特許 6100482 磁気トンネリング接合装置、メモリ、メモリシステム及び電子装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6100482

(24)【登録日】2017年3月3日

(45)【発行日】2017年3月22日

(54)【発明の名称】磁気トンネリング接合装置、メモリ、メモリシステム及び電子装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20170313BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20170313BHJP

   H01L 21/8246 20060101ALI20170313BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20170313BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L43/08 M

   H01L27/10 447

   H01L43/08 Z

【請求項の数】25

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2012-171804(P2012-171804)

(22)【出願日】2012年8月2日

(65)【公開番号】特開2013-38421(P2013-38421A)

(43)【公開日】2013年2月21日

【審査請求日】2015年7月2日

(31)【優先権主張番号】10-2011-0079627

(32)【優先日】2011年8月10日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】13/398,640

(32)【優先日】2012年2月16日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】朴 正憲

(72)【発明者】

【氏名】金 英鉉

(72)【発明者】

【氏名】朴 相奐

(72)【発明者】

【氏名】▲呉▼ 世忠

(72)【発明者】

【氏名】李 将銀

(72)【発明者】

【氏名】林 佑昶

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１１１４７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１４６７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６４６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４３９６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／０８−１２

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０−１０５

Ｈ０１Ｌ ２７／２２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９−８２４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性膜を含む第１構造体と、
少なくとも２つの外因性垂直磁化構造体を含み、前記外因性垂直磁化構造体の各々が磁性膜及び前記磁性膜上の垂直磁化誘導膜を含む第２構造体と、
前記第１及び第２構造体間のトンネルバリアと、を含むとともに、
２つの前記磁性膜の間には金属膜が介在され、
前記金属膜は、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ、銀Ａｇ、オスミウムＯｓ、イリジウムＩｒ、白金Ｐｔ、又は金Ａｕ等の貴金属の１つで形成される磁気トンネリング接合装置。

【請求項2】

前記第２構造体が追加的な外因性垂直磁化構造体をさらに含み、その各々が磁性膜及び前記磁性膜上の垂直磁化誘導膜を含む、請求項１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項3】

前記垂直磁化誘導膜の中の１つの上に配置される垂直磁化保存膜をさらに含む、請求項１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項4】

前記磁性膜の各々が前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項5】

前記垂直磁化保存膜の各々が前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項6】

前記磁性膜が強磁性物質から成る、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項7】

前記強磁性物質が、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＰｄ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＴｂ、ＣｏＦｅＧｄ又はＣｏＦｅＮｉの中の少なくとも１つである、請求項６に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項8】

前記磁性膜が約１乃至約３０Åの厚さを有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項9】

前記磁性膜が約３乃至約１７Åの厚さを有する、請求項８に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項10】

前記垂直磁化誘導膜が前記磁性膜に直接接触する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項11】

前記垂直磁化誘導膜が酸素含有物質である、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項12】

前記垂直磁化誘導膜が金属酸化物である、請求項１１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項13】

前記金属酸化物が、マグネシウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物、ハフニウム酸化物、又はマグネシウムホウ素酸化物の中の少なくとも１つである、請求項１２に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項14】

前記垂直磁化誘導膜が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｕ、Ｂａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｍｇ、Ｔｈ、Ｃａ、Ｓｃ、又はＹの中の少なくとも１つを含む、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項15】

前記垂直磁化誘導膜が、前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より大きい電気抵抗を有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項16】

前記垂直磁化誘導膜が、前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より薄い厚さを有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項17】

前記垂直磁化保存膜が前記垂直磁化誘導膜より小さい電気抵抗を有する、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項18】

前記垂直磁化保存膜が少なくとも１つの貴金属又は銅で形成される請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項19】

少なくとも１つの前記貴金属が、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ、銀Ａｇ、オスミウムＯｓ、イリジウムＩｒ、白金Ｐｔ、又は金Ａｕを含む、請求項１８に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項20】

前記垂直磁化保存膜が、タンタル又はチタンより小さい電気抵抗を有する物質の中の少なくとも１つで形成される、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項21】

基板をさらに含み、
前記第１構造体が前記基板に隣接する下部構造体であり、前記第２構造体が前記基板から離隔された上部構造体である、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項22】

前記第２構造体の前記磁性膜が自由磁性膜である、請求項２１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項23】

前記第１構造体が固定磁性膜を含む、請求項２１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項24】

前記垂直磁化保存膜上の上部電極をさらに含む、請求項２１に記載の磁気トンネリング接合装置。

【請求項25】

基板をさらに含み、
前記第１構造体が前記基板から離隔された上部構造体であり、前記第２構造体が前記基板に隣接する下部構造体である、請求項３に記載の磁気トンネリング接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は半導体メモリ装置に関し、より詳細には磁気トンネリング接合装置を具備する半導体メモリ装置、メモリ、メモリシステム、及び電子装置に関する。

【背景技術】

【0002】

携帯できるコンピューティング装置及び無線通信装置が幅広く採用されることによって、高密度、低電力、及び不揮発性の特性を有するメモリ装置が要求されている。磁気メモリ装置はこのような技術的要求を充足させ得る。

【0003】

特に、磁気メモリ装置のデータ格納メカニズムの一例は磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）のトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＭＲ）効果である。例えば、数百％乃至数千％のＴＭＲを具現する磁気トンネル接合を具備する磁気メモリ装置が開発された。しかし、パターンの大きさの減少によって、前記磁気トンネル接合での熱的安定性を確保することが難しくなっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】韓国特許第１０−０９０５７３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が達成しようとする一技術的課題は増大された熱的安定性を有する磁気メモリ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一部実施形態による磁気トンネリング接合装置は磁性膜を含む第１構造体、及び少なくとも２つの外因性垂直磁化構造体を含み、前記外因性垂直磁化構造体の各々は磁性膜及び前記磁性膜上の垂直磁化誘導膜を含む第２構造体、及び前記第１及び第２構造体の間のトンネルバリアを包含できる。

