JP6999122B2 - 垂直磁気トンネル接合を含む磁気記憶素子 - Google Patents

Description

本発明は磁気記憶素子に関し、より詳細には、垂直磁気トンネル接合を具備する磁気記憶素子に関する。

電子機器の高速化及び／又は低消費電力化等によって、電子機器に含まれる半導体記憶素子の高速化及び／又は低い動作電圧等に対する要求が増加している。このような要求を充足させるために、半導体記憶素子として磁気記憶素子が提案されている。磁気記憶素子は高速動作及び／又は不揮発性等の特性を有するので、次世代半導体記憶素子として脚光を浴びている。

一般的に、磁気記憶素子は磁気トンネル接合パターン（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ；ＭＴＪ）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された絶縁膜を含む。２つの磁性体の磁化方向にしたがって磁気トンネル接合パターンの抵抗値が異なるようになる。例えば、２つの磁性体の磁化方向が反平行の場合に磁気トンネル接合パターンは大きい抵抗値を有し、２つの磁性体の磁化方向が平行である場合に磁気トンネル接合パターンは小さい抵抗値を有する。このような抵抗値の差を利用してデータを書き込む／読み出すことができる。

電子産業が高度に発展することによって、磁気記憶素子に対する高集積化及び／又は低消費電力化に対する要求が深化している。したがって、このような要求を充足させるために多くの研究が進められている。

米国特許第８，３６３，４５９号公報 米国特許第８，１９４，３６４号公報 米国特許第８，３４５，３９０号公報 米国特許第８，５３０，８８７号公報 米国特許公開第２００９／００５７６５４号明細書 米国特許公開第２００７／０１６４３３６号明細書 米国特許公開第２０１０／０１０９１１１号明細書

本発明が達成しようとする技術的課題は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）特性等を改善することによって、優れた信頼性を有する磁気記憶素子を提供することにある。

本発明による磁気記憶素子は、基板上の第１磁性構造体、基板と第１磁性構造体との間の第２磁性構造体、及び第１磁性構造体と第２磁性構造体との間のトンネルバリアーを含むことができる。第１磁性構造体及び第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、トンネルバリアー上の垂直磁性層、及びトンネルバリアーと垂直磁性層との間に介在し、コバルト及び鉄を含む分極強化層を含むことができる。分極強化層は４族元素の中の少なくとも１つをさらに含むことができる。分極強化層は基板の上面と垂直である磁化方向を有することができる。

本発明による磁気記憶素子は、基板上の第１磁性構造体、基板と第１磁性構造体との間の第２磁性構造体、及び第１磁性構造体と第２磁性構造体との間のトンネルバリアーを含むことができる。第１磁性構造体及び第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、トンネルバリアーの一面に接し、コバルト及び鉄を含む分極強化層を含むことができる。分極強化層は４族元素の中の少なくとも１つをさらに含むことができる。分極強化層は基板の上面と垂直である磁化方向を有することができる。

本発明の概念によれば、磁気トンネル接合はトンネルバリアーの一面に接する分極強化層を含むことができる。分極強化層はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、４族元素の中の少なくとも１つをさらに含むことができる。

分極強化層は蒸着の時、トンネルバリアーの（１００）結晶面と平行である（１００）結晶面を有する結晶構造を有している。したがって、磁気トンネル接合上で遂行される後続の熱処理工程が３００℃以下の低温で遂行される場合でも、分極強化層の（１００）結晶面はトンネルバリアーの（１００）結晶面と平行である状態を容易に維持することができる。分極強化層の（１００）結晶面及びトンネルバリアーの（１００）結晶面は互いに接して界面をなすことができ、分極強化層とトンネルバリアーとの界面における結晶面の整合は磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

また、熱処理工程の間に、分極強化層内の４族元素の中の少なくとも１つが分極強化層内の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に偏析することができる。したがって、熱処理工程の間に磁気トンネル接合を構成する磁性層内の磁性元素が分極強化層とトンネルバリアーとの界面に拡散することを最少化して、磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

さらに、分極強化層は４族元素の中の少なくとも１つによって誘導された正方晶変形された形態の結晶構造を有することができる。したがって、分極強化層の垂直磁気異方性を向上させることができる。

したがって、優れた信頼性を有する磁気記憶素子を提供することができる。

本発明の実施形態による磁気記憶素子のブロック図である。 本発明の実施形態による磁気記憶素子のメモリセルアレイの回路図である。 本発明の実施形態による磁気記憶素子の単位メモリセルを示す回路図である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合を説明するための図面である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合を説明するための図面である。 本発明の実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第１磁性構造体の一例を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第２磁性構造体の一例を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第１磁性構造体の他の例を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第２磁性構造体の他の例を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置を含む電子装置を図式的に説明するための図面である。 本発明の実施形態による半導体装置を含む電子装置を図式的に説明するための図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明することによって本発明を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態による磁気記憶素子のブロック図である。

図１を参照すれば、磁気記憶素子はメモリセルアレイ１０、行デコーダー２０、列選択回路３０、読出し及び書込み回路４０、及び制御ロジック５０を含む。

メモリセルアレイ１０は複数のワードライン及び複数のビットラインを含み、ワードラインとビットラインとが交差する地点にメモリセルが連結される。メモリセルアレイ１０の構成は図２を参照して詳細に説明される。

行デコーダー２０はワードラインを通じてメモリセルアレイ１０と連結される。行デコーダー２０は外部から入力されたアドレスをデコーディングして複数個のワードラインの中で１つを選択する。

列選択回路３０はビットラインを通じてメモリセルアレイ１０と連結され、外部から入力されたアドレスをデコーディングして複数個のビットラインの中で１つを選択する。列選択回路３０で選択されたビットラインは読出し及び書込み回路４０に連結される。

読出し及び書込み回路４０は制御ロジック５０の制御にしたがって選択されたメモリセルにアクセスするためのビットラインバイアスを提供する。読出し及び書込み回路４０は入力されるデータをメモリセルに書き込むか、或いは読み出すために選択されたビットラインにビットライン電圧を提供する。

制御ロジック５０は外部から提供された命令（ｃｏｍｍａｎｄ）信号にしたがって、半導体メモリ装置を制御する制御信号を出力する。制御ロジック５０で出力された制御信号は読出し及び書込み回路４０を制御する。

図２は本発明の実施形態による磁気記憶素子のメモリセルアレイの回路図であり、図３は本発明の実施形態による磁気記憶素子の単位メモリセルを示す回路図である。

図２を参照すれば、メモリセルアレイ１０は複数個の第１導電ライン、第２導電ライン、及び単位メモリセルＭＣを含む。第１導電ラインはワードラインＷＬ０～ＷＬ３であり、第２導電ラインはビットラインＢＬ０～ＢＬ３である。単位メモリセルＭＣは２次元的に又は３次元的に配列されることができる。単位メモリセルＭＣは互いに交差するワードラインＷＬとビットラインＢＬとの間に連結される。ワードラインＷＬの各々は複数個の単位メモリセルＭＣを連結する。ワードラインＷＬによって連結された単位メモリセルＭＣはビットラインＢＬに各々連結される。ビットラインＢＬの各々はワードラインＷＬによって連結された単位メモリセルＭＣの各々に連結される。したがって、ワードラインＷＬによって連結された単位メモリセルＭＣの各々はビットラインＢＬの各々によって、図１を参照して説明した、読出し及び書込み回路４０に連結される。

