(57)【要約】【課題】  高性能磁気ラム素子に適合な改善された磁気トンネル接合構造体の製造方法及びそれにより製造された磁気トンネル接合構造体を提供すること。【解決手段】  磁気トンネル接合構造体及びその製造方法を提供する。前記磁気トンネル接合構造体は下部電極を備える。前記下部電極は白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、または、これらの酸化層で形成されてなめらかな表面モルフォロジーを見せる。このようななめらかな表面モルフォロジーは、前記磁気トンネル接合構造体のヒステリシスループ特性を改善させる。また、前記下部電極は従来のシード層役割を兼備するため製造工程の単純化が計れる。【選択図】  図２
2004266252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を持つ磁気ラムにおいて、
前記磁気トンネル接合構造体は、５Åよりも小さいＲＭＳ（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）表面荒さを持つ下部電極を含むことを特徴とする磁気ラム。
【請求項２】
請求項１記載の磁気ラムにおいて、
前記下部電極は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの導電層であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項３】
請求項１記載の磁気ラムにおいて、
前記下部電極は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択された少なくとも二つの導電層を含むことを特徴とする磁気ラム。
【請求項４】
請求項１記載の磁気ラムにおいて、
前記下部電極は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの第１層；及び
白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの第２層；を含み、
前記第１および第２層は互いに違うことを特徴とする磁気ラム。
【請求項５】
請求項４記載の磁気ラムにおいて、
前記第１層は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、及びパラジウム層からなる一つの群より選択されたいずれか一つであり、前記第２層は、前記第１層の酸化層であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項６】
請求項１記載の磁気ラムにおいて、
前記下部電極上に形成されたピニング層をさらに含むが、前記ピニング層はイリジウムマンガン層（ＩｒＭｎ）及び白金マンガン層（ＰｔＭｎ）からなる一つの群より選択されたいずれか一つの反強磁性体層（ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項７】
請求項６記載の磁気ラムにおいて、
前記ピニング層上に形成された固定層をさらに含み、上記固定層はコバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）、及び鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）からなる一つの群より選択されたいずれか一つの強磁性体層であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項８】
請求項７記載の磁気ラムにおいて、
前記固定層上に形成されたトンネル層をさらに含み、前記トンネル層はアルミニウム酸化層であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項９】
請求項８記載の磁気ラムにおいて、
前記トンネル層上に形成された自由層をさらに含み、前記自由層はコバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）、鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）、及びこれらの組合層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの強磁性体層であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気ラムにおいて、
前記自由層上に形成されたキャッピング層をさらに含むことを特徴とする磁気ラム。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気ラムにおいて、
前記キャッピング層に形成された上部電極をさらに含むことを特徴とする磁気ラム。
【請求項１２】
請求項１記載の磁気ラムにおいて、
前記磁気トンネル接合構造体は、外部磁界の入力なしで第１及び第２磁気モーメントを持つヒステリシスループを示し、前記第１磁気モーメントは前記第２磁気モーメントよりも大きいことを特徴とする磁気ラム。
【請求項１３】
請求項１２記載の磁気ラムにおいて、
前記第１磁気モーメントは、少なくとも前記第２磁気モーメントの二倍であることを特徴とする磁気ラム。
【請求項１４】
下部電極；及び
前記下部電極上に形成されたピニング層パターン；を含み、