【0007】

一実施形態において、前記第２構造体は追加的な外因性垂直磁化構造体をさらに含み、その各々は磁性膜及び前記磁性膜上の垂直磁化誘導膜を包含できる。

【0008】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜の中の１つの上に配置される垂直磁化保存膜をさらに包含できる。

【0009】

一実施形態において、前記磁性膜の各々は前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有することができる。

【0010】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜の各々は前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有することができる。

【0011】

一実施形態において、前記磁性膜は強磁性物質から成ることができる。

【0012】

一実施形態において、前記強磁性物質はＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＰｄ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＴｂ、ＣｏＦｅＧｄ、又はＣｏＦｅＮｉの中の少なくとも１つであり得る。

【0013】

一実施形態において、前記磁性膜は約１乃至約３０Åの厚さを有することができる。

【0014】

一実施形態において、前記磁性膜は約３乃至約１７Åの厚さを有することができる。

【0015】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は前記磁性膜に直接接触することができる。

【0016】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は酸素含有物質であり得る。

【0017】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は金属酸化物であり得る。

【0018】

一実施形態において、前記金属酸化物はマグネシウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物、ハフニウム酸化物、又はマグネシウムホウ素酸化物の中の少なくとも１つであり得る。

【0019】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜はＴａ、Ｔｉ、Ｕ、Ｂａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｍｇ、Ｔｈ、Ｃａ、Ｓｃ、又はＹの中の少なくとも１つを包含できる。

【0020】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より大きい電気抵抗を有することができる。

【0021】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より薄い厚さを有することができる。

【0022】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜は前記垂直磁化誘導膜より小さい電気抵抗を有することができる。

【0023】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜は少なくとも１つの貴金属又は銅で形成され得る。

【0024】

一実施形態において、少なくとも１つの前記貴金属はルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ、銀Ａｇ、オスミウムＯｓ、イリジウムＩｒ、白金Ｐｔ、又は金Ａｕを包含できる。

【0025】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜はタンタル又はチタンより小さい電気抵抗を有する物質の中の少なくとも１つで形成され得る。

【0026】

一実施形態において、前記磁気トンネリング接合装置は基板をさらに含み、前記第１構造体は前記基板に隣接する下部構造体であり、前記第２構造体は前記基板から離隔された上部構造体であり得る。

【0027】

一実施形態において、前記第２構造体の前記磁性膜は自由磁性膜であり得る。

【0028】

一実施形態において、前記第１構造体は固定磁性膜を包含できる。

【0029】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜上の上部電極をさらに包含できる。

【0030】

一実施形態において、前記磁気トンネリング接合装置は基板をさらに含み、前記第１構造体は前記基板から離隔された上部構造体であり、前記第２構造体は前記基板に隣接する下部構造体であり得る。

【0031】

一実施形態において、前記第１構造体は磁性膜及び前記磁性膜上の垂直磁化誘導膜を含む、少なくとも２つの外因性垂直磁化構造体、前記垂直磁化誘導膜の中の２つの間に介在される金属膜、及び前記垂直磁化誘導膜の中の１つの上部に位置する垂直磁化保存膜を包含できる。

【0032】

一実施形態において、前記第１構造体内の少なくとも２つの前記外因性垂直磁化構造体の数は前記第２構造体内の少なくとも２つの前記外因性垂直磁化構造体の数より大きくなり得る。

【0033】

本発明の一部実施形態による電子装置はバス、前記バスに連結された無線通信ネットワークに又はそれからデータを伝送するように構成される無線インターフェイス、前記バスに連結される入出力装置、前記バスに連結されるコントローラ、及び前記バスに連結されるメモリを包含できる。前記メモリは前記コントローラによって使用される命令コード又は使用者データを格納するように構成され、磁気トンネリング接合装置を含む半導体装置を包含できる。

【0034】

本発明の一部実施形態によるメモリシステムは磁気トンネリング接合装置を含む半導体装置を含み、データを格納するためのメモリ装置、及び前記メモリ装置に格納されたデータを読み出すために、又はホストからの読出し／書込み要請に応答して前記メモリ装置にデータを記録するために、前記メモリ装置を制御するように構成されるメモリコントローラを包含できる。

【0035】

本発明の一部実施形態による磁気トンネリング接合装置は固定磁性膜を含む第１構造体、前記第１構造体上のトンネルバリア、及び前記トンネルバリア上の第２構造体を含み、前記第２構造体は前記トンネルバリア上の第１磁性膜、前記第１磁性膜上の第１垂直磁化誘導膜、前記第１垂直磁化誘導膜上の交換結合層、前記交換結合層上の第２垂直磁化誘導膜、前記第２垂直磁化誘導膜上の第２磁性膜、及び前記第２磁性膜上の第３垂直磁化誘導膜を包含できる。

【0036】

一実施形態において、前記第３垂直磁化誘導膜上の垂直磁化保存膜をさらに包含できる。

【0037】

一実施形態において、前記磁性膜の各々は前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有することができる。

【0038】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜の各々は前記垂直磁化誘導膜の各々より小さい酸素親和度を有することができる。

【0039】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は金属酸化物であり得る。

【0040】

一実施形態において、前記金属酸化物はマグネシウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物、ハフニウム酸化物、又はマグネシウムホウ素酸化物の中の少なくとも１つであり得る。

【0041】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜はＴａ、Ｔｉ、Ｕ、Ｂａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｍｇ、Ｔｈ、Ｃａ、Ｓｃ、又はＹの中の少なくとも１つを包含できる。

【0042】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より大きい電気抵抗を有することができる。

【0043】

一実施形態において、前記垂直磁化誘導膜は前記磁性膜又は前記垂直磁化保存膜より薄い厚さを有することができる。

【0044】

一実施形態において、前記磁気トンネリング接合装置は基板をさらに含み、前記第１構造体は前記基板に隣接する下部構造体であり、前記第２構造体は前記基板から離隔された上部構造体であり得る。

