KR101661389B1 - Magnetic tunnel junction structure with perpendicular magnetic anisotropy - Google Patents

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Abstract

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하는 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 확산방지물질은 상기 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 이상인 물질일 수 있다. 따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공할 수 있다.Thereby providing an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy. An MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy includes a seed layer composed of an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material, a first ferromagnetic layer positioned on the seed layer and having perpendicular magnetic anisotropy, a second ferromagnetic layer positioned on the first ferromagnetic layer, And a second ferromagnetic layer having a perpendicular magnetic anisotropy located on the tunneling barrier layer. The diffusion preventing material may be a substance having a binding energy with the non-magnetic substance of 8.2 eV / atom or more. Therefore, it is possible to provide an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy whose thermal stability is improved even at a high temperature.

Description

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조{Magnetic tunnel junction structure with perpendicular magnetic anisotropy}[0001] Magnetic tunnel junction structure with perpendicular magnetic anisotropy [

본 발명은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고온에서도 열적 안정성을 갖는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy, and more particularly to an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy having thermal stability even at high temperatures.

새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.A next generation nonvolatile memory that is attracting attention as a demand for a new information storage medium includes a ferroelectric memory (FeRAM), a magnetic memory (MRAM), a resistance memory (ReRAM), a phase change memory (PRAM) and the like. These memories have advantages of each, and research and development are proceeding actively in accordance with the purpose.

이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.Among them, MRAM (Magnetic Random Access Memory) is a memory device which utilizes the quantum mechanical effect called magnetoresistance and is a device capable of storing non-volatile data with a feature of high density and high response with low power consumption. Which can replace the DRAM, which is a storage element that is being used.

자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.Two effects of magnetoresistive effect, giant magnetoresistive (GMR) and tunneling magnetoresistive (TMR), are known.

GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층의 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.An element using the GMR effect stores information by using a phenomenon that the resistance of a conductor located between two ferromagnetic layers changes according to the spin direction of the upper and lower ferromagnetic layers. However, the GMR element has a low MR (magnetoresistance) ratio, which indicates a ratio of the change in the magnetoresistance, to as low as about 10%. Therefore, the read signal of the stored information is small, and securing of the read margin is the greatest challenge in MRAM realization.

한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 자기터널접합Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자가 알려져 있다.On the other hand, as a typical device utilizing the TMR effect, a magnetic tunnel junction (MTJ) device using a change in magnetoresistance due to a magnetic tunnel junction effect is known.

이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.This MTJ element has a stacked structure of a ferromagnetic layer / an insulating layer / a ferromagnetic layer. In the MTJ element, when the spin directions of the upper and lower ferromagnetic layers are the same, the tunnel probability between two ferromagnetic layers with the tunnel insulating film interposed therebetween is maximized, resulting in a minimum resistance value. On the other hand, when the spin direction is opposite, the tunnel probability is minimized and the resistance value becomes the maximum.

이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀드층(Pinned layer)이라 한다.In order to realize these two spin states, either one of the ferromagnetic layers (the magnetic film) is set so that its magnetization direction is fixed and is not influenced by external magnetization. In general, a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction is referred to as a pinned layer.

다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이때의 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.The magnetization direction of the other ferromagnetic layer (magnetic film) can be the same as or opposite to the magnetization direction of the fixed layer depending on the direction of the applied magnetic field. The ferromagnetic layer at this time is generally referred to as a free layer and is responsible for storing information.

MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.In the case of the MTJ element, the MR ratio as the rate of change in resistance is now more than 50%, and it is becoming the mainstream of MRAM development.

한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.On the other hand, an MTJ element using a perpendicular magnetic anisotropic material is attracting attention.

특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Particularly, studies for applying an MTJ element using such a perpendicular magnetic anisotropic material to a vertical spin transfer torque-type magnetoresistive memory (STT-MRAM) have been actively conducted.

