(57)【要約】  構造が単純であり、結晶の大きさや構造に拘らなく、磁化連結が可能でありながらも厚さが薄いバッファ層を有する磁気素子が提供される。本発明の第１実施形態による磁気トンネル接合素子は可変方向に磁化を有し得る自由層、固定された方向に磁化を有する固定層、及び自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜を含み、固定層は磁性体膜及び非晶質金属膜が含む。また、本発明の第２実施形態による磁気素子は非晶質又はナノクリスタル物質層、及び非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層を含む。非晶質又はナノクリスタル物質層は予め設定された非晶質物質又はナノクリスタル物質の層として下部層の上に形成され、垂直磁気異方性物質層は非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成される。
2014505375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変方向に磁化を有し得る自由層と、
固定された方向に磁化を有する固定層と、
前記自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、を含み、
前記固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む、磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記非晶質金属膜の結晶化温度は前記強磁性体膜より高い、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記非晶質金属膜の結晶化温度は前記強磁性体膜及び前記トンネル絶縁膜より高い、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記非晶質金属膜は磁性体である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記固定層は前記強磁性体膜の間に前記非晶質金属膜が形成されている積層構造である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記非晶質金属膜はＦｅＺｒを含む、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記磁気トンネル接合素子は前記固定層の下部に反強磁性体層をさらに含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
下部層と、
前記下部層上に形成され、予め設定された非晶質又はナノクリスタル物質層と、
前記非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層と、を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
前記非晶質物質及びナノクリスタル物質は前記垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高い物質であることを特徴とする、請求項８に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記非晶質物質は非晶質金属であることを特徴とする、請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記非晶質金属はＦｅＺｒであることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
前記ＦｅＺｒの組成比は前記垂直異方性物質層での目的とする垂直異方性の大きさに従って予め設定されることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１３】
前記ＦｅＺｒ層の厚さは前記垂直異方性物質層での目的とする垂直異方性の大きさに従って予め設定されることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１４】
前記ＦｅＺｒ層の厚さは０．６ｎｍから２．０ｎｍであることを特徴とする、請求項１３に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１５】
前記垂直磁気異方性物質はＣｏＦｅＢであることを特徴とする、請求項８に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１６】
前記ＣｏＦｅＢ層の厚さは０．７ｎｍから１．６ｎｍであることを特徴とする、請求項１５に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１７】
前記下部層は垂直磁気異方性物質層であることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１８】
前記下部層は反強磁性物質層を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合素子に関し、より詳細には非結晶質金属膜がさらに含まれた固定層を含む磁気トンネル接合素子、及び垂直磁気異方性物質を利用する微細磁気素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年代の中盤からスピントロニクス（ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ）の応用分野に産業的な応用可能性が集中されている。ここで、スピントロニクスというのは‘スピン（ｓｐｉｎ）＋エレクトロニクス（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）’の合成語である。即ち、現在の電子工学は電子の２つの性質の中で１つである‘電荷’を利用する技術のみを研究したが、電子の他の性質である‘スピン’を利用して新しい機能を有する素子を開発しようとしている。
