KR101178767B1 - 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조 - Google Patents

이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조에 관한 것으로서, 고정된 자화 방향을 지닌 제1 자성층과; 반전 가능한 자화 방향을 지닌 제2 자성층과; 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 형성되는 비자성층과; 상기 제2 자성층과의 자성 결합에 의해 상기 제2 자성층의 자화 방향을 상기 제2 자성층의 평면에 대하여 경사지게 하며, 수직 자기 이방성 에너지가 수평 자기 이방성 에너지보다 큰 제3 자성층과; 상기 제2 자성층과 상기 제3 자성층 사이에 형성되며, 상기 제2 및 제3 자성층 간의 결정 배향성을 분리하는 결정구조 분리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조를 제공한다.
본 발명에 의하면, 자기 터널 접합 구조를 구성하는 자유 자성층을, 자기 이방성의 방향 및 크기가 서로 다른 두 개 이상의 자성 박막으로 구성하여, 재생신호 값 증대 및 스위칭에 필요한 임계전류 값 저감 효과를 독립적으로 최적화할 수 있다.
수직 자기 이방성, 자기 터널 접합, 경사, 전류 인가 자기 저항

Description

이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조{MAGNETIC TUNNEL JUNCTION STRUCTURE HAVING FREE LAYER OF DOUBLE MAGNETIC ANISOTROPY}
본 발명은 재생신호 값을 증대시키고 스위칭에 필요한 임계전류 값을 낮춘 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조에 관한 것이다. 본 발명은 자기 저항식 램 (Magneto-resistive RAM or MRAM) 또는 초고주파 진동자 등에 활용 가능하다.
현재 실용화의 검토가 진행되고 있는 자기 랜덤 액세스 메모리 (Magnetic Random Access Memory; MRAM)에서는 메모리 셀에 자기 저항 소자로서 강자성 터널 접합을 형성하는 자기 터널 접합 (Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자를 이용하고 있다. MTJ 소자는 주로 자성층/비자성층/자성층으로 이루어지는 3층 막으로 구성되고, 전류는 비자성층 (터널 장벽층)을 터널링하여 흐른다. 다른 MTJ 소자의 구조로, 자계 감도 개선을 목적으로 하여 한쪽의 자성층에 인접하여 반강자성층을 배치하고, 자화 방향을 고착시킨 소위 스핀밸브 구조가 알려져 있다.
이와 같은 MRAM의 경우 일반적으로 자계에 의하여 단위 셀을 구성하는 강자성체의 자화 상태를 변화시킨다. 이와 달리, 최근 전류를 인가하여 강자성체의 자 화 상태를 변화시키는 전류 인가 자기 저항 소자가 주목되고 있다. 전류 인가 자기 저항 소자란, 자기장을 가함으로써 자성층의 자화 방향을 제어하는 통상적인 자기 저항 소자와는 달리, 자성층에 전류를 인가함으로써 자화 방향을 제어할 수 있는 소자를 말한다.
전류 인가 자기 저항 소자가 정보를 읽어내는 방식은 자계 인가 방식의 MTJ 또는 GMR (giant magneto resistance) 소자를 이용한 경우와 동일하다. 자유 자성층과 고정 자성층 간의 상대적 자화 방향이 평행이면, 소자가 낮은 저항값을, 반평행이면 높은 저항값을 갖고, 이는 디지털 정보 '0' 과 '1'에 각각 대응시킬 수 있다.