스핀전달토크형 기록방식은 외부 자기장이 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 방식을 말한다. 이러한 STT 기록방식은 별도의 외부 도선이 필요없어 고집적화에 유리한 특징이 있다.The spin transfer torque-type recording system refers to a method of inducing magnetization inversion by injecting a direct current into a magnetic tunnel junction, not an external magnetic field. This STT recording method is advantageous for high integration because no external conductor is required.

이러한 수직자기이방성을 이용한 자기터널접합에 사용되는 물질로써 CoFeB를 들 수 있는데, 이는 종래에는 수평자기이방성 물질로 연구되었으나, 매우 얇은 두께(약 1.5 nm 이하)에서 수직자기이방성을 발현하는 특성이 발견되어 활발히 연구되고 있다.CoFeB is a material used for magnetic tunnel junction using perpendicular magnetic anisotropy. It has been studied as a horizontal magnetic anisotropy material. However, it has a characteristic of exhibiting vertical magnetic anisotropy at a very thin thickness (about 1.5 nm or less) And are actively researched.

현재까지 알려진 바로는 이러한 CoFeB에서 수직자기이방성을 발현시키기 위해서는 Ta/CoFeB/MgO의 구조를 가지는 접합이 필요하다.It is known that CoFeB requires a junction having a structure of Ta / CoFeB / MgO to exhibit perpendicular magnetic anisotropy.

이러한 구조의 경우, 실제 공정상 열처리 온도인 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서, 탄탈륨(Ta)이 CoFeB층으로 열적 확산이 일어나게 되고, 그로 인해 CoFeB층과 Ta층 사이의 계면 특성 및 CoFeB층의 수직자기이방성이 감소할 수 있는 문제점이 있다. 즉, Ta/CoFeB/MgO의 구조는 열적안정성이 매우 취약한 문제점이 있다.In such a structure, thermal diffusion of tantalum (Ta) into the CoFeB layer occurs at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C, which is a heat treatment temperature in the actual process. As a result, the interface characteristics between the CoFeB layer and the Ta layer, There is a problem that magnetic anisotropy can be reduced. That is, the structure of Ta / CoFeB / MgO has a problem that thermal stability is very weak.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온에서 열적 안정성을 갖는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공함에 있다.A problem to be solved by the present invention is to provide an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy with high thermal stability.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 이러한 MTJ 구조는 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하는 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 이때의 확산방지물질은 상기 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 이상인 물질일 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy. The MTJ structure includes a seed layer composed of an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material, a first ferromagnetic layer positioned on the seed layer and having perpendicular magnetic anisotropy, a tunneling barrier layer positioned on the first ferromagnetic layer, And a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy located on the tunneling barrier layer. The diffusion preventive substance may be a substance having a binding energy with the non-magnetic substance of 8.2 eV / atom or more.

또한, 이때의 비자성물질은 탄탈륨일 수 있다.Further, the non-magnetic substance at this time may be tantalum.

또한, 이때의 확산방지물질은 W, Nb, Hf, Pd 또는 Pt를 포함할 수 있다.In addition, the diffusion preventing material may include W, Nb, Hf, Pd or Pt.

또한, 이러한 제1 강자성층은 CoFeB 물질을 포함할 수 있다.Also, such a first ferromagnetic layer may comprise a CoFeB material.

또한, 이러한 터널링 배리어층은 MgO 물질을 포함할 수 있다.In addition, such a tunneling barrier layer may comprise a MgO material.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 상술한 MTJ 구조를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic element. The magnetic element may include a plurality of digit lines, a plurality of bit lines crossing over the digit lines, and the MTJ structure interposed between the digit line and the bit line.

본 발명에 따르면, 비자성물질과 확산방지물질을 포함하는 합금박막을 씨앗층으로 이용함으로써, 확산방지물질과 비자성물질과의 결합력을 이용하여 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 비자성물질이 제1 강자성층으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.According to the present invention, by using an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material as a seed layer, it is possible to prevent the diffusion of nonmagnetic material even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C 1 ferromagnetic layer. Therefore, it is possible to prevent the problem that the crystallinity of the first ferromagnetic layer is maintained and the perpendicular magnetic anisotropy decreases.