図３を参照すれば、単位メモリセルＭＣの各々はメモリ素子ＭＥ（ｍｅｍｏｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ）及び選択素子ＳＥ（ｓｅｌｅｃｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。メモリ素子ＭＥはビットラインＢＬと選択素子ＳＥとの間に連結され、選択素子ＳＥはメモリ素子ＭＥとワードラインＷＬとの間に連結される。メモリ素子ＭＥはこれに印加される電気的パルスによって２つの抵抗状態にスイッチングされることができる可変抵抗素子である。

一実施形態によれば、メモリ素子ＭＥはそれを通過する電流によるスピン伝達過程を利用してその電気的抵抗が変化する薄膜構造を有するように形成される。メモリ素子ＭＥは磁気－抵抗（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）特性を示すように構成される薄膜構造を有し、少なくとも１つの強磁性物質及び／又は少なくとも１つの反強磁性物質を含む。

選択素子ＳＥはメモリ素子ＭＥを通る電荷の流れを選択的に制御するように構成される。例えば、選択素子ＳＥはダイオード、ＰＮＰバイポーラトランジスタ、ＮＰＮバイポーラトランジスタ、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ、及びＰＭＯＳ電界効果トランジスタの中の１つである。選択素子ＳＥが３端子素子であるバイポーラトランジスタ又はＭＯＳ電界効果トランジスタで構成される場合、追加的な配線（図示せず）が選択素子ＳＥに連結される。

具体的に、メモリ素子ＭＥは第１磁性構造体ＭＳ１、第２磁性構造体ＭＳ２、及びこれらの間のトンネルバリアーＴＢＲを含む。第１磁性構造体ＭＳ１、第２磁性構造体ＭＳ２、及びトンネルバリアーＴＢＲは磁気トンネル接合ＭＪＴとして定義される。第１及び第２磁性構造体ＭＳ１、ＭＳ２の各々は磁性物質で形成される少なくとも１つの磁性層を含む。メモリ素子ＭＥは、第２磁性構造体ＭＳ２と選択素子ＳＥとの間に介在される下部電極ＢＥ、及び第１磁性構造体ＭＳ１とビットラインＢＬとの間に介在される上部電極ＴＥを含む。

図４及び図５は本発明の実施形態による磁気トンネル接合を説明するための図面である。

図４及び図５を参照すれば、基板１００上に磁気トンネル接合ＭＴＪが提供される。磁気トンネル接合ＭＴＪは基板１００上に順に積層された第１磁性構造体ＭＳ１及び第２磁性構造体ＭＳ２、及びこれらの間のトンネルバリアーＴＢＲを含む。第２磁性構造体ＭＳ２は基板１００とトンネルバリアーＴＢＲとの間に提供され、第１磁性構造体ＭＳ１はトンネルバリアーＴＢＲを介して第２磁性構造体ＭＳ２から離隔される。

第１磁性構造体ＭＳ１の磁性層及び第２磁性構造体ＭＳ２の磁性層の中の１つの磁化方向は通常的な使用環境の下で、外部磁界（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）に関係なく、固定される。以下で、このような固定された磁化特性を有する磁性層は固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ、ＰＮＬ）として定義される。第１磁性構造体ＭＳ１の磁性層及び第２磁性構造体ＭＳ２の磁性層の中の他の１つの磁化方向はそれに印加される外部磁界によってスイッチされる。以下で、このような可変的な磁化特性を有する磁性層は自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ、ＦＲＬ）として定義される。磁気トンネル接合ＭＴＪはトンネルバリアーＴＢＲによって分離された少なくとも１つの自由層ＦＲＬ及び少なくとも１つの固定層ＰＮＬを含む。

磁気トンネル接合ＭＴＪの電気的抵抗は自由層ＦＲＬ及び固定層ＰＮＬの磁化方向に依存している。一例として、磁気トンネル接合ＭＴＪの電気的抵抗は、自由層ＦＲＬ及び固定層ＰＮＬの磁化方向が平行である場合に比べてこれらが反平行である（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）場合にはるかに大きくなる。結果的に、磁気トンネル接合ＭＴＪの電気的抵抗は自由層ＦＲＬの磁化方向を変更することによって調節することができ、これは本発明による磁気メモリ装置におけるデータ格納の原理として利用される。

第１及び第２磁性構造体ＭＳ１、ＭＳ２の各々は基板１００の上面と実質的に垂直である磁化方向を有する少なくとも１つの磁性層を含む。この場合、磁気トンネル接合ＭＴＪは、それを構成する自由層ＦＲＬと基板１００との間の相対的配置、及び／又は自由層ＦＲＬと固定層ＰＮＬの形成順序にしたがって、以下の２つの種類に区分される。

一例として、図４に図示したように、磁気トンネル接合ＭＴＪは第１磁性構造体ＭＳ１及び第２磁性構造体ＭＳ２が各々固定層ＰＮＬ及び自由層ＦＲＬを含むように構成される第１類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ１である。他の例として、図５に図示したように、磁気トンネル接合ＭＴＪは第１磁性構造体ＭＳ１及び第２磁性構造体ＭＳ２が各々自由層ＦＲＬ及び固定層ＰＮＬを含むように構成される第２類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ２である。

図６は本発明の実施形態による磁気記憶素子を示す断面図である。

図６を参照すれば、基板１００上に第１誘電膜１０２が配置され、下部コンタクトプラグ１０４が第１誘電膜１０２を貫通する。下部コンタクトプラグ１０４の下面は、図３を参照して説明した、選択素子ＳＥの一端子に電気的に接続される。

基板１００は半導体特性を有する物質、絶縁性物質、絶縁性物質によって覆われた半導体又は導電体の中の１つである。一例として、基板１００はシリコンウエハーである。第１誘電膜１０２は酸化物、窒化物、及び／又は酸化窒化物を含む。下部コンタクトプラグ１０４は導電物質を含む。一例として、導電物質は、ドーパントでドーピングされた半導体（例えば、ドープされたシリコン、ドープされたゲルマニウム、ドープされたシリコン－ゲルマニウム等）、金属（例えば、チタン、タンタル、タングステン等）及び導電性金属窒化物（例えば、窒化チタン、窒化タンタル等）の中の少なくとも１つである。

第１誘電膜１０２上に下部電極ＢＥ、磁気トンネル接合ＭＴＪ、及び上部電極ＴＥが順に積層される。下部電極ＢＥは下部コンタクトプラグ１０４の上面に電気的に接続される。下部電極ＢＥ、磁気トンネル接合ＭＴＪ、及び上部電極ＴＥの側壁は互いに整列される。