【０００３】
電子のスピンを利用する最も良い方法は強磁性体（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）を利用することである。特に、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）構造を利用する磁気トンネル接合素子（Ｍａｇｅｎｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）の場合、その応用可能分野が広いので、最近になってさらに注目を浴びている。
【０００４】
ここで、ＴＭＲ構造というのは強磁性体−絶縁膜−強磁性体構造を称することであって、磁気トンネル接合素子は量子力学のトンネルリング電流が磁性体の磁化方向に影響を受ける効果を利用してデータを格納する手段として活用することができることである。ここで、データの格納手段として使用することができる原理は磁気抵抗（ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）特性のために、これは２つの強磁性体の配列に従って抵抗が変わる特性を意味する。
【０００５】
即ち、２つの強磁性体の磁化方向が平行になる場合、トンネルリング電流は最大になり、反平行になる場合には最小になる。強磁性体はスピン方向に従って互に異なる電子密度を有する。
【０００６】
強磁性体のフェルミ準位に在る電子が絶縁膜を通過する時、第２番目の強磁性体が第１番目の強磁性体と同一の方向に磁化されていれば、２つの強磁性体が持ちやすいスピン方向が一致するので、電子が容易に移動するが、強磁性体が互いに反対方向に配列されていれば、トンネルリング電子のスキャタリングが発生するので、抵抗が大きくなる特性を有するようになる。
【０００７】
この時、トンネルリング絶縁膜は高い磁気抵抗比（ＭＲ比）を得ることができる材料が選択されるほど良いが、このために最近新しい絶縁膜としてＭｇＯが注目を浴びている。
【０００８】
また、高いＭＲ比と共に、磁気抵抗の均一性（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）も磁気トンネル接合素子の特性を決定する重要な要素であるが、このためには各々の膜の厚さを均一に形成することが重要であり、特に、熱処理工程の時、トンネル絶縁膜の厚さを平坦に形成することが重要である。
【０００９】
しかし、従来の磁気トンネル接合素子の場合には磁気抵抗の均一性に多くの問題があると報告されている。即ち、熱処理工程の遂行の際にトンネル絶縁膜の下部構造物によって、トンネル絶縁膜の平坦度が悪くなる問題点が発生する。
【００１０】
熱処理工程はトンネル絶縁膜及び強磁性体を結晶化することによって、磁性体の特性を向上するための必須的な工程である。しかし、トンネル絶縁膜の下部構造物が結晶化されながら、下部構造物が荒くなるが（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）、下部構造物の上部に形成されたトンネル絶縁膜がこれに影響を受けて平坦度が悪くなる。結局、従来の構造によれば、同一のウエハー上に形成されても、各々の磁気トンネル接合素子の特性が各々異なるようになるので、磁気抵抗の均一性を確保することができない。
【００１１】
また、従来の磁気トンネル接合素子は熱処理工程遂行の時、トンネル絶縁膜が下部構造物によって汚染されることができる問題点がある。特に、例えば、反強磁性層（ＡＦＭ）の材料として使用されるＰｔＭｎ又はＩｒＭｎの場合、熱処理過程でＭｎ粒子がトンネル絶縁膜の方へ拡散しながら、トンネル絶縁膜の界面に位置するようになってトンネル絶縁膜を汚染するようになる。この場合、トンネル絶縁膜は平坦度が悪くなり、結局磁気抵抗の均一性に悪影響を及ぼす。
【００１２】
従って、トンネル絶縁膜の下部構造物を形成の時、均一性を改善することができる新しい構造の磁気トンネル接合素子を必要とする。
【００１３】
また、従来には磁性物質で垂直異方性を具現するために単原子物質構造をバッファとして使用するか、或いは結晶質物質をバッファとして活用した。その結果、垂直異方性を有するグレイン（ｇｒａｉｎ）が数マイクロメータの単位に形成されて垂直磁気を利用するＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ−ＭＲＡＭ）で数十ナノメータ大きさのメモリセルを形成させる場合、セルが粒界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）に形成される時、不良セルが発生する可能性が高くなる。
【００１４】
また、従来の垂直磁気異方性の制御技術においては垂直磁気異方性を制御するために垂直磁気異方性を有する物質の格子定数と結晶方向にぴったりなバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の組合が必須要素であった。
【００１５】
しかし、この場合、多くのバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の使用によって、バッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）全体の厚さが厚くなり、結晶の大きさが合う特定な物質のみが使用できるようになり、様々なバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の使用によって多様な工程の上の問題点が発生した。