전류 인가 자기 저항 소자가 자계 인가 방식의 MTJ 또는 GMR 소자와 중요한 차이점을 보이는 부분은 바로 정보를 기록하는 방식이다. 고정 자성층과 자유 자성층의 자화 방향이 반대이고 전자가 고정 자성층 쪽에서 자유 자성층으로 이동할 경우, 고정 자성층에 의해 스핀 분극된 전류가 자유 자성층에 주입된다. 이때, 전자의 스핀 각운동량이 자유 자성층에 전달되고, 이 양이 일정 정도를 넘어서면, 자유 자성층의 자화 방향을 고정 자성층과 같은 방향으로 역전시키게 된다. 반대로, 고정 자성층과 자유 자성층의 자화 방향이 동일하고 전자가 자유 자성층에서 고정 자성층으로 이동할 경우, 고정 자성층와 같은 방향의 스핀을 가진 전자는 고정 자성층으로 인입되어 통과하고, 고정 자성층과 반대 방향의 스핀을 가진 전자의 일부가 비자성층/고정 자성층 계면에서 반사되어 자유 자성층으로 되돌아 온다. 이 전자들이 자유 자성층의 스핀 방향과 반대 방향으로 토크를 작용함으로써 자유 자성층의 자화 방향을 역전시켜, 두 자성층의 자화 방향이 반평행이 되도록 만들 수 있다.
그 밖에 전류 인가 자기 저항 소자는 동일한 원리를 사용하여 마이크로파 영역의 주파수 대역에서 전류에 의한 발진소자로 응용될 수 있다.
이러한 전류 인가 자기 저항 소자가 지니는 일반적인 문제점은 자화 방향을 역전시키는 데 필요한 전류의 크기가 크다는 점이다. 전류의 크기가 크면, 소자를 구동시키기 위한 구동 회로를 구성하기가 어렵다. 일반적으로 전류 인가 자기 저항 소자를 이용하여 메모리를 구성하기 위해서는 각 소자에 1개의 트랜지스터를 연결한다. 통상 1개의 트랜지스터가 취급할 수 있는 전류의 크기가 제한되어 있으며, 더 많은 전류를 흘리기 위해서는 트랜지스터의 크기가 커져야 한다.
이러한 문제점은 소자를 구동시키는 데에 소모되는 전력의 증가를 야기할 뿐더러, 소자의 집적도에도 부정적인 영향을 미치게 된다.
따라서, 전류 인가 자기 저항 소자에서 자화 방향을 역전시키는 데 필요한 전류의 크기를 감소시킬 것이 요구된다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은,
1) 재생신호 값을 증대시키고 자화 반전에 필요한 임계전류 값을 낮춘 자기 터널 접합 구조를 제공하고,
2) 높은 스핀 분극도와 높은 자기저항비를 얻을 수 있는 자기 터널 접합 구조를 제공하며,
3) 열처리 과정 등의 후공정 및 메모리 동작에 있어서 열적 안정성이 향상된 자기 터널 접합 구조를 제공하는 데에 있다.
이러한 목적들을 달성하기 위하여,
본 발명은, 고정된 자화 방향을 지닌 제1 자성층과; 반전 가능한 자화 방향을 지닌 제2 자성층과; 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 형성되는 비자성층과; 상기 제2 자성층과의 자성 결합에 의해 상기 제2 자성층의 자화 방향을 상기 제2 자성층의 평면에 대하여 경사지게 하며, 수직 자기 이방성 에너지가 수평 자기 이방성 에너지보다 큰 제3 자성층과; 상기 제2 자성층과 상기 제3 자성층 사이에 형성되며, 상기 제2 및 제3 자성층 간의 결정 배향성을 분리하는 결정구조 분리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제3 자성층 상에 형성되어 상기 제3 자성층의 수직 자 기 이방성 에너지를 증대시키는 버퍼층을 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 의하면,
첫째, 자기 터널 접합 구조를 구성하는 비자성층 (즉, 터널 장벽층)에 인접하는 제2 자성층에 수직 자기 이방성 에너지가 큰 제3 자성층을 자기적으로 결합하도록 형성하여, 상기 제2 및 제3 자성층 간의 자성 결합에 의해 전류 미인가 시의 상기 제2 자성층의 자화 방향을 수평 방향 (즉, 제2 자성층의 평면)과 경사지도록 함으로써, 자화 반전에 필요한 임계전류 값을 현저하게 낮출 수 있다.