따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공할 수 있다.Therefore, it is possible to provide an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy whose thermal stability is improved even at a high temperature.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 4은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 하부자성층의 단면도들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 상부자성층의 단면도들이다.1 is a cross-sectional view illustrating an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are cross-sectional views of a lower magnetic layer of an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to another embodiment of the present invention.
5 to 7 are cross-sectional views of an upper magnetic layer of an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to still another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.

본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.An MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판(100), 버퍼층(200), 씨앗층(300), 제1 강자성층(400), 터널링 배리어층(500), 제2 강자성층(600) 및 캡핑층(700)을 포함한다.Referring to FIG. 1, an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100, a buffer layer 200, a seed layer 300, a first ferromagnetic layer 400, a tunneling barrier layer 500, a second ferromagnetic layer 600, and a capping layer 700.

기판(100)은 공지된 다양한 물질의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기판(100)은 실리콘 기판으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 기판(100)은 전극으로 구현될 수도 있다. 한편, 이러한 기판(100)은 경우에 따라 생략될 수 있다.The substrate 100 may be a substrate of various known materials. For example, such a substrate 100 may be embodied as a silicon substrate. Also, such a substrate 100 may be embodied as an electrode. On the other hand, such a substrate 100 may be omitted in some cases.

버퍼층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 이러한 버퍼층(200)은 후술하는 씨앗층(300)의 조성물질 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.The buffer layer 200 is located on the substrate 100. The buffer layer 200 may include any one material of the seed layer 300 described later.

예를 들어, 이러한 버퍼층(200)은 비자성물질 또는 확산방지물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비자성물질은 탄탈륨일 수 있다. 또한, 예를 들어, 확산방지물질은 W, Nb, Hf, Pd 또는 Pt일 수 있다.For example, the buffer layer 200 may include a non-magnetic material or a diffusion preventing material. For example, the non-magnetic material may be tantalum. Also, for example, the diffusion preventing material may be W, Nb, Hf, Pd or Pt.

따라서, 이러한 버퍼층(200)은 비자성물질과의 결합으로 확산 방지 역할을 하거나 비자성물질의 결정성장 또는 기판과의 접착에 도움을 준다.Thus, the buffer layer 200 prevents diffusion by bonding with a nonmagnetic material, or helps crystal growth of a nonmagnetic material or adhesion to a substrate.

씨앗층(300)은 버퍼층(200) 상에 위치한다. 이러한 씨앗층은(300)은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다.The seed layer 300 is located on the buffer layer 200. The seed layer 300 is composed of an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material.

이러한 비자성물질과 확산방지물질이 혼합된 합금박막은 비자성물질과 확산방지물질간에 결합력이 발생된다. 따라서, 비자성물질과 확산방지물질간의 결합력에 의하여 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 비자성물질이 후술하는 제1 강자성층(400)으로 열적 확산되는 것을 방지할 수 있다.Alloy thin films formed by mixing such non-magnetic materials and diffusion preventing materials have a bonding force between the nonmagnetic material and the diffusion preventing material. Therefore, it is possible to prevent the nonmagnetic material from being thermally diffused into the first ferromagnetic layer 400, which will be described later, even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C due to the bonding force between the nonmagnetic material and the diffusion preventing material.

따라서, 이러한 비자성물질이 제1 강자성층(400)으로 열적 확산되는 것을 방지하기 위하여는 확산방지물질은 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 이상인 물질인 것이 바람직하다.Therefore, in order to prevent the nonmagnetic material from being thermally diffused into the first ferromagnetic layer 400, the diffusion preventing material is preferably a material having a binding energy with the nonmagnetic material of 8.2 eV / atom or more.

만일, 확산방지물질과 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 미만인 경우, 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서 비자성물질이 확산방지물질과의 결합을 끊고 제1 강자성층(400)으로 확산될 수 있기 때문이다.If the binding energy between the diffusion preventing material and the nonmagnetic material is less than 8.2 eV / atom, the nonmagnetic material breaks the bond with the diffusion preventing material at a high temperature of 350 to 400 DEG C and diffuses to the first ferromagnetic layer 400 It can be.