前記下部電極は前記下部電極下部の絶縁層と前記ピニング層パターンとの間に介在された均一な物質層でできている５Åよりも小さいＲＭＳ表面荒さを持つことを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項１５】
請求項１４記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記下部電極は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの導電層であることを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項１６】
請求項１４記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記下部電極は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択された少なくとも二つの導電層を含むことを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項１７】
請求項１４記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記磁気トンネル接合構造体は、外部磁界の入力なしで第１及び第２磁気モーメントを持つヒステリシスループを示し、前記第１磁気モーメントは前記第２磁気モーメントよりも大きいことを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項１８】
請求項１７記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記第１磁気モーメントは、少なくとも前記第２磁気モーメントの二倍であることを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項１９】
請求項１４記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記下部電極は、３Å以下のＲＭＳ表面荒さを持つことを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項２０】
請求項１４記載の積層磁気トンネル接合構造体において、
前記ピニング層パターン上に形成された固定層パターン；
前記固定層パターン上に形成されたトンネル層パターン；
前記トンネル層パターン上に形成された自由層パターン；及び
前記自由層パターン上に形成された上部電極；
をさらに含むことを特徴とする積層磁気トンネル接合構造体。
【請求項２１】
積層された磁気トンネル接合構造体を持つ磁気ラム形成方法において、
絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層上に５Åよりも小さいＲＭＳ表面荒さを持つ下部電極層を形成する段階と、
前記磁気トンネル接合構造体を完成させる段階と、
を含むことを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の磁気ラム形成方法において、
前記磁気トンネル接合構造体を完成させる段階は、
前記下部電極層上にピニング層を形成する段階と、
前記ピニング層上に固定層を形成する段階と、
前記固定層上にトンネル層を形成する段階と、
前記トンネル層上に自由層を形成する段階と、
前記自由層上に上部電極層を形成する段階と、
前記上部電極層、前記自由層、前記トンネル層、前記固定層、前記ピニング層、及び前記下部電極層を連続的にパターニングする段階と、
を含むことを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の磁気ラム形成方法において、
前記下部電極層は、白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、及びそれらの酸化層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの導電層で形成することを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の磁気ラム形成方法において、
前記ピニング層は、イリジウムマンガン層（ＩｒＭｎ）及び白金マンガン層（ＰｔＭｎ）からなる一つの群より選択されたいずれか一つの反強磁性体層で形成し、
前記固定層は、コバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）、及び鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）からなる一つの群より選択されたいずれか一つの強磁性体層で形成し、
前記トンネル層は、アルミニウム酸化層で形成し、
前記自由層は、コバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）、鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）、及びこれらの組合層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの強磁性体層で形成し、
前記上部電極層は、導電層で形成することを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２５】
請求項２１記載の磁気ラム形成方法において、
前記下部電極層を形成する段階は、