둘째, 자기 터널 접합 구조를 구성하는 비자성층에 인접하는 자유 자성층 및 고정 자성층은 수평 자기 이방성 (±30°내의 경사각을 갖는 경우를 포함)을 갖도록 하여 높은 스핀 분극도와 높은 자기저항비를 얻을 수 있다.
셋째, 수직 자기 이방성 에너지가 큰 자성층의 구성 물질을 선택함에 있어 열처리 과정에서 소자 특성이 열화되지 않는 물질을 사용하여, 열적 안정성, 제조 수율 및 메모리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
넷째, 결정구조 분리층의 도입을 통해, 제3 자성층의 구성 물질로 면심입방격자 (FCC) 또는 조밀육방격자 (HCP) 구조를 지닌 수직 자기 이방성 물질을 도입하더라도, 체심입방격자 (BCC) 구조를 지닐 때 가장 우수한 특성 (예컨대, 결맞음 터널링 특성)을 보이는 제2 자성층의 결정구조를 파괴하지 않고, 높은 자기저항비와 함께 자화 방향의 경사각을 유도할 수 있다.
이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 실시 상태를 상세히 설명하겠다.
도 1 내지 도 6에 의하면, 본 발명의 각 실시예에 따른 자기 터널 접합 구조는 제1 자성층 (10)과, 비자성층 (20)과, 제2 자성층 (30)과, 제3 자성층 (40)과, 결정구조 분리층 (50)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제2 자성층 (30), 상기 결정구조 분리층 (50) 및 상기 제3 자성층 (40)은 자유 자성층 내지 자유 자화층으로 통칭될 수 있다.
상기 제1 자성층 (10)은 자화 방향이 고정된 고정 자화층으로서 수평 자기 이방성을 가지며, 상기 비자성층 (20)에 의해 상기 제2 자성층 (30)과 분리되어 있다. 상기 제1 자성층 (10)의 자화 방향은 박막에 의한 형상 자기 이방성 (즉, 수평 자기 이방성)으로 인해 상기 제1 자성층의 평면 (즉, 수평 방향 내지 상기 제1 자성층의 박막 면)과 대체로 평행하다. 상기 제1 자성층 (10)은 CoFeX (여기서, X는 B, Re, Rh, Cr, Cu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 자성층 (10)은 자성층 (11)/비자성층 (12)/자성층 (13)의 적층 구조를 갖는 합성 반강자성층 (synthetic ferri-magnetic tri-layer)일 수도 있다. 예컨대, CoFeB (비자성층에 인접한 층)/Ru/CoFe 등의 적층 구조를 가질 수 있다. 이렇게 3층 구조를 이용할 경우, 단일층을 사용할 경우에 비해, 열적 안정성의 개선 및 임계 전류밀도의 개선 등의 효과를 얻을 수 있다.
상기 비자성층 (20)은 상기 제1 및 제2 자성층 (10, 30) 사이에 형성되며 터널 장벽 (tunnel barrier)의 역할을 수행한다. 상기 비자성층 (20)은 절연체 또는 반도체로 이루질 수 있는데, 절연체로는 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및/또는 Yb2O3 등이 사용될 수 있다. 상기 비자성층 (20)으로 MgO를 사용할 경우, 결맞음 터널링 (coherent tunneling)에 의해 높은 자기저항비를 얻을 수 있다. 상기 비자성층 (20)의 두께는 0.7～2 ㎚인 것이 바람직하다. 0.7 ㎚보다 얇으면, 스핀 필터링 (spin filtering) 효과가 작아져서 TMR 비가 감소하고, 핀 홀 (pin hole) 등이 발생하여 누설 전류가 발생할 위험이 있다. 2 ㎚보다 두꺼우면, 저항-면적 곱 (RA product)이 커져서 소자를 작동시킬 때 구동 전압이 너무 커지는 문제가 있다.