【００１６】
また、下部に固定層（Ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）として使用可能であるＦｅＰｔやＦｅＰｄのようなＬ１０構造にオーダリング（ｏｒｄｅｒｉｎｇ）された物質の上で成膜が不可能であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は前述したような問題点を解決するために熱処理工程の時に、発生し得るトンネル絶縁膜の不均一性を改善して磁気トンネル接合素子の特性を改善することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は構造が単純であり、結晶の大きさや構造に拘らなく、磁気的結合が可能でありながらも厚さが薄いバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を有する磁気素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前述したような目的を達成するために、本発明の１実施形態による磁気トンネル接合素子は、可変方向に磁化を有し得る自由層、固定された方向に磁化を有する固定層、及び前記自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、を含み、固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む。
【００２０】
また、本発明の第２実施形態による磁気トンネル接合素子は非晶質又はナノクリスタル物質層、及び非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層を含む。非晶質又はナノクリスタル物質層は予め設定された非晶質物質又はナノクリスタル物質層として下部層の上に形成され、垂直磁気異方性物質層は非晶質又はクリスタル物質層上に形成される。
【００２１】
このように、基板又は基板上に形成された様々な層の構造を有する下部層の上に垂直磁気異方性物質を形成するためのバッファとして、非晶質物質又はナノクリスタル物質を採用することによって、構造が単純でありながらも結晶の大きさや構造に拘らないバッファを具現することができる。ここで、バッファは垂直異方性物質の直ちに下部に置かれる層（反対に積む場合には上部層）を意味する。
【００２２】
この時、非晶質バッファ物質は垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高いことが望ましい。このように、非晶質バッファ物質の結晶化温度が垂直磁気異方性物質の結晶化温度より高い場合、垂直磁気異方性物質は結晶化され、垂直異方性を現しても隣接するバッファ層は結晶化が進行されなかったまま、非晶質状態を維持して非晶質バッファ役割を遂行する。
【００２３】
また、非晶質物質は非晶質金属であり、特にＦｅＺｒであり得る。このように非晶質物質を非晶質金属として採用する場合、バッファを通じて垂直磁気異方性物質層に電気伝導が容易になる。
【００２４】
下部層は垂直磁気異方性物質層であり得る。このような構成によって、非晶質金属層下部及び上部垂直磁気異方性物質層の間のテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になる。
【００２５】
また、下部層は反強磁性物質層を包含することができる。このような構成によって、上層の垂直磁気異方性物質層を固定層として使用するスピンバルブ構造が可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の第１実施形態に従って磁気トンネル接合素子を製造する場合、熱処理工程の時、発生し得るトンネル絶縁膜の不均一性を改善することができ、固定層の下部に形成され得る反強磁性体粒子の拡散を防ぐので、磁気抵抗の均一性を改善することができる。これによって、磁気トンネル接合素子の特性を大きく改善することができる。
【００２７】
また、本発明の第２実施形態によれば、薄い非晶質バッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）にＦｅＺｒ単層を挿入した結果、熱処理の以後にＭｇＯ層に隣接するＣｏＦｅＢ層で垂直磁気異方性が現れることを確認することができる。
【００２８】
また、バッファ層（Ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の厚さが薄いので、積層の後の蝕刻工程で厚いバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の使用による長い蝕刻工程で発生し得る試料の損傷（ｄａｍａｇｅ）を防止することができる。
【００２９】
また、結晶化温度が高い単層物質をバッファ層（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）として使う場合、一般的に垂直磁気異方性にために高温熱処理過程でバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の結晶化による熱処理温度の制限を克服できる。
【００３０】