白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、及びパラジウム層からなる一つの群より選択されたいずれか一つの第１層を形成する段階と、
前記第１層が酸化された第２層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２６】
請求項２１記載の磁気ラム形成方法において、
前記磁気トンネル接合構造体は、外部磁界の入力なしで第１及び第２磁気モーメントを持つヒステリシスループを示し、前記第１磁気モーメントは前記第２磁気モーメントよりも大きいことを特徴とする磁気ラム形成方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の磁気ラム形成方法において、
前記第１磁気モーメントは、少なくとも前記第２磁気モーメントの二倍であることを特徴とする磁気ラム形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ラムセルに使用するのに適合な磁気トンネル接合構造体及びその製造方法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）に関するもので、特にその構造体の下部電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報を貯蔵する半導体記憶素子は、一般的に揮発性記憶素子または不揮発性記憶素子のどちらかに分類される。揮発性記憶素子は電源供給が遮断される時、貯蔵された情報が消滅するが、不揮発性記憶素子は電源供給が遮断されても貯蔵された情報をそのまま維持する。これにより、フラッシュメモリー素子、エスラム（ＳＲＡＭ；ｓｔａｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）素子、強誘電体ラム（ＦｅＲＡＭ；ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）素子、及び磁気ラム（ＭＲＡＭ；ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）素子を含む不揮発性メモリー素子は、貯蔵された情報を維持すると同時に電力消耗を減少させるためにメモリーカード、移動通信端末機及び他の電子製品に使用されてきた。
【０００３】
従来の磁気ラム素子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造体を採択する複数個のメモリーセルを含む。図１は前記磁気トンネル接合構造体を持つ従来の磁気ラムセルの断面図を示す。
【０００４】
図１を参照すると、従来の磁気ラムセルは順に積層された下部電極１、シード層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）３、ピニング層パターン（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ  ｐａｔｔｅｒｎ）５、固定層パターン（ａ  ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ  ｐａｔｔｅｒｎ）７、トンネル層パターン（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｌａｙｅｒ  ｐａｔｔｅｒｎ）９、自由層パターン（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ  ｐａｔｔｅｒｎ）１１、キャッピング層パターン（ｃａｐｐｉｎｇ  ｌａｙｅｒ  ｐａｔｔｅｒｎ）１３及び上部電極１５を含む。前記下部電極１の下部にデジットライン１７が配置され、前記デジットライン１７は前記下部電極１と電気的に絶縁される。前記上部電極１５上にビットライン１９が配置され、前記ビットライン１９は前記上部電極１５に電気的に接触する。また、前記ビットライン１９は一般的に前記デジットライン１７に垂直に配列される。
【０００５】
従来の磁気ラムセルにおいて、前記下部電極１はチタニウム層及びチタニウム窒化層を含む積層構造であることもある。前記チタニウム層は前記チタニウム窒化層及び前記チタニウム層下部の絶縁層間の接着力を改善するための代表的なウェッティング層（ｗｅｔｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）に使用される。前記シード層３は一般的にＮｉＦｅ層であり、前記ピニング層パターン５の結晶方向を制御するために使用される。前記固定層パターン７及び前記自由層パターン１１は、それぞれ反強磁性体層（ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）及び強磁性体層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）で形成される。前記磁気ラムセルが動作する間、前記固定層パターン７は、磁気基準層の役割をする反面、前記自由層パターン１１は磁気的に変化可能な層の役割をする。
【０００６】
前記ピニング層パターン５は、前記固定層パターン７の磁化方向を決定するが、前記自由層パターン１１の磁化方向には影響を及ぼさない。その代わり、前記自由層パターン１１は、書き動作の間、前記デジットライン１７を通じて流れる電流により選択的に磁化され得る。前記自由層パターン１１の磁化方向が前記固定層パターン７の磁化方向と本質的に平行である時、前記トンネル層パターン９は相対的に低い抵抗値を示す。しかし、前記自由層パターン１１の磁化方向が本質的に前記固定層パターン７の磁化方向と反平行である時、前記トンネル層パターン９は相対的に高い抵抗値を示す。これにより、前記磁気ラムセルは前記ビットライン１９に読み電圧を入力し前記トンネル層パターン９及び下部電極１を通じて流れるビットライン電流をセンシングすることによって読み取ることができる。