이때의 비자성물질은 예컨대, 탄탈륨일 수 있다. 또한, 이때의 확산방지물질은 예컨대, W, Nb, Hf, Pd 또는 Pt일 수 있다. 따라서, 이러한 씨앗층은 예컨대, TaW 합금박막 또는 TaHf 합금박막일 수 있다.The nonmagnetic material at this time may be, for example, tantalum. The diffusion preventing material may be, for example, W, Nb, Hf, Pd or Pt. Thus, such a seed layer may be, for example, a TaW alloy thin film or a TaHf alloy thin film.

이러한 씨앗층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.The seed layer 300 may be formed through a conventional deposition method. For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, or a solution processing method is available.

제1 강자성층(400)은 이러한 씨앗층(300) 상에 위치한다. 이러한 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 포함할 수 있다.The first ferromagnetic layer 400 is located on this seed layer 300. The first ferromagnetic layer 400 may include a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy.

예를 들어, 이러한 제1 강자성층(400)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.For example, this first ferromagnetic layer 400 may comprise CoFeB. The first ferromagnetic layer 400 including CoFeB may be formed to a thickness of 1.5 nm or less to have perpendicular magnetic anisotropy.

이러한 제1 강자성층(400)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.The first ferromagnetic layer 400 may be formed through a conventional deposition method. For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, or a solution processing method is available.

한편, 이러한 제1 강자성층(400)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.Meanwhile, the first ferromagnetic layer 400 may have perpendicular magnetic anisotropy at the time of forming the layer, but may have perpendicular magnetic anisotropy through a technique such as heat treatment after the formation of the layer.

이러한 제1 강자성층(400)은 고정층 또는 자유층일 수 있다.The first ferromagnetic layer 400 may be a fixed layer or a free layer.

고정층은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다.The fixed layer has a fixed magnetization direction and is set so as not to be influenced by external magnetization.

자유층은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.The free layer functions to store information by allowing the magnetization direction to be the same as or opposite to the magnetization direction of the fixed layer according to the direction of the applied magnetic field.

터널링 배리어층(500)은 이러한 제1 강자성층(400) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(500)은 제1 강자성층(400)과 후술하는 제2 강자성층(600) 사이에 개재된다.The tunneling barrier layer 500 is located on this first ferromagnetic layer 400. That is, the tunneling barrier layer 500 is interposed between the first ferromagnetic layer 400 and the second ferromagnetic layer 600 described later.

따라서, 이러한 터널링 배리어층(500)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다.Thus, the material of such a tunneling barrier layer 500 may be any material that is an insulating material.

예를 들어, 이러한 절연물질은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게 터널링 배리어층(500)은 MgO층일 수 있다.For example, such an insulating material may be at least one selected from the group consisting of MgO, Al 2 O 3, HfO 2, TiO 2, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3. Preferably, the tunneling barrier layer 500 may be a MgO layer.

이러한 터널링 배리어층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.Such a tunneling barrier layer 500 may be formed through a conventional deposition method. For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, or a solution processing method is available.

제2 강자성층(600)은 터널링 배리어층(500) 상에 위치한다. 만일, 제1 강자성층(400)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(600)은 자유층이고, 제1 강자성층(400)이 자유층인 경우, 제2 강자성층(600)은 고정층일 것이다.The second ferromagnetic layer 600 is located on the tunneling barrier layer 500. If the first ferromagnetic layer 400 is a pinned layer, the second ferromagnetic layer 600 is a free layer, and if the first ferromagnetic layer 400 is a free layer, the second ferromagnetic layer 600 is a pinned layer .

이 때의 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The second ferromagnetic layer 600 at this time is made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy as a main element. Thus, the second ferromagnetic layer 600 may be selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta and mixtures thereof to have perpendicular magnetic anisotropy And may include at least any one of them.