【0045】

一実施形態において、前記第２構造体の前記磁性膜は自由磁性膜であり得る。

【0046】

一実施形態において、前記第１構造体は固定磁性膜を包含できる。

【0047】

一実施形態において、前記垂直磁化保存膜上の上部電極をさらに包含できる。

【0048】

一実施形態において、前記磁気トンネリング接合装置は基板をさらに含み、前記第１構造体は前記基板から離隔された上部構造体であり、前記第２構造体は前記基板に隣接する下部構造体であり得る。

【0049】

本発明の一部実施形態による電子装置はバス、前記バスに連結された無線通信ネットワークに又はそれからデータを伝送するように構成される無線インターフェイス、前記バスに連結される入出力装置、前記バスに連結されるコントローラ、及び前記バスに連結されるメモリを包含できる。前記メモリは前記コントローラによって使用される命令コード又は使用者データを格納するように構成され、磁気トンネリング接合装置を含む半導体装置を包含できる。

【0050】

本発明の一部実施形態によるメモリシステムは磁気トンネリング接合装置を含む半導体装置を含み、データを格納するためのメモリ装置、及び前記メモリ装置に格納されたデータを読み出すために又はホストからの読出し／書込み要請に応答して前記メモリ装置にデータを記録するために、前記メモリ装置を制御するように構成されるメモリコントローラを包含できる。

【発明の効果】

【0051】

本発明の実施形態による磁気トンネル接合は外因性垂直磁化構造を包含するように構成され、前記外因性垂直磁化構造は複数の磁性膜及びこれらの間に介在される少なくとも１つの垂直磁化誘導体を含む。前記磁性膜の各々は垂直磁化特性を有し得る最大厚さより薄く形成され得るが、磁気的に結合された前記磁性膜の厚さの合計は前記最大厚さより大きくなり得る。これによって、磁気トンネル接合の熱的安定性が増大できる。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】本発明の実施形態による磁気メモリ素子の単位セルを例示的に図示する回路図である。

【図2】本発明の実施形態による選択素子を例示的に図示する回路図である。

【図3】本発明の実施形態による選択素子を例示的に図示する回路図である。

【図4】本発明の実施形態による選択素子を例示的に図示する回路図である。

【図5】本発明の実施形態による選択素子を例示的に図示する回路図である。

【図6】本発明の実施形態による選択素子を例示的に図示する回路図である。

【図7】本発明の実施形態による第１形態の磁気トンネル接合を図示する概略図である。

【図8】本発明の実施形態による第２形態の磁気トンネル接合を図示する概略図である。

【図9】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図10】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図11】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図12】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図13】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図14】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図15】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図16】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図17】磁気トンネル接合の一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。

【図18A】本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造の一側面を図示するグラフである。

【図18B】本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造の一側面を図示するグラフである。

【図19】本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造の他の側面を図示するグラフである。

【図20】本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造のその他の側面を説明するための図面である。

【図21】本発明の実施形態による磁気トンネル接合の磁気的な特性の一側面を例示的に示す実験グラフである。

【図22】本発明の実施形態による第１形態の磁気トンネル接合を例示的に図示する断面図である。

【図23】本発明の実施形態による第２形態の磁気トンネル接合を例示的に図示する断面図である。

【図24】本発明の変形された実施形態による磁気メモリ素子の単位セルを例示的に図示する回路図である。

【図25】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26】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。

【発明を実施するための形態】

【0053】

以上の本発明の目的、他の目的、特徴及び長所は添付された図面と関連された以下の望ましい実施形態を通じて容易に理解できる。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化できる。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底であり、完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達できるようにするために提供されることである。

【0054】

本明細書で、ある膜が他の膜又は基板の上にあると言及される場合にそれは他の膜又は基板の上に直接形成されうるが、それらの間に第３の膜が介在されることもあり得ることを意味する。また、図面において、膜及び領域の厚さは技術的内容の効果的な説明のために誇張されることがある。また、本明細書の多様な実施形態で第１、第２、第３等の用語が多様な領域や膜等を説明するために使用されるが、これらの領域や膜はこのような用語によって限定されない。これらの用語は単なるいずれかの所定領域又は膜を他の領域又は膜と区別するために使われるのみである。したがって、いずれかの一実施形態において第１膜質として言及された膜質が他の実施形態では第２膜質として言及されることもあり得る。ここで説明され、例示される各実施形態はその相補的な実施形態も含む。

【0055】

本発明の実施形態によれば、磁気メモリ素子は以下でより具体的に説明される外因性垂直磁化構造を包含するように構成され得る。

【0056】

一方、２０１１年３月１８日及び２０１１年７月２７日に各々出願された韓国特許出願番号１０−２０１１−００２４４２９及び１０−２０１１−００７４５００は外因性垂直磁化構造と関連された技術的特徴を開示し、ここに開示された内容は完全な形態としてこの出願の一部として包含される。

【0057】

図１は本発明の実施形態による磁気メモリ素子の単位セルを例示的に図示する回路図である。

【0058】

図１を参照すれば、単位セル１００は互いに交差する第１配線１０及び第２配線２０の間でこれらを連結する。単位セル１００は選択素子３０及び磁気トンネル接合ＭＴＪ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を包含できる。選択素子３０及び磁気トンネル接合ＭＴＪは電気的に直列に連結され得る。第１及び第２配線１０、３０の中の１つはワードラインとして使用され、他の１つはビットラインとして使用され得る。

【0059】

選択素子３０は磁気トンネル接合ＭＴＪを通る電荷の流れを選択的に制御するように構成され得る。例えば、選択素子３０は図２乃至図６に図示されたようにダイオード、ＰＮＰバイポーラトランジスター、ＮＰＮバイポーラトランジスター、ＮＭＯＳ電界効果トランジスター、及びＰＭＯＳ電界効果トランジスターの中の１つであり得る。選択素子３０が３端子素子であるバイポーラトランジスター又はＭＯＳ電界効果トランジスターで構成される場合、追加的な配線（図示せず）が選択素子３０に連結され得る。