下部電極ＢＥは導電物質を含む。一例として、下部電極ＢＥは窒化チタン及び／又は窒化タンタル等のような導電性金属窒化物を含む。

磁気トンネル接合ＭＴＪは下部電極ＢＥ上の第１磁性構造体ＭＳ１、下部電極ＢＥと第１磁性構造体ＭＳ１との間の第２磁性構造体ＭＳ２、及び第１磁性構造体ＭＳ１と第２磁性構造体ＭＳ２との間のトンネルバリアーＴＢＲを含む。具体的に、第２磁性構造体ＭＳ２は下部電極ＢＥとトンネルバリアーＴＢＲとの間に配置され、第１磁性構造体ＭＳ１は上部電極ＴＥとトンネルバリアーＴＢＲとの間に配置される。第１磁性構造体ＭＳ１及び第２磁性構造体ＭＳ２に対しては図７乃至図１０を参照して後述する。

トンネルバリアーＴＢＲはマグネシウム（Ｍｇ）酸化物，チタン（Ｔｉ）酸化物，アルミニウム（Ａｌ）酸化物，マグネシウム－亜鉛（ＭｇＺｎ）酸化物，マグネシウム－ホウ素（ＭｇＢ）酸化物，チタン（Ｔｉ）窒化物，及びバナジウム（Ｖ）窒化物の中で少なくとも１つを含む。一例として、トンネルバリアーＴＢＲは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜である。これと異なり、トンネルバリアーＴＢＲは複数の層を含み、複数の層の各々は、マグネシウム（Ｍｇ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、マグネシウム－亜鉛（ＭｇＺｎ）酸化物、マグネシウム－ホウ素（ＭｇＢ）酸化物、チタン（Ｔｉ）窒化物、及びバナジウム（Ｖ）窒化物の中で少なくとも１つを含む。トンネルバリアーＴＢＲの厚さＴ１は一例として、約５Å乃至約１５Åである。

上部電極ＴＥは導電物質を含む。一例として、上部電極ＴＥはタンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）等の金属、及び窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電性金属窒化物の中で少なくとも１つを含む。

第２誘電膜１０８が基板１００上で全面に配置されて下部電極ＢＥ、磁気トンネル接合ＭＴＪ、及び上部電極ＴＥを覆う。上部コンタクトプラグ１０６が第２誘電膜１０８を貫通して上部電極ＴＥに接続される。第２誘電膜１０８は酸化物、窒化物及び／又は酸化窒化物等を含み、上部コンタクトプラグ１０６は金属（例えば、チタン、タンタル、銅、アルミニウム又はタングステン等）及び導電性金属窒化物（例えば、窒化チタン又は窒化タンタル等）の中で少なくとも１つを含む。第２誘電膜１０８上に配線１０９が配置される。配線１０９は上部コンタクトプラグ１０６に接続される。配線１０９は金属（例えば、チタン、タンタル、銅、アルミニウム、又はタングステン等）及び導電性金属窒化物（例えば、窒化チタン又は窒化タンタル等）の中で少なくとも１つを含む。一実施形態によれば、配線１０９はビットラインである。

図７は本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第１磁性構造体の一例を説明するための断面図である。

図７を参照すれば、第１磁性構造体ＭＳ１はトンネルバリアーＴＢＲと上部電極ＴＥとの間に順に積層された第１分極強化層（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｌａｙｅｒ）１１０、第１交換結合層１２０、及び第１垂直磁性層１３０を含む。本実施形態による第１磁性構造体ＭＳ１は、図４を参照して説明した、第１類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ１の一部を構成する固定層ＰＮＬを含む多層の磁性構造体である。

具体的に、第１分極強化層１１０はトンネルバリアーＴＢＲと上部電極ＴＥとの間に配置され、第１垂直磁性層１３０は第１分極強化層１１０と上部電極ＴＥとの間に配置される。第１交換結合層１２０は第１分極強化層１１０と第１垂直磁性層１３０との間に配置される。第１分極強化層１１０及び第１垂直磁性層１３０の各々は基板１００の上面と実質的に垂直である磁化方向を有する。

第１分極強化層１１０は磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）を高めるために採用される。第１分極強化層１１０は磁性物質を含む。一例として、第１分極強化層１１０はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、４族元素の中の少なくとも１つをさらに含む。一例として、第１分極強化層１１０はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、炭素（Ｃ）をさらに含む。一例として、第１分極強化層１１０はコバルト鉄炭素（ＣｏＦｅＣ）を含む。この場合、第１分極強化層１１０は（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ}Ｃ_ｚを含み、ここで、ｘは約０％より大きく、約５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚは約２％乃至約８％である。第１分極強化層１１０はホウ素（Ｂ）をさらに含む。一例として、第１分極強化層１１０はコバルト鉄炭素ホウ素（ＣｏＦｅＣＢ）を含む。この場合、第１分極強化層１１０は（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ－ａ}Ｃ_ｚＢ_ａを含み、ここで、ｘは約０％より大きく、約５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚ＋ａは約２％乃至約８％である。

第１分極強化層１１０はトンネルバリアーＴＢＲの上面に直接接する。トンネルバリアーＴＢＲ及び第１分極強化層１１０は結晶構造を有しており、一例として、トンネルバリアーＴＢＲ及び第１分極強化層１１０は多結晶構造を有している。一例として、トンネルバリアーＴＢＲはＮａＣｌ型結晶構造を有し、第１分極強化層１１０はＮａＣｌ型結晶構造と格子配置が類似なＢＣＴ（Ｂｏｄｙ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）結晶構造を有する。第１分極強化層１１０の（１００）結晶面はトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である。一実施形態によれば、第１分極強化層１１０及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。第１分極強化層１１０の（１００）結晶面及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面は互いに接して界面をなす。第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの界面で結晶面の整合は磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

第１分極強化層１１０はこれに隣接する磁性層（一例として、第１垂直磁性層１３０）内の磁性元素（一例として、Ｐｔ）が第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散することを防止することができる。具体的に、磁気トンネル接合ＭＴＪ上で後続の熱処理工程が遂行されると、熱処理工程によって第１分極強化層１１０に隣接する磁性層内の磁性元素が第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散する。第１分極強化層１１０がＣｏＦｅＣを含む場合、熱処理工程の間に炭素（Ｃ）が第１分極強化層１１０内の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に偏析され、これにしたがって、磁性元素が第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散することを最小化することができる。したがって、磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

第１分極強化層１１０は正方晶変形された（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）形態の結晶構造を有する。一例として、第１分極強化層１１０がＣｏＦｅＣを含む場合、ＣｏＦｅに結合された炭素（Ｃ）によってＣｏＦｅ結晶構造（一例として、ＢＣＣ結晶構造）の正方晶変形（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）が誘導される。一例として、第１分極強化層１１０はＢＣＴ結晶構造を有する。炭素（Ｃ）によって誘導された正方晶変形は第１分極強化層１１０の垂直磁気異方性を向上させることができる。