【０００７】
前記トンネル層パターン９を形成するにおいて、アルミニウム酸化層が広く使用されている。前記アルミニウム酸化層が前記トンネル層パターン９に使用される場合に、前記アルミニウム酸化層は優れたトンネリング特性を得るために一般的に３０Åまたはそれよりも薄い厚さを持つ。前記トンネル層はまた、改善された信頼性を提供するためにピンホールまたは他の欠陥がないなめらかな表面を持つ。これに加えて、前記トンネル層は、一般的に一貫した性能を持つ磁気ラム素子を提供するためにウエハー全面にかけて均一な厚さを持たなければならない。これは前記アルミニウム酸化層でできている前記トンネル層の磁気抵抗が前記アルミニウム酸化層の厚さに指数的に比例し、前記トンネル層の厚さの偏差は、甚だしくはその磁気抵抗においてさらに広く、望まない偏差を提供するからである。
【０００８】
前述したようにチタニウム窒化層で形成された前記下部電極１は高い表面荒さを持つ不良な表面モルフォロジーを示す傾向がある。前記下部電極が不良な表面モルフォロジーを示す時、前記下部電極上部に形成されるアルミニウム酸化層もやはり前記チタニウム窒化層の表面状態がそのまま反映された結果であり、前記下部電極の表面モルフォロジーのような不良な表面状態、つまり高い表面荒さを示す傾向がある。さらに、前記下部電極上に形成された前記ピニング層パターン５及び固定層パターン７もやはり前記下部電極のような不良な表面荒さを示す表面を持つ傾向があることもある。前記ピニング層パターンが荒い表面を持つ時、前記固定層パターン７の純粋磁化量は減少することになり、磁化トンネル接合構造体のヒステリシスループ特性が低下する傾向を示すであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、高性能磁気ラム素子に適合な改善された磁気トンネル接合構造体の製造方法及びそれにより製造された磁気トンネル接合構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記技術的課題を解決するために本発明は、改善された磁気トンネル接合構造体の製造方法を提供する。前記方法は減少した表面荒さを提供する改善された下部電極を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、前記技術的課題を解決するために本発明は、改善された磁気トンネル接合構造体を提供する。前記磁気トンネル接合構造体は従来のシード層及び下部電極の役割をする単一層の下部電極を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明することにする。
図２は、本発明の一つの実施例による磁気ラムセルを示した断面図である。図２に図示されたように、半導体基板５１の一つの領域にアクセストランジスターＴＡが形成される。前記アクセストランジスターＴＡはチャンネル領域によって離隔されたソース領域５７Ｓ及びドレーン領域５７ｄと共に前記チャンネル領域上部に配置されワードラインの役割をするゲート電極５５を含む。前記アクセストランジスターＴＡ上部にデジットライン６１が位置し、前記デジットライン６１は前記ワードラインに平行するように配置される。
【００１３】
前記デジットライン６１上部に、そして前記アクセストランジスターＴＡの反対側に磁気トンネル接合構造体８２（以下「ＭＴＪ構造体」と称す）が配置される。前記ＭＴＪ構造体８２は、順に積層された下部電極６９、ピニング層パターン７１、固定層パターン７３、トンネル層パターン７５、自由層パターン７７、キャッピング層パターン７９、及び上部電極８１を含む積層構造体である。前記ＭＴＪ構造体８２は、前記デジットライン６１から絶縁される。つまり、前記ＭＴＪ構造体８２の最下層である前記下部電極６９と前記デジットライン６１との間には絶縁物質層が介在される。
【００１４】
前記下部電極６９は、コンタクトプラグ６７を通じて前記ドレーン領域５７ｄに電気的に連結されたり前記ドレーン領域５７ｄに直接接触したりするように形成することができる。本実施例で、前記下部電極６９を含む導電層は、前記絶縁物質層と前記導電層との間に形成された別途のシード層を含まないうえ、改善された表面モルフォロジー、つまり低い表面荒さを示す。これに加え、前記下部電極６９を形成するのに使用される前記導電層は、前記下部電極６９と前記ピニング層パターン７１との間の結晶構造の単一性を増大させるために前記ピニング層パターン７１と類似している格子常数を持つことができる。さらに、前記下部電極６９を形成するのに使用される前記導電層はウェッティング層（ｗｅｔｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を使用せずに前記下部電極６９下部の絶縁層に対して十分な接着力を示さなければならない。前記絶縁層上に前記下部電極６９を直接形成するために十分な接着力、改善された表面モルフォロジー及びさまざまなピニング層に対して適合な格子常数を示す導電膜、例えば白金族金属層、または導電性の白金族金属酸化層が使用されることがある。
【００１５】