상기 제2 자성층 (30)은 자화 방향이 반전될 수 있는 자유 자화층으로서 경사진 수평 자기 이방성을 가진다. 만일, 상기 제3 자성층 (40)이 없다면, 상기 제2 자성층 (30)은 박막에 의한 형상 자기 이방성 (즉, 수평 자기 이방성)으로 인해 상기 제2 자성층의 평면과 대체로 평행할 것이다. 그러나, 본 발명에 있어서, 상기 제2 자성층 (30)의 자화 방향은 수평 방향 (즉, 제2 자성층의 평면 내지 박막 면)과 경사를 이루는데, 그 이유는 상기 제2 자성층 (30)과 큰 수직 자기 이방성을 갖는 상기 제3 자성층 (40)이 상기 결정구조 분리층(50)을 사이에 두고 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간에 자성 결합이 이루어지기 때문이다. 상기 경사 각도(θ)는 -30°≤θ＜0° 또는 0°＜θ≤30°인 것이 바람직하다. 상기 제2 자성층 (30)은 CoFeX (여기서, X는 B, Re, Rh, Cr, Cu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제2 자성층 (30)의 두께는 1~5 nm가 바람직하다. 두께가 너무 얇으면 충분한 스핀 분극을 얻을 수 없고, 두께 가 너무 두꺼우면 전류에 의한 자화 반전 효과가 감소한다.
상기 제3 자성층 (40)은 상기 결정구조 분리층 (50)에 인접하도록 형성되며, 상기 제2 자성층 (30)과의 자성 결합에 의해 상기 제2 자성층 (30)의 자화 방향을 상기 제2 자성층 (30)의 평면에 대하여 경사지게 한다. 상기 제3 자성층 (40)은 수직 자기 이방성 에너지 (즉, 제3 자성층의 평면에 대하여 수직인 방향의 자기 이방성 에너지)(Ku: uni-axial anisotropy energy)가 박막에 의한 형상 자기 이방성 에너지 (즉, 수평 자기 이방성 에너지)(2πMs 2, 여기서 Ms는 saturation magnetization)보다 큰 것이 특징이다. 나아가, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제3 자성층 (40)의 수직 자기 이방성 에너지가 매우 커 자화 용이 축이 수평 방향 (즉, 제2 자성층의 평면 내지 제3 자성층의 평면)에 대하여 수직인 방향으로 배향되는 것이 바람직하다.
경우에 따라서는, 상기 제3 자성층 (40)의 수직 방향으로의 자화를 용이하게 하기 위하여, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제3 자성층 (40) 상에 버퍼층 (60)을 형성할 수도 있다. 이러한 버퍼층 (60)은 Au, Cu, Pd, Pt, Ta 및 다이아몬드상 탄소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제3 자성층 (40)이 수직 자기 이방성을 지니도록 하기 위하여, 상기 제3 자성층 (40)의 구성 물질로 GdFeCo, TbFeCo 등의 희토류 전이금속 합금을 사용하거나, 혹은 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n, [Ni/Pt]n, 또는 [CoCr/Pt]n계 등의 다층 박막 (여기서, n은 1과 10 사이)을 사용할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제3 자성층이 [Co/Ni]n 또는 [CoX 합금/Ni]n계 다층 박막을 포함하는 것이 좋은데, 이 다층 박막이 전기 저항이 작고 제조 원가가 낮을 뿐 아니라, 희토류계 박막에 비하여 열처리 등 후공정이나 메모리 동작에 있어 열적 안정성이 우수하며, 제조 수율과 메모리의 신뢰성을 제고할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 여기서, 상기 n은 1과 10 사이이고, X는 B, Re, Rh, Cr, Cu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.