【0060】

磁気トンネル接合ＭＴＪは下部構造体４１、上部構造体４２及びこれらの間のトンネルバリア５０を包含できる。下部及び上部構造体４１、４２の各々は磁性物質で形成される少なくとも１つの磁性膜を包含できる。

【0061】

磁性膜の中の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。以下では、このような固定された磁化特性を有する磁性膜を被固定膜ＰＬ（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）と称する。反面、磁性膜の中の他の１つの磁化はそれに印加される外部磁界によってスイッチされ得る。以下では、このような可変的な磁化特性を有する磁性膜を自由膜ＦＲＬ（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）と称する。即ち、図７及び図８に図示されたように、磁気トンネル接合ＭＴＪはトンネルバリア５０によって分離された少なくとも１つの自由膜ＦＲＬ及び少なくとも１つの被固定膜ＰＬを具備することができる。

【0062】

磁気トンネル接合ＭＴＪの電気抵抗は自由膜ＦＲＬ及び被固定膜ＰＬの磁化方向に依存的であり得る。例えば、磁気トンネル接合ＭＴＪの電気抵抗は自由膜ＦＲＬ及び被固定膜ＰＬの磁化方向が平行な場合に比べてこれらが反平行な（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）場合に著しく大きくなり得る。結果的に、磁気トンネル接合ＭＴＪの電気抵抗は自由膜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、これは本発明にしたがう磁気メモリ装置でのデータ格納原理として利用され得る。

【0063】

磁気トンネル接合ＭＴＪの下部及び上部構造体４１、４２は、図７及び図８に図示されたように、所定の基板（ｓｕｂ）の上に順に形成され得る。この場合、磁気トンネル接合ＭＴＪは、それを構成する自由膜ＦＲＬと基板（ｓｕｂ）との間の相対的配置又は自由膜ＦＲＬと被固定膜ＰＬとの形成順序にしたがって、２つの形態に区分され得る。例えば、磁気トンネル接合ＭＴＪは図７に図示されたように下部構造体４１及び上部構造体４２が各々被固定膜ＰＬ及び自由膜ＦＲＬを含む第１形態の磁気トンネル接合ＭＴＪ１であるか、或いは図８に図示されたように下部構造体４１及び上部構造体４２が各々自由膜ＦＲＬ及び被固定膜ＰＬを含む第２形態の磁気トンネル接合ＭＴＪ２であり得る。

【0064】

図９乃至図１７は磁気トンネル接合ＭＴＪの一部として使用され得る薄膜構造体を例示的に図示する断面図である。即ち、磁気トンネル接合ＭＴＪの下部及び上部構造体４１、４２の各々は図９乃至図１７を参照して例示的に説明される薄膜構造体の中のいずれか１つを包含するように構成され得る。一方、図９乃至図１７を参照して例示的に説明される薄膜構造体が下部構造体４１の一部として採用される場合、これらの各々は図示された構造を裏返しにした構造として提供され得る。

【0065】

本発明の実施形態によれば、下部及び上部構造体４１、４２の中の少なくとも１つは図９乃至図１５を参照して例示的に説明される外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳ（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の一部又は全てを包含するように構成され得る。例えば、下部構造体４１は図９乃至図１５を参照して説明される外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの中の一部又は全てを含み、上部構造体４２は図１６及び図１７を参照して例示的に説明される内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の中の一部又は全てを包含するように構成され得る。又は下部構造体４１は図１６及び図１７を参照して例示的に説明される内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳの中の一部又は全てを含み、上部構造体４２は図９乃至図１５を参照して例示的に説明される外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの中の一部又は全てを包含するように構成され得る。又は下部及び上部構造体４１、４２の各々は図９乃至図１５を参照して説明される外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの中の一部又は全てを包含するように構成され得る。

【0066】

図９乃至図１５を参照すれば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは少なくとも１つの磁性膜ＭＧＬ及び／又は磁性膜ＭＧＬを覆う少なくとも１つの垂直磁化誘導膜ＰＭＩ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を包含できる。この時、磁性膜ＭＧＬは下部構造体４１及び／又は上部構造体４２に含まれた磁性膜であり得る。即ち、自由膜ＦＲＬ又は被固定膜ＰＬは外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの磁性膜ＭＧＬを使用して具現され得る。

【0067】

外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの場合、磁性膜ＭＧＬは強磁性物質（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）であり得る。例えば、磁性膜ＭＧＬはコバルト鉄ホウ素ＣｏＦｅＢ、コバルト鉄ＣｏＦｅ、ニッケル鉄ＮｉＦｅ、コバルト鉄白金ＣｏＦｅＰｔ、コバルト鉄パラジウムＣｏＦｅＰｄ、コバルト鉄クロムＣｏＦｅＣｒ、コバルト鉄テルビウムＣｏＦｅＴｂ、コバルト鉄ガドリニウムＣｏＦｅＧｄ又はコバルト鉄ニッケルＣｏＦｅＮｉの中の少なくとも１つであり得る。本発明の一側面によれば、磁性膜ＭＧＬは内在的水平磁化特性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を有する内在的水平磁性膜（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）であり得る。ここで、内在的水平磁化特性とは、磁性膜ＭＧＬがその幾何学的形状によって生じる磁気異方性によって、その主表面に平行な磁化を有する特性を意味する。主表面とは、最も広い面積を有する磁性膜ＭＧＬの表面を意味し、ほとんどの場合、磁性膜ＭＧＬの上部面又は下部面であり得る。上から例示的に説明された強磁性物質はこのような内在的水平磁化特性を有する物質であり得る。

【0068】

これに加えて、磁性膜ＭＧＬは、その蒸着厚さがその水平方向の長さに比べて相対的に小さい、薄膜の形態に形成され得る。本発明の一部実施形態によれば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳを構成する磁性膜ＭＧＬの各々の厚さは約１Å乃至約３０Åであり得る。又は、磁性膜ＭＧＬの各々の厚さは約３Å乃至１４Å又は約３Å乃至１７Åであり得る。