一般的に、磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を高めるために、磁気トンネル接合ＭＴＪはトンネルバリアーＴＢＲ、及びトンネルバリアーＴＢＲの一面に接する分極強化層を含む。分極強化層は一例として、ＣｏＦｅＢを含む。この場合、分極強化層の蒸着の時、分極強化層の少なくとも一部は非晶質構造を有しており、後続の熱処理工程を通じて結晶構造に遷移させる。熱処理工程は約４００℃以上の高温で遂行されることが要求される。熱処理工程が高温で遂行される場合、磁気トンネル接合ＭＴＪを構成する磁性層内の磁性元素が分極強化層及び／又は分極強化層とトンネルバリアーＴＢＲとの界面に容易に拡散し、これにしたがって、磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗が低くなり得る。

本実施形態によれば、第１分極強化層１１０はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、４族元素の中の少なくとも１つをさらに含む。一例として、第１分極強化層１１０はコバルト鉄炭素（ＣｏＦｅＣ）を含む。第１分極強化層１１０は蒸着の時、トンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である（１００）結晶面を有する結晶構造を有している。したがって、磁気トンネル接合ＭＴＪ上で遂行される後続の熱処理工程が３００℃以下の低温で遂行される場合でも、第１分極強化層１１０の（１００）結晶面はトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である状態を容易に維持することができる。第１分極強化層１１０の（１００）結晶面及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面は互いに接して界面をなし、第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの界面における結晶面の整合は磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

また、第１分極強化層１１０がＣｏＦｅＣを含む場合、熱処理工程の間に炭素（Ｃ）を第１分極強化層１１０内の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に偏析させることができる。したがって、熱処理工程の間に磁気トンネル接合ＭＴＪを構成する磁性層内の磁性元素が第１分極強化層１１０とトンネルバリアーＴＢＲとの界面に拡散することが最少化されて、磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

さらに、第１分極強化層１１０がＣｏＦｅＣを含む場合、第１分極強化層１１０は炭素（Ｃ）によって誘導された正方晶変形された形態の結晶構造を有し、これにしたがって、第１分極強化層１１０の垂直磁気異方性を向上させることができる。

したがって、優れた信頼性を有する磁気記憶素子を提供することができる。

第１交換結合層１２０は非磁性金属物質を含む。非磁性金属物質は、一例として、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、及びこれらの合金の中の少なくとも１つである。第１分極強化層１１０は第１交換結合層１２０によって第１垂直磁性層１３０と交換結合され、これにしたがって、第１分極強化層１１０の磁化方向は第１垂直磁性層１３０の磁化方向と同一である。本実施形態によれば、第１分極強化層１１０及び第１垂直磁性層１３０の各々は一方向に固定された磁化方向を有する。

第１垂直磁性層１３０は、内在的垂直磁化特性を有する磁性物質（以下、垂直磁性物質）で形成される。ここで、内在的垂直磁化特性は外部的な要因がない場合、磁性層がそれの厚さ方向に平行である磁化方向を有する特性を意味する。一例として、垂直磁化特性を有する磁性層が基板上に形成された場合、磁性層の磁化方向は基板の上面と実質的に垂直である。

内在的垂直磁化特性は、コバルトを含む垂直磁性物質の中の少なくとも１つを含む単層又は多層構造を通じて具現させることができる。一部の実施形態では、第１垂直磁性層１３０はコバルト白金の合金又は成分Ｘを含むコバルト白金の合金（ここで、成分Ｘはホウ素、ルテニウム、クロム、タンタル、又は酸化物の中の少なくとも１つ）を含む単層又は多層構造である。他の実施形態では、第１垂直磁性層１３０は、交互にそして反復的に積層されたコバルト含有膜及び貴金属膜を含む、多層膜構造として提供することができる。この場合、コバルト含有膜はコバルト、コバルト鉄、コバルトニッケル、及びコバルトクロムの中の１つで形成され、貴金属膜は白金及びパラジウムの中の１つで形成されることができる。その他の実施形態では、第１垂直磁性層１３０は上述した実施形態による薄膜を各々１つずつ含む多層膜構造として提供される。

上述した物質は、本発明の技術的思想に対する理解をより容易にするために、第１垂直磁性層１３０の上述した内在的垂直磁化特性を有する物質の例として言及しただけであり、本発明の実施形態をこれに限定するものではない。一例として、第１垂直磁性層１３０は、ａ）テルビウム（Ｔｂ）の含量比が１０％以上であるコバルト鉄テルビウム（ＣｏＦｅＴｂ）、ｂ）ガドリニウム（Ｇｄ）の含量比が１０％以上であるコバルト鉄ガドリニウム（ＣｏＦｅＧｄ）、ｃ）コバルト鉄ジスプロシウム（ＣｏＦｅＤｙ）、ｄ）Ｌ１０構造のＦｅＰｔ、ｅ）Ｌ１０構造のＦｅＰｄ、ｆ）Ｌ１０構造のＣｏＰｄ、ｇ）Ｌ１０又はＬ１１構造のＣｏＰｔ、ｈ）稠密六方格子（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｃｌｏｓｅ Ｐａｃｋｅｄ Ｌａｔｔｉｃｅ）構造のＣｏＰｔ、ｉ）上述したａ）乃至ｈ）の物質の中の少なくとも１つを含む合金、及びｊ）磁性層及び非磁性層が交互にそして反復的に積層された構造の中の１つである。磁性層及び非磁性層が交互にそして反復的に積層された構造は（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎ、（ＣｏＦｅ／Ｐｄ）ｎ、（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ、（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ、（ＣｏＮｉ／Ｐｔ）ｎ、（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ又は（ＣｏＣｒ／Ｐｄ）ｎの構造である（ｎは積層数）。一部の実施形態では、第１垂直磁性層１３０は第１交換結合層１２０に接するコバルト膜又はコバルト－リッチ膜（ｃｏｂａｌｔ－ｒｉｃｈｌａｙｅｒ）をさらに含むことができる。

図８は本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第２磁性構造体の一例を説明するための断面図である。

図８を参照すれば、第２磁性構造体ＭＳ２はトンネルバリアーＴＢＲと下部電極ＢＥとの間に順に積層された第２分極強化層（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｌａｙｅｒ）１４０、第２交換結合層１６０、及び第２垂直磁性層１７０を含む。第２磁性構造体ＭＳ２は下部電極ＢＥと第２垂直磁性層１７０との間のシード層１８０、及び第２分極強化層１４０と第２交換結合層１６０との間の非磁性金属層１５０をさらに含む。本実施形態による第２磁性構造体ＭＳ２は、図４を参照して説明した、第１類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ１の一部を構成する自由層ＦＲＬを含む多層の磁性構造体である。

