JP7350363B2 - スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2020年11月20日付の韓国特許出願第10-2020-0156790号と2021年08月09日付の韓国特許出願第10-2021-0104332号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
[実施例1-1]:Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(多層薄膜構造)の製造
表面に非晶質の自然酸化層が形成されたSi基板(Si/SiO2)上にタングステン(W)ターゲットをスパッタリングすると同時に、シリコン(Si)ターゲットを共にスパッタリングして5nmのタングステン-シリコン合金層(W-Si、スピントルク活性層)を形成した。このとき、タングステンターゲットとシリコンターゲットは、それぞれ、直流、交流マグネトロンスパッタリングを用い、アルゴン気体の流量を固定させた状態で同時にスパッタリングする元素のそれぞれのスパッタリングパワーを調節して、タングステン系合金薄膜の組成を調節し、タングステン-シリコン合金層の作製に用いたターゲットの大きさは直径2インチである。
スピントルク活性層、CoFeB自由層及びMgO絶縁層を含む多層薄膜構造は、全て実施例1-1と同様に製造された。図11Aのように、素子の全体構造を十字形状にパターニングして、スピン軌道トルクの効率及び比抵抗を測定した。
スピントルク活性層、CoFeB自由層及びMgO絶縁層を含む多層薄膜構造は、全て実施例1-1と同様に製造された。図17Aのように、素子の全体構造を十字形状にパターニングした後、スピントルク活性層を除いた全ての層をスピン軌道トルク活性層上に島状に形成した。当該試片を用いて、電流-印加スピン軌道トルクによる磁化反転を測定した。
25nmのタングステン-シリコン合金層(W-Si、スピントルク活性層)の単一膜を形成し、パターニング工程以外は、実施例1-1と同様に製造された。
表面に非晶質の自然酸化層が形成されたSi基板(Si/SiO2)上に、Co40Fe40B20(at%)ターゲットを用いて4nmの面内方向に磁化容易軸を有する磁性層を直流マグネトロンスパッタリングを用いて蒸着する。このとき、磁性層の厚さは、磁化容易軸が面内方向である状態で変わり得る。
図4に示したようなSi/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Taを全て形成した後、300℃、400℃及び500℃の温度で1時間熱処理を行い、熱処理時の初期真空は10-6Torr帯域であり、熱処理中に、6kOeの外部磁場がSi/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合)に垂直な方向に加えられた。
120 スピントルク活性層
121 第1導電ライン
122 第2導電ライン
130 自由層
140 トンネルバリア層
150 固定層
160 キャッピング層
Claims (17)
- 基板上に形成されるスピントルク活性層(spin-orbit active layer)と、
前記スピントルク活性層上に形成される自由層と、
前記自由層上に形成されるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成される固定層とを含み、
前記スピントルク活性層は、W-X合金を含み(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)、
前記W-X合金内に含まれるXの組成の含量は0.1at%~10.6at%であることを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。 - 前記スピントルク活性層は、前記自由層と接触して面内電流を提供する電極であることを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記W-X合金内に含まれるXの組成の含量が増加するにつれて、スイッチング電流が減少することを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 基板上に形成されるスピントルク活性層(spin-orbit active layer)と、
前記スピントルク活性層上に形成される自由層と、
前記自由層上に形成されるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成される固定層とを含み、
前記スピントルク活性層は、W-X合金を含み(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)、
スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合は、垂直磁気異方性が発現される熱処理温度が増加するにつれて、スイッチング電流が減少することを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。 - 前記垂直磁気異方性が発現される熱処理温度は300℃~500℃であることを特徴とする、請求項4に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記垂直磁気異方性が発現される熱処理温度に応じて、前記W-X合金内に含まれるXの組成の含量が調節されることを特徴とする、請求項5に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記スピントルク活性層、前記自由層、前記トンネルバリア層及び前記固定層は、平面視で十字(cross)形状であることを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記スピントルク活性層は、平面視で十字(cross)形状であり、
前記自由層、前記トンネルバリア層及び前記固定層は、前記十字形状のスピントルク活性層の中心部に島(island)状に配置されることを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。 - 前記基板は、前記スピントルク活性層と当接する表面に自然酸化層を含むことを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記スピントルク活性層は、下段にバッファ(buffer)層をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 前記スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合は、前記固定層上にキャッピング層をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合。
- 基板上にスピントルク活性層を形成するステップと、
前記スピントルク活性層上に自由層を形成するステップと、
前記自由層上にトンネルバリア層を形成するステップと、
前記トンネルバリア層上に固定層を形成するステップと、
前記自由層及び前記固定層に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理を行うステップとを含み、
前記基板上にスピントルク活性層を形成するステップは、
真空チャンバ内でWターゲットとXターゲットを同時にスパッタリングして、前記真空チャンバ内に配置された前記基板上にW-X合金薄膜(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)を形成し、
前記W-X合金内に含まれるXの組成の含量は0.1at%~10.6at%であることを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。 - 前記Wターゲット及び前記Xターゲットのパワーに応じて前記W-X合金薄膜の組成が調節されることを特徴とする、請求項12に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。
- 基板上にスピントルク活性層を形成するステップと、
前記スピントルク活性層上に自由層を形成するステップと、
前記自由層上にトンネルバリア層を形成するステップと、
前記トンネルバリア層上に固定層を形成するステップと、
前記自由層及び前記固定層に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理を行うステップとを含み、
前記基板上にスピントルク活性層を形成するステップは、
真空チャンバ内でWターゲットとXターゲットを同時にスパッタリングして、前記真空チャンバ内に配置された前記基板上にW-X合金薄膜(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)を形成し、
前記熱処理の温度が増加するにつれて、スイッチング電流が減少することを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。 - 基板上にスピントルク活性層を形成するステップと、
前記スピントルク活性層上に自由層を形成するステップと、
前記自由層上にトンネルバリア層を形成するステップと、
前記トンネルバリア層上に固定層を形成するステップと、
前記自由層及び前記固定層に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理を行うステップとを含み、
前記基板上にスピントルク活性層を形成するステップは、
真空チャンバ内でWターゲットとXターゲットを同時にスパッタリングして、前記真空チャンバ内に配置された前記基板上にW-X合金薄膜(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)を形成し、
前記熱処理の温度は300℃~500℃であることを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。 - 基板上にスピントルク活性層を形成するステップと、
前記スピントルク活性層上に自由層を形成するステップと、
前記自由層上にトンネルバリア層を形成するステップと、
前記トンネルバリア層上に固定層を形成するステップと、
前記自由層及び前記固定層に垂直磁気異方性を発現させるために熱処理を行うステップとを含み、
前記基板上にスピントルク活性層を形成するステップは、
真空チャンバ内でWターゲットとXターゲットを同時にスパッタリングして、前記真空チャンバ内に配置された前記基板上にW-X合金薄膜(ここで、Wはタングステンであり、前記Xは、4族半導体及び3-5族半導体のうちの少なくとも1つを含む)を形成し、
前記熱処理の温度に応じて、前記W-X合金内に含まれるXの組成の含量が調節されることを特徴とする、スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。 - 前記基板上にスピントルク活性層を形成するステップは、
前記W-X合金薄膜を十字形状にパターニングするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載のスピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合の製造方法。
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