。前記導線パターン２４０と接触した自由層２３０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（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）によってスイッチングされる。又は、前記自由層２３０は、前記導線パターン２４０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２３０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２００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２１０、トンネル絶縁層２２０、及び自由層２３０を形成する。パターニング工程を通じて固定層２１０、トンネル絶縁層２２０、及び自由層２３０をパターニングして磁気トンネル接合２０１を形成する。前記磁気トンネル接合２０１が形成された基板を一回の熱処理を通じて、前記第１固定層２１６及び前記自由層２３０に垂直磁気異方性を発現させる。

図１１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１１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２２０を含む。前記固定層３１０は、シード層２１２と、前記シード層上に形成されたバッファ層２１４と、前記バッファ層上に形成された第１固定層２１６と、前記第１固定層上に配置された非磁性導電層３１８と、前記非磁性導電層上に配置された第２固定層３１９と、を含む。前記第１固定層２１６は、ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を含む。前記第１固定層２１６の前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又は前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、後続熱処理によって垂直磁気異方性を発現する。前記非磁性導電層３１８は、Ｔａ又はＷである。前記第２固定層３１９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固定層と前記第２固定層は、同一の磁化方向を有する。前記非磁性導電層は、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２１６、非磁性金属層３１８、及び第２固定層３１９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合金薄膜）は垂直磁気異方性を発現し、前記第２固定層（又はＣｏＦｅＢ）は垂直磁気異方性を維持する。

前記第２固定層３１９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３３０が配置される。前記自由層３２０は、ＣｏＦｅＢである。これによって、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造に起因した高いＴＭＲの値を維持する。

本発明の一実施例によると、熱処理は、第１固定層２１６及び第２固定層３１９を形成した後、熱処理される。これによって、前記第１固定層２１６は、垂直磁気異方性を発現し、前記第２固定層３１９は、垂直磁気異方性を維持する。また、前記自由層３３０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
１１６ ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜
１１８ キャッピング層

Claims (23)

1. 真空チャンバ内でＣｏＦｅＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上にＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する段階と、
   前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する前にバッファ層を形成する段階を含む、
   前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄであることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
2. 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合金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１に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
3. 前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜が形成された基板を熱処理する温度は、セ氏３００度超過６００度未満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合金薄膜の製造方法。
4. 前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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合金薄膜の製造方法。
5. 前記ＣｏＦｅＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＳｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）であり、
   ｘ＝７０.５〜７５、ｙ＝４.５〜０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合金薄膜の製造方法。
6. 前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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合金薄膜の製造方法。
7. ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの体積比は、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合金薄膜の製造方法。
8. 前記垂直磁気異方性が発現された前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、
   前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、
   磁気異方性エネルギは、１.５３×１０^６ 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合金薄膜の製造方法。
9. 真空チャンバ内でＣｏＳｉＢターゲットとＰｄターゲットを同時にスパッタして、前記真空チャンバ内に配置された基板上にＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する段階と、
   前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を形成する前にバッファ層を形成する段階を含む、
   前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄであることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
10. 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合金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９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
11. 前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜が形成された基板を熱処理する温度は、セ氏３００度超過６００度未満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ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
12. 前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
13. 前記ＣｏＳｉＢターゲットの組成比は、Ｃｏ_７５Ｓｉ_１５Ｂ_１０（ａｔｏｍｉｃ％）であることを特徴とする請求項１２に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
14. 前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、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ことを特徴とする請求項１２に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
15. ＣｏＳｉＢとＰｄの体積比は、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ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の製造方法。
16. 基板上に形成されたＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜において、
    前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の下部にバッファ層を含む、
    前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄであると、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、非晶質状態で同時蒸着され、前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理して多結晶構造に変更されることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
17. 垂直磁気異方が発現された前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、
    前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であり、
    磁気異方性エネルギは、１.５３×１０^６ ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１６に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
18. 前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、
    ＣｏＦｅＳｉＢとＰｄの体積比は、１：１.６ないし１：７であることを特徴とする請求項１６に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
19. 基板上に形成されたＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜において、
    前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の下部にバッファ層を含む、
    前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄであると、
    前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、非晶質状態で同時蒸着され、前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理して多結晶構造に変更されることを特徴とする垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
20. 前記垂直磁気異方性が発現された前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の角形比は、９０％以上であり、
    前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の飽和磁化は、２００ ｅｍｕ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
21. 前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜の厚さは、９.５ ｎｍないし２０ ｎｍであり、
    ＣｏＳｉＢとＰｄの体積比は、１：１.６ないし１：７であることを特徴とする請求項１９に記載の垂直磁気異方性を有するＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜。
22. 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合金薄膜又はＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜を含み、
    前記バッファ層は、３ｎｍ以上の厚さのＰｄであると、
    前記第１固定層の前記ＣｏＦｅＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜又は前記ＣｏＳｉＢ−Ｐｄ合金薄膜は、後続熱処理によって垂直磁気異方性を発現することを特徴とする磁気トンネル接合素子。
23. 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するＣｏＦｅＢ薄膜を含むことを特徴とする請求項２２に記載の磁気トンネル接合素子。

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