具体的に、第２分極強化層１４０はトンネルバリアーＴＢＲと下部電極ＢＥとの間に配置され、第２垂直磁性層１７０は第２分極強化層１４０と下部電極ＢＥとの間に配置される。第２交換結合層１６０は第２分極強化層１４０と第２垂直磁性層１７０との間に配置される。シード層１８０は第２垂直磁性層１７０と下部電極ＢＥとの間に配置され、非磁性金属層１５０は第２分極強化層１４０と第２交換結合層１６０との間に配置される。第２分極強化層１４０及び第２垂直磁性層１７０の各々は基板１００の上面と実質的に垂直である磁化方向を有する。

第２分極強化層１４０は磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を高めるために採用される。第２分極強化層１４０は磁性物質を含む。一例として、第２分極強化層１４０はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、４族元素の中の少なくとも１つをさらに含む。第２分極強化層１４０は、図７を参照して説明した、第１分極強化層１１０と同一の物質を含む。一例として、第２分極強化層１４０はコバルト鉄炭素（ＣｏＦｅＣ）を含む。この場合、第２分極強化層１４０は（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ}Ｃ_ｚを含み、ここで、ｘは約０％より大きく、約５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚは約２％乃至約８％である。第２分極強化層１４０はホウ素（Ｂ）をさらに含む。一例として、第２分極強化層１４０はコバルト鉄炭素ホウ素（ＣｏＦｅＣＢ）を含む。この場合、第２分極強化層１４０は（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ－ａ}Ｃ_ｚＢ_ａを含み、ここで、ｘは約０％より大きく、約５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚ＋ａは約２％乃至約８％である。

第２分極強化層１４０はトンネルバリアーＴＢＲの下面に直接接し、非磁性金属層１５０の上面に直接接する。トンネルバリアーＴＢＲ、第２分極強化層１４０、及び非磁性金属層１５０は結晶構造を有しており、一例として、トンネルバリアーＴＢＲ、第２分極強化層１４０、及び非磁性金属層１５０は多結晶構造を有している。一例として、トンネルバリアーＴＢＲ及び非磁性金属層１５０はＮａＣｌ型結晶構造を有し、第２分極強化層１４０はＮａＣｌ型結晶構造と格子配置が類似なＢＣＴ（Ｂｏｄｙ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）結晶構造を有する。第２分極強化層１４０の（１００）結晶面は非磁性金属層１５０の（１００）結晶面及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である。一実施形態によれば、第２分極強化層１４０、トンネルバリアーＴＢＲ、及び非磁性金属層１５０の（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。第２分極強化層１４０の（１００）結晶面及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面は互いに接して界面をなし、第２分極強化層１４０とトンネルバリアーＴＢＲの界面における結晶面の整合は磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

第２分極強化層１４０はこれに隣接する磁性層（一例として、第２垂直磁性層１７０）内の磁性元素（一例として、Ｐｔ）が第２分極強化層１４０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散することを最小化することができる。一例として、磁気トンネル接合ＭＴＪ上に後続の熱処理工程が遂行されると、熱処理工程の間に第２分極強化層１４０に隣接する磁性層内の磁性元素が第２分極強化層１４０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散され得る。一例として、第２分極強化層１４０がＣｏＦｅＣを含む場合、熱処理工程の間に炭素（Ｃ）が第２分極強化層１４０内の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に偏析され、これにしたがって、磁性元素が第２分極強化層１４０とトンネルバリアーＴＢＲとの間の界面に拡散することを最小化することができる。したがって、磁気トンネル接合ＭＴＪのトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

第２分極強化層１４０は正方晶変形された（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）形態の結晶構造を有する。一例として、第２分極強化層１４０がＣｏＦｅＣを含む場合、ＣｏＦｅに結合された炭素（Ｃ）によってＣｏＦｅ結晶構造（一例として、ＢＣＣ結晶構造）の正方晶変形（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を誘導することができる。一例として、第２分極強化層１４０はＢＣＴ結晶構造を有する。炭素（Ｃ）によって誘導された正方晶変形は第２分極強化層１４０の垂直磁気異方性を向上させることができる。

非磁性金属層１５０は第２分極強化層１４０の結晶成長を容易にするために採用される。一例として、非磁性金属層１５０の（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。非磁性金属層１５０の上面上に第２分極強化層１４０を蒸着する場合、第２分極強化層１４０は非磁性金属層１５０の（１００）結晶面と平行である（１００）結晶面を有する結晶構造を有するように蒸着される。トンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面も基板１００の上面と実質的に平行である。したがって、磁気トンネル接合ＭＴＪ上で遂行される後続の熱処理工程が３００℃以下の低温で遂行される場合でも、第２分極強化層１４０の（１００）結晶面はトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である状態を容易に維持することができる。

非磁性金属層１５０はマグネシウム（Ｍｇ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、マグネシウム－亜鉛（ＭｇＺｎ）酸化物、マグネシウム－ホウ素（ＭｇＢ）酸化物、チタン（Ｔｉ）窒化物、及びバナジウム（Ｖ）窒化物の中で少なくとも１つを含む。非磁性金属層１５０はトンネルバリアーＴＢＲと同一の物質を含む。一例として、非磁性金属層１５０は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜である。一実施形態によれば、非磁性金属層１５０の厚さＴ２はトンネルバリアーＴＢＲの厚さＴ１より小さい。

第２交換結合層１６０は非磁性金属物質を含む。非磁性金属物質は、一例として、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、及びこれらの合金の中の少なくとも１つである。第２分極強化層１４０は第２交換結合層１６０によって第２垂直磁性層１７０と交換結合され、これにしたがって、第２分極強化層１４０は第２垂直磁性層１７０の磁化方向に平行である垂直磁化を有する。本実施形態によれば、第２分極強化層１４０及び第２垂直磁性層１７０の各々は変更可能な磁化方向を有する。一部の実施形態によれば、第２交換結合層１６０は省略することができる。

第２垂直磁性層１７０は、内在的垂直磁化特性を有する磁性物質（以下、垂直磁性物質）で形成される。内在的垂直磁化特性はコバルトを含む垂直磁性物質の中の少なくとも１つを含む単層又は多層構造を通じて具現することができる。一部の実施形態では、第２垂直磁性層１７０はコバルト白金の合金又は成分Ｘを含むコバルト白金の合金（ここで、成分Ｘはホウ素、ルテニウム、クロム、タンタル、又は酸化物の中の少なくとも１つ）を含む単層又は多層構造である。他の実施形態では、第２垂直磁性層１７０は、交互にそして反復的に積層されたコバルト含有膜及び貴金属膜を含む、多層膜構造として提供することができる。この場合、コバルト含有膜はコバルト、コバルト鉄、コバルトニッケル、及びコバルトクロムの中の１つで形成され、貴金属膜は白金及びパラジウムの中の１つで形成される。その他の実施形態では、第２垂直磁性層１７０は上述した実施形態による薄膜を各々１つずつ含む多層膜構造として提供される。

シード層１８０は磁気トンネル接合ＭＴＪを構成する磁性層の結晶成長に役に立つ物質を含む。一実施形態によれば、シード層１８０は稠密六方格子（ＨＣＰ）を構成する金属原子を含む。一例として、シード層１８０はルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、及び／又はタンタル（Ｔａ）を含む。しかし、他の実施形態によれば、シード層１８０は面心立方格子（ＦＣＣ）を構成する金属原子を含んでもよい。一例として、シード層１８０は白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中で少なくとも１つを含んでもよい。シード層１８０は単一の層又は互に異なる結晶構造を有する複数の層を含んでもよい。