【0069】

垂直磁化誘導膜ＰＭＩは磁性膜ＭＧＬと直接接触するように形成され、このような直接的な接触は磁性膜ＭＧＬの磁化方向を磁性膜ＭＧＬの厚さ方向（即ち、主表面の法線方向）と平行になるように変化させ得る。即ち、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは内在的水平磁化特性を有する磁性膜ＭＧＬが垂直磁化特性を有するようにする外部要因（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒ）を提供できる。このような理由で、互いに接触する垂直磁化誘導膜ＰＭＩ及び磁性膜ＭＧＬは外因性垂直磁化特性（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を有する構造（例えば、外因性垂直磁化構造）を形成できる。以下で、外因性垂直磁化構造を構成する磁性膜ＭＧＬは外因性垂直磁性膜と称される。

【0070】

垂直磁化誘導膜ＰＭＩは酸素原子を含む物質であり得る。一部実施形態によれば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは金属酸化物の中の少なくとも１つであり得る。例えば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩはマグネシウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物、ハフニウム酸化物又はマグネシウムホウ素酸化物の中の少なくとも１つであり得るが、本発明の技術的思想はこれに限定されない。一方、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは磁性膜ＭＧＬに比べて高い抵抗率を有することができる。この場合、磁気トンネル接合ＭＴＪの電気抵抗は垂直磁化誘導膜ＰＭＩの抵抗に大きく依存される。このような依存性を減らすために、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは薄い厚さに形成され得る。例えば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは磁性膜ＭＧＬより薄い厚さであり得る。一部実施形態によれば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩの厚さは約１Å乃至約１５Åであり得る。

【0071】

一部実施形態によれば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは、図９に例示的に図示されたように、単一層構造に形成される磁性膜ＭＧＬ及び垂直磁化誘導膜ＰＭＩを包含できる。

【0072】

他の実施形態によれば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは、図１０乃至図１５に例示的に図示されたように、多層構造に形成される磁性膜ＭＧＬ及び垂直磁化誘導膜ＰＭＩを包含できる。磁性膜ＭＧＬ及び垂直磁化誘導膜ＰＭＩは交互に積層され得る。即ち、２つの磁性膜ＭＧＬの間には、少なくとも１つの垂直磁化誘導膜ＰＭＩが介在され得る。より具体的に、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは、図１０及び図１１に図示されたように、２つの磁性膜ＭＧＬの間に１つの垂直磁化誘導膜ＰＭＩが介在されるように構成されるか、或いは図１３及び図１４に図示されたように、２つの磁性膜ＭＧＬの間に一対の垂直磁化誘導膜ＰＭＩが介在されるように構成され得る。

【0073】

多層構造の磁性膜ＭＧＬを含む外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳにおいて、一部実施形態によれば、磁性膜ＭＧＬは実質的に同一な厚さ及び／又は同一な物質で形成され得る。しかし、他の実施形態によれば、磁性膜ＭＧＬの中の少なくとも２つは互いに異なる厚さ及び／又は互いに異なる物質で形成され得る。同様に、一部実施形態によれば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは実質的に同一な厚さ及び／又は同一な物質で形成され得る。しかし、他の実施形態によれば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩの中の少なくとも２つは互いに異なる厚さ及び／又は互いに異なる物質で形成され得る。一部実施形態によれば、磁性膜ＭＧＬの各々及び垂直磁化誘導膜ＰＭＩの各々の物質及び厚さは先に例示的に説明されたことと実質的に同一であり得る。

【0074】

一方、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは垂直磁化誘導膜ＰＭＩを覆う少なくとも１つの金属膜をさらに包含できる。例えば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは垂直磁化保存膜ＰＭＰをさらに包含できる。一実施形態において、垂直磁化保存膜ＰＭＰは、図９乃至図１５に例示的に図示されたように、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの最上部層又は最下部の層として使用され得る。垂直磁化誘導膜ＰＭＩの中の１つは垂直磁化保存膜ＰＭＰとこれに隣接する磁性膜ＭＧＬとの間に介在され得る。一実施形態において、上部電極が垂直磁化保存膜ＰＭＰの上に配置され得る。

【0075】

垂直磁化保存膜ＰＭＰは垂直磁化誘導膜ＰＭＩより低い抵抗率を有する物質で形成され得る。例えば、垂直磁化保存膜ＰＭＰは（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金等の）貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）又は銅の中の少なくとも１つで形成され得る。本発明の一部実施形態によれば、垂直磁化保存膜ＰＭＰはタンタル又はチタンより低い抵抗率を有する物質の中の１つであり得る。

【0076】

これに加えて、本発明の一側面によれば、少なくとも、垂直磁化誘導膜ＰＭＩに接触する垂直磁化保存膜ＰＭＰの部分は酸素原子と反応するのが難しい物質で形成され得る。上述した貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）又は銅は垂直磁化保存膜ＰＭＰのためのこのような条件を充足させる物質から選択され得る。一部実施形態によれば、垂直磁化保存膜ＰＭＰは後続工程又は使用者の通常の使用環境の下でも酸素原子との反応を実質的に完全に遮断できる物質であり得る。

【0077】

一部実施形態によれば、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは、図１３乃至図１５に例示的に図示されたように、磁性膜ＭＧＬの間に介在される少なくとも１つの交換結合層ＥＣＬをさらに包含できる。交換結合層ＥＣＬは（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金等の）貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）の中の１つで形成され得る。

【0078】

隣接するように配置される一対の磁性膜ＭＧＬは交換結合層ＥＣＬとして使用される物質の種類及び厚さにしたがって平行な磁化特性又は反平行な磁化特性を有することができる。交換結合層ＥＣＬは隣接する磁性膜ＭＧＬが平行な磁化特性を有するように構成され得る。この場合、磁気トンネル接合ＭＴＪの磁気モーメント特性での不安定性（例えば、階段形のヒステリシス曲線）を示す技術的問題が予防できる。しかし、本発明の技術的思想はこれに限定されない。一部実施形態によれば、交換結合層ＥＣＬは２Å乃至１０Åの厚さを有するルテニウム膜であり得る。