また、バッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）が非晶質状態であるので、格子常数が異なる垂直磁気異方性物質であっても結晶の大きさに関係なく、バッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）として使用することができる。従って、下部電極のテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）に関係なく、望む垂直磁気異方性を具現することができる。
【００３１】
また、強い垂直磁気異方性を有する固定層（Ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）の上に垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ層（ｌａｙｅｒ）の具現が可能である。
【００３２】
また、本発明の構造は多層薄膜を形成する順序が反対である場合にも同様に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】一般的な磁気トンネル接合素子の構造に対する概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に従って提案された磁気トンネル接合素子の構造を説明するための図面である。
【図３】図１の固定層にＦｅＺｒを包含する場合の効果を説明するための実験データである。
【図４】本発明の第２実施形態による磁気素子の一実施形態の概略的な断面図である。
【図５】図４の構造を有する試料で４００℃熱処理の後の磁化の変化を示すＶＳＭデータを示した図面である。
【図６】本発明の第２実施形態による磁気素子の他の実施形態の概略的な断面図である。
【図７】スピンバルブ構造を含む本発明の第２実施形態による磁気素子一実施形態の概略的な断面図である。
【図８】図４の磁気素子を製造する方法の一実施形態を遂行するための概略的なフローチャートである。
【図９】図４の構造でＣｏＦｅＢの厚さに従う垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。
【図１０】図４の構造でＦｅＺｒの厚さに従う垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下では、本発明の最も望ましい実施形態が説明される。図面において、厚さと間隔は説明を簡単にするために表現され、実際の物理的な厚さに比べて誇張されて図示され得る。本発明を説明することにおいて、本発明の要旨と関係ない公知の構成は省略され得る。
【００３５】
各図面の構成要素に参照番号を付加することにおいて、同一の構成要素に限ってはたとえ他の図面の上に表示されてもできるだけ同一の番号を有するようにしていることに留意しなければならない。
【００３６】
図１は一般的な磁気トンネル接合素子の構造に対する概略図である。一般的に、２つの強磁性層の中で一層は磁化方向が固定される。これを固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ：ＰＬ）と称し、残る１つは外部磁場或いは貫通する電流によって磁化方向が変わる自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ：ＦＬ）と称する。ここで、矢印は磁化方向を示す。示したように、固定層ＰＬは磁化方向が固定されているが、自由層ＦＬは可変方向に磁化が可能である。
【００３７】
一般的に、固定層ＰＬはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等のような反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ：ＡＦＭ）等と共に使用されて自由層ＦＬに比べて磁化方向が変わることが難くなる。反強磁性層（ＡＦＭ）は固定層ＰＬの磁化反転に必要である磁場の領域を自由層ＦＬと完全に分離することによって、実際使用範囲に該当される外部磁場領域では固定層ＰＬの磁化反転が生じなく、自由層ＦＬのみが磁化反転できるようになる。
【００３８】
結局、２つの強磁性層は相対的に平行な磁化方向又は反平行な磁化方向の２つの状態のみが可能であるように磁気トンネル接合素子の層間構造を設計する。結果的に最適のＴＭＲ値を得ることができるのみならず、信号の安定性を高くすることができるようになる。
【００３９】
図２は本発明の第１実施形態によって提案された磁気トンネル接合素子の構造を説明するための図面である。説明を簡単にするために、強磁性体層及び反磁性層を中心に図示した。
【００４０】
先に説明したように、磁気トンネル接合素子は基本的に“強磁性体−絶縁膜−強磁性体”の構造を有し、動作の説明を簡易にするために２つの強磁性体の中で１つは磁化を固定させ、その他の１つは磁化が可変可能するように形成する。便宜上、前者を固定層とし、後者を自由層とし、２つの強磁性体の磁化方向が平行であるか、或いは反平行であるかに従って、トンネルリング電流が異なるので、これをセンシングして記憶素子としての役割を果たすようになる。
【００４１】
ここで、強磁性体を構成する材料としては高いＭＲ比を確保できる物質が望ましく、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢを包含することができる。
【００４２】
本発明の磁気トンネル接合素子は基板（図示せず）の上に可変方向に磁化を有し得る自由層ＦＬ、固定された方向に磁化を有する固定層ＰＬ、及び前記自由層ＦＬと固定層ＰＬとの間に形成されたトンネル絶縁膜を含み、前記固定層ＰＬは磁性体膜ＰＬ＿１、ＰＬ＿２及び非晶質金属膜２１を含む。
【００４３】
ここで、前記非晶質金属膜２１の結晶化温度は前記強磁性体膜ＰＬ＿１、ＰＬ＿２及びトンネル絶縁膜より高いことが望ましい。
【００４４】