또한, 상기 Co/Ni 또는 CoX 합금/Ni의 교번 횟수에 따라 수직 자기 이방성의 정도를 나타내는 수직 자기 이방성 에너지를 조절할 수 있다. 이에 의해 상기 제2 자성층 (30) 내 자화 방향의 경사각 (또는 편이각)을 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 제3 자성층 (40)이 [Co/Ni]n의 다층 박막으로 이루어질 경우, Co의 두께는 0.2~0.4 nm, Ni의 두께는 0.4~1.4 nm가 바람직하며, 교번 횟수는 목적에 따라 1~10회 내에서 선택할 수 있다. Co 및 Ni 두께가 상기 수치에서 벗어날 경우 원하는 수직 자기 이방성을 얻기 힘들다. 높은 수직 자기 이방성을 얻기 위해서는 Co 및 Ni의 두께를 감소시킴이 바람직하고, 낮은 수직 자기 이방성을 얻기 위해서는 두꺼운 Co 및 Ni 층을 택하는 것이 바람직하다.
또한, [Co/Ni]n계의 경우 상기 제2 자성층 (30)에 가까운 층이 Ni인가, Co인가에 따라 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간의 자기적 결합도 (magnetic coupling)를 제어할 수 있다. 본 발명에서는 두 적층 방식 모두를 사용할 수 있다. 이는 [CoX 합금/Ni]n계의 경우도 마찬가지이다.
[Co/Ni]n계 다층 박막을 이용하여 수직 자기 이방성을 구현한 예를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 파란 선은 박막 면에 대하여 수직인 방향으로 자기장을 인가하여 측정한 자화-자기장 곡선이다. 잔류자화 (외부자기장 H=0일 때의 자화 M의 값) 값이 포화자화 값과 거의 동일하여, 박막 면에 대하여 수직인 방향이 자화용이축 (magnetic easy axis)임을 알 수 있다. 반면, 빨간 선은 자기장을 박막 면에 수평인 방향으로 인가하여 측정한 자화-자기장 곡선이다. 잔류자화 값이 0에 가까워, 이 방향이 자화 곤란축 (magnetic difficult axis)임을 알 수 있다. 이 실험 결과는 제작한 [Co/Ni]N계 다층 박막이 수직 자기 이방성을 띠고 있음을 명확하게 보여준다.
한편, 상기 결정구조 분리층 (50)은 상기 제2 자성층 (30)과 상기 제3 자성층 (40) 사이에 형성되며, 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간의 자기적 결합을 유도하고, 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간의 결정 배향성을 분리한다.
상기 결정구조 분리층 (50)이 자기적 결합을 유도하는 원리는 다음과 같다. 상기 결정구조 분리층 (50) 내의 자유전자가 양자우물에 갇힌 정현파처럼 존재하고, 이 자유전자가 양측 자성층 (30, 40) 간의 상호 교환작용을 매개함으로써, 상기 결정구조 분리층 (50)을 사이에 두고 자기적 결합이 유도된다.
또한, 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간의 결정 배향성 분리가 중요한 이유는 다음과 같다.
예컨대, MgO를 터널 장벽으로 사용하는 자기 터널 접합이 높은 자기저항비를 보이는 이유는, MgO (002)의 결정 배향성과 이에 인접하는 제1 및 제2 자성층의 결정 배향성이 일치하여 특정한 대칭성 (Δ1 대칭성)을 갖는 파동함수만이 MgO 장벽을 선택적으로 통과하기 때문이다. 따라서, 높은 자기저항비를 얻기 위해서는 자성층이 특정한 결정 배향성을 지닐 것이 요구된다. MgO 박막과 조합을 이루어, 결맞음 터널링을 하기에 적당한 자성체의 결정구조는 체심입방격자 (BCC) 구조이다. 통상, BCC 결정구조를 지닌 자성층을 얻는 방법은 크게 두 가지로 나누어질 수 있다. 첫째, BCC 결정구조를 지닌 자성층을 MBE (Molecular beam epitaxy) 등의 방법을 이용하여 에피택시 성장 (epitaxial growth)시키는 방법이 있다. 둘째, CoFeB과 같이 비정질 구조를 가진 자성층을 MgO 장벽 양단에 형성하고, 열처리에 의해 CoFeB 층이 B 함량을 잃어버리고 비정질구조에서 결정구조로 전이하면서, MgO의 결정구조와 결이 맞는 BCC 구조가 형성되도록 하는 방법이 있다.