예를 들어, 이러한 제2 강자성층(600)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB층은 수직자기이방성을 갖기 위하여 얇은 두께로 설정될 수 있다. 예를 들어, 수직자기이방성을 갖기 위하여 CoFeB층의 두께는 1.5 nm 이하로 설정될 수 있다.For example, this second ferromagnetic layer 600 may comprise CoFeB. At this time, the CoFeB layer can be set to a thin thickness to have perpendicular magnetic anisotropy. For example, in order to have perpendicular magnetic anisotropy, the thickness of the CoFeB layer may be set to 1.5 nm or less.

이러한 제2 강자성층(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.The second ferromagnetic layer 600 may be formed by a conventional deposition method. For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, or a solution processing method is available.

한편, 이러한 제2 강자성층(600)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.Meanwhile, the second ferromagnetic layer 600 may have vertical magnetic anisotropy at the time of forming the layer, but may have perpendicular magnetic anisotropy through a technique such as heat treatment after the formation of the layer.

캡핑층(700)은 이러한 제2 강자성층(600) 상에 위치한다. 이러한 캡핑층(600)은 보호층으로서 기능하며, 제2 강자성층(600)이 산화되는 것을 보호한다. 이러한 캡핑층(700)은 경우에 따라 생략될 수 있다.The capping layer 700 is located on this second ferromagnetic layer 600. This capping layer 600 functions as a protective layer and protects the second ferromagnetic layer 600 from being oxidized. This capping layer 700 may be omitted in some cases.

한편 도 1의 구조는 터널링 배리어층(500)을 기준으로 제1 강자성층(400)은 하부자성층이고, 제2 강자성층(600)은 상부자성층이 될 것이다.1, the first ferromagnetic layer 400 is a lower magnetic layer and the second ferromagnetic layer 600 is an upper magnetic layer on the basis of the tunneling barrier layer 500.

또한, 경우에 따라 도 1의 구조를 뒤집은 구조로도 이용할 수 있다. 이 경우, 기판(100)은 제거될 수 있다. 이때 터널링 배리어층(500)을 기준으로 제1 강자성층(400)은 상부자성층이 되고, 제2 강자성층(600)은 하부자성층이 될 것이다.
In addition, the structure of FIG. 1 may be inverted according to circumstances. In this case, the substrate 100 can be removed. At this time, the first ferromagnetic layer 400 becomes the upper magnetic layer and the second ferromagnetic layer 600 becomes the lower magnetic layer based on the tunneling barrier layer 500.

도 2 내지 4은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 하부자성층(Bottom Magnetic layer)의 단면도들이다.2 to 4 are cross-sectional views of a bottom magnetic layer of an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to another embodiment of the present invention.

이러한 MTJ 구조의 하부자성층은 터널링 배리어층의 하부에 위치하는 자성층을 의미한다.The lower magnetic layer of the MTJ structure means a magnetic layer located under the tunneling barrier layer.

도 2를 참조하면, MTJ 구조의 하부자성층인 CoFeB층은 상부에 터널링 배리어층인 MgO층이 위치하고, 그 하부에 씨앗층이 위치하는 구조이다.Referring to FIG. 2, the CoFeB layer, which is a lower magnetic layer of the MTJ structure, has a structure in which a MgO layer, which is a tunneling barrier layer, is located on the upper portion and a seed layer is located thereunder.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

도 3을 참조하면, MTJ 구조의 하부자성층인 CoFeB층은 상부에 터널링 배리어층인 MgO층이, 하부에 씨앗층이 위치하는 구조이다. 그리고 이러한 씨앗층 하부에 버퍼층이 위치한다.Referring to FIG. 3, the CoFeB layer, which is a lower magnetic layer of the MTJ structure, has a MgO layer as a tunneling barrier layer and a seed layer as a lower layer. The buffer layer is located under the seed layer.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

그리고 버퍼층은 씨앗층의 비자성물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 씨앗층의 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 버퍼층은 탄탈륨을 포함할 수 있다.And the buffer layer may comprise the same material as the non-magnetic material of the seed layer. For example, if the nonmagnetic material of the seed layer is tantalum, the buffer layer may comprise tantalum.