また、前記固定層ＰＬの強磁性体膜ＰＬ＿１、非晶質金属膜２１、及び強磁性体膜ＰＬ＿２は積層構造を包含することができる。
【００４５】
本発明は従来のように複合反強磁性構造を有することではなく、固定層ＰＬが“強磁性体ＰＬ＿１−高い結晶化温度を有する非晶質金属膜２１−強磁性体ＰＬ＿２”を含む点で従来の技術と区別される。
【００４６】
本発明のようにトンネル絶縁膜の下部に形成される固定層ＰＬに非晶質金属膜２１をさらに包含することによって、強磁性体ＰＬ＿１と強磁性体ＰＬ＿２とが熱処理工程を通じて結晶化されても、含まれた非晶質金属膜２１によって一定な厚さに成長させることができる。即ち、トンネル絶縁膜下部構造物の粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を大きく減少させることができ、これによって、トンネル絶縁膜を平坦に形成することができるので、磁気抵抗の均一性を大きく向上させることができる。
【００４７】
一方、固定層ＰＬの下部には固定層ＰＬの磁化を固定するために反強磁性層（ＡＦＭ）が形成されることは先に説明されたことと同様である。この場合、熱処理工程の中で反強磁性層（ＡＦＭ）の物質が固定層ＰＬへ拡散してトンネル絶縁膜を汚染し得る。
【００４８】
前記トンネル絶縁膜が汚染される場合、磁気トンネル接合のトンネルリング電流が汚染の程度に従って異なるので、磁気抵抗の均一性（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）が悪くなる。
【００４９】
しかし、本発明のように固定層ＰＬに高い結晶化温度を有する非晶質金属膜２１を包含する場合には前述したような現象を防止することができる。即ち、熱処理工程が進行されても、非晶質金属膜２１の結晶化温度が高いので、非晶質状態を維持し、固定層ＰＬの間に非晶質金属膜２１があるので、反強磁性層（ＡＦＭ）の物質は非晶質金属膜２１を通過することが難くなる。
【００５０】
また、本発明のような非晶質金属膜は磁性体を包含することができる。従って、この場合には微細厚さを調節する必要がない。
【００５１】
従来には磁性体の漂遊磁界（ｓｔｒａｙ  ｆｉｅｌｄ）を遮断するために“強磁性体−Ｒｕ−強磁性体”の複合反強磁性構造（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が使用されたことがある。この場合には挿入層である“Ｒｕ”の厚さを非常に微細に調節しなければならない。
【００５２】
即ち、Ｒｕの厚さによって、磁気結合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の特性が変化しながら、全体の素子の特性が変化する短所があった。従って、熱処理過程でＲｕの拡散によるＲｕの厚さ変化は素子のスイッチング特性の変化をもたらすことがあり得る。
【００５３】
しかし、本発明は磁性体の漂遊磁界（ｓｔｒａｙ  ｆｉｅｌｄ）遮断が主な目的ではなく、先に説明したようにトンネル絶縁膜を平坦に形成することを目的としている。従って、本発明の固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む。望ましくは強磁性体膜の間に非晶質金属膜が形成されている積層構造を包含することができることは先に説明されたことと同様である。
【００５４】
従って、本発明は上述したように微細厚さを調節する必要がない。但し、必要によって非晶質金属膜の厚さを強磁性体膜ＰＬ＿１、ＰＬ＿２の厚さぐらい或いはそれ以上まで厚く形成が可能である。この場合、トンネル絶縁膜の平坦度が改善されると共に下部に形成された反強磁性層（ＡＦＭ）物質の拡散を遮断させることができる効果がある。
【００５５】
例として説明すれば、次の通りである。先に説明したように磁気トンネル接合素子の強磁性層材料にＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢが使用され得る。そして、固定層ＰＬの磁化を固定する反強磁性層（ＡＦＭ）の材料としてはＰｔＭｎ又はＩｒＭｎが使用され得る。
【００５６】
説明を簡単にするために、強磁性層としてＣｏＦｅＢを、反強磁性層の材料としてＩｒＭｎを使う例を説明する。そして、トンネル絶縁膜はＭｇＯが望ましいが、前述したような材料は関連技術の発展に従って、他の物質が使用されることもあり得ることに注意しなければならない。
【００５７】
この場合、熱処理工程を通じて各々の材料は段々結晶化される。本発明のように、磁気トンネル接合素子を“ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ−ＣｏＦｅＢ−結晶化温度が高い非晶質金属膜２１−ＣｏＦｅＢ”に形成した場合にはＣｏＦｅＢが結晶化される時まで、含まれた非晶質金属膜２１は結晶化されないので、Ｍｎ粒子の拡散を防ぐことができる。
【００５８】
そうすると、前述したように結晶化温度が高い非晶質金属膜２１の材料が問題になることができる。ここで、非晶質金属膜２１は結晶化温度が高くしなければならなく、固定層ＰＬに含まれる材料であるので、磁性体の性質を包含することができる。
【００５９】
この場合、非晶質金属膜２１はＦｅＺｒを包含することができる。しかし、本明細書でＦｅＺｒを提示したが、このような材料は関連技術の発展に従って、他の適合な物質も使用されることあり得ることに注意しなければならない。
【００６０】
ＦｅＺｒは即ち、ＣｏＦｅＢがｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造に結晶化されても、結晶化温度が高いので、結晶化されなく、非晶質状態に存在する。また、ＦｅＺｒはＦｅとＺｒの比率に従って、強磁性、常磁性、弱い強磁性の３つの磁性特徴を有することができるので、磁気トンネル接合素子の製造において、活用の幅が大きい。また、ＦｅＺｒは微細厚さを調節する必要がないので、工程において、非常に有利である。