前記下部電極６９を形成するのに使用され得る白金族金属層は、白金層（Ｐｔ）、ルテニウム層（Ｒｕ）、イリジウム層（Ｉｒ）、ロジウム層（Ｒｈ）、オスミウム層（Ｏｓ）、パラジウム層（Ｐｄ）、またはこれらの金属層の合金層を含む。前記下部電極６９を形成するのに使用され得る前記白金族金属酸化層は、白金酸化層、ルテニウム酸化層、イリジウム酸化層、ロジウム酸化層、オスミウム酸化層、パラジウム酸化層、またはこれらの酸化層の組合層を含む。前記下部電極は、また、前記白金族金属層及びそれに相応する白金族金属酸化層の組合層で形成することもできる。
【００１６】
図２に図示された実施例により、二種類の下部電極６９構造体をそれぞれイリジウム単一層及びイリジウム酸化物の単一層を使用して形成した。その後、前記下部電極構造体のそれぞれの表面荒さをＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を使用して測定した。従来の下部電極構造体はチタニウム窒化層を使用して形成してあり、それに対する表面荒さもまたＡＦＭを使用して測定した。前記イリジウム層、イリジウム酸化層、及びチタニウム窒化層はすべて直流マグネトロンスパッタリング（ＤＣ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）技術を使用して５００Åの厚さで蒸着した。前記チタニウム窒化層の蒸着工程は、５〜６ｍＴｏｒｒのチェンバー圧力及び１００℃の蒸着温度下で実施され、前記イリジウム層及びイリジウム酸化層に対する蒸着工程は、５〜６ｍＴｏｒｒのチェンバー圧力及び２５０℃の蒸着温度下で実施された。これら三つの物質層に対するＲＭＳ（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）表面測定結果は、下記の表１に示すように要約される。
【００１７】
【表１】
2004266252.tif 000003
【００１８】
表１の表面荒さ測定結果からわかるように、イリジウム層またはイリジウム酸化層を使用して下部電極を形成する本発明は、チタニウム窒化層を使用する従来の技術に比べて改善された表面モルフォロジーを示す。
【００１９】
前述したように、前記下部電極の表面荒さは、トンネル層パターンの信頼性及び均一性に影響を及ぼす。本発明の実施例により提供された改善された下部電極の表面モルフォロジーがＭＴＪ構造体の他の層に及ぼす影響を評価するために追加試験を実施した。順に積層されたシード層、ピニング層、及び固定層を含む従来の積層構造体は、従来のチタニウム窒化層上に形成した。第２積層構造体を構成するピニング層及び固定層は、イリジウム下部電極上に順に形成した。続いて、前記固定層の表面荒さを、前記両構造体上でＡＦＭを使用して測定した。これら二つの固定層に対するＲＭＳ表面荒さの測定結果は、下記の表２に示すように要約される。
【００２０】
【表２】
2004266252.tif 000004
【００２１】
図２に示されたように、本発明の実施例により改善された表面モルフォロジーを持つ下部電極上部に形成された固定層は、従来の下部電極上部に形成された固定層に比べて改善された表面モルフォロジーを示した。
【００２２】
図２に図示された実施例をもう一度参照すると、前記上部電極８１は前述したように前記ワードライン５５に直交する方向に配列されたビットライン８７に電気的に連結される。
【００２３】
前記磁気ラムセルが書きモード下で動作する時、前記デジットライン６１を通じて書き電流が流れて前記自由層パターン７７を磁化させる。前記書き動作の間、前記自由層パターン７７内で強要される磁化方向は、前記デジットライン６１を通じて流れる前記書き電流の方向により決定され、前記固定層パターン７３内で維持される磁化方向に平行であるか、反平行であるだろう。前記自由層パターン７７内の磁化されたスピンが前記固定層パターン７３内の固定されたスピンに平行な方向に配列されると、前記トンネル層パターン７５は減少された磁気抵抗値を示すであろう。これとは逆に、前記自由層パターン７７内の磁化されたスピンが前記固定層パターン７３内の固定されたスピンに反平行な方向に配列されると、前記トンネル層パターン７５は増加された磁気抵抗値を示すであろう。それぞれのＭＴＪ構造体８２の磁気的なパラメーターはそれのヒステリシスループ特性に反映される。
【００２４】
前記固定層パターン７３内の前記固定されたスピンが前記トンネル層パターン７５の磁気抵抗値に寄与する程度は前記ピニング層パターン７１の表面荒さによって影響を受ける。つまり、前記ピニング層パターン７１の表面荒さが大きいほど前記トンネル層パターン７５の磁気抵抗値に実質的に寄与する前記固定層パターン７３内の固定されたスピンの個数は減少する。これは前記固定されたスピンの一部分が前記表面荒さに起因して傾いた表面に沿って上部または下部へ向けて配列されるからである。結果的に、前記下部電極の表面荒さにおいての改善は、前記ＭＴＪ構造体８２のヒステリシスループ特性の改善につながる。
【００２５】
前記磁気ラムセルが読みモード下で動作する時、前記ビットライン８７にセンシング電圧が入力され、前記ソース領域５７ｓは接地され、前記ワードラインに読み電圧が入力されて前記アクセストランジスターＴＡはターンオンされる。前記自由層パターン７７の磁化方向に依存して前記トンネル層パターン７５が低い磁気抵抗値を示す場合に、前記ビットライン８７を通じて大きい電流が流れるであろう。これとは逆に、前記自由層パターン７７の磁化方向に依存して前記トンネル層パターン７５が高い磁気抵抗値を示す場合に、前記ビットライン８７を通じて小さい電流が流れるであろう。結果的に、前記センシング電圧によって前記ビットライン８７を通じて流れる電流値から前記自由層パターン７７の磁化方向を把握することができる。