한편, 높은 수직 자기 이방성을 갖기 위해서도 특정 결정구조가 필요하다. [Co/Ni]n, [Co/Pt]n, [Co/Pt]n, [Co/Pd]n, [Ni/Pt]n, 또는 [CoCr/Pt]n계 등의 다층 박막을 이용한 대부분의 수직 자기 이방성 물질은 면심입방격자 (FCC) 구조 또는 조밀육방격자 (HCP)로 되어 있다. 수직 자기 이방성 물질이 자성층에 인접할 경우, 열처리 과정에서 FCC나 HCP의 결정구조가 자성층으로 전파되어 자성층이 본래 보유하고 있던 BCC 결정구조를 파괴한다.
상기 결정구조 분리층 (50)을 도입하지 않고, 상기 제2 자성층 (30)에 수직 자기 이방성이 큰 제3 자성층 (40)을 직접 인접시킨 경우, 외부인가 자기장을 변화 시킴에 따라 자기저항비를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다. 열처리 과정 중에 상기 제3 자성층 (40)의 결정구조가 상기 제2 자성층 (30)의 결정구조로 전파되면서 체심입방격자 구조가 깨져 자기저항비가 1% 미만으로 아주 작아짐을 볼 수 있다. 이로부터 수직 자기 이방성 물질의 결정 배향성이 제2 자성층으로 전파될 경우, MgO를 기반으로 한 자기 터널 접합의 특성을 현저하게 열화시킬 수 있다는 것을 명확하게 알 수 있다.
상기 결정구조 분리층 (50)을 도입한 경우 (도 6의 실시예)의 자기저항비 측정 결과를 도 9에 나타내었다. 결정구조 분리층을 도입하지 않은 앞의 결과와는 달리, 자기 터널 접합이 80% 이상인 양호한 자기저항비를 보임을 알 수 있다. 이 결과로부터, 수직 자기 이방성 물질을 사용하면서도 높은 자기저항비를 얻기 위하여 결정구조 분리층 (50)의 도입이 필요함을 알 수 있다.
상기 결정구조 분리층 (50)은 비정질 구조를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 녹는점이 높으며, 박막 제조를 위한 후열처리 공정 (예컨대, 200~600 ℃의 온도)에서 결정화되지 않고 비정질 구조를 유지하는 물질이 바람직하다. 예컨대, 상기 결정구조 분리층 (50)의 구성 물질로 Ru, Ta, Re, Rh 등으로 이루어진 군 중에 적어도 하나를 선택할 수 있다.
이와 같이 하여 얻어지는 자기 터널 접합 구조는, 전류가 인가되지 않은 안정한 상태에서의 상기 제2 자성층 (30)의 자화 방향 (즉, 자기모멘트 방향)이 상기 제2 및 제3 자성층 (30, 40) 간의 자성 결합에 의해 수평 방향과 ±30° 내의 경사를 이루게 되므로, 전류 인가에 의해 자화를 역전시키는 과정에서 자화 면에 대해 수직 방향으로의 자기모멘트의 회전이 용이하도록 만들 수 있다. 따라서, 스위칭에 필요한 임계전류 값을 현저하게 낮출 수 있게 된다.