도 4를 참조하면, MTJ 구조의 하부자성층인 CoFeB층은 상부에 터널링 배리어층인 MgO층이, 하부에 씨앗층이 위치하는 구조이다. 그리고 이러한 씨앗층 하부에 버퍼층이 위치한다.Referring to FIG. 4, the CoFeB layer, which is a lower magnetic layer of the MTJ structure, has a MgO layer as a tunneling barrier layer and a seed layer as a lower layer. The buffer layer is located under the seed layer.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

그리고 버퍼층은 씨앗층의 확산방지물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 씨앗층의 확산방지물질이 텅스텐인 경우, 버퍼층은 텅스텐을 포함할 수 있다.
And the buffer layer may comprise the same material as the diffusion barrier material of the seed layer. For example, if the diffusion barrier material of the seed layer is tungsten, the buffer layer may comprise tungsten.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 상부자성층(Top Magnetic layer)의 단면도들이다.5 to 7 are cross-sectional views of a top magnetic layer of an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to still another embodiment of the present invention.

이러한 MTJ 구조의 상부자성층은 터널링 배리어층을 기준으로 터널링 배리어층의 상부에 위치하는 자성층을 의미한다.The upper magnetic layer of the MTJ structure refers to a magnetic layer located on the tunneling barrier layer with reference to the tunneling barrier layer.

도 5를 참조하면, MTJ 구조의 상부자성층인 CoFeB층은 하부에 터널링 배리어층인 MgO층이, 상부에 씨앗층이 위치하는 구조이다.Referring to FIG. 5, the CoFeB layer, which is an upper magnetic layer of the MTJ structure, has a MgO layer as a tunneling barrier layer and a seed layer as an upper layer.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

도 6을 참조하면, MTJ 구조의 상부자성층인 CoFeB층은 하부에 터널링 배리어층인 MgO층이, 상부에 씨앗층이 위치하는 구조이다. 그리고 이러한 씨앗층 상부에 버퍼층이 위치한다.Referring to FIG. 6, the CoFeB layer, which is an upper magnetic layer of the MTJ structure, has a MgO layer, which is a tunneling barrier layer, and a seed layer, which are disposed on an upper portion of the CoFeB layer. A buffer layer is located on the seed layer.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

그리고 버퍼층은 씨앗층의 비자성물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 씨앗층의 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 버퍼층은 탄탈륨을 포함할 수 있다.And the buffer layer may comprise the same material as the non-magnetic material of the seed layer. For example, if the nonmagnetic material of the seed layer is tantalum, the buffer layer may comprise tantalum.

도 7을 참조하면, MTJ 구조의 상부자성층인 CoFeB층은 하부에 터널링 배리어층인 MgO층이, 상부에 씨앗층이 위치하는 구조이다. 그리고 이러한 씨앗층 상부에 버퍼층이 위치한다.Referring to FIG. 7, the CoFeB layer, which is an upper magnetic layer of the MTJ structure, has a MgO layer, which is a tunneling barrier layer, and a seed layer, which are disposed on an upper portion of the CoFeB layer. A buffer layer is located on the seed layer.

이 경우, 씨앗층은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된다. 예컨대, 비자성물질이 탄탈륨인 경우, 씨앗층은 TaX 합금(Alloy) 박막일 수 있다. 이때의 X는 확산방지물질로 예를 들어, 텅스텐일 수 있다.In this case, the seed layer is composed of an alloy thin film containing a non-magnetic substance and a diffusion preventing material. For example, if the nonmagnetic material is tantalum, the seed layer may be a TaX alloy (Alloy) film. In this case, X may be a diffusion preventing material, for example, tungsten.

그리고 버퍼층은 씨앗층의 확산방지물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 씨앗층의 확산방지물질이 텅스텐인 경우, 버퍼층은 텅스텐을 포함할 수 있다.
And the buffer layer may comprise the same material as the diffusion barrier material of the seed layer. For example, if the diffusion barrier material of the seed layer is tungsten, the buffer layer may comprise tungsten.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 설명한다.Hereinafter, a magnetic element including an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention will be described.