図９は本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第１磁性構造体の他の例を説明するための断面図である。

図９を参照すれば、第１磁性構造体ＭＳ１はトンネルバリアーＴＢＲと上部電極ＴＥとの間に順に積層された第２分極強化層（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｌａｙｅｒ）１４０、第２交換結合層１６０、及び第２垂直磁性層１７０を含む。第１磁性構造体ＭＳ１は上部電極ＴＥと第２垂直磁性層１７０との間のサブ層１９０をさらに含む。本実施形態による第１磁性構造体ＭＳ１は、図５を参照して説明した、第２類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ２の一部を構成する自由層ＦＲＬを含む多層の磁性構造体である。

具体的に、第２分極強化層１４０はトンネルバリアーＴＢＲと上部電極ＴＥとの間に配置され、第２垂直磁性層１７０は第２分極強化層１４０と上部電極ＴＥとの間に配置される。第２交換結合層１６０は第２分極強化層１４０と第２垂直磁性層１７０との間に配置される。サブ層１９０は上部電極ＴＥと第２垂直磁性層１７０との間に配置される。第２分極強化層１４０及び第２垂直磁性層１７０の各々は基板１００の上面と実質的に垂直である磁化方向を有する。

第２分極強化層１４０はトンネルバリアーＴＢＲの上面に直接接する。トンネルバリアーＴＢＲ及び第２分極強化層１４０は結晶構造を有しており、一例として、トンネルバリアーＴＢＲ及び第２分極強化層１４０は多結晶構造を有している。一例として、トンネルバリアーＴＢＲはＮａＣｌ型結晶構造を有し、第２分極強化層１４０はＢＣＴ結晶構造を有する。第２分極強化層１４０の（１００）結晶面はトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である。一実施形態によれば、第２分極強化層１４０及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。

第２分極強化層１４０は第２交換結合層１６０によって第２垂直磁性層１７０と交換結合され、これにしたがって、第２分極強化層１４０は第２垂直磁性層１７０の磁化方向に平行である垂直磁化を有する。本実施形態によれば、第２分極強化層１４０及び第２垂直磁性層１７０の各々は変更可能な磁化方向を有する。一部の実施形態によれば、第２交換結合層１６０は省略することができる。

第２分極強化層１４０、第２交換結合層１６０、及び第２垂直磁性層１７０はその位置的差異を除いては、図８を参照して説明した第２分極強化層１４０、第２交換結合層１６０、及び第２垂直磁性層１７０と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態によれば、サブ層１９０は第２垂直磁性層１７０が基板１００の上面と垂直である磁化を有することを助ける。サブ層１９０はマグネシウム（Ｍｇ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、マグネシウム－亜鉛（ＭｇＺｎ）酸化物、マグネシウム－ホウ素（ＭｇＢ）酸化物、チタン（Ｔｉ）窒化物、及びバナジウム（Ｖ）窒化物の中で少なくとも１つを含む。サブ層１９０はトンネルバリアーＴＢＲと同一の物質を含む。一例として、サブ層１９０は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜であり得る。サブ層１９０の厚さＴ３はトンネルバリアーＴＢＲの厚さＴ１より小さい。

図１０は本発明の実施形態による磁気トンネル接合の一部を構成する第２磁性構造体の他の例を説明するための断面図である。

図１０を参照すれば、第２磁性構造体ＭＳ２はトンネルバリアーＴＢＲと下部電極ＢＥとの間に順に積層された第１分極強化層１１０、第１交換結合層１２０、及び第１垂直磁性層１３０を含む。第２磁性構造体ＭＳ２は下部電極ＢＥと第１垂直磁性層１３０との間のシード層１８０、及び第１分極強化層１１０と第１交換結合層１２０との間の非磁性金属層１５０をさらに含む。本実施形態による第２磁性構造体ＭＳ２は、図５を参照して説明した、第２類型の磁気トンネル接合ＭＴＪ２の一部を構成する固定層ＰＮＬを含む多層の磁性構造体である。

具体的に、第１分極強化層１１０はトンネルバリアーＴＢＲと下部電極ＢＥとの間に配置され、第１垂直磁性層１３０は第１分極強化層１１０と下部電極ＢＥとの間に配置される。第１交換結合層１２０は第１分極強化層１１０と第１垂直磁性層１３０との間に配置され、非磁性金属層１５０は第１分極強化層１１０と第１交換結合層１２０との間に配置される。シード層１８０は下部電極ＢＥと第１垂直磁性層１３０との間に配置される。第１分極強化層１１０及び第１垂直磁性層１３０の各々は基板１００の上面と実質的に垂直である磁化方向を有する。

第１分極強化層１１０はトンネルバリアーＴＢＲの下面に直接接し、非磁性金属層１５０の上面に直接接する。トンネルバリアーＴＢＲ、第１分極強化層１１０、及び非磁性金属層１５０は結晶構造を有しており、一例として、トンネルバリアーＴＢＲ、第１分極強化層１１０、及び非磁性金属層１５０は多結晶構造を有している。一例として、トンネルバリアーＴＢＲ及び非磁性金属層１５０はＮａＣｌ型結晶構造を有し、第１分極強化層１１０はＢＣＴ結晶構造を有する。第１分極強化層１１０の（１００）結晶面は非磁性金属層１５０の（１００）結晶面及びトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である。一実施形態によれば、第１分極強化層１１０、トンネルバリアーＴＢＲ、及び非磁性金属層１５０の（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。

非磁性金属層１５０は第１分極強化層１１０の結晶成長を容易にするために採用される。一例として、非磁性金属層１５０の（１００）結晶面は基板１００の上面と実質的に平行である。非磁性金属層１５０の上面上に第１分極強化層１１０が蒸着される場合、第１分極強化層１１０は非磁性金属層１５０の（１００）結晶面と平行である（１００）結晶面を有する結晶構造を有するように蒸着される。トンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面も基板１００の上面と実質的に平行である。したがって、磁気トンネル接合ＭＴＪ上で遂行される後続の熱処理工程が３００℃以下の低温で遂行される場合でも、第１分極強化層１１０の（１００）結晶面はトンネルバリアーＴＢＲの（１００）結晶面と平行である状態を容易に維持する。非磁性金属層１５０の厚さＴ２はトンネルバリアーＴＢＲの厚さＴ１より小さい。

第１分極強化層１１０は第１交換結合層１２０によって第１垂直磁性層１３０と交換結合され、これにしたがって、第１分極強化層１１０の磁化方向は第１垂直磁性層１３０の磁化方向と同一である。本実施形態によれば、第１分極強化層１１０及び第１垂直磁性層１３０の各々は一方向に固定された磁化方向を有する。