한편, 변형된 실시예로서, 도 5와 같이, 상기 제3 자성층 (40)을 상부에 제작한 경우 (기판이 하부에 있는 경우를 기준으로 함)의 자기저항비 측정 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다. 도 10을 참조하면, 상기 제3 자성층 (40)으로 매우 강한 수직 자기 이방성을 가진 물질을 사용한 경우, 상기 제2 자성층 (30)의 자화 방향이 수직 자기 이방성의 영향을 크게 받아, 자기저항 곡선에 변형이 생김을 알 수 있다. 또한, 도 11을 참조하면, 상기 제3 자성층 (40)으로 비교적 작은 수직 자기 이방성을 가진 물질을 사용한 경우, 상기 제2 자성층 (30)의 자화 방향이 수직 자기 이방성의 영향을 작게 받아, 자기저항 곡선이 일반적인 양상을 보임을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 자기 터널 접합 구조의 단면 개략도,
도 7은 제3 자성층을 [Co/Ni]n계 다층 박막으로 구성한 경우의 M-H 히스테리시스 루프,
도 8은 결정구조 분리층을 도입하지 않은 경우의 자기저항 곡선,
도 9는 도 6의 자기 터널 접합 구조 (결정구조 분리층을 도입한 경우)의 자기저항 곡선,
도 10은 도 5의 자기 터널 접합 구조에서 매우 강한 수직 자기 이방성을 갖는 제3 자성층을 사용한 경우의 자기저항 곡선,
도 11은 도 5의 자기 터널 접합 구조에서 약한 수직 자기 이방성을 갖는 제3 자성층을 사용한 경우의 자기저항 곡선을 나타낸다.

Claims (14)

  1. 고정된 자화 방향을 지닌 제1 자성층과;
    반전 가능한 자화 방향을 지닌 제2 자성층과;
    상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 형성되는 비자성층과;
    상기 제2 자성층과의 자성 결합에 의해 상기 제2 자성층의 자화 방향을 상기 제2 자성층의 평면에 대하여, 3차원 공간 상 수직축을 향하여 경사지게 하며, 수직 자기 이방성 에너지가 수평 자기 이방성 에너지보다 큰 제3 자성층과;
    상기 제2 자성층과 상기 제3 자성층 사이에 형성되며, 상기 제2 및 제3 자성층 간의 결정 배향성을 분리하는 결정구조 분리층을 포함하고,
    상기 결정구조 분리층은 비정질 구조를 갖고, 200~600 ℃의 온도에서 열처리 시 비정질 구조를 갖는 Ru, Ta, Re 및 Rh로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 자성층의 자화 방향이 상기 제2 자성층의 평면에 대하여, 3차원 공간 상 수직축을 향하여 경사진 각도(θ)는 -30°≤θ＜0° 또는 0°＜θ≤30°인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 자성층은 체심입방 (Body Centered Cubic; BCC) 격자 구조를 가지며, 상기 제3 자성층은 면심입방 (Face Centered Cubic; FCC) 또는 조밀육방 (Hexagonal Close-Packed; HCP) 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3 자성층의 자화 용이 축은 상기 제2 자성층의 평면에 대하여 수직인 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 자성층은 자성층/비자성층/자성층의 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성층은 각각 CoFeX (여기서, X는 B, Re, Rh, Cr, Cu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 절연체 또는 반도체를 포함하여 이루어지며, 상기 절연체는 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3 자성층은 GdFeCo 또는 TbFeCo를 포함하여 이루어 지거나, 혹은 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n, [Ni/Pt]n 또는 [CoCr/Pt]n계 다층 박막 (여기서, n은 1과 10 사이)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제3 자성층은 [Co/Ni]n 또는 [CoX 합금/Ni]n계 다층 박막을 포함하여 이루어지며, n은 1과 10 사이이고, X는 B, Re, Rh, Cr, Cu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 제3 자성층 상에 형성되어 상기 제3 자성층의 수직 자기 이방성 에너지를 증대시키는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
  14. 제13항에 있어서, 상기 버퍼층은 Au, Cu, Pd, Pt, Ta 및 다이아몬드상 탄소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 구조.
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