【００６１】
図３は固定層ＰＬにＦｅＺｒを包含した場合、効果を説明するための実験データである。実験は１２．５ｍｍ×１２．５ｍｍＳｉＯｘウエハーに７つの磁気トンネル接合素子を形成した。そして、トンネル絶縁膜ＭｇＯを成長させるために外部磁場４ｋＯｅを掛け、２７０℃で１０分間に熱処理工程を遂行した。磁気トンネル接合素子は直流電流源を使用して４端子測定法で常温で各々のＴＭＲを測定した。
【００６２】
示したように、固定層ＰＬにＦｅＺｒを包含しない場合（４１）には７つの磁気トンネル接合素子のＴＭＲ分布が非常に広い（Ｄ１）。しかし、ＦｅＺｒを５Å包含する場合（４２）、ＦｅＺｒを１０Å包含する場合（４３）にはＴＭＲ分布は非常に狭くなる（Ｄ２）。
【００６３】
このように、ＦｅＺｒを固定層ＰＬに包含することによって、磁気抵抗の均一性は非常に向上され、これによって磁気トンネル接合素子の製造及び動作において、信頼性を確保することができる。
【００６４】
図４は本発明の第２実施形態による磁気素子の一実施形態の概略的な断面図である。図４では、一般的に水平磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ磁性体を垂直磁気異方性を有するようにするためにＦｅＺｒ非晶質モルフォロージーバッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を使用して垂直磁気異方性を有することにした試料の積層構造が図示されている。
【００６５】
ここで、モルフォロージーバッファ層というのは、上と下に隣接する薄膜層にテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）が波及されてテクスチャーの衝突が生じることを防止するか、或いは望まないテクスチャーの波及を遮断する層を意味する。
【００６６】
図４で、磁気素子は非晶質物質層１１０、及び非晶質物質層１１０上に形成された垂直磁気異方性物質層１２０を含む。非晶質物質層１１０は予め設定された非晶質物質の層として下部層１３０上に形成され、垂直磁気異方性物質層１２０は非晶質物質層１１０上に形成される。
【００６７】
図４でモルフォロージーバッファ層１１０として非晶質物質が使用されたが、非晶質物質の代わりに予め設定されたナノクリスタル物質がモルフォロージーバッファ層として使用されることもあり得、この時、ナノクリスタル物質は全体的に非晶質であるが、部分的に結晶を有する物質を意味する。
【００６８】
この時、垂直異方性物質層１２０は層の形成の時に既に垂直異方性を有することもあり得るが、層の形成の以後に熱処理等の技法を通じて垂直異方性を有することが一般的である。また、垂直磁気異方性物質層１２０が垂直磁気異方性を有するように上部にＭｇＯ層１４０又はこれと類似な結晶構造層が必要である。
【００６９】
また、図４で下部層１３０はシリコン基板で具現されているが、下部層１３０は以外にも多様な物質の基板は勿論、電極として具現され得る。
【００７０】
このように、下部層１３０上に垂直磁気異方性物質を形成するためのバッファとして、非晶質物質又はナノクリスタル物質を採用することによって、構造が単純でありながらも下部層１３０の結晶の大きさや構造に拘らないバッファを具現することができるようになる。
【００７１】
この時、非晶質物質及びナノクリスタル物質は垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高いことが望ましい。このように、非晶質物質の結晶化温度が垂直磁気異方性物質の温度が高い場合、垂直磁気異方性のための高温熱処理過程でバッファ層の結晶化による熱処理温度の制限を克服することができるようになる。
【００７２】
また、非晶質物質は非晶質金属であり得、特にＦｅＺｒであり得る。このように非晶質物質を非晶質金属に採用する場合、バッファを通じる垂直磁気異方性物質層への電気伝導が容易になる。
【００７３】
図５は図４の構造を有する試料で４００℃熱処理の後のＶＳＭデータを示した図面である。図５で、面外の（Ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ）方向で磁化反転が生じることから、垂直磁気異方性が生成されていることを確認することができる。さらにバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）とＣｏＦｅＢ層（ｌａｙｅｒ）との厚さを調節することによって、多様な垂直磁気異方性を確認することができる。また、ＦｅＺｒ非晶質モルフォロージーバッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を利用して垂直磁気異方性が良く形成されたことを確認することができる。
【００７４】
図６は本発明による磁気素子の他の実施形態の概略的な断面図である。
【００７５】
図６で確認することができるように、非晶質金属層１１０と基板１３０との間に垂直磁気異方性物質層１４０をさらに包含することができる。このような構成によって、非晶質金属層１１０、下部磁気異方性物質層１４０、及び上部垂直磁気異方性物質層１２０の間のテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になる。
【００７６】