第１分極強化層１１０、第１交換結合層１２０、及び第１垂直磁性層１３０はその位置的差異を除いては、図７を参照して説明した第１分極強化層１１０、第１交換結合層１２０、及び第１垂直磁性層１３０と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。さらに、非磁性金属層１５０及びシード層１８０もその位置的差異を除いては、図８を参照して説明した非磁性金属層１５０及びシード層１８０と実質的に同一である。

本発明の概念によれば、磁気トンネル接合はトンネルバリアーの一面に接する分極強化層を含む。分極強化層はコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含み、４族元素の中の少なくとも１つをさらに含む。

分極強化層は蒸着の時、トンネルバリアーの（１００）結晶面と平行である（１００）結晶面を有する結晶構造である。したがって、磁気トンネル接合上で遂行される後続の熱処理工程が３００℃以下の低温で遂行される場合でも、分極強化層の（１００）結晶面はトンネルバリアーの（１００）結晶面と平行である状態を容易に維持することができる。分極強化層の（１００）結晶面及びトンネルバリアーの（１００）結晶面は互いに接して界面をなし、分極強化層とトンネルバリアーとの界面で結晶面の整合は磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

また、熱処理工程の間に、分極強化層内の４族元素の中の少なくとも１つが分極強化層内の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に偏析することができる。したがって、熱処理工程の間に磁気トンネル接合を構成する磁性層内の磁性元素が分極強化層とトンネルバリアーとの界面に拡散することが最少化されて、磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗を向上させることができる。

さらに、分極強化層は４族元素の中の少なくとも１つによって誘導された正方晶変形された形態の結晶構造を有することができる。したがって、分極強化層の垂直磁気異方性を向上させることができる。

したがって、優れた信頼性を有する磁気記憶素子を提供することができる。

図１１及び図１２は本発明の実施形態による半導体装置を含む電子装置を図式的に説明するための図面である。

図１１を参照すれば、本発明の実施形態による半導体装置を含む電子装置１３００はＰＤＡ、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）コンピュータ、携帯用コンピュータ、ウェブタブレット（ｗｅｂ ｔａｂｌｅｔ）、無線電話機、携帯電話、デジタル音楽再生器（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｓｉｃ ｐｌａｙｅｒ）、有無線電子機器、又はこれらの中の少なくとも２つを含む複合電子装置の中の１つである。電子装置１３００はバス１３５０を通じて互いに結合した制御器１３１０、キーパッド、キーボード、画面（ｄｉｓｐｌａｙ）のような入出力装置１３２０、メモリ１３３０、無線インターフェイス１３４０を含む。制御器１３１０は、例えば１つ以上のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、又はこれと類似のものを含むことができる。メモリ１３３０は、例えば制御器１３１０によって実行される命令語を格納するのに使用される。メモリ１３３０は使用者データを格納するのに使用され、上述した本発明の実施形態による半導体装置を含むことができる。電子装置１３００はＲＦ信号を用いて無線通信ネットワークにデータを伝送するか、或いはネットワークからデータを受信するために無線インターフェイス１３４０を使用する。例えば、無線インターフェイス１３４０はアンテナ、無線トランシーバー等を含む。電子装置１３００は、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、ＮＡＤＣ、Ｅ－ＴＤＭＡ、ＷＣＤＭＡ（登録商標）、ＣＤＭＡ２０００、Ｗｉ－Ｆｉ、ＭｕｎｉＷｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＤＥＣＴ、ＷｉｒｅｌｅｓｓＵＳＢ、Ｆｌａｓｈ－ＯＦＤＭ、ＩＥＥＥ８０２．２０、ＧＰＲＳ、ｉＢｕｒｓｔ、ＷｉＢｒｏ、ＷｉＭＡＸ、ＷｉＭＡＸ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、ＵＭＴＳ－ＴＤＤ、ＨＳＰＡ、ＥＶＤＯ、ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、ＭＭＤＳ等のような通信システムの通信インターフェイスプロトコルを具現するのに利用され得る。

図１２を参照すれば、本発明の実施形態による半導体装置は、メモリシステム（ｍｅｍｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）を具現するために使用される。メモリシステム１４００は大容量のデータを格納するためのメモリ素子１４１０及びメモリコントローラ１４２０を含む。メモリコントローラ１４２０はホスト１４３０の読出し／書込み要請に応答してメモリ素子１４１０から格納されたデータを読み出す又は書き込むようにメモリ素子１４１０を制御する。メモリコントローラ１４２０は、ホスト１４３０、例えばモバイル機器又はコンピュータシステムから提供されるアドレスをメモリ素子１４１０の物理的なアドレスにマッピングするためのアドレスマッピングテーブル（Ａｄｄｒｅｓｓ ｍａｐｐｉｎｇ ｔａｂｌｅ）を構成する。メモリ素子１４１０は上述した本発明の実施形態による半導体装置を含む。

上述された実施形態で開示された半導体装置は多様な形態の半導体パッケージ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｅ）で具現されることができる。例えば、本発明の実施形態による半導体装置はＰｏＰ（Ｐａｃｋａｇｅ ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ）、Ｂａｌｌ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙｓ（ＢＧＡｓ）、Ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ ｐａｃｋａｇｅｓ（ＣＳＰｓ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｌｅａｄｅｄ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ（ＰＬＣＣ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｕａｌ Ｉｎ－Ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＰＤＩＰ）、Ｄｉｅ ｉｎ Ｗａｆｆｌｅ Ｐａｃｋ、Ｄｉｅ ｉｎ Ｗａｆｅｒ Ｆｏｒｍ、Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）、Ｃｅｒａｍｉｃ Ｄｕａｌ Ｉｎ－Ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＣＥＲＤＩＰ）、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍｅｔｒｉｃ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋ（ＭＱＦＰ）、Ｔｈｉｎ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔｐａｃｋ（ＴＱＦＰ）、Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＳＯＩＣ）、Ｓｈｒｉｎｋ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳＳＯＰ）、Ｔｈｉｎ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＴＳＯＰ）、Ｔｈｉｎ Ｑｕａｄ Ｆｌａｔｐａｃｋ（ＴＱＦＰ）、Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳＩＰ）、Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ（ＭＣＰ）、Ｗａｆｅｒ－ｌｅｖｅｌ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ（ＷＦＰ）、Ｗａｆｅｒ－Ｌｅｖｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｓｔａｃｋ Ｐａｃｋａｇｅ（ＷＳＰ）等の方式にパッケージングされることができる。

本発明の実施形態による半導体装置が実装されたパッケージは、半導体装置を制御するコントローラ及び／又は論理素子等をさらに含んでもよい。

本発明の実施形態に対する上記説明は本発明を説明するための例示を提供している。したがって、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で当該技術分野の通常の知識を有する者によって上記の実施形態を組み合わせて実施する等、様々な多くの修正及び変更が可能であることは明らかである。