【0079】

交換結合層ＥＣＬとこれに隣接する磁性膜ＭＧＬとの中の１つの間には、図１３及び図１４に図示されたように、垂直磁化誘導膜ＰＭＩが介在され得る。例えば、交換結合層ＥＣＬの上部面及び下部面の全てを垂直磁化誘導膜ＰＭＩによって覆うことができる。この場合、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳで、垂直磁化誘導膜ＰＭＩの層数が磁性膜ＭＧＬの層数より大きくなり得る。しかし、他の実施形態によれば、図１５に図示されたように、交換結合層ＥＣＬの上部面及び下部面の中の少なくとも１つは磁性膜ＭＧＬと直接接触することができる。

【0080】

一部実施形態によれば、交換結合層ＥＣＬと磁性膜ＭＧＬの層数との間の差異は２より大きくなり得る。即ち、交換結合層ＥＣＬが磁性膜ＭＧＬの間の空間の全てに配置されなくてもよいが、そのように配置されることもあり得る。例えば、図１５に例示的に図示されたように、磁性膜ＭＧＬの間の空間には１つの垂直磁化誘導膜ＰＭＩが介在されるが、或いは１つの交換結合層ＥＣＬが介在され得る。

【0081】

外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳは垂直磁化誘導膜ＰＭＩを覆う少なくとも１つの金属膜ＭＴＬをさらに包含できる。例えば、金属膜ＭＴＬは、図１２に図示されたように、磁性膜ＭＧＬと垂直磁化誘導膜ＰＭＩとの間に介在され得る。一部実施形態によれば、金属膜ＭＴＬは垂直磁化保存膜ＰＭＰとして機能するように構成され得る。即ち、金属膜ＭＴＬは酸素原子と反応するのが難しい物質（例えば、貴金属又は銅の中の少なくとも１つ）で形成され得る。他の実施形態によれば、金属膜ＭＴＬは交換結合層ＥＣＬとして機能するように構成され得る。即ち、金属膜ＭＴＬはその上部面及び下部面に隣接する一対の磁性膜ＭＧＬが平行又は反平行な磁化特性を有するように構成され得る。

【0082】

本発明の実施形態によれば、下部及び上部構造体４１、４２の中の１つは、図１６及び図１７に図示された、内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳの中の１つを包含するように構成され得る。

【0083】

図１６及び図１７を参照すれば、内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳは少なくとも１つの内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬを包含できる。内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬは下部構造体４１及び／又は上部構造体４２に含まれた磁性膜であり得る。即ち、自由膜ＦＲＬ又は被固定膜ＰＬは内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬを使用して具現され得る。

【0084】

内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬは内在的垂直磁化特性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を有する物質で形成され得る。即ち、内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬは、外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳの垂直磁化誘導膜ＰＭＩのような外部要因が無くとも、その水平面（即ち、ｘｙ平面）と垂直になる磁化方向を有することができる。

【0085】

例えば、内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬ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構造のＣｏＰｔ、（ｈ）稠密六方晶系格子（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、又は（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つであり得る。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（ｎは積層回数）の構造であり得る。

【0086】

より具体的に、図１６に図示されたように、内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳは単一層構造に形成される内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬ及びキャッピング膜ＣＰＬを包含できる。キャッピング膜ＣＰＬはその下に位置する内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬを保護するキャッピング層として使用され得る。キャッピング膜ＣＰＬはルテニウムＲｕ、タンタルＴａ、パラジウムＰｄ、チタンＴｉ、白金Ｐｔ、銀Ａｇ、金Ａｕ又は銅Ｃｕの中の少なくとも１つで形成され得る。

【0087】

一部実施形態によれば、図１６に図示された内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳは図示された構造を裏返しにした構造として提供されて下部構造体４１を構成することができる。この場合、キャッピング膜ＣＰＬはその上部に位置する内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬの成長のためのシード層として機能することができる。例えば、内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬがＬ１０構造である場合、キャッピング膜ＣＰＬは、窒化チタン、窒化タンタル、窒化クロム又は窒化バナジウム等のような、塩化ナトリウム格子構造の導電性金属窒化物を包含できる。

【0088】

図１７を参照すれば、内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳは一対の内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬ及びこれらの間に介在される交換結合層ＥＣＬを包含できる。交換結合層ＥＣＬは（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金等の）貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）の中の１つで形成され得る。図１３乃至図１５を参照して説明したのと同様に、交換結合層ＥＣＬとして使用される物質の種類及び厚さにしたがって、隣接するように配置される一対の内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬは平行な磁化特性又は反平行な磁化特性を有することができる。一部実施形態によれば、内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳの交換結合層ＥＣＬは内在的垂直磁性膜ＩＰＭＬが反平行な磁化特性を有するように（即ち、合成反強磁性を有するように）構成され得る。

【0089】

図１８Ａ及び図１８Ｂは本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造の一側面を図示するグラフである。上述したように、垂直磁化保存膜ＰＭＰは後続工程又は使用者の通常の使用環境の下でも酸素原子との反応を実質的に完全に遮断できる物質であり得る。