言い換えれば、結晶化された下部電極に関係なく上部に垂直磁気異方性を具現することができるようになる。下部及び上部電極のテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）の伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になって垂直異方性ハード固定層（ｈａｒｄ  ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）の上に垂直磁気ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯの構造が具現することができるようになる。
【００７７】
図７はスピンバルブ構造を含む本発明による磁気素子の一例の概略的な断面図である。図７には本発明で提示されたＦｅＺｒを使用して垂直磁気異方性を有するＭｇＯＭＴＪの垂直−垂直スピンバルブ（ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ）構造を図示している。
【００７８】
図７の左側図面の場合、下部層に反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏ  ｍａｇｎｅｔ）物質１６０を使用し、組成に従う強磁性又は常磁性ＦｅＺｒ物質を使用して上部のＣｏＦｅＢ物質を固定層（Ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）として作動するようにし、図７の右側図面の場合、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏ  ｍａｇｎｅｔ）物質の代わりにＬ１０オーダリング（ｏｒｄｅｒｅｄ）されたハード固定層（Ｈａｒｄ  ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）を使用して強磁性層（Ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）として作動するようにした。
【００７９】
固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）上部にやはり垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ物質を自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）として作動するようにし、（垂直  ｐｉｎｎｅｄ）−（垂直ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）を形成し、垂直磁気異方性を有するスピンバルブ（ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ）構造を具現することできるようにし、この構造を利用して磁気格納メモリとして駆動が可能になることができる。
【００８０】
図８は本発明の図４の磁気素子を製造する方法を遂行するための概略的なフローチャートである。
【００８１】
図８で、基板上に非晶質物質層を形成し（Ｓ１１０）、形成された非晶質モルフォロージーバッファ層上に垂直磁気異方性に変化される物質層を形成する（Ｓ１２０）。
【００８２】
詳細に説明すれば、多様な物質の組合や積層構造ではない単純なバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）でありながら、薄い厚さであっても上に成長された物質が垂直異方性を有するようにし、結晶の大きさが異なってもバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）で使用可能であり、後工程過程で問題が発生しないバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を挿入する。
【００８３】
これに対しては、非晶質バッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）として薄いＦｅＺｒ層（ｌａｙｅｒ）を使用して熱処理工程の後、上に成長したＣｏＦｅＢ強磁性体（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）物質が垂直異方性を有することを確認することができる。
【００８４】
このバッファ層は熱処理に従って非晶質磁性体ＣｏＦｅＢにおいて、ＭｇＯから伝播されて来る体心立方（ｂｃｃ）構造と下から作用するテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ；ｆｃｃ、ｆｃｔ、ｈｃｐ等の相異構造）から伝播される異なる相を遮断する。従って、その間にＬ１０のようなテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）を有する物質の上で成膜が不可能であった問題点を解決することができる。
【００８５】
さらにモルフォロージーバッファ（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ）の役割を果たしながらも、磁気結合が可能であるので、垂直異方性固定層（Ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）／垂直異方性自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）の構造が具現することができる。
【００８６】
また、挿入層（Ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）として使用されるＦｅＺｒ物質はＦｅとＺｒの造成比を調節して常磁性及び強磁性体に相変化が可能であるので、望む相を探して使用することができる。
【００８７】