이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 이러한 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 디짓 라인과 비트 라인 사이에 개재된 자기 터널 접합을 포함할 수 있다.Such a magnetic element may include a plurality of digit lines, a plurality of bit lines across the top of such digit lines, and a magnetic tunnel junction interposed between the digit line and the bit line.

이 때의 자기 터널 접합은 비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하는 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다.Wherein the magnetic tunnel junction comprises a seed layer comprised of an alloy thin film comprising a nonmagnetic material and a diffusion preventing material, a first ferromagnetic layer positioned on the seed layer and having perpendicular magnetic anisotropy, a second ferromagnetic layer positioned on the first ferromagnetic layer, A tunneling barrier layer and a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy located on the tunneling barrier layer.

이때의 확산방지물질은 상기 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 이상인 물질일 수 있다.The diffusion preventive substance may be a substance having a binding energy with the non-magnetic substance of 8.2 eV / atom or more.

이러한 자기 터널 접합은 도 1을 참조하여 상술한 자기 터널 접합으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
This magnetic tunnel junction is the magnetic tunnel junction described above with reference to FIG. 1, and a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따르면, 비자성물질과 확산방지물질을 포함하는 합금박막을 씨앗층으로 이용함으로써, 확산방지물질과 비자성물질과의 결합력을 이용하여 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 비자성물질이 제1 강자성층으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention, by using an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material as a seed layer, it is possible to prevent the diffusion of nonmagnetic material even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C 1 ferromagnetic layer.

따라서, 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.Therefore, it is possible to prevent the problem that the crystallinity of the first ferromagnetic layer is maintained and the perpendicular magnetic anisotropy decreases.

따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공할 수 있다.
Therefore, it is possible to provide an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy whose thermal stability is improved even at a high temperature.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.The embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

100: 기판 200: 버퍼층
300: 씨앗층 400: 제1 강자성층
500: 터널링 배리어층 600: 제2 강자성층
700: 캡핑층100: substrate 200: buffer layer
300: seed layer 400: first ferromagnetic layer
500: tunneling barrier layer 600: second ferromagnetic layer
700: capping layer

Claims (6)

비자성물질 및 확산방지물질을 포함하는 합금박막으로 구성된 씨앗층;
상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
상기 터널링 배리어층 상에 위치하는 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
상기 확산방지물질은 상기 비자성물질과의 결합에너지가 8.2 eV/atom 이상인 물질인 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.A seed layer composed of an alloy thin film including a nonmagnetic material and a diffusion preventing material;
A first ferromagnetic layer located on the seed layer and having perpendicular magnetic anisotropy;
A tunneling barrier layer located on the first ferromagnetic layer; And
And a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy located on the tunneling barrier layer,
Wherein the diffusion preventing material is a material having a binding energy with the nonmagnetic material of 8.2 eV / atom or more, wherein the MTJ structure has vertical magnetic anisotropy. 제1항에 있어서,
상기 비자성물질은 탄탈륨인 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.The method according to claim 1,
Wherein the nonmagnetic material is tantalum, having perpendicular magnetic anisotropy. 제2항에 있어서,
상기 확산방지물질은 W, Nb, Hf, Pd 또는 Pt를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 3. The method of claim 2,
The diffusion preventing material may include an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy including W, Nb, Hf, Pd, or Pt 제1항에 있어서,
상기 제1 강자성층은 CoFeB 물질을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.The method according to claim 1,
Wherein the first ferromagnetic layer has perpendicular magnetic anisotropy including a CoFeB material. 제1항에 있어서,
상기 터널링 배리어층은 MgO 물질을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.The method according to claim 1,
Wherein the tunneling barrier layer has perpendicular magnetic anisotropy including MgO material. 복수개의 디짓 라인들;
상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들; 및
상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 MTJ 구조를 포함하는 자성소자.A plurality of digit lines;
A plurality of bit lines across the top of the digit lines; And
And the MTJ structure according to any one of claims 1 to 5 interposed between the digit line and the bit line.
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