【0090】

例えば、図１８Ａに図示されたように、垂直磁化保存膜ＰＭＰは垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属より低い酸素親和度を有する物質であり得る。又は、酸素親和度は酸化物形成反応での標準反応エンタルピー（ｓｔａｎｄａｒｄ ｈｅａｔ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ（ΔＨ^０ｆ［単位：ｋＪ／ｍｏｌｅ Ｏｘｙｇｅｎ］）を通じて表現でき、図１８Ｂに図示されたように、垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属物質のΔＨ^０ｆは約−５００［ｋＪ／ｍｏｌｅ Ｏｘｙｇｅｎ］より小さいことがあり得、垂直磁化保存膜ＰＭＰのΔＨ^０ｆは−３００［ｋＪ／ｍｏｌｅ Ｏｘｙｇｅｎ］より大きくなり得る。即ち、標準反応エンタルピーは、絶対値で、垂直磁化保存膜ＰＭＰより垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属の場合にさらに大きくなり得る。例えば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属はＴａ、Ｔｉ、Ｕ、Ｂａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｍｇ、Ｔｈ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｙの中の少なくとも１つを包含でき、垂直磁化保存膜ＰＭＰはＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｐｂの中の少なくとも１つを包含できる。磁性膜ＭＧＬもやはり、図１８Ａ又は図１８Ｂに図示されたように、垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属より酸素親和度が小さい物質であり得るが、垂直磁化保存膜ＰＭＰより大きい酸素親和度を有する物質であり得る。一方、酸素との反応は多様な物理量を通じて定量的に表現できる。例えば、酸素との反応の容易さは酸化反応ポテンシャル又は酸化反応での自由エネルギー等のような物理量を通じて定量的に表現できる。

【0091】

図１９は本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造の他の側面を図示するグラフである。

【0092】

図１９を参照すれば、外因性垂直磁化特性は磁性膜ＭＧＬの原子と垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する酸素原子との化学的結合の結果であり得る。この場合、図１９に図示されたように、磁性膜ＭＧＬと垂直磁化誘導膜ＰＭＩとの間には、磁性膜ＭＧＬより高くて垂直磁化誘導膜ＰＭＩより低い酸素含量を有する遷移領域ＴＲが形成され得る。遷移領域ＴＲでの酸素含量は線型的でないこともあり得る。例えば、図１１に図示されたように、遷移領域ＴＲでの酸素含量は所定のエンベロープＥＮＶ内で単調的に（ｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙ）変化し得る。

【0093】

これと異なり、垂直磁化保存膜ＰＭＰは上述したように後続工程又は使用者の通常の使用環境の下で酸素原子と反応しない物質であり得る。図１９に図示されたように、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは有限な大きさの酸素含量を有するが、垂直磁化保存膜ＰＭＰは垂直磁化誘導膜ＰＭＩより小さい酸素含量を有することができる。一部実施形態によれば、酸素含量は垂直磁化誘導膜ＰＭＩと垂直磁化保存膜ＰＭＰとの間の界面で急激に（ａｂｒｕｐｔｌｙ）変化し得る。即ち、酸素含量の変化率の絶対値は遷移領域ＴＲでよりも、垂直磁化誘導膜ＰＭＩと垂直磁化保存膜ＰＭＰとの間の界面でさらに大きくなり得る。

【0094】

他の実施形態によれば、遷移領域ＴＲは垂直磁化誘導膜ＰＭＩの全体にかけて形成され得る。例えば、図１９で、垂直磁化誘導膜ＰＭＩの酸素含量のｚ方向の変化率は磁性膜ＭＧＬと垂直磁化保存膜ＰＭＰとの間の全ての領域で有限な大きさを有することができる。一部実施形態によれば、垂直磁化誘導膜ＰＭＩの酸素含量は磁性膜ＭＧＬに隣接する領域でよりも、垂直磁化保存膜ＰＭＰに隣接する領域でさらに高いことがあり得る。

【0095】

図２０は本発明の実施形態による外因性垂直磁化構造のその他の側面を説明するための図面である。

【0096】

本発明にしたがう磁気メモリ装置を製造するためには、垂直磁化誘導膜ＰＭＩ及び垂直磁化保存膜ＰＭＰが形成された以後にも、所定の工程段階が追加的に実施される。（例えば、熱処理段階又は配線形成段階等。）垂直磁化誘導膜ＰＭＩは、図２０に図示されたようにこのような後続工程段階の間に、又は製品販売以後、使用者による製品使用の間に、熱的エネルギーの供給を受け得る。このような熱的エネルギーは垂直磁化誘導膜ＰＭＩから酸素原子を分離し得る。

【0097】

しかし、低い酸素親和度を有する物質で形成される垂直磁化保存膜ＰＭＰが存在する場合、分離された酸素原子の拡散及びこれにしたがう垂直磁化誘導膜ＰＭＩからの酸素離脱は防止され得る。具体的に、熱的エネルギーの供給が中断されて、分離された酸素原子が化学的に安定な状態に戻る時、垂直磁化保存膜ＰＭＰが上述したように低い酸素親和度を有する物質で形成される場合、分離された酸素原子は垂直磁化保存膜ＰＭＰでなく、垂直磁化誘導膜ＰＭＩを構成する金属原子と再結合する。即ち、垂直磁化誘導膜ＰＭＩは熱的エネルギーの供給以前の状態に復元され得る。

【0098】

図２１は本発明の実施形態による磁気トンネル接合の磁気的特性の一側面を例示的に示す実験グラフである。

【0099】

実験では、磁性膜の膜厚さに対する磁性膜での垂直異方性エネルギー密度が２つの形態の磁気トンネル接合から得られた。図２１で参照番号Ｃ１は図９に図示された外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳを含む第１形態の磁気トンネル接合ＭＴＪ１から得られた結果を示し、参照番号Ｃ２は図１３に図示された外因性垂直磁化構造を含む第２形態の磁気トンネル接合ＭＴＪ２から得られた結果を示す。即ち、第１番目の試料は単一層の磁性膜を含む外因性垂直磁化構造に該当し、第２番目の試料は多層の磁性膜を含む外因性垂直磁化構造に該当する。

【0100】

使用された試料で、トンネルバリア膜５０はマグネシウム酸化膜ＭｇＯで形成され、磁性膜ＭＧＬ及び垂直磁化誘導膜ＰＭＩの各々はコバルト鉄ホウ素ＣｏＦｅＢ及びタンタル酸化物ＴａＯで形成され、垂直磁化保存膜ＰＭＰ及び交換結合層ＥＣＬはルテニウムＲｕで形成された。実験の他の条件は実質的に同一であった。図２１で横軸は外因性垂直磁化構造を構成する磁性膜の総計の厚さを示し、縦軸は磁性膜の垂直異方性エネルギー密度を示す。