【００２６】
図３、図４、図５、及び図６は、本発明の一つの実施例による磁気ラムセルの製造方法を説明するための断面図である。図３を参照すると、半導体基板５１の所定領域に素子分離層５３を形成する。前記素子分離層５３は一般的に活性領域を画定しながら前記活性領域の周りを包む。続いて、通常の半導体製造工程を使用して前記活性領域にアクセストランジスターＴＡを形成する。前記アクセストランジスターＴＡはチャンネル領域により離隔されたドレーン領域５７ｄ及びソース領域領域５７ｓと同時に前記チャンネル領域上部のゲート絶縁層５４上に形成されて前記アクセストランジスターを制御し、ワードラインの役割をするゲート電極５５を含むように形成される。前記アクセストランジスターＴＡを含む半導体基板の全面上に第１層間絶縁層５９を形成する。
【００２７】
図４を参照すると、前記第１層間絶縁層５９上にデジットライン６１を形成する。前記デジットライン６１は前記ワードライン５５と平行でありながらその上部に位置するように形成される。続いて、前記デジットライン６１を持つ半導体基板上に第２層間絶縁層６３を形成する。
【００２８】
図５を参照すると、前記第２層間絶縁層６３及び前記第１層間絶縁層５９を連続的にパターニングして前記ドレーン領域５７ｄの表面の一部分を露出させる下部電極コンタクトホール６５を形成する。続いて、前記半導体基板上に前記コンタクトホール６５を満たす、少なくとも一つの導電層を形成する。前記第２層間絶縁層６３の上部面が露出するまで前記導電層の上部を通常の平坦化工程を使用して除去する。結果的に、前記導電層の一部分が前記コンタクトホール６５内に残存してコンタクトプラグ６７が形成される。前記コンタクトプラグ６７及び前記第２層間絶縁層６３を含む半導体基板の全面上に下部電極層、ピニング層、固定層、トンネル層、自由層、ギャッピング層及び上部電極層を順に形成する。
【００２９】
前記下部電極層は、白金族金属層、導電性白金族金属酸化層、または白金族金属層及び導電性白金族金属酸化層の組合層を含む。例えば、前記下部電極層は白金層、ルテニウム層、イリジウム層、ロジウム層、オスミウム層、パラジウム層、またはこれらの組合層を含むことができる。前記下部電極層はまた、白金酸化層、ルテニウム酸化層、イリジウム酸化層、ロジウム酸化層、オスミウム酸化層、パラジウム酸化層、またはこれらの組合層を含むことができる。前記下部電極層は５００Åないし１０００Åの厚さで形成することができる。
【００３０】
前記ピニング層は、イリジウムマンガン層（ＩｒＭｎ）または白金マンガン層（ＰｔＭｎ）のような反強磁性体層で形成する。前記ピニング層は１００Åないし２００Åの厚さで形成することができる。
【００３１】
前記固定層は、コバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）または鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）のような強磁性体層で形成する。前記固定層は、一般的に５０Åないし１００Åの厚さで形成する。前記固定層は、スパッタリング技術、または化学気相蒸着（ＣＶＤ）技術のようなさまざまな技術を使用して形成することができる。
【００３２】
前記トンネル層は、アルミニウム酸化層（Ａｌ２Ｏ３）のような薄い絶縁層であることも有り得る。前記トンネル層をアルミニウム酸化層で形成する場合に、前記トンネル層の厚さは、１５Åないし３０Åであることも有り得る。前記トンネル層は、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）技術、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）技術、スパッタリング技術、または原子層蒸着（ＡＬＤ）技術を含むさまざまな工程を使用して形成することができる。例えば、前記アルミニウム酸化物でできているトンネル層は、前記固定層上にスパッタリング技術を使用して１５Åないし２０Åの薄い厚さを持つアルミニウム層を蒸着し、前記アルミニウム層を酸素プラズマを使用して酸化させることによって形成することができる。前記アルミニウム層を酸化させる他の方法には、イオンビーム酸化法、または紫外線刺激酸素露出法を上げることができる。他の方法として、前記アルミニウム酸化層は、原子層蒸着工程を使用して形成することもできる。
【００３３】
前記トンネル層上にコバルト鉄層（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄層（ＮｉＦｅ）、鉄マンガン層（ＦｅＭｎ）、またはこれらの組合層のような強磁性体層を使用して前記自由層を形成する。前記自由層は、さまざまな厚さに形成することができるが、一般的に８０Åないし１５０Åの厚さで形成することができる。前記自由層は、スパッタリング技術または科学気相蒸着（ＣＶＤ）技術のようなさまざまな工程を使用して形成することができる。
【００３４】
前記ギャッピング層はタンタラム層で形成することができ、約１００Åの厚さを持つことができる。
【００３５】