本発明の第２実施形態は次のような場合に有用に活用され得る。
【００８８】
−多層膜で結晶化過程を通じるか、或いはナノ結晶化過程及び類似熱処理過程を通じて相を伝播しようとする場合において、１つの上の伝播を遮断するか、或いは２つ以上の相が衝突することを遮断するために単層の非晶質物質又はこれと結合した多層膜を活用する場合、
−結晶化過程を利用して相の伝達をもたらし、これを通じて垂直磁気異方性を発現しようとする時、この垂直異方性が受ける歪み（ｓｔｒａｉｎ）を解消する目的として垂直磁気を具現しようとする磁性層にその層の結晶化温度より結晶化温度が高い非晶質金属層又はこれと結合した多層膜を隣接するようにしてモルフォロージーバッファ層（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）として使用する場合、
−結晶化された下部電極に関係なく、上部に垂直磁気異方性を具現する場合、
−上部及び下部に構成された電極の結晶形の影響は遮断しながら、磁気的に結合可能にして垂直磁気異方性として適用する場合。
【００８９】
整理すれば、一般的に既存の垂直磁気異方性のためのバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の場合、垂直磁気異方性のために格子定数が類似であるか，或いは様々な物質を積層構造として使用して垂直磁気異方性を有し得る特別な条件を満足させなければならない。
【００９０】
しかし、このような場合、バッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の厚さが厚くなり得、様々な物質の積層構造でなされるか、或いは結晶の大きさ等が特別な条件を満足する場合のみに垂直磁気異方性を有することができる。
【００９１】
しかし、本発明によると、非晶質モルフォロージーバッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を使用して厚さが薄い単層のバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）で垂直磁気異方性を確認することができる。
【００９２】
言い換えれば、非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）物質であるので、結晶の大きさに関係なく、バッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）として使用が可能であり、結晶化温度が高いので、高温でもバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）の役割を果たすことができる非晶質バッファ層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を使用することによって、垂直磁気異方性を具現する。
【００９３】
さらに、本発明によると、下部及び上部電極のテクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）の伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能にして垂直異方性ハード固定層（ｈａｒｄ  ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）の上に垂直磁気ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯの構造の具現が可能になる。
【００９４】
図９は図４の構造でＣｏＦｅＢの厚さにしたがう垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。
【００９５】
ＣｏＦｅＢの厚さを０．５ｎｍで１．６ｎｍまで変化させながら、測定した結果、ＣｏＦｅＢの厚さが０．７ｎｍで１．６ｎｍ区間で目的とする垂直磁気異方性を確認することができた。特に、１．１ｎｍで最も大きい垂直異方性を有することを確認することができる。
【００９６】
図１０は図４の構造でＦｅＺｒの厚さにしたがう垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。
【００９７】
図１０でＦｅＺｒの厚さが０．４ｎｍで２．０ｎｍまで変化させながら、測定した結果、ＦｅＺｒの厚さが０．６ｎｍで２．０ｎｍ区間で目的とする垂直磁気異方性を有することを確認することができる。
【００９８】
また、ＦｅＺｒの厚さを調節することによって、ＣｏＦｅＢの保磁力値を変化させることができるのに、このような事実は保磁力を調節して望む範囲で使用できることを意味する。
【００９９】
ＦｅＺｒ合金はＦｅＺｒの組成に従って、常磁性、強磁性のような多様な磁性特性を現す。従って、ＦｅとＺｒの組成を調節することによって、垂直磁気異方性を望む大きさに調節が可能であり、磁性特性が変わっても非晶質の性質を有するので、垂直磁気異方性を有する物質として多様な活用が可能である。
【０１００】
本発明は、一部の望ましい実施形態によって説明されたが、本発明の範囲はこれによって制限されなく、特許請求の範囲によって裏付けられる実施形態の変形や改良にも及ぼすものである。
【符号の説明】
【０１０１】
２１  非晶質金属膜
１１０  非晶質物質層
１２０  垂直磁気異方性物質層
１３０  下部層
１４０  垂直磁気異方性物質層
１５０  固定層
１６０  反強磁性物質層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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