【0101】

図２１の参照番号Ｃ１を参照すれば、内在的水平磁化特性を有する物質であるコバルト鉄ホウ素ＣｏＦｅＢの厚さが約１４Å以下である場合、垂直異方性エネルギー密度は正の値を有する。即ち、図９の外因性垂直磁化構造ＥＰＭＳで磁性膜は所定の厚さ範囲（ｔ）内で垂直異方性を有する。例えば、内挿された（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅｄ）曲線Ｃ１から、磁性膜の厚さが約３Å乃至１４Åの範囲で、図９に図示された構造の磁性膜は垂直異方性を有する。

【0102】

反面、図２１の参照番号Ｃ２を参照すれば、約２０Å以上の厚さでも正の垂直異方性エネルギー密度を有するだけでなく、垂直異方性エネルギー密度の大きさは単一層の磁性膜を含む図９の構造より大きい。これは、外因性垂直磁化構造が上述したような多層構造の磁性膜を包含するように構成される場合、垂直異方性エネルギー密度の減少無く、又は増加と共に、外因性垂直磁化構造を構成する磁性膜の総計の厚さを増加させることが可能であることを意味する。磁性膜の総計の厚さの増加によって、磁性膜の厚さが薄い場合に現れ得る磁化特性の熱的安定性問題が抑制され得る。

【0103】

上述したように、図９乃至図１７に例示的に図示された薄膜構造体は図７又は図８の磁気トンネル接合ＭＴＪ１、ＭＴＪ２の一部として使用され得る。例えば、図２２に例示的に図示されたように、図１０及び図１７を参照して説明された薄膜構造体が各々上部及び下部構造体４２、４１を構成することができる。図１０を参照して説明された薄膜構造体は外因性垂直磁化構造であり、図１７を参照して説明された薄膜構造体は合成反強磁性を有する内在的垂直磁化構造ＩＰＭＳであり得る。したがって、図２２の構造は図７のような上部構造体４２が自由膜ＦＲＬを含み、下部構造体４１が固定膜ＰＬを含む構造に該当する。

【0104】

又は、図２３に例示的に図示されたように、図１０及び図１１を参照して説明された薄膜構造体が各々下部及び上部構造体４１、４２を構成することができる。図１１の構造は図１０の構造に比べて、より大きい磁性膜厚さを有するように構成されることによって、固定層（又はハード層）として機能することができる。したがって、図２３の構造は図８のような上部構造体４２が固定膜ＰＬを含み、下部構造体４１が自由膜ＦＲＬを含む構造に該当する。

【0105】

例として、本発明の一部実施形態による磁気トンネル接合が図２２及び図２３を参照して例示的に説明されたが、本発明の技術的思想はこれに限定されるものではない。

【0106】

図２４は本発明の変形された実施形態による磁気メモリ素子の単位セルを例示的に図示する回路図である。

【0107】

図２４を参照すれば、この実施形態による磁気トンネル接合ＭＴＪは下部構造体４１の下に配置される下部電極構造体６１及び上部構造体４２の上に配置される上部電極構造体６２をさらに包含できる。即ち、下部電極構造体６１は第１配線１０と下部構造体４１との間又は選択素子３０と下部構造体４１との間に配置されることができ、上部電極構造体６２は第２配線２０と上部構造体４２との間に配置され得る。

【0108】

下部及び上部電極構造体６１、６２の各々は単一層構造又は多層構造であり得る。これに加えて、下部及び上部電極構造体６１、６２は導電性物質（さらに限定的には、金属）で形成され得る。しかし、その他の変形された実施形態によれば、所定の磁気トンネル接合ＭＴＪは下部及び上部電極構造体６１、６２の中の１つを包含しない構造であることもあり得る。

【0109】

図２５及び図２６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。

【0110】

図２５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）コンピューター、携帯用コンピューター、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）、有線または無線電子機器あるい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つであり得る。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を包含できる。制御器１３１０は例えば１つ以上のマイクロプロセッサー、デジタル信号プロセッサー、マイクロコントローラ、又はこれと類似なものを包含できる。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得る。メモリ１３３０は使用者データを格納するのに使用でき、上述した本発明の実施形態による半導体装置を包含できる。電子装置１３００はＲＦ信号で通信する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を使用することができる。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包含できる。電子装置１３００はＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、ＮＡＤＣ、Ｅ−ＴＤＭＡ、ＷＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｍｕｎｉ Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＤＥＣＴ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ、Ｆｌａｓｈ−ＯＦＤＭ、ＩＥＥＥ ８０２．２０、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で使用され得る。

【0111】

図２６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得る。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を包含できる。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ー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）を構成することができる。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包含できる。

【0112】

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）で具現され得る。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 Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ（ＴＱＦＰ）、Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＳＯＩＣ）、Ｓｈｒｉｎｋ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳＳＯＰ）、Ｔｈｉｎ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ（ＴＳＯＰ）、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得る。

【0113】

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包含することもあり得る。

【0114】

以上の発明の詳細な説明は開示された実施状態に本発明を制限しようとする意図ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で多様な他の組み合わせ、変更及び環境で使用することができる。添付された請求の範囲は他の実施状態も含んで解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0115】

１０ 第１配線
２０ 第２配線
３０ 選択素子
４１ 下部構造体
４２ 上部構造体
５０ トンネルバリア
１００ 単位セル
ＭＴＪ 磁気トンネル接合
ＥＰＭＳ 外因性垂直磁化構造
ＩＰＭＳ 内在的垂直磁化構造
ＭＧＬ 磁性膜
ＰＭＩ 垂直磁化誘導膜
ＰＭＰ 垂直磁化保存膜
ＥＣＬ 交換結合層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】