前記上部電極層、ギャッピング層、自由層、トンネル層、固定層、ピニング層、及び下部電極層をパターニングして磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体８２を含む積層構造体を形成する。図６に図示された実施例に示すように、前記ＭＴＪ構造体８２は、下部電極６９、ピニング層パターン７１、固定層パターン７３、トンネル層パターン７５、自由層パターン７７、ギャッピング層パターン７９及び上部電極８１を含む。前記下部電極６９は、前記コンタクトプラグ６７を包みながら前記コンタクトプラグ６７に接触し、それにより前記ドレーン領域５７ｄに電気的に連結される。
【００３６】
前述したように、前記下部電極は、前記ドレーン領域に直接接触することもできる。この場合に、前記コンタクトプラグを形成する工程は省略することができる。
【００３７】
図６を参照すると、前記ＭＴＪ構造体８２を含む半導体基板の全面上に第３層間絶縁層８３を形成する。前記第３層間絶縁層８３をバターニングして、前記上部電極８１の表面を露出させるビットラインコンタクトホール８５を形成する。続いて、上記ビットラインコンタクトホール８５を持つ半導体基板上に金属層、または導電性金属酸化層のような導電層を形成する。前記導電層をバターニングして前記ビットラインコンタクトホール８５を覆うビットライン８７を形成する。前記ビットライン８７は、前記上部電極８１に電気的に連結され、上記デジットライン６１及び上記ワードライン５５の上部を横切るように配列される。
【００３８】
図７は、前述したようにイリジウム下部電極を採択する本発明の実施例により製造されたＭＴＪ構造体とともに図１で説明したようにチタニウム窒化物下部電極及びピニング層下部のシード層を採択する従来の技術を使用して製造されたＭＴＪ構造体に対するヒステリシスループ特性等を示すグラフである。
【００３９】
図７で、横軸は磁界を表示し、縦軸は磁気モーメントを示す。図７に示したように、本発明の実施例により製造されたＭＴＪ構造体のヒステリシスループ特性は、平行四辺形形態の領域９１を形成し、前記領域９１内で外部からのどんな磁界も入力されない状態（Ｏe＝０）で、互いに違う二つの磁気モーメント、つまり第１及び第２磁気モーメント９３，９５を示す。前記第１磁気モーメント９３は、図７よりわかるように、少なくとも前記第２磁気モーメント９５の二倍に該当する値を示した。これに加えて、前記二つのモーメント９３，９５の間の差異値は従来のＭＴＪ構造体に比べて増加した。このような増加は、磁気ラムセル内に貯蔵された情報を読み出す時、さらに大きなセンシングマージン（ｓｅｎｓｉｎｇ  ｍａｒｇｉｎ）を提供してソフトエラーの発生可能性を減少させる。
【００４０】
また、図７のグラフで示したように、従来の技術により製作されたＭＴＪ構造体のヒステリシスループ特性９７は、縦軸を基準に約−４５（Ｏe）ほどシフトし、最大モーメントと最小モーメントとの間の差異値は、本発明に比べて減少した。前記従来技術に対するヒステリシスループ特性より示された、このようなシフトは、従来のＭＴＪ構造体が外部からのある磁界が入力されない状態で、互いに違う二つのモーメントを持つことができないことを意味する。
【００４１】
本発明の実施例が前述のように記載されたとしても本発明はこれらの特定実施例に限定されなく、本発明の思想の範囲で、当業者によりさまざまな形態に変形させることができる。
【００４２】
前述したように本発明の実施例により製作されたＭＴＪ構造体は、下部電極下のウェチング層、または前記下部電極とピニング層との間に形成されるシード層に対する要求を排除させることができる改善された下部電極も含む。前述したように本発明の実施例により製造されたＭＴＪ構造体は、改善された表面モルフォロジーを持つ下部電極を含む。このような下部電極の改善された表面モルフォロジーは、前記固定層内に有用な、固定されたスピンの個数を増加させると共にＭＴＪ構造体のヒステリシスループ特性を改善させる傾向がある。本発明の実施例により製造されたＭＴＪ構造体の改善されたヒステリシスループ特性は、高性能磁気ラムセルに適合する。これにより、本発明の実施例はＭＴＪ構造体の改善された性能及び／または製造工程の単純化を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】磁気トンネル接合構造体を持つ従来の磁気ラムセルを示した断面図である。
【図２】本発明の実施例による磁気ラムセルを示した断面図である。
【図３】本発明の実施例による磁気ラムセルの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施例による磁気ラムセルの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施例による磁気ラムセルの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施例による磁気ラムセルの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施例による磁気トンネル接合構造体の改善されたヒステリシスループ特性を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
６９  下部電極
７１  ピニング層パターン
７３  固定層パターン
７５  トンネル層パターン
７７  自由層パターン
７９  キャッピング層パターン
８１  上部電極
８２  磁気トンネル接合構造体
【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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