ＭＴＪ、ＭＴＪ１、ＭＴＪ２ 磁気トンネル接合
１００ 基板
ＭＳ１ 第１磁性構造体
ＭＳ２ 第２磁性構造体
ＴＢＲ トンネルバリアー
ＢＥ 下部電極
ＴＥ 上部電極
１０２ 第１誘電膜
１０４ 下部コンタクトプラグ
１０８ 第２誘電膜
１０６ 上部コンタクトプラグ
１０９ 配線
１１０、１４０ 分極強化層
１２０、１６０ 交換結合層
１３０、１７０ 垂直磁性層
１５０ 非磁性金属層
１８０ シード層
１９０ サブ層

Claims (12)

1. 第１面を含む第１磁性構造体と、
   第２面を含む第２磁性構造体と、
   前記第１磁性構造体の前記第１面及び前記第２磁性構造体の前記第２面の間のトンネルバリアーと、を含み、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、
   垂直磁性層と、
   前記トンネルバリアーと前記垂直磁性層との間に介在する分極強化層と、を含み、
   前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの結晶面と平行である結晶面と有する正方晶変形された形態の結晶構造を有するコバルト鉄炭素層を含み、
   前記分極強化層は、前記第１面及び前記第２面の中の少なくとも１つと垂直であり、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、前記分極強化層と前記垂直磁性層との間に交換結合層をさらに含み、
   前記第１磁性構造体を介して前記トンネルバリアーから離隔される第１電極をさらに含み、
   前記第１磁性構造体は、前記分極強化層、前記交換結合層、前記垂直磁性層、及び前記垂直磁性層と前記第１電極との間の上部非磁性層を含み、
   前記トンネルバリアーは、一面を含み、前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの前記一面に直接接し、
   前記上部非磁性層は、前記トンネルバリアーと同一の物質を含む、磁化方向を有する磁気記憶素子。
2. 第１面を含む第１磁性構造体と、
   第２面を含む第２磁性構造体と、
   前記第１磁性構造体の前記第１面及び前記第２磁性構造体の前記第２面の間のトンネルバリアーと、を含み、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、
   垂直磁性層と、
   前記トンネルバリアーと前記垂直磁性層との間に介在する分極強化層と、を含み、
   前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの結晶面と平行である結晶面と有する正方晶変形された形態の結晶構造を有するコバルト鉄炭素層を含み、
   前記分極強化層は、前記第１面及び前記第２面の中の少なくとも１つと垂直であり、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、前記分極強化層と前記垂直磁性層との間に交換結合層をさらに含み、
   前記第２磁性構造体を介して前記トンネルバリアーから離隔される基板と、
   前記基板と前記第２磁性構造体との間の第２電極と、をさらに含み、
   前記第２磁性構造体は、前記分極強化層、前記交換結合層、前記垂直磁性層、及び前記分極強化層と前記交換結合層との間の非磁性金属層と、を含み、
   前記トンネルバリアーは、一面を含み、前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの前記一面に直接接する、磁化方向を有する磁気記憶素子。
3. 前記分極強化層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ}Ｃ_ｚを含み、
   ここで、ｘは０％より大きく、５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚは２％乃至８％である請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
4. 前記分極強化層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ－ａ}Ｃ_ｚＢ_ａを含み、
   ここで、ｘは０％より大きく、５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚ＋ａは２％乃至８％である請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
5. 前記トンネルバリアー及び前記分極強化層は、（１００）結晶面を含み、
   前記分極強化層の（１００）結晶面は、前記トンネルバリアーの（１００）結晶面と平行である請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
6. 前記分極強化層は、正方晶変形された（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）形態の結晶構造を有する請求項５に記載の磁気記憶素子。
7. 前記垂直磁性層は、前記第１面及び前記第２面の中の少なくとも１つに垂直であり、変更可能な磁化方向を有する少なくとも１つの磁性層を含み、
   前記分極強化層の前記磁化方向は、前記垂直磁性層の前記磁化方向と並行に変更可能である請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
8. 第１磁性構造体と、
   第２磁性構造体と、
   前記第１磁性構造体と前記第２磁性構造体との間のトンネルバリアーと、を含み、
   前記第１磁性構造体、前記第２磁性構造体、及び前記トンネルバリアーは、第１方向に整列され、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、
   垂直磁性層と、
   前記トンネルバリアーと前記垂直磁性層との間に介在する分極強化層と、を含み、
   前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの結晶面と平行である結晶面と有する正方晶変形された形態の結晶構造を有するコバルト鉄炭素層を含み、
   前記分極強化層は、前記第１方向に平行であるか、或いは反平行の磁化方向を有し、
   前記第１磁性構造体を介して前記トンネルバリアーから離隔される第１電極をさらに含み、
   前記第１磁性構造体は、前記分極強化層、前記垂直磁性層、前記分極強化層と前記垂直磁性層との間の交換結合層、及び前記垂直磁性層と前記第１電極との間の上部非磁性層を含み、
   前記トンネルバリアーは、一面を含み、前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの前記一面に直接接し、
   前記上部非磁性層は、前記トンネルバリアーと同一の物質を含む、磁気記憶素子。
9. 第１磁性構造体と、
   第２磁性構造体と、
   前記第１磁性構造体と前記第２磁性構造体との間のトンネルバリアーと、を含み、
   前記第１磁性構造体、前記第２磁性構造体、及び前記トンネルバリアーは、第１方向に整列され、
   前記第１磁性構造体及び前記第２磁性構造体の中の少なくとも１つは、
   垂直磁性層と、
   前記トンネルバリアーと前記垂直磁性層との間に介在する分極強化層と、を含み、
   前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの結晶面と平行である結晶面と有する正方晶変形された形態の結晶構造を有するコバルト鉄炭素層を含み、
   前記分極強化層は、前記第１方向に平行であるか、或いは反平行の磁化方向を有し、
   前記第２磁性構造体を介して前記トンネルバリアーから離隔される基板と、
   前記基板と前記第２磁性構造体との間の第２電極と、をさらに含み、
   前記第２磁性構造体は、前記分極強化層、前記垂直磁性層、前記分極強化層と前記垂直磁性層との間の交換結合層、及び前記分極強化層と前記交換結合層との間の非磁性金属層を含み、
   前記トンネルバリアーは、一面を含み、前記分極強化層は、前記トンネルバリアーの前記一面に直接接する、磁気記憶素子。
10. 前記分極強化層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ}Ｃ_ｚを含み、
    ここで、ｘは０％より大きく、５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚは２％乃至８％である請求項８または９に記載の磁気記憶素子。
11. 前記分極強化層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００－ｘ}）_{１００－ｚ－ａ}Ｃ_ｚＢ_ａを含み、
    ここで、ｘは０％より大きく、５０％より小さいか、或いは同一であり、ｚ＋ａは２％乃至８％である請求項８または９に記載の磁気記憶素子。
12. 前記垂直磁性層は、前記第１方向に平行であるか、或いは反並行に変更可能な磁化方向を有し、
    前記分極強化層の磁化方向は、前記垂直磁性層の磁化方向と並行に変更可能である請求項８または９に記載の磁気記憶素子。

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