KR101739640B1 - Multilayered magnetic thin film stack and nonvolatile memory device having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 자기 박막 스택 및 자기 터널링 접합(MTJ)를 이용한 비휘발성 자기 메모리 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 자기 박막 스택은 터널링 장벽층, 상기 터널링 장벽층의 제 1 면 상의 자기 고정층, 및 상기 터널링 장벽층의 상기 제 1 면과 반대되는 제 2 면 상의 자기 자유층을 포함하는 자기 터널링 접합을 포함하는 다층 자기 박막 스택이다. 일 실시예에서, 상기 자기 고정층 및 상기 자기 자유층 중 적어도 하나는, 상기 터널링 장벽층에 인접한 체심 입방 구조를 가지며, 코발트 (Co) 및 철 (Fe)을 함유하는 CoFe계 제 1 자성층; 상기 CoFe계 자성층과 층간 자기 교환 결합되는 제 2 자성층; 및 상기 CoFe계 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층 사이에 배치되고, 상기 CoFe계 자성층에 인접하는 탄탈륨 (Ta)층 및 상기 제 2 자성층에 인접하는 루테늄 (Ru)층의 적층 구조를 포함하는 제 1 복합 스페이서층을 포함한다.The present invention relates to a multi-layer magnetic thin film stack and a non-volatile magnetic memory device using magnetic tunneling junction (MTJ). A multilayer magnetic thin film stack according to an embodiment of the present invention includes a tunneling barrier layer, a magnetization pinned layer on a first side of the tunneling barrier layer, and a magnetic free layer on a second side opposite to the first side of the tunneling barrier layer And a magnetic tunneling junction including a magnetic tunneling junction. In one embodiment, at least one of the magnetically fixed layer and the magnetic free layer has a body-centered cubic structure adjacent to the tunneling barrier layer and includes a CoFe-based first magnetic layer containing cobalt (Co) and iron (Fe); A second magnetic layer interlayer-magnetically exchange-coupled with the CoFe-based magnetic layer; And a first layer including a laminated structure of a tantalum (Ta) layer adjacent to the CoFe-based magnetic layer and a ruthenium (Ru) layer adjacent to the second magnetic layer, the first layer being disposed between the first magnetic layer and the second magnetic layer. And a composite spacer layer.
Description
본 발명은 메모리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다층 자성 박막 스택 및 이를 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to memory technology, and more particularly, to a multi-layer magnetic thin film stack and a non-volatile memory device including the same.
자기 랜덤 액세스 메모리 (magnetic RAM 또는 MRAM)는 나노 자성체 특유의 스핀 의존 전도 현상에 기초한 거대 자기저항 효과 또는 터널링 자기저항 효과를 이용하는 비휘발성 고체 자기 메모리 소자이다. 상기 MRAM은 다른 상변화 메모리 (PcRAM) 또는 저항성 메모리 (ReRAM)에 비하여 속도가 빠르고 반복 사용에 따른 내구성이 우수하여 최근에 많은 주목을 받고 있다.A magnetic random access memory (MRAM or MRAM) is a nonvolatile solid-state magnetic memory device that utilizes a giant magnetoresistance effect or a tunneling magnetoresistance effect based on a spin-dependent conduction phenomenon peculiar to a nano-magnetic material. The MRAM has attracted a great deal of attention recently because it is faster than other phase change memories (PcRAMs) or resistive memories (ReRAM) and has excellent durability according to repeated use.
상기 MRAM 소자의 실현을 위하여, 가장 활발히 연구되는 스핀 트랜스퍼 토크 자기 랜덤 액세스 메모리 (STT-MRAM)는 고속 동작과 우수한 전력 효율을 갖고, 고집적화가 가능하기 때문에 유력한 차세대 메모리이다. 상기 STT-MRAM은 2개의 자성 박막 사이에 한 개의 터널링 장벽층을 삽입한 구조를 갖는 자기 터널링 접합 (magnetic tunnel junction; MTJ) 구조를 포함한다. 상기 MTJ 구조에 있어서, 수직 자기 이방성 (perpendicular magnetic anisotropy; 또는 PMA라 함)은 수평 자기 이방성 (in-plane magnetic anisotropy)에 비하여 자화 반전을 위한 낮은 스위칭 전류 밀도와 높은 열적 안정성을 가질 뿐만 아니라 스케일 측면에서도 이점을 갖는다.In order to realize the MRAM device, the spin transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM), which is most actively studied, is a next-generation memory capable of high-speed operation, excellent power efficiency, and high integration. The STT-MRAM includes a magnetic tunnel junction (MTJ) structure having a structure in which one tunneling barrier layer is interposed between two magnetic thin films. In the MTJ structure, perpendicular magnetic anisotropy (or PMA) has a lower switching current density for magnetization reversal and higher thermal stability than in-plane magnetic anisotropy, .
상기 PMA는 하나 이상의 자성층의 고유 결정자기 이방성 (intrinsic magnetocrystalline anisotropy) 또는 층들 사이의 계면 효과에 의한 이방성에 의해 얻어질 수 있다. 통상적으로, 고유 결정자기 이방성에 의하는 경우, 높은 기록 전류가 필요하고, 상기 자성 박막의 결정성을 얻기 위하여 500℃ 이상의 높은 제조 온도가 요구되기 때문에, 다층 박막 적층 구조를 통해 달성될 수 있는 계면 효과에 의한 이방성이 바람직하다. 상기 다층 박막 적층 구조는 통상의 스퍼터링 공정에 의해 형성할 수 있고 300℃ 이하의 낮은 온도에서 제조가 가능하기 때문에 제조 공정이 용이한 이점이 있다.The PMA can be obtained by intrinsic magnetocrystalline anisotropy of one or more magnetic layers or by anisotropy due to interfacial effects between the layers. Generally, when a high recording current is required due to intrinsic crystalline magnetic anisotropy and a high production temperature of 500 DEG C or more is required to obtain the crystallinity of the magnetic thin film, an interface that can be achieved through a multilayer thin film laminated structure Anisotropy due to the effect is preferable. The multilayer thin film laminate structure can be formed by a conventional sputtering process and can be manufactured at a low temperature of 300 ° C or less, so that the manufacturing process is advantageous.
그러나, 상기 계면 이방성을 이용한 수직 자화 방식은, 일반적으로, 열을 수반하는 후속 공정에서 수직 자화 특성이 열화되는 낮은 후열처리 안전성을 갖는 문제점이 있다. 이는 신뢰성 있는 데이터의 기록과 데이터 유지 특성 (data retention)에 직접적인 영향을 미치므로 이의 개선이 요구된다.However, the vertical magnetization method using the interfacial anisotropy generally has a problem of low post-annealing safety in which vertical magnetization characteristics are deteriorated in a subsequent process involving heat. This has a direct effect on the recording of reliable data and the data retention (data retention), which is required to be improved.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 계면 이방성을 가지면서도 후열처리 안정성을 개선하여 신뢰성 있는 데이터의 기록과 장기간의 데이터 유지 특성을 갖는 신뢰성 있는 다층 자기 박막 스택을 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a reliable multi-layered magnetic thin film stack having high interfacial anisotropy and improved post-annealing stability, thereby reliably recording data and retaining data for a long period of time.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전술한 이점을 갖는 다층 자기 박막 스택을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device including the multi-layer magnetic thin film stack having the above-described advantages.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 자기 박막 스택은, 터널링 장벽층, 상기 터널링 장벽층의 제 1 면 상의 자기 고정층, 및 상기 터널링 장벽층의 상기 제 1 면과 반대되는 제 2 면 상의 자기 자유층을 포함하는 자기 터널링 접합을 포함한다. 상기 자기 고정층 및 상기 자기 자유층 중 적어도 하나는, 상기 터널링 장벽층에 인접한 체심 입방 구조를 가지며, 코발트 (Co) 및 철 (Fe)을 함유하는 CoFe계 제 1 자성층; 상기 CoFe계 자성층과 층간 자기 교환 결합되는 제 2 자성층; 및 상기 CoFe계 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층 사이에 배치되고, 상기 CoFe계 자성층에 인접하는 탄탈륨 (Ta)층 및 상기 제 2 자성층에 인접하는 루테늄 (Ru)층의 적층 구조를 포함하는 제 1 복합 스페이서층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-layer magnetic thin film stack including a tunneling barrier layer, a magnetoresistance layer on a first surface of the tunneling barrier layer, And a magnetic tunneling junction comprising a self-free layer on two sides. At least one of the magnetically fixed layer and the magnetic free layer has a body-centered cubic structure adjacent to the tunneling barrier layer and includes a CoFe-based first magnetic layer containing cobalt (Co) and iron (Fe); A second magnetic layer interlayer-magnetically exchange-coupled with the CoFe-based magnetic layer; And a first layer including a laminated structure of a tantalum (Ta) layer adjacent to the CoFe-based magnetic layer and a ruthenium (Ru) layer adjacent to the second magnetic layer, the first layer being disposed between the first magnetic layer and the second magnetic layer. And a composite spacer layer.
일 실시예에서, 상기 터널링 장벽층은 Al2O3, MgO, TiO2, AlN, RuO, SrO, SiN, CaOx, HfO2, Ta2O5, ZrO2, SiC, SiO2, SiOxNy, 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함한다. 상기 CoFe계 제 1 자성층은, 코발트-철 (CoFe), 코발트-철-붕소 (CoFeB) 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다.In one embodiment, the tunneling barrier layer is Al 2 O 3, MgO, TiO 2, AlN, RuO, SrO, SiN, CaO x, HfO 2, Ta 2 O 5, ZrO 2, SiC, SiO 2, SiO x N y , or a laminated structure of two or more of them. The CoFe-based first magnetic layer may include cobalt-iron (CoFe), cobalt-iron-boron (CoFeB), or a laminated structure of two or more of them.
상기 제 2 자성층은 비자성 금속층 및 코발트 함유 자성층이 적어도 1회 이상 교번하여 적층된 다층구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 비자성 금속층은 백금 (Pt), 로듐 (Rh), 하프늄 (Hf), 파라듐 (Pd), 탄탈륨 (Ta), 오스뮴 (Os), 게르마늄 (Ge), 이리듐 (Ir), 금 (Au), 및 은 (Ag) 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또한, 상기 코발트 함유 자성층은 순수 코발트층, CoZr 합금층, CoFe 합금층, CoFeB 합금층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.The second magnetic layer may include a multilayer structure in which a nonmagnetic metal layer and a cobalt-containing magnetic layer are alternately stacked at least once. In this case, the non-magnetic metal layer may be at least one selected from the group consisting of Pt, Rh, Hf, Pd, Ta, Os, Ge, Ir, (Au), and silver (Ag), or an alloy thereof. The cobalt-containing magnetic layer may include a pure cobalt layer, a CoZr alloy layer, a CoFe alloy layer, a CoFeB alloy layer, or a laminated structure thereof.
일 실시예에서, 상기 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층은 반평행 층간 교환 결합을 할 수 있다. 상기 제 1 복합 스페이서층의 상기 탄탈륨층은 0.2 nm 내지 0.6 nm의 두께를 가지며, 상기 루테늄층은 0.2 nm 내지 1.2 nm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 루테늄층의 두께는 0.6 내지 0.9 nm의 범위 내일 수 있다. In one embodiment, the first magnetic layer and the second magnetic layer are capable of anti-parallel interlayer exchange coupling. The tantalum layer of the first composite spacer layer may have a thickness of 0.2 nm to 0.6 nm and the ruthenium layer may have a thickness of 0.2 nm to 1.2 nm. Further, the thickness of the ruthenium layer may be in the range of 0.6 to 0.9 nm.
상기 자기 고정층 및 상기 자기 자유층 중 다른 하나는, 상기 제 1 자성층과 접하는 상기 터널링 장벽층의 다른 면 상에 인접한 체심 입방 구조를 가질 수 있다. 코발트 (Co) 및 철 (Fe)을 함유하는 CoFe계 제 3 자성층; 상기 CoFe계 자성층과 층간 자기 교환 결합되는 제 4 자성층; 및 상기 CoFe계 제 3 자성층과 상기 제 4 자성층 사이에 배치되고, 상기 CoFe계 자성층에 인접하는 탄탈륨 (Ta)층 및 상기 제 2 자성층에 인접하는 루테늄 (Ru)층의 적층 구조를 포함하는 제 2 복합 스페이서층을 포함할 수 있다.
And the other of the magnetically fixed layer and the magnetic free layer may have a body-centered cubic structure adjacent to the other surface of the tunneling barrier layer in contact with the first magnetic layer. A CoFe-based third magnetic layer containing cobalt (Co) and iron (Fe); A fourth magnetic layer interlayer-magnetically exchange-coupled with the CoFe-based magnetic layer; And a second layer including a laminated structure of a tantalum (Ta) layer adjacent to the CoFe-based magnetic layer and a ruthenium (Ru) layer adjacent to the second magnetic layer, the layer being disposed between the CoFe-based third magnetic layer and the fourth magnetic layer. And a composite spacer layer.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 실시예에 따른 다층 자기 박막 스택은, 체심 입방 구조의 (001) 배향의 성장면을 갖는 제 1 자성층; 최조밀 결정 성장면을 갖는 제 2 자성층; 및 상기 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층 사이에 삽입되고, 상기 제 1 자성층 측의 탄탈륨층 및 상기 제 2 자성층 측의 루테늄층의 복합 스페이서층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층은 반평행 층간 교환 결합을 할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a multilayer magnetic thin film stack including: a first magnetic layer having a body-centered cubic structure with a (001) orientation grown face; A second magnetic layer having an outermost crystal growth surface; And a composite spacer layer of a tantalum layer on the first magnetic layer side and a ruthenium layer on the second magnetic layer side inserted between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The first magnetic layer and the second magnetic layer can perform exchange coupling between antiparallel layers.
상기 복합 스페이서층의 상기 탄탈륨층은 0.2 nm 내지 0.6 nm의 두께를 가지며, 상기 루테늄층은 0.2 nm 내지 1.2 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 루테늄층의 두께는 0.6 내지 0.9 nm의 범위 내이다.The tantalum layer of the composite spacer layer may have a thickness of 0.2 nm to 0.6 nm and the ruthenium layer may have a thickness of 0.2 nm to 1.2 nm. The thickness of the ruthenium layer is in the range of 0.6 to 0.9 nm.
상기 다층 자기 박막 스택은, 상기 복합 스페이서층과 접하는 상기 제 1 자성층의 면과 반대되는 면 상에 상기 제 1 자성층의 열처리에 의한 상기 (001) 배향의 성장면으로 결정화를 위한 템플릿 층을 더 포함할 수 있다. 상기 템플릿 층은 MgO (001)을 포함할 수 있다. 상기 다층 자기 박막 스택은 수직 이방성을 가질 수 있다. The multi-layer magnetic thin film stack further includes a template layer for crystallization on the growth surface of the (001) orientation by heat treatment of the first magnetic layer on a surface opposite to the surface of the first magnetic layer in contact with the composite spacer layer can do. The template layer may comprise MgO (001). The multi-layer magnetic thin film stack may have perpendicular anisotropy.
상기 제 1 자성층은 코발트-철 (CoFe), 코발트-철-붕소 (CoFeB) 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성층은 백금 (Pt)층 및 코발트 (Co) 자성층이 적어도 1회 이상 교번하여 적층된 다층구조를 포함할 수 있다. The first magnetic layer may include cobalt-iron (CoFe), cobalt-iron-boron (CoFeB), or a laminated structure of two or more of them. The second magnetic layer may include a multilayer structure in which a platinum (Pt) layer and a cobalt (Co) magnetic layer are alternately stacked at least once.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 다층 자기 박막 스택을 포함하는 비휘발성 메모리 소자가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is also provided a nonvolatile memory device including the multilayer magnetic thin film stack.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄탈륨층 및 루테늄층의 적층 구조를 갖는 복합 스페이서층을 이용하여 우수한 터널링 자기저항 효과를 갖는 체심 입방 구조의 CoFe계 자성층과 열적 안정성이 우수한 수직 이방성을 갖는 비자성 금속층 및 코발트 함유 자성층을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위 적층 구조를 포함하는 다층 자성층 사이의 완전한 구조적 탈결합과 자기적 결합을 통하여 높은 후열저리 안정성과 강한 수직 자기 이방성, 높은 터널링 자기저항 효과를 확보하여, 신뢰성 있는 데이터의 기록과 높은 데이터 유지 특성을 갖는 다층 자기 박막 스택이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 체심 입방 구조의 결정 구조를 갖는 제 1 자성층과 최조밀 결정 구조를 갖는 제 2 자성층 사이를 구조적으로 탈결합함과 동시에 이들 자성층들을 자기적으로 결합시킬 수 있는 자성 구조의 특성 제어가 용이한 다층 자기 박막 스택이 제공될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, by using a composite spacer layer having a laminated structure of a tantalum layer and a ruthenium layer, a CoFe-based magnetic layer having a body-centered cubic structure with excellent tunneling magnetoresistive effect, a nonmagnetic metal layer And a multilayer magnetic layer including at least one unit laminated structure including a cobalt-containing magnetic layer, a high post-thermal stability, a strong vertical magnetic anisotropy, and a high tunneling magnetoresistance effect are secured, A multilayer magnetic thin film stack having recording of data with high data retention characteristics and high data retention characteristics can be provided. Further, according to the embodiment of the present invention, it is possible to structurally decouple the first magnetic layer having the body-centered cubic crystal structure and the second magnetic layer having the best-accuracy crystal structure, and to magnetically couple these magnetic layers A multilayer magnetic thin film stack in which characteristics of the magnetic structure can be easily controlled can be provided.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 다층 자기 박막 스택을 포함하는 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다.Further, according to another embodiment of the present invention, a nonvolatile memory element including a multilayer magnetic thin film stack having the above-described advantages can be provided.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자화형 (magnetization perpendicular to the plane; MPP) 자기 터널링 접합 (MTJ)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 메모리 셀의 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 자기 터널링 접합들을 도시하는 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 스페이서층을 포함하는 다층 자성 박막 스택을 도시하는 단면도이며, 도 3b는 비교 실험예로서 복합 스페이서층 대신에 Ru 층이 삽입된 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택을 도시하는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택의 면외 (H ⊥, ○) 면내 (H ∥ , □) m-H 루프 그래프이며, 도 4d 내지 도 4f는 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택의 m-H 루프 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서를 포함하는 다층 자성 박막 스택의 탄탈륨층의 두께의 변화에 따른 자화값 m s 및 m r과 제 1 자성층인 코발트-철-붕소 (CoFeB)의 유효 수직 자기 이방성 에너지 밀도 K CoFeB 및 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이의 층간 교환 결합 에너지 밀도 J ex 값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서층을 포함하는 다층 자성 박막 스택 (2000)의 면외 (H ⊥, ○) 및 면내 (H ∥ , □) m-H 루프 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 영역 (b) 및 (c)에서 측정된 면외 루프의 마이너 루프 부분을 확대한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 복합 스페이서를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택의 루테늄층의 두께에 따른 층간 교환 결합 에너지 (-J ex 또는 -j ex)를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템을 도시하는 블록도이다.1A and 1B are cross-sectional views of a memory cell of a nonvolatile memory device including a magnetization perpendicular to the plane (MTJ) magnetic tunneling junction (MTJ) according to an embodiment of the present invention, respectively.
2A-2D are cross-sectional views illustrating magnetic tunneling junctions in accordance with various embodiments of the present invention.
3A is a cross-sectional view showing a multi-layer magnetic thin film stack including a composite spacer layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a multilayer magnetic thin film stack according to a comparative example in which a Ru layer is inserted instead of a composite spacer layer Sectional view showing a thin film stack.
4A to 4C are m - H loop graphs in an out-of-plane ( H ⊥ , ◯) plane ( H ∥ , □) of a multi-layer magnetic thin film stack according to an embodiment of the present invention, It is an m - H loop graph of a magnetic thin film stack.
FIGS. 5A and 5B are graphs showing magnetization values m s and m r of the tantalum layer of the multi-layer magnetic thin film stack including the composite spacer according to the embodiment of the present invention, and the magnetization values m s and m r of the cobalt-iron- the effective perpendicular magnetic anisotropy energy density of the CoFeB) CoFeB K and a graph of the inter-layer exchange-coupling energy density J ex value between the first magnetic layer and second magnetic layer.
Figure 6 is an out-of-plane ( H ⊥ , ∘) and in-plane ( H ∥ , □) m - H loop graph of a multi-layer magnetic
Figs. 7A and 7B are enlarged views of the minor loop portion of the out-of-plane loop measured in regions b and c of Fig. 6, respectively.
8A and 8B show the interlayer exchange coupling energy ( -J ex or -j ex ) according to the thickness of the ruthenium layer of the multi-layer magnetic thin film stack according to the embodiment of the present invention including the composite spacer.
9 is a block diagram illustrating an electronic system including a non-volatile memory device in accordance with one embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다 (comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, and / or portions, these elements, components, regions, and / or portions should not be limited by these terms. It is self-evident. These terms are only used to distinguish one member, component, region or portion from another region or portion. Accordingly, the first member, component, region or portion described below may refer to a second member, component, region or portion without departing from the teachings of the present invention.
또한, 어떤 층이 다른 층 "상에" 형성 또는 배치되어 있다라고 하는 경우에, 이들 층들 사이에 중간층이 형성되거나 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 어떤 재료가 다른 재료에 인접한다고 하는 경우에도 이들 재료들 사이에 중간 재료가 있을 수 있다. 반대로, 층 또는 재료가 다른 층 또는 재료 상에 "바로" 또는 "직접" 형성되거나 배치된다 라고 하는 경우 또는 다른 층 또는 재료에 "바로" 또는 "직접" 인접 또는 접촉된다고 하는 경우에는, 이들 재료 또는 층들 사이에 중간 재료 또는 층이 없다는 것을 이해하여야 한다. Further, in the case where some layers are formed or arranged on another layer, an intermediate layer may be formed or arranged between these layers. Similarly, even if some materials are adjacent to another material, there may be an intermediate material between these materials. Conversely, when a layer or material is referred to as being "directly" or "directly" formed or disposed on another layer or material, or "directly" It should be understood that there is no intermediate material or layer between the layers.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of explanation, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions shown herein.
본 명세서에서, "기판"이라는 용어는 실리콘, 실리콘-온-절연체 (SOI) 또는 실리콘-온-사파이어 (SOS)와 같은 벌크형 기저 구조체에 한정되지 않으며, 반도체 층, 도핑되거나 도핑되지 않은 반도체층 및 변형된 반도체 층 또는 비반도체층도 지칭할 수 있다. 또한, 상기 반도체란 용어는 실리콘계 재료에 한정되지 않으며, 탄소, 폴리머, 또는 실리콘-게르마늄, 게르마늄 및 갈륨-비소계 화합물 재료와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 재료 또는 혼합 반도체 재료를 집합적으로 지칭한다. 상기 비반도체란 용어는 절연성 세라믹 재료, 금속 재료 또는 폴리머 재료를 지칭할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
In this specification, the term "substrate" is not limited to a bulk base structure such as silicon, silicon-on-insulator (SOI) or silicon-on-sapphire (SOS), and includes semiconductor layers, doped or undoped semiconductor layers, A modified semiconductor layer or non-semiconductor layer may also be referred to. Further, the term semiconductor is not limited to a silicon-based material, but may be a III-V semiconductor material such as a carbon, a polymer, or a silicon-germanium, a germanium and a gallium-gallium-based compound material, a II- Collectively. The term non-semiconductor may refer to an insulating ceramic material, a metal material, or a polymer material, but is not limited thereto.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자화형 (magnetization perpendicular to the plane; MPP) 자기 터널링 접합 (MTJ; 100A, 100B)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 메모리 셀 (1000A, 1000B)의 단면도들이다.1A and 1B illustrate a
도 1a를 참조하면, 메모리 셀 (1000A)은 정보 저장 부재이며, 비휘발성 자기 메모리 소자들 (1000A)의 단위 스토리지 노드를 구성할 수 있다. 메모리 셀 (1000A)의 자기 터널링 접합 (100A)의 일 단부에는, 메모리 셀의 선택을 위한 선택 소자, 예를 들면, 트랜지스터 (TR)가 결합될 수 있다. 트랜지스터 (TR)의 게이트는 제 1 배선, 예를 들면, 워드 라인 (WL)에 전기적으로 결합될 수 있다. 자기 터널링 접합 (100A)의 타 단부는, 예를 들면, 비트 라인 (BL)에 연결될 수 있다. 메모리 셀 (1000A)은 워드 라인 (WL) 및 비트 라인 (BL)에 결합되는 적합한 전극 (EL1, EL2)을 더 포함할 수 있다. 트랜지스터 (TR)는 선택 소자의 비제한적 예이며, 전계효과트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터일 수 있다. 또는, 상기 선택 소자는, 그래핀 (graphene) 또는 나노 현상을 이용한 나노 스위칭 소자일 수도 있다.Referring to FIG. 1A, a
도 1b를 참조하면, 다른 실시예에서, 메모리 셀 (1000B)을 선택하기 위한 선택 소자는 이에 직렬 결합된 다이오드 (DI)를 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 다이오드 (DI)는 PN 접합 다이오드를 예시한다. 다른 실시예에서, 다이오드 (DI)는 PN 접합 다이오드 (DI)와 함께 또는 이를 대체하여, 워드 라인 (WL)과 비트 라인 (BL)의 전위 차에 따른 셀 선택성을 얻을 수 있는 여하의 다이오드일 수 있으며, 그 극성이 반전된 다이오드, 또는 단방향 스위칭과 같은 구동 방식을 위하여 양방향 정류 특성을 갖는 양방향 다이오드일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 다이오드 (DI)는 메모리 소자의 고용량화, 온 전류의 향상, 또는 멀티 비트 구동을 위하여, 쇼트키 장벽 다이오드, 제너 다이오드, 진성 (intrinsic) 반도체층이 결합된 p-i-n (p type semiconductor-intrinsic semiconductor-p type semiconductor) 접합 다이오드, 또는 금속층과의 접합을 통한 p-i-m (p type semiconductor-intrinsic semiconductor-metal) 구조의 다이오드를 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 1B, in another embodiment, a selection device for selecting
도 1a와 도 1b에 도시된 비트 라인 (BL)과 워드 라인들 (WL)은 서로 다른 방향으로 연장된, 예를 들면 직교하는 다수의 스트라이프 패턴을 가질 수 있으며, 이들 패턴들이 교차하는 격자점마다 자기 터널링 접합 (100A, 100B)이 배치되는 셀 어레이를 구성할 수 있다. 일 실시예에서, 메모리 셀들은 4F2 의 집적도를 만족하는 크로스 포인트 (cross point) 어레이 구조를 가질 수 있다. 이러한 메모리 셀들의 어레이는 2차원 평면 구조에 한정되지 않고, 기판의 수직 방향으로 2 이상의 수평 어레이가 적층되는 3 차원 구조를 갖거나, 기판의 수직 방향으로 신장된 채널층을 형성하여 얻어지는 3 차원 구조를 가질 수도 있다. The bit line BL and the word lines WL shown in FIGS. 1A and 1B may have a plurality of orthogonal stripe patterns extending in different directions, for example, The cell array in which the
메모리 셀을 구성하는 자기 터널링 접합 (100A, 100B)은 터널링 장벽층 (110), 자기 고정층 (120), 및 자기 자유층 (130)을 포함할 수 있다. 자기 고정층 (120)과 자기 자유층 (130)의 적층 순서는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 터널링 장벽층 (110)을 사이에 두고 서로 역전될 수 있다. 단방향 화살표 (A)는 자기 고정층 (120)이 고정 자화를 갖고 있는 것을 나타내며, 양방향 화살표 (B)는 자기 자유층 (130)이 자기 고정층 (120)의 자화 방향에 대하여 평행하게 자화되거나 역평행하게 자화될 수 있음을 나타낸다. 일 실시예에서, 자기 자유층 (130)의 자화 방향의 변경은 자기 터널링 접합 (100A, 100B)을 따라 흐르는 스핀 토크를 갖는 터널링 전류의 방향을 제어하여 달성될 수 있다.The
자기 고정층 (120) 및 자기 자유층 (130)은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 또는 PMA라 함)을 갖는다. 도시하지는 않았지만, 자기 자유층 (130) 상에 다른 터널링 장벽층과 자기 고정층을 추가적으로 적층하여 자기 자유층 (130)을 사이에 두고 2 개의 자기 고정층이 대향 배치된 대칭적인 자기 터널링 접합이 제공될 수도 있다. 이러한 대칭적 자기 터널링 접합은 프로그래밍 및 삭제를 위한 전류의 방향을 단방향으로 할 수 있는 이점이 있다.
The
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 자기 터널링 접합들 (200A, 200B, 200C, 200D)을 도시하는 단면도이다.2A-2D are cross-sectional views illustrating
도 2a를 참조하면, 자기 터널링 접합 (200A)은, 터널링 장벽층 (210), 터널링 장벽층 (210)의 제 1 면 (210a) 상의 자기 고정층 (220), 및 터널링 장벽층 (210)의 제 2 면 (210b) 상의 자기 자유층 (230)을 포함한다. 터널링 장벽층 (210)을 사이에 두고 자기 고정층 (220)과 자기 자유층 (230)의 적층 순서는 역전될 수 있다. 자기 고정층 (220) 및 자기 자유층 (230)은 각각 단일 자성층, 서로 다른 종류의 자성층들의 적층체 또는 자성층과 비자성층의 적층체를 포함할 수 있다. 이에 관하여는 후술하도록 한다.2A, a
터널링 장벽층 (210)은, 예를 들면, Al2O3, MgO, TiO2, AlN, RuO, SrO, SiN, CaOx, HfO2, Ta2O5, ZrO2, SiC, SiO2, SiOxNy, 또는 이들 중 2 이상의 적층 박막을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 터널링 장벽층 (210)은 NaCl 타입의 (001) 배향의 MgO 층 (이하, MgO (001) 층이라 함)을 포함할 수 있다. 상기 MgO (001) 층은 단결정 또는 다결정질 일 수 있으며, 자기 터널링 접합 (200A)을 구성하는 층들을 적층한 후 열처리시 이에 인접하는 자기 자유층 (230) 또는 자기 고정층 (220)을 구성하는 자성층 (221)을 체심 입방 구조로 결정화를 유도하는 템플릿층으로 기능할 수 있다.The
일 실시예에서, 자기 고정층 (220)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 자성층 (221), 제 2 자성층 (222) 및 이들 자성층들 (221, 222) 사이의 복합 스페이서층 (223)을 포함할 수 있다. 제 1 자성층 (221)은 강한 PMA 특성을 갖기 위한 체심 입방 (body centered cubic; bcc) 구조의 (001) 결정 성장면을 갖는 자성층일 수 있다. 상기 bcc 구조의 자성층은, 예를 들면, CoFe계 자성층일 수 있다. 상기 CoFe계 자성층은, 코발트-철 (CoFe), 코발트-철-붕소 (CoFeB) 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다. 상기 코발트-철-붕소 자성층은 스퍼터링 공정에 의해 형성시 비정질일 수 있지만, 다층 자기 박막 스택 (200A)이 후열처리되거나 배선 공정과 같은 후속 공정에서 수반되는 열부하에 의해 열처리되는 경우 (이하에서는, 자기 터널링 접합에 대해 열처리 효과가 나타나는 모든 후속 공정을 후열처리라고 통칭함), 크기가 작은 붕소가 인접층으로 확산하면서 상기 비정질의 코발트-철-붕소 자성층이 bcc 구조의 CoFe 화합물층으로 결정화될 수 있는 유리한 조건이 형성될 수 있다. 이 경우, 터널링 장벽층 (210)이 예를 들면, (001) 구조를 갖는 MgO 층인 경우, 상기 MgO (001) 층의 탬플릿 효과에 의해 성막시 비정질을 갖는 코발트-철-붕소로 이루어진 제 1 자성층 (221)이 상기 붕소의 확산과 함께 (001) 결정화되어 bcc 구조를 갖는 코발트-철층을 포함하는 제 1 자성층 (221)을 형성할 수 있다. 후술하는 바와 같이 터널링 장벽층 (210)의 다른 면 (210b) 상에도 코발트-철-붕소로 이루어진 자성층을 형성하고 적합한 열처리를 통하여 bcc (001) 구조를 갖는 CoFe층을 포함하는 자성층을 형성하는 경우 계면 이방성에 기초한 수직 이방성을 갖는 최대 자기터널저항 효과(tunneling magnetoresistance effect)를 갖는 자기터널 접합이 제공될 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 상기 CoFe계 자성층에서, 원자비 Co : Fe 는 1 : 5 내지 7 : 3의 범위 내일 수 있다. 바람직하게는, 상기 원자비 내에서, Fe의 몰수가 Co의 몰수보다 더 큰 것이 바람직하다. 이것은, Fe의 몰수가 Co의 몰수보다 클수록 상기 CoFe계 자성층이 안정된 bcc 구조를 확보하면서 동시에 높은 스핀 분극비(spin polarization ratio)가 얻어질 수 있기 때문이다.In one embodiment, in the CoFe-based magnetic layer, the atomic ratio Co: Fe may be in the range of 1: 5 to 7: 3. Preferably, in the atomic ratio, the number of moles of Fe is larger than the number of moles of Co. This is because as the number of moles of Fe is larger than the number of moles of Co, a high spin polarization ratio can be obtained while securing a stable bcc structure in the CoFe-based magnetic layer.
제 2 자성층 (222)은 높은 수직 자기 이방성을 가지고 열적 안정성이 우수한 강자성층 또는 반강자성층을 포함 할 수 있다. 제 2 자성층 (222)은 제 1 자성층과 자기적 결합에 의해 큰 자기터널저항 효과와 향상된 열적 안정성을 가지는 합성 페리 자성층 (synthetic ferri-magnetic layer) 또는 합성 반강자성층 (synthetic anti-ferro-magnetic layer)를 구현할 수 있다. 특히, 상기 합성 페리 자성층의 구현은 자기 터널링 접합을 이용한 메모리 소자의 스핀-전달 스위칭의 저전력화 및 초고집적화를 위하여 중요하다. The second
제 2 자성층 (222)은 후술하는 바와 같이 복합 스페이서층 (223)에 의해 제 1 자성층 (221)과 구조적으로 탈결합되기 때문에, 제 2 자성층 (222)의 결정 구조는 제 1 자성층 (221)에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 제 2 자성층 (222)은, 특정 결정 구조에 한정되지 않고, 자기 터널링 접합 (200A)의 수직 이방성을 강화할 수 있는 여하의 결정 구조, 예를 들면 최조밀 결정 성장면 (close-packed growth plane), 예를 들면, (111) 면 또는 (110) 면으로 우선 배향되는 단일 자성층, 서로 다른 종류의 자성층들의 적층체, 또는 자성층과 비자성층의 적층체를 포함할 수 있다.Since the second
제 1 자성층 (221)은 강자성체를 포함하고, 제 2 자성층(222)은 반강자성체를 포함할 수도 있다. 상기 반강자성체는, 예를 들면, PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 중 어느 하나 또는 2 이상을 포함할 수 있다. 전술한 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222)의 구성은 예시적이며, 복합 스페이서층 (223)이 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222)을 구조적으로 탈결합시키지만 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222) 사이를 자기적으로 강하게 결합시킬 수 있으므로, 우수한 TMR 특성과 수직 이방성을 갖는 자기 터널링 접합을 포함하는 다층 자기 박막 스택이 제공될 수 있다.The first
복합 스페이서층 (223)은 탄탈륨층 (223a)과 루테늄층 (223b)의 적층 구조를 갖는다. 탄탈륨층 (223a)은 bcc 구조의 결정 성장면을 갖는 제 1 자성층(221)측에 인접하고, 루테늄층 (223b)는 bcc 구조와 다른 결정 구조를 갖는 제 2 자성층 (222)측에 인접한다. 탄탈륨층 (223a)에 의해 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222) 사이에 구조적 탈결합이 이루어진다. 그러나, 탄탄률층 (223a)만으로는 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222) 사이에 자기적 탈결합이 일어나기 때문에 충분한 수직 이방성을 갖는 자기 고정층 (220)을 얻을 수 없다. 그러나, 이러한 탄탈륨층 (223a)의 결점은 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층(222) 사이에서 강한 자기적 결합을 유도하는 루테늄층 (223b)에 의해 보충된다. 이는 복합 스페이서층 (223)에서 루테늄층 (223b)에 의한 층간 교환 결합(interlayer exchange coupling; IEC) 효과에 의해 얻어지며, 이에 관하여는 상세히 후술될 것이다. The
일 실시예에서, 복합 스페이서층 (223)의 탄탈륨층 (223a)은 0.2 nm 내지 0.6 nm의 두께를 가진다. 탄탈륨층 (223a)의 두께가 0.2 nm 미만인 경우 제 1 자성층 (221)의 (001) 배향을 유도하기 어려우며, 0.6 nm를 초과하는 경우 이를 사이에 두고 대향 배치되는 자성층들, 즉 제 1 자성층(221)과 제 2 자성층(222)의 층간 교환 결합 특성이 저하된다.In one embodiment, the
루테늄층 (223b)은 0.2 nm 내지 1.2 nm의 두께를 가질 수 있다. 복합 스페이서층 (223)의 루테늄층 (223b)의 두께의 최소값은 본 발명의 실시예에 따르면 0.2 nm까지 감소될 수 있다. 이 영역에서 통상적으로 루테늄층 (223b)에는 핀홀 (pin hole)이 형성되어 IEC 효과가 나타나기 어렵지만 인접하는 탄탈륨층 (223a)에 의해 보강되어 IEC 효과를 보이는 루테늄층 (223b)의 두께가 최소화되어 이론적 또는 실용적 이점을 얻을 수 있도록 한다. 탄탈륨층 (223a)의 두께 t Ta가 0.4 nm 이고 루테늄층 (223b)의 두께 t Ru가 0.8 nm일 때, IEC 절대값은 최대값인 7.9 × 10-2 erg/cm-2 에 이른다. 바람직하게는, 루테늄층 (223b)의 두께는 0.3 nm 내지 0.9 nm의 범위 내이며, 더욱 바람직하게는, 후술하는 바와 같이 합성 페리 자성체를 얻을 수 있는 반평행 층간 교환 결합이 나타나는 0.4 nm 내지 0.9 nm의 범위 내이며, 더욱 더 바람직하게는, 375℃ 이상에서도 안정된 층간 교환 결합이 얻어지는 0.6 nm 내지 0.9 nm의 범위 내이다.The
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 2 자성층 (222)은 다층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 2 자성층 (222)은, 도 2b에 도시된 바와 같이 비자성 금속층(nonmagnetic metal layer; 이하 NM이라 함, 222a)과 코발트 (Co) 함유 자성층 (222b)의 단위 적층 구조가 적어도 1회 이상 적층된 [NM/Co]N 다층 구조를 포함할 수 있다. 상기 [NM/Co]N 다층 구조는 비자성 금속층 (222a)과 코발트 함유 자성층 (223b)의 초격자 구조를 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the second
일 실시예에서, 비자성 금속층 (222a)은 백금(Pt)을 포함하고, 코발트 함유 자성층 (222b)은 순수 코발트를 포함하는 [Pt/Co]N 또는 [Co/Pt]N (여기서, N은 적층 회수로서 1 이상의 정수임) 다층 구조를 포함할 수 있다. 상기 N은 1 내지 20 이하의 범위 내일 수 있다. 다른 실시예에서, 비자성 금속층 (222a)은, 로듐(Rh), 하프늄(Hf), 파라듐(Pd), 탄탈륨(Ta), 오스뮴(Os), 게르마늄(Ge), 이리듐(Ir), 금(Au), 및 은(Ag) 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 코발트 함유 자성층 (222b)는 CoZr 합금층, CoFe 합금층, CoFeB 합금층, 또는 이들의 적층 구조와 같은 코발트 함유 합금층을 포함할 수도 있다.In one embodiment, the
[NM/Co]N 다층 구조 (222)는 최조밀 성장면이 fcc (111) 면인 경우 스퍼터링을 통하여 이의 형성이 용이하게 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 계면 이방성에 의한 강한 수직 자기 이방성(PMA)을 가지며, 동시에 높은 열적 안정성을 갖기 때문에 고집적 자기 메모리의 비휘발성 메모리 셀의 구현을 위해 매우 중요하다. 또한, 상기 다층 구조의 구성층들의 두께, 적층 회수 N, 또는 비자성 금속층의 종류라는 다양한 선택성에 기반한 제어 변수를 갖기 때문에 자화율의 크기와 같은 특성 조절이 용이한 이점이 있다. 예를 들면, 상기 [Pt/Co]N 다층 구조는 구성층들의 두께의 조절을 통해 300℃ 이상의 높은 온도에서도 PMA 특성이 유지되는 온도 내구성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 본 출원인의 한국 특허 출원 제10-1287370호(본 명세서에 동 특허의 전체 개시 사항이 참조에 의해 포함됨)에 개시된 바와 같이, 상기 [Pt/Co]N 다층 구조 (222)에서, 자성층인 코발트층 (222b)의 두께가 백금층 (222a)의 두께보다 더 큰 반전 구조를 갖도록 하여 PMA 특성의 내열성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 코발트층 (222b)의 두께는 0.4 내지 0.5 nm이고 백금층 (222a)의 두께는 0.2 nm인 경우이다. [NM/Co]N 다층 구조 (222), 바람직하게는 반전 구조의 [Pt/Co]N 다층 구조(222)는 500℃ 부근까지도 상기 PMA 특성을 유지할 수 있으며, 이로써 이를 포함하는 자기 고정층(220) 전체의 PMA 특성이 유지될 수 있다.The [NM / Co] N
[Pt/Co]N 다층 구조를 갖는 제 2 자성층 (222)은 최밀 성장면이 fcc (111)면이지만, [Pt/Co]N 다층 구조의 제 2 자성층 (222)과 (001) bcc 구조의 제 1 자성층(221) 사이에 삽입된 복합 스페이서층(223)이 제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222) 사이를 구조적으로 탈결합시킨다. 그에 따라, 제 1 자성층 (221)은 제 2 자성층 (222)의 결정 조직으로부터 영향을 받지 않게 되며, 인접하는 다른 층인 MgO (001) 터널링 장벽층 (210)의 영향을 지배적으로 받을 수 있다.The second
자기 터널링 접합을 형성하기 위해 순차대로 [Pt/Co]N 다층 구조를 갖는 제 2 자성층 (222)/복합 스페이서층 (223)/비정질의 CoFeB 층을 포함하는 제 1 자성층 (221)/MgO (001) 터널링 장벽층 (210)/비정질의 CoFeB층을 포함하는 자기 자유층 (230)으로 된 다층 자성 박막 스택 (200B)을 형성할 수 있다. 다층 자기 박막 스택 (200B)은 후열처리 동안, 복합 스페이서층 (223)의 구조적 탈결합 효과에 의해 비정질의 제 1 자성층 (221)이 MgO (001) 터널링 장벽층 (210)에 의해서만 탬플릿 효과를 겪게 될 뿐, 제 2 자성층 (222)의 fcc (111) 면으로부터는 영향을 받지 않을 수 있다. 이로써, 상기 비정질의 CoFeB 층을 포함하는 제 1 자성층 (221)은 (001) bcc 구조로 안정적으로 결정화되고, CoFeB 층을 포함하는 자기 자유층 (230)도 (001) bcc 구조로 안정화되어 TMR 특성을 최대화할 수 있다.A second
도 2b의 구조에서, 상기 (001) bcc 구조로 안정화된 층이 CoFe계 자성층 (221)인 경우, 우수한 열적 안정성을 가지면서도 강한 PMA 특성을 갖는 [Pt/Co]N 다층 구조를 갖는 제 2 자성층 (222)은 (001) bcc 구조의 CoFe 또는 CoFeB를 포함하는 제 1 자성층 (221)과 함께 반평행 층간 교환 결합 (antiparallel IEC; AP-IEC)에 의해 합성 페리 자성층을 구현할 수 있다. 상기 합성 페리 자성층은 고정 자성층 (220)에서 발생하는 스트레이 필드들 (stray fields)을 감소시키거나 억제함으로써 저전력 구동이 가능한 메모리 소자를 제공할 수 있다. 특히 나노미터 스케일의 고집적 메모리 셀의 경우에 상기 스트레이 필드가 악영향을 미칠 수 있기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 합성 페리 자성층은 바람직하다. 이에 관하여는 실험예를 통하여 상세히 후술하도록 한다.2B, when the layer stabilized with the (001) bcc structure is a CoFe
도 2b와 함께 다시 도 2a를 참조하면, 터널링 장벽층 (210)의 제 1 면 (210a)과 반대되는 제 2 면 (210b) 상에 자기 자유층 (230)이 더 형성되어 자기 터널링 접합(200A, 200B)이 제공될 수 있다. 자기 자유층 (230)은, 강자성체를 포함할 수 있다. 상기 강자성체는, 예를 들면, 전술한 CoFe계 자성층을 포함하는, Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금인 CoFe, NiFe, CoNiFe 또는 도핑된 합금인 CoX, CoNiFeX, CoFeX (여기서, X는 B, Cu, Re, Ru, Rh, Hf, Pd, Pt, Ta, Os, Ge, Ir, Au, Ag, 및 C 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있음)에서 적절히 선택될 수 있다. 또는, 상기 강자성체는 Fe3O4, CrO2, NiMnSb, PtMnSb 및 BiFeO와 같은 반금속성 강자성 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 자기 자유층 (230)은 Gd, Dy, Y3Fe5O12, MnSb, MnAs와 같은 다른 공지의 강자성 재료 또는 전술한 재료들에 B, Cu, Re, Ru, Rh, Hf, Pd, Pt, Os, Ir, Au 및 Ag, 및 C 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수도 있다.Referring again to FIG. 2A, a magnetic
상기 bcc (001) 구조의 CoFe계 자성층을 포함하는 자기 자유층 (230)도 제 1 자성층 (221)과 동일하게 MgO (001) 터널링 장벽층 (210)의 탬플릿 효과에 의해 후열처리를 통해서 얻어질 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 자유층 (230)과 제 1 자성층 (221)이 모두 CoFe (001)일 수 있으며, 이 경우, 높은 터널링 자기저항 (tunneling magneto-resistance; TMR)을 얻을 수 있는 이점이 있다.The magnetic
도 2c를 참조하면, 다른 실시예에 따른 자기 터널링 접합 (200C)은, 터널링 장벽층 (210), 터널링 장벽층 (210)의 제 1 면 (210a) 상의 자기 고정층 (220), 및 터널링 장벽층 (210)의 제 2 면 (210b) 상의 자기 자유층 (230)을 포함한다. 자기 고정층 (220)은 각각 단일 자성층, 서로 종류의 자성층들의 적층체 또는 자성층과 비자성층의 적층체를 포함할 수 있다.2C, a
자기 자유층 (230)은 제 1 자성층 (231), 제 2 자성층 (232) 및 자성층들 (231, 232) 사이의 구조적 탈결합 및 자기 결합을 위하여 복합 스페이서층 (233)을 포함할 수 있다. 제 1 자성층 (231)은 bcc (001) 구조의 자성층을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 자성층 (231)은 강자성체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 bcc (001) 구조의 제 1 자성층 (231)은 코발트-철(CoFe), 코발트-철-붕소(CoFeB) 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 자성층 (231)은, 코발트-철-붕소 (CoFeB)를 포함할 수 있다.The magnetic
제 2 자성층 (232)은 제 1 자성층 (232)과 자기적으로 결합될 수 있는 여하의 층일 수 있다. 제 2 자성층 (232)은 복합 스페이서층 (233)에 의해 제 1 자성층 (231)과 구조적으로 탈결합될 수 있다. 또한, 제 1 자성층 (231)과 제 2 자성층 (232)은 합성 페리 자성층 또는 합성 반강자성층을 형성할 수도 있음은 전술한 바와 같다. 복합 스페이서층 (233)은 제 1 자성층 (231)에 인접한 탄탈륨층 (233a)과 제 2 자성층 (232)에 인접하는 루테늄층 (233b)의 적층 구조를 포함할 수 있으며, 이는 도 2b의 경우와 대비시 역전된 구조를 갖는다.The second
일 실시예에서, 제 2 자성층 (232)은 도 2b를 참조하여 설명한 것과 같이 계면 효과에 의해 수직 이방성을 나타내는 코발트 (Co) 함유 자성층과 비자성 금속층 (nonmagnetic metal layer; 이하 NM이라 함)의 초격자 구조를 갖는 단위 적층 구조가 적어도 1 회 이상 적층된 다층 자성층 구조일 수 있다. 예를 들면, 제 2 자성층 (232)은 상기 비자성 금속층이 백금 (Pt)을 포함하는 다층 구조 [Pt/Co]N 또는 [Co/Pt]N (여기서, N은 적층 회수로서 1 이상의 정수임)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다층 구조 [Pt/Co]N 는 Co 박막의 두께가 Pt 박막의 두께보다 더 큰 반전 구조를 가질 수 있으며, 바람직하게는, 백금층 (223a)을 먼저 증착하고, 백금층 (223a) 상에 코발트 함유 자성층 (223b)을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다.In one embodiment, the second
다른 실시예에서, 자기 자유층 (230)은 강자성체층 및 상기 강자성체층에 반강자성체층이 교환 결합 되어, 합성 페리 자성층 또는 합성 반강자성층을 구현하는 적층 자성체 구조를 가질 수도 있다. 또한, 제 1 자성층 (231)은 강자성체를 포함하고, 제 2 자성층 (232)은 반강자성체 또는 합성 반강자성체를 포함할 수도 있다. 또는, 제 1 자성층 (231)이 반강자성체를 포함하고, 제 2 자성층(232)이 강자성체를 포함할 수도 있다. 이 경우, 복합 스페이서층 (233)은 제 1 자성층 (231)과 제 2 자성층 (232)을 구조적으로 탈결합시키지만, 동시에 이들 층들 사이를 자기적으로 결합시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 자기 자유층 (230)의 제 1 자성층 (231)과 제 2 자성층 (232) 중 적어도 하나는 연자성층을 포함할 수도 있을 것이다.In another embodiment, the magnetically
일 실시예에서, 제 1 자성층 (231)이 MgO (001) 터널링 장벽층 (210)의 제 2 면 (210b) 상에 형성된 경우, 제 2 면 (210b)과 반대되는 제 1 면 (210a) 상에 제 3 자성층 (220)이 더 형성되어 자기 터널링 접합(200C)이 제공될 수 있다. 제 3 자성층(220)도 제 1 자성층 (231)과 동일하게 (001) bcc 구조를 갖는 강자성체층을 포함할 수 있다. 제 3 자성층 (220)에 관하여는 제 1 자성층 (231)에 대한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.In one embodiment, when the first
도 2d를 참조하면, 다층 자기 박막 스택 (200D)은 터널링 절연층 (210), 자기 고정층 (220) 및 자기 자유층 (230)을 포함한다. 자기 고정층 (220) 및 자기 자유층 (230)은 서로 역전되어 터널링 절연층 (210)의 상부에 도시된 바와 같은 상기 자기 고정층이 형성되고, 터널링 절연층 (220)의 하부에 자기 자유층이 형성될 수도 있다. 터널링 장벽층 (210)은, 예를 들면, Al2O3, MgO, TiO2, AlN, RuO, SrO, SiN, CaOx, HfO2, Ta2O5, ZrO2, SiC, SiO2, SiOxNy, 또는 이들 중 2 이상의 적층 박막을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 터널링 장벽층(220)은 NaCl 타입의 MgO (001) 층을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2D, the multilayer magnetic
일 실시예에서, 자기 고정층 (220)은 제 1 복합 스페이서층 (223)에 의해 분리된 제 1 자성층 (221) 및 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 2 자성층 (222)을 포함할 수 있다. 자기 자유층 (230)도 제 2 복합 스페이서층 (233)에 의해 분리된 제 3 자성층 (231) 및 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 4 자성층 (232)을 포함할 수 있다. 또한, 도시하지는 아니하였지만, 제 1 복합 스페이서층 (223)에 의해 분리된 제 1 자성층 (221) 및 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 2 자성층 (222)이 자기 자유층을 구성하고, 제 2 복합 스페이서층 (233)에 의해 분리된 제 3 자성층 (231) 및 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 4 자성층 (232)이 자기 고정층을 구성할 수도 잇다.In one embodiment, the
제 1 자성층(221) 및 제 3 자성층(231)은 CoFe, NiFe, CoNiFe 또는 도핑된 합금인 CoX, CoNiFeX, CoFeX (여기서, X는 B, Cu, Re, Ru, Rh, Hf, Pd, Pt, Ta, Os, Ge, Ir, Au, Ag, 및 C 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있음)에서 적절히 선택될 수 있다. 또는, 상기 강자성체는 Fe3O4, CrO2, NiMnSb, PtMnSb 및 BiFeO와 같은 반금속성 강자성 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 자기 자유층 (230)은 Gd, Dy, Y3Fe5O12, MnSb, MnAs와 같은 다른 공지의 강자성 재료 또는 전술한 재료들에 B, Cu, Re, Ru, Rh, Hf, Pd, Pt, Os, Ir, Au 및 Ag, 및 C 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 제 1 자성층 (221) 및 제 3 자성층 (231)은 bcc 001) 구조의 CoFe계 자성층을 포함할 수 있다.The first
제 1 자성층 (221)의 하지에는 도 2b를 참조하여 설명한 것과 같이 복합 스페이서층 (223)과 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 2 자성층 (222)이 형성될 수 있다. 제 1 자성층 (221)이 (001) bcc 구조의 CoFe계 자성층인 경우, 제 1 복합 스페이서층 (223)은, 제 1 자성층 (221)에 인접하는 탄탈륨층 (223a)과 다층 구조 [Pt/Co]N의 제 2 자성층 (222)에 인접하는 루테늄층 (223b)을 포함할 수 있다. The
유사하게, 제 3 자성층이 (001) bcc 구조의 CoFe계 자성층인 경우, 제 3 복합 스페이서층 (233)은 제 3 자성층 (231)에 인접하는 탄탈륨층 (233a)과 다층 구조 [Co/Pt]N의 제 4 자성층 (232)에 인접하는 루테늄층 (233b)을 포함할 수 있다. Similarly, when the third magnetic layer is a CoFe-based magnetic layer having a (001) bcc structure, the third
제 1 자성층 (221)과 제 2 자성층 (222)은 반평행 층간 교환 결합(antiparallel IEC; AP-IEC)에 의해 합성 페리 자성층을 포함하는 자기 고정층을 구현할 수 있다. 또한, 제 3 자성층 (231)과 제 4 자성층 (232)도 반평행 층간 교환 결합(antiparallel IEC; AP-IEC)에 의해 합성 페리 자성층을 포함하는 자기 자유층을 구현할 수 있을 것이다.The first
도 2a 내지 도 2d에서는 터널 장벽층 (210)의 제 1 면 (210a)에 자기 고정층이 형성되고, 제 2 면 (210b) 상에는 자기 자유층이 형성된 것이 개시되고 있지만, 제 1 면 (210a) 상에 전술한 자기 자유층이 형성되고, 제 2 면 (210b) 상에 전술한 자기 고정층이 형성된 실시예도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 2A to 2D, a magnetically fixed layer is formed on the
일부 실시예에서는, 기판 (미도시) 상에 자기 터널링 접합 (200A - 200D)을 형성하기 전에, 자성층들의 균일한 성장을 위해 씨드층이 형성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 상기 자기 터널링 접합 (200A - 200D) 상에는 보호층이 더 형성될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 자성층들 사이에는 버퍼층이 더 형성할 수도 있으며, 이에 관하여는 후술하도록 한다. 이들 씨드층, 버퍼층 및 보호층들은, 금 (Au), 구리 (Cu), 파라듐 (Pd), 백금 (Pt), 탄탈륨 (Ta), 루테늄 (Ru) 또는 이의 합금을 포함할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 씨드층, 버퍼층 또는 보호층과 같은 보조층으로서, 탄탈륨과 루테늄이 사용되는 경우, 이의 조합을 이용하여 복합 스페이서층을 제공할 수 있기 때문에, 단일 스퍼터 장치 내에서 타겟의 교체 없이 보조층과 본 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서층을 형성할 수 있는 제조 공정상의 유리한 이점이 있다.In some embodiments, a seed layer may be formed for uniform growth of the magnetic layers before forming the
본 발명의 실시예에 따르면, 탄탈륨층 (223a) 및 루테늄층 (223b)의 적층 구조를 갖는 복합 스페이서층 (223)을 이용하여 높은 수직 이방성을 갖는 체심 입방 구조의 자성층, 예를 들면 CoFe계 자성층 (221)과 열적 안정성이 우수한 수직 이방성을 갖는 비자성 금속층 및 코발트 함유 자성층을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위 적층 구조를 포함하는 다층 자성층 사이의 완전한 구조적 탈결합을 통하여 후열저리 온도가 높아지는 경우에도 층간 안정성과 강한 수직 자기 이방성을 확보하여 신뢰성 있는 데이터의 기록이 가능하고, 높은 데이터 유지 특성을 갖는 다층 자기 박막 스택이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 체심 입방 구조의 결정 성장면을 갖는 제 1 자성층 (221)과 최조밀 결정 성장면을 갖는 제 2 자성층 (222) 사이를 구조적으로 탈결합함과 동시에 이들 자성층들 (221, 222)을 자기적으로 결합시킬 수 있으며, 상기 다층 자성층의 두께 제어를 통해 자성 구조의 자화율과 같은 특성 제어를 수행하여 합성 페리 자성층을 형성함으로써, 초고집적 및 저전력 구동이 가능한 자성 메모리 소자가 제공될 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, by using the
실험예Experimental Example
본 발명의 실시예에 따른 탄탈륨 (Ta)층 및 루테늄 (Ru)층 기반의 복합 스페이서층의 구조적 탈결합 및/또는 자기적 결합의 효과를 확인하기 위하여, 도 3a에 도시된 바와 같이 습식 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 상기 복합 스페이서층 (223)을 포함하는 다층 자성 박막 스택 (2000)을 형성하여 다양한 특성을 평가하였다.In order to confirm the effect of structural decoupling and / or magnetic coupling of the tantalum (Ta) layer and the ruthenium (Ru) layer-based composite spacer layer according to the embodiment of the present invention, a wet oxide film A multilayer magnetic
상기 실리콘 기판의 습식 산화막 (10) 상에 순차대로 버퍼/씨드층 (20)인 Ta (두께 5 nm; 21)/Pt (두께 10 nm; 22)/Ru (두께 30 nm; 23)를 형성하고, PMA 강화를 위한 제 2 자성층 (222)으로서 [Pt (두께 0.2 nm; 223a)/Co (두께 0.4 nm; 223b)]6를 형성하였다. 이후, 결과물 상에 복합 스페이서층 (223)으로서 두께 (t Ru)를 갖는 루테늄층 (223b)/두께 (t Ta)를 갖는 탄탈륨층 (223a)을 형성하고, 그 위에 제 1 자성층인 CoFeB 자성층 (두께 1 nm; 221)/MgO 터널링 장벽층 (두께 1 nm; 210)을 형성하고, 보호층인 Ru (두께 3 nm; 30)를 형성하여, 도 3a에 도시된 바와 같은 PMA를 갖는 다층 자성 박막 스택 (2000)을 형성하였다. 제 2 자성층 (222)의 아래첨자 6은 Pt/Co의 단위 적층 구조가 6 회 반복 적층되었음을 의미한다. 도 3b는 비교 실험예로서 복합 스페이서층 대신에 Ru 층 (223')이 삽입된 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000R)을 도시한다.Ta (
도 3a 및 도 3b에 도시된 다층 자성 박막 스택들 (2000, 2000R)은 하나 이상의 챔버를 갖는 초고진공 마그네트론 스퍼터링 시스템 (ultrahigh vacuum magnetron sputtering system)을 이용하여 10-8 Torr 내지 10-7 Torr에서 제조되었지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 스택들 (2000, 2000R)의 제조 동안, 제조 중간 결과물들의 챔버간 전달은 일정한 압력을 유지한 채로 로봇 시스템에 의해 이루어졌다. 후열처리는 일반적으로 메모리 제조를 위한 배선 공정과 같은 후단의 고온 공정에 의해서도 이루어지기 때문에, 이를 모사하여, 증착된 상태 그대로의 다층 자성 박막 스택들 (2000, 2000R)에 대하여 300℃, 350℃ 및 375℃의 온도 범위 및 1 ×10-6 Torr의 진공 분위기에서 약 1 시간 정도 열처리를 수행하였다.The multilayer magnetic
제 1 자성층 (222)인 CoFeB 자성층은 Co20Fe60B20 (첨자는 원자%임)의 조성을 갖는 합금 타켓을 사용하여 증착하였다. MgO 터널링 장벽층 (210)은 1 ×10-3 Torr (아르곤 분위기)에서 증착되었고, 다른 층들은 2 × 10-3 Torr (아르곤 분위기)에서 증착되었다. 전술한 스퍼터링 방법은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 전자빔 증발법과 같은 다른 물리기상증착 또는 적합한 전구체를 이용한 화학기상증착법, 또는 원자층 증착법에 의해 이들 스택들이 형성될 수도 있다.The CoFeB magnetic layer as the first
Magnetic moment-applied magnetic field (m-H) 루프는 진동 샘플 마그네토미터 (vibrating sample magnetometer)를 이용하여 면외 (out-of-plane, H ⊥) 및 면내(in-plane, H ∥ ) 자기장 하에서 각 다층 자성 박막 스택들의 자기적 특성을 평가하여 얻어진 것이다.
Magnetic moment-applied magnetic field ( m - H ) loops are generated by using a vibrating sample magnetometer to measure the magnetic field strength of each multilayer under the out-of-plane, H ⊥ and in-plane, H ∥ magnetic fields. And magnetic properties of the magnetic thin film stacks.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000)의 면외 (H ⊥, ○) 면내 (H ∥ , □) m-H 루프 그래프이며, 도 4d 내지 도 4f는 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000R)의 m-H 루프 그래프이다. 복합 스페이서에서, 루테늄층의 두께 (t Ru)는 약 0.8 nm이고, 탄탈륨층의 두께 (t Ta)는 약 0.4 nm이다. 비교예에서, 루테늄층의 두께 (tRu)는 약 0.8 nm이다. 도 4a 및 도 4d는 증착한 상태에서의 루프 특성이며, 도 4b 및 도 4e는 300℃에서 열처리한 위의 루프 특성이고, 도 4c 및 도 4f는 375℃에서 열처리한 뒤의 루프 특성이다. 도 4b 및 도 4e의 실선들은 총 에너지 방정식으로부터 계산된 면내 루프이며 총 에너지 방정식으로부터 유일한 핏팅 파라미터인 CoFeB 자성층의 유효 수직 자기 이방성 에너지 밀도 (effective magnetic anisotropic energy density; K)인 K CoFeB 값이 추출되었다. Figures 4a to 4c are out-of-plane of the multi-layer magnetic
본 발명의 실시예에 따르면, 증착 상태 (도 4a 참조)에서는 PMA가 관찰되지 않는다. 그러나, 300℃ (도 4b 참조) 및 350℃ 에서는 PMA가 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 복합 스페이서에 의해 CoFeB 자성층의 bcc (001) 방향으로의 결정화가 일어났음을 나타낸다. 도 4b를 참조하면, 마이너 루프를 구성하는 CoFeB 자성층 (221)의 역전 (reverse)이 갑자기 나타나고, 중간 평탄 영역 (intermediate plateau)가 뒤를 이으며, 강한 PMA를 갖는 [Pt/Co]6 다층 자성층 (222)의 역전이 일어날 때까지 유지된다. 상기 중간 평탄 영역에서, CoFeB 자성층 (221)와 [Pt/Co]6 다층 자성층 (222)가 반평행 (antiparallel)한 상태를 갖는다. 더욱 상세하게는, CoFeB 자성층 (221)은 인가된 자장 (H)에 반평행하게 자화된 자기 모멘트를 갖지만, [Pt/Co]6 다층 자성층 (222)는 CoFeB 자성층 (221)의 자기 모멘트에 비해 더 크며, 자장 (H)의 방향에 평행한 자기 모멘트를 갖는다. 상기 중간 평탄 영역은 본 발명의 실시예에 따른 CoFeB 자성층 (221)와 [Pt/Co]6 다층 자성층 (222)이 복합 스페이서 (223)를 사이에 두고 반평행 층간 교환 결합 (anti-parallel interlayer exchange coupling; AP-IEC)되는 것을 뒷받침하여 이에 의해 초고집적 STT-MRAM 소자에 적합한 합성 페리 자성체가 제공될 수 있음을 알 수 있다.According to an embodiment of the present invention, no PMA is observed in the deposition state (see FIG. 4A). However, it can be confirmed that PMA is formed at 300 ° C (see FIG. 4b) and 350 ° C. This indicates that crystallization of the CoFeB magnetic layer in the bcc (001) direction occurred by the composite spacer. Referring to FIG. 4B, the reverse of the CoFeB
그러나, 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000R)의 경우에는, 증착대로의 상태 (도 4d 참조)에서도 열처리 후에도 (도 4e 및 도 4f 참조), 자장 H가 포화 값으로부터 감소하여도 자기 모멘트값 m은 포화 자기 모멘트값으로부터 지속적으로 감소할 뿐이어서, 이로부터 CoFeB 자성층 (221)에 어떠한 PMA도 형성되지 않았음을 알 수 있다.However, in the case of the multilayer magnetic
일 실시예에서, CoFeB 자성층 (221)에 PMA가 형성될 때, 교환 필드 (exchange field; H ex)는 CoFeB 자성층 (221)와 [Pt/Co]6 다층 자성층 (222)의 역전 사이에서 나타나는 간격 (span)으로부터 직접 결정될 수 있다. CoFeB 자성층 (221)에서 PMA가 형성되지 않는다면, H ex 은, 도 4e 및 도 4f에서, 평탄 영역과 포화 영역 사이에서 m 값이 중간쯤에 있을 때의 H 값으로 결정될 수 있다. 층간 교환 결합 에너지 밀도 (interlayer exchange coupling energy density; J ex)는 하기의 식 1로부터 얻어질 수 있다. 도 4a 내지 도 4f의 루프들을 비교하면, H ex는 비교예의 경우가 더 큼을 알 수 있다.In one embodiment, when a PMA is formed in the CoFeB
[식 1][Formula 1]
J ex = -m CoFeB×H ex / A , 여기서 m CoFeB 는 CoFeB 자성층의 자기 모멘트이며, A는 측정 샘플의 측면적이다. Ex J = - m × H ex CoFeB / A, where m is the magnetic moment of the CoFeB CoFeB magnetic layer, A is laterally of the measurement sample.
다시, 도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 포화 자기 모멘트 (m s)는 본 발명의 다층 자기 박막 스택 (2000)보다 비교예의 자기 박막 스택 (2000R)에서 더 작다. 이는 데드 영역 또는 자성 데드층 (magnetic dead layer; MDL)의 차이에 기인하는 것으로 추측된다. 비교예의 MDL은 Ru 층 (223')과 CoFeB 자성층 (221) 사이의 계면에서 나타나며, 본 발명의 Ta 층 (223a)과 CoFeB 자성층 (221) 사이의 계면에서보다 더 클 수 있다.4A to 4F, the saturation magnetic moment ( m s ) is smaller in the magnetic
포화 자화값 m s 은 열처리 온도에 의해서도 영향을 받는다. 비교예에 따른 다층 자기 박막 스택 (2000R)은, 증착 상태에서 상기 m s 값이 273 μemu이며, 어닐링 온도가 300℃에서 375℃까지 증가하면 상기 ms 값은 303 μemu로부터 311 μemu로 증가한다. 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000)에서는, 300℃에서 열처리 후에 포화 자기 모멘트값 (m s)이 355 μemu로부터 363 μemu로 증가하고, 375℃의 최고 열처리 온도에서는 336 μemu이다. 어느 경우에나 본 발명의 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000)이 비교예에 따른 다층 자성 박막 스택 (2000R)에 비하여 더 높은 포화 자기 모멘트값을 가짐을 확인할 수 있다.
The saturation magnetization value m s is also affected by the heat treatment temperature. Multi-layer magnetic thin film stack (2000R) according to the comparative example is, and the m s value is 273 μemu in the as-deposited state, when the annealing temperature was increased from 300 ℃ to 375 ℃ and the m s value is increased from 303 μemu to 311 μemu. In the multilayer magnetic
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서 (223)를 포함하는 다층 자성 박막 스택 (2000)의 탄탈륨층 (223a)의 두께의 변화에 따른 자화값 m s 및 m r과 제 1 자성층, 실시예에 따라 코발트-철-붕소 (CoFeB), 의 유효 수직 자기 이방성 에너지 밀도 K CoFeB 및 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이의 층간 교환 결합 에너지 밀도 J ex 값을 나타내는 그래프이다. 측정된 샘플들은 300℃에서 열처리되었으며, 복합 스페이서층 (223)에서 루테늄층 (223b)의 두께는 0.3 nm 내지 0.9 nm 범위에서 선택된 0.8 nm 이며, 탄탈륨층의 두께 (t Ta)는 0.2 nm 내지 0.6 nm 범위 사이에서 선택된 0.2 nm, 0.4 nm 및 0.6 nm의 값이다.5A and 5B are graphs showing magnetization values m s and m r of the multilayer magnetic
도 5a를 참조하면, -□-은 자화값 (m s)을, -○-는 잔류 자화값 (m r)을, -△-는 CoFeB 자성층 (221)의 자화값 (m CoFeB)을 나타낸다. 탄탈륨층 (223a)의 두께 (t Ta)가 증가할수록, 상기 m s값은 초기에 증가하다가 탄탈륨층 (223a)의 두께가 0.2 nm에 이르면서 빠르게 포화된다. 이는 상기 m s 값이 비교예에 따른 루테늄층 (223')에 비하여 본 발명에 따른 복합 스페이서 (223)가 더 높은 것을 의미하며, 비교예에 따른 다층 자기 박막 스택 (2000R)이 본 발명의 다층 자기 박막 스택 (2000)에 비해 더 큰 자성 데드층 (magnetic dead layer; MDL)이 형성된 것에 기인하는 것은 것으로 추측된다. 유사한 거동이 m CoFeB 값의 변화에서도 관찰된다. 탄탈륨층 (223a)의 두께 (tTa)의 변화에 대한 m r 값은 상기 ms 값 및 mCoFeB 값과 거의 반대의 거동을 가지며, 이것은 잔류 자화 상태 (Remanence state)에서, 2 개의 자성층들 (221, 222)이 반평형 상태에 있다는 것을 뒷받침할 수 있다.Referring to FIG. 5A, -? - represents a magnetization value ( m s ), -? - represents a residual magnetization value ( m r ), and? - represents a magnetization value ( m CoFeB ) of the CoFeB
도 5b를 참조하면, 탄탈륨층 (223a)의 두께 (t Ta)가 증가할수록, 2 개의 자기 파라미터 K CoFeB 및 J ex 중 상기 K CoFeB 값은 증가하지만, J ex 의 절대값은 감소한다. 상기 K CoFeB, 값에서 관찰되는 거동은 열처리 동안 CoFeB 자성층 (221)으로부터 확산되는 붕소 (B)를 흡수하는 탄탈륨층 (223a)의 역할에 기인한다. 상기 2 개의 자기 파라미터의 역비례성 때문에 탄탈륨층 (223a)의 두께 (t Ta)의 최적값을 결정하는 것은 어렵다. 그러나, 층간 교환 결합이 탄탈륨 층(223a)의 두께 (t Ta) 가 최대값을 갖는 0.6 nm 을 초과하면 1.3 × 10-2 erg/cm2) 미만으로 감소되므로, 탄탈륨층 (223a)의 두께 (t Ta)의 최적값은 0.2 nm 내지 0.4 nm의 범위 내일 수 있다.Referring to FIG. 5B, as the thickness t Ta of the
도 6은 발명×의 실시예에 따른 복합 스페이서 (223)를 포함하는 다층 자성 박막 스택 (2000)의 면외 (H ⊥, ○) 및 면내 (H ∥ , □) m-H 루프 그래프들이다. 복합 스페이서 (223)는 탄탈륨층 (223a)의 두께 (t Ta)는 0.2 nm 내지 0.6 nm 범위에서 선택된 약 0.4 nm이고, 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)는 자기 결합이 일어나는 0.2 nm 내지 1. 2 nm 범위에서 선택된 0.3 nm 및 0.5 nm와 1.0 nm 및 1.2 nm이며, 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru) 변화에 따른 자기 특성의 측정 결과를 각각 영역 (a), (b), (c) 및 (d)에 도시하였다. 도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 영역 (b) 및 (c)에서 측정된 면외 루프의 마이너 루프 부분을 확대한 것이다. 도 6 및 도 7a와 도 7b의 모든 측정된 샘플들은 350℃에서 열처리되었다.Figure 6 is out-of-plane of the multi-layer magnetic thin film stack (2000) comprising a
루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 약 0.3 nm (영역 (a))에서는 층간 교환 결합에 관한 특성이 미약하게 나타난다. 이것은, CoFeB 자성층 (221)의 역전 (reverse)에 의한 마이너 루프가 상기 마이너 루프로부터 분리되기에는 평행 증간 결합 (parallel IEC) 특성이 강하기 때문이다. 도 6의 영역(b) 및 도 7a를 참조하면, 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 0.5 nm에서, 명확한 반평행 층간 결합 (AP-IEC) 특성이 나타나며, 이는 자기장 H가 0에 도달하기 전에 CoFeB 자성층 (221)의 역전이 일어났기 때문이다. 역으로, 도 6의 영역 (c) 및 도 7b를 참조하면, 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 1.0 nm에서도 평행 층간 결합이 나타난다.When the thickness ( t Ru ) of the
도 8a 및 도 8b는 복합 스페이서를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 다층 자성 박막 스택의 루테늄층의 두께에 따른 층간 교환 결합 에너지 (-J ex 또는 -j ex)를 도시한다. 여기서 j ex는 최대 J ex로 환산한 (normalized) 값이다.8A and 8B show the interlayer exchange coupling energy ( -J ex or -j ex ) according to the thickness of the ruthenium layer of the multi-layer magnetic thin film stack according to the embodiment of the present invention including the composite spacer. Where j ex is a normalized value with a maximum J ex .
도 8a는 300℃에서 열처리한 후의 측정 결과이다. 도 8a에서, -□-는 본 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서의 측정 결과이며, -○-는 2012년판 Appl. Phys. Lett. 101의 J. H. Jung, S. H. Lim, 및 S.R. Lee가 저자인 논문 "Interlayer exchange coupling between [Pd/Co] multilayers and CoFeB/MgO layers with perpendicular magnetic anisotropy"으로부터 얻어진 결과이며, -△-는 1991년판 Phys. Rev. B 44, 7131 의 S. S. P. Parkin 및 D. Mauri가 저자인 논문 "Spin engineering: Direct determination of the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida far-field range function in ruthenium"으로부터 얻어진 결과이다. 이들 결과값의 대비를 위하여 -J ex 값은 정규화된 값이다. 도 8b는 300℃ (-□-), 350℃ (-▽-) 및 375℃ (-◇-)에서 열처리한 결과를 도시한다. 이들 그래프들에서, 이력 루프로부터 J ex 값을 결정할 수 없는 경우에는, 임의로 0으로 설정하고 X 표로 표시하였다. 상기 복합 스페이서층의 탄탈륨층의 두께 (t Ta)는 0.4 nm이다.FIG. 8A shows the measurement results after the heat treatment at 300 ° C. In FIG. 8A, -? - is the measurement result of the composite spacer according to the embodiment of the present invention, and? Phys. Lett. 101 is the result obtained from JH Jung, SH Lim, and SR Lee, "Interlayer exchange coupling between [Pd / Co] multilayers and CoFeB / MgO layers with perpendicular magnetic anisotropy" Rev. B 44, 7131 SSP Parkin and D. Mauri, author of the article "Spin engineering: Direct determination of the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida far-field range function in ruthenium". For comparison of these results, the value of - J ex is the normalized value. FIG. 8B shows the result of heat treatment at 300 ° C. (- □ -), 350 ° C. (- ∇ -) and 375 ° C. (- ◇ -). In these graphs, in the case from the hysteresis loop is not possible to determine the value of J ex, it expressed arbitrarily set to 0, and X marks. The thickness ( t Ta ) of the tantalum layer of the composite spacer layer is 0.4 nm.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 루테늄층 (223b)의 두께가 비교적 좁은 범위이지만 루테늄층 (223b)의 두께가 증가함에 따라, 층간 교환 결합 (IEC)의 강도가 진동하고 감쇄하는 공통의 경향성이 확인되었다. 또한, 복합 스페이서 (223)의 중요한 특징은 층간 교환 결합에 대한 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)의 의존성은 탄탈륨층 (223a)의 존재와 거의 무관하며, 이것은 층간 교화 결합이 탄탈륨층 (223a)을 통해서만 발생하는 것에서 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 반평형 층간 결합을 나타내는 루테늄층 (223b)의 두께의 최소값은 0.4 nm에 이르며, 이 경우 팽행 층간 결합을 초래하는 핀홀의 형성을 억제하는 역할을 한다. 그 결과, 반평행 층간 결합은 0.4 nm 정도로 얇은 두께의 루테늄층 (223b)을 갖는 복합 스페이서층 (223)에서도 관찰될 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B, although the thickness of the
도 8b를 참조하면, 탄탈륨층 (223a)은 후열처리 특성을 향상시킴을 알 수 있다. 반평행 층간 결합은 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 0.4 nm 내지 0.9 nm의 범위 내에서 일어난다. 0.2 nm 내지 1.2nm 범위에서 이 범위 밖에서는 평행 층간 결합이 일어난다. 또한, 루테늄층 (223b)의 두께가 0.8 nm 및 0.9 nm에서의 층간 결합의 강도는 열처리 온도에서 실질적으로 변하지 않으며 후열처리 안정성이 적어도 375℃까지임이 확인되었다. 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 0.6 nm인 경우, 후열처리 안정성의 최대값은 350℃로 감소되며, 이때의 층간 교환 결합의 강도는 1.0 × 10-2 erg/cm2 이다. 루테늄층의 두께 (t Ru)가 0.4 nm 인 경우에서도 유사한 거동이 관찰되며, 이 두께에서의 열적 안정성은 300℃ 로 약간 감소된다. 본 발명의 실시예에 따른 복합 스페이서층 (223)의 최대 층간 교환 결합의 강도는 루테늄층의 두께가 0.8 nm 에서 7.9 × 10-2 erg/cm2 로 이것은 루테늄층만으로된 비교예의 강도인 3.4 × 10-1 erg/cm2 대비 23 %에 상당하는 값이다.Referring to FIG. 8B, it can be seen that the
루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 작은 0.2 nm 내지 0.3 nm에서는 300℃의 열처리 후에 평행 층간 교환 결합이 관찰될 뿐 반평형 층간 결합은 관찰되지 않는다. 이와 같이 작은 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)에서도 층간 교환 결합이 관찰되는 것은 탄탈륨층 (223a)에 의해 핀홀이 억제되었기 때문인 것으로 추측된다. 그러나, 열처리 온도가 증가하면 이러한 탄탈륨층 (223a)의 핀홀 억제력은 소실되고 층간 교환 결합은 소멸된다.In the range of 0.2 nm to 0.3 nm in which the thickness ( t Ru ) of the
루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 큰 1.0 nm 및 1.2 nm 에서도 평행 층간 교환 결합이 나타난다. 루테늄층의 두께 (t Ru)가 1.0 nm에서는 300℃에서 열처리 후에 층간 교환 결합의 강도는 약하지만 열처리 온도가 증가하면 함께 증가하는 이점이 있다. 루테늄층 (223b)의 두께 (t Ru)가 1.2 nm가되면 더 큰 평행 층간 교환 결합이 나타난다. 그러나, 평행 층간 교환 결합은 너무 강하여 마이너 루프가 메이저 루프로부터 분리될 수 없기 때문에, 층간 교환 결합의 강도는 350℃의 열처리 온도에서는 결정될 수 없다. 이것은 도 6의 영역(d)의 면외 이력 루프 및 도 8의 375℃의 × 값의 표기로 반영되어 있다.Even at 1.0 nm and 1.2 nm in which the thickness ( t Ru ) of the
본 발명의 실시예에 따르면, 자기 터널링 접합 (200A - 200D)의 열처리 동안 탄탈륨층 (223a)이 인접하는 CoFe계 자성층 (221)로부터 붕소를 흡수하면서 K CoFeB 값이 증가하게 되고, 후열처리 온도가 최대 375℃까지 증가하더라도 자기 터널링 접합 (200A - 200D)의 특성이 유지되는 이점이 있다.
According to the embodiment of the present invention, the K CoFeB value increases while the
본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 개시된 다양한 자기 터널링 접합은 단일 메모리 소자로 구현되거나, 하나의 웨이퍼 칩 내에서 다른 이종 장치들, 예를 들면, 논리 프로세서, 이미지 센서, RF 소자와 같은 다른 장치들과 함께 SOC (system on chip)의 형태로 구현될 수도 있을 것이다. 또한, 상기 메모리 소자가 형성된 웨이퍼 칩과 이종 장치가 형성된 다른 웨이퍼 칩을 접착층, 솔더링 또는 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 접합하고, 관통 전극 (through silicon via)과 같은 배선 기술을 통해 하나의 칩 형태로 구현될 수도 있을 것이다. 또한, 자기 터널링 접합의 저항 변화 특성은 논리 프로세서와 같은 다른 장치들에서 퓨즈 또는 안티퓨즈로서 활용될 수도 있다.The various magnetic tunneling junctions disclosed with reference to the figures attached herewith may be implemented as a single memory device or may be implemented in other wafer devices such as other heterogeneous devices such as a logic processor, And may be implemented in the form of a system on chip (SOC). Further, the wafer chip on which the memory element is formed and another wafer chip on which the heterogeneous device is formed are bonded using an adhesive layer, a soldering or a wafer bonding technique, and are implemented in a single chip form through a wiring technique such as a through silicon via . In addition, the resistance change characteristics of the magnetic tunneling junction may be utilized as fuses or anti-fuses in other devices such as logic processors.
또한, 전술한 실시예들에 따른 메모리 소자들은 다양한 형태들의 반도체 패키지 (semiconductor package)화될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들은 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 FoSM, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack (MQFP), Thin Quad Flatpack (TQFP), Small Outline (SOIC), Shrink Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline (TSOP), Thin Quad Flatpack (TQFP), System In Package (SIP), Multi Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package (WFP) 또는 Wafer-Level Processed Stack Package (WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 소자들이 실장된 패키지는 이를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자등을 더 포함할 수도 있다.
In addition, the memory devices according to the above-described embodiments can be various types of semiconductor packages. For example, the nonvolatile memory devices according to embodiments of the present invention may be implemented in a package on package (PoP), ball grid arrays (BGAs), chip scale packages (CSPs), plastic leaded chip carriers (PLCC) Linear Package (PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer FoSM, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack (MQFP) (SOIC), Shrink Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline (TSOP), Thin Quad Flatpack (TQFP), System In Package (SIP), Multi Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package Wafer-Level Processed Stack Package (WSP) or the like. The package in which the memory elements according to the embodiments of the present invention are mounted may further include a controller and / or a logic element for controlling the same.
도 9는 본 발명의 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템 (4000)을 도시하는 블록도이다.9 is a block diagram illustrating an
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템 (4000)은 컨트롤러 (4010), 입출력 장치 (I/O; 4020), 기억 장치 (storage device; 4030), 인터페이스 (4040) 및 버스 (bus; 4050)를 포함할 수 있다. 컨트롤러 (4010), 입출력 장치 (4020), 기억 장치 (4030) 및/또는 인터페이스 (4040)는 버스 (4050)를 통하여 서로 결합될 수 있다. 버스 (4050)는 단일 또는 복합 버스일 수 있다.9, an
컨트롤러 (4010)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력 장치 (4020)는 키패드 (keypad), 키보드 또는 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 기억 장치 (4030)는 데이터 및/또는 명령어를 저장할 수 있으며, 기억 장치 (4030)는 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 자기 터널링 접합 또는 다층 자성 박막 스택을 포함하는 메모리 셀을 포함할 수 있다.The
일부 실시예에서, 기억 장치 (4030)는 다른 형태의 반도체 메모리 소자 (예를 들면, 디램 장치 및/ 또는 에스램 장치 등)를 더 포함하는 혼성 구조를 가질 수도 있다. 인터페이스 (4040)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스 (4040)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 이를 위하여, 인터페이스 (4040)는 안테나 또는 유무선 트랜시버를 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 전자 시스템 (4000)은 컨트롤러 (4010)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램을 더 포함할 수도 있다.In some embodiments, the
전자 시스템 (4000)은 개인 휴대용 정보 단말기 (PDA, personal digital assistant) 포터블 컴퓨터 (portable computer), 태블릿 피씨 (tablet PC), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰 (mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어 (digital music player), 메모리 카드 (memory card), 고상 저장 소자 (SSD), 컴퓨터, 디스플레이, 디지타이저 및 마우스와 같은 입력 수단, 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.
The
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.
Claims (20)
상기 자기 고정층 및 상기 자기 자유층 중 적어도 하나는,
상기 터널링 장벽층에 인접한 체심 입방 구조를 가지며, 코발트 (Co) 및 철 (Fe)을 함유하는 CoFe계 제 1 자성층;
상기 CoFe계 제 1 자성층과 층간 자기 교환 결합되는 제 2 자성층; 및
상기 CoFe계 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층 사이에 배치되고, 상기 CoFe계 제 1 자성층에 인접하는 탄탈륨 (Ta)층 및 상기 제 2 자성층에 인접하는 루테늄 (Ru)층의 적층 구조를 포함하는 제 1 복합 스페이서층을 포함하는 다층 자기 박막 스택.A magnetic tunneling junction comprising a tunneling barrier layer, a self-pinning layer on a first side of the tunneling barrier layer, and a magnetic free layer on a second side opposite the first side of the tunneling barrier layer, ,
Wherein at least one of the magnetically fixed layer and the self-
A CoFe-based first magnetic layer having a body-centered cubic structure adjacent to the tunneling barrier layer and containing cobalt (Co) and iron (Fe);
A second magnetic layer interlayer-magnetically exchange-coupled with the CoFe-based first magnetic layer; And
(Ta) layer adjacent to the first magnetic layer of CoFe and a ruthenium (Ru) layer adjacent to the second magnetic layer disposed between the first magnetic layer of the CoFe system and the second magnetic layer, Lt; RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI >
상기 터널링 장벽층은 Al2O3, MgO, TiO2, AlN, RuO, SrO, SiN, CaOx, HfO2, Ta2O5, ZrO2, SiC, SiO2, SiOxNy, 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
The tunneling barrier layer may comprise one or more of Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , AlN, RuO, SrO, SiN, CaO x , HfO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , SiC, SiO 2 , SiO x N y , A multilayer magnetic thin film stack comprising two or more laminated structures.
상기 CoFe계 제 1 자성층은, 코발트-철 (CoFe), 코발트-철-붕소 (CoFeB) 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
Wherein the CoFe-based first magnetic layer comprises cobalt-iron (CoFe), cobalt-iron-boron (CoFeB), or a laminated structure of two or more thereof.
상기 제 2 자성층은 비자성 금속층 및 코발트 함유 자성층이 적어도 1회 이상 교번하여 적층된 다층구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
Wherein the second magnetic layer includes a multilayer structure in which a non-magnetic metal layer and a cobalt-containing magnetic layer are alternately stacked at least once.
상기 비자성 금속층은 백금 (Pt), 로듐 (Rh), 하프늄 (Hf), 파라듐 (Pd), 탄탈륨 (Ta), 오스뮴 (Os), 게르마늄 (Ge), 이리듐 (Ir), 금 (Au), 및 은 (Ag) 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 포함하는 다층 자기 박막 스택.5. The method of claim 4,
The nonmagnetic metal layer may be at least one selected from the group consisting of Pt, Rh, Hf, Pd, Ta, Os, Ge, Ir, , And silver (Ag), or an alloy thereof.
상기 코발트 함유 자성층은 순수 코발트층, CoZr 합금층, CoFe 합금층, CoFeB 합금층 또는 이들의 적층 구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.5. The method of claim 4,
Wherein the cobalt-containing magnetic layer comprises a pure cobalt layer, a CoZr alloy layer, a CoFe alloy layer, a CoFeB alloy layer, or a laminated structure thereof.
상기 CoFe계 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층은 반평행 층간 교환 결합을 하는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
Wherein the CoFe-based first magnetic layer and the second magnetic layer are exchange-coupled between antiparallel layers.
상기 제 1 복합 스페이서층의 상기 탄탈륨층은 0.2 nm 내지 0.6 nm의 두께를 가지며, 상기 루테늄층은 0.2 nm 내지 1.2 nm의 두께를 갖는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
Wherein the tantalum layer of the first composite spacer layer has a thickness of 0.2 nm to 0.6 nm and the ruthenium layer has a thickness of 0.2 nm to 1.2 nm.
상기 루테늄층의 두께는 0.6 내지 0.9 nm의 범위 내인 다층 자기 박막 스택.9. The method of claim 8,
Wherein the thickness of the ruthenium layer is in the range of 0.6 to 0.9 nm.
상기 자기 고정층 및 상기 자기 자유층 중 다른 하나는,
상기 CoFe계 제 1 자성층과 접하는 상기 터널링 장벽층의 다른 면 상에 인접한 체심 입방 구조를 가지며, 코발트 (Co) 및 철 (Fe)을 함유하는 CoFe계 제 3 자성층;
상기 CoFe계 제 3 자성층과 층간 자기 교환 결합되는 제 4 자성층; 및
상기 CoFe계 제 3 자성층과 상기 제 4 자성층 사이에 배치되고, 상기 CoFe계 제 3 자성층에 인접하는 탄탈륨 (Ta)층 및 상기 제 4 자성층에 인접하는 루테늄 (Ru)층의 적층 구조를 포함하는 제 2 복합 스페이서층을 포함하는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
And the other of the magnetically fixed layer and the self-
A CoFe-based third magnetic layer having a body-centered cubic structure adjacent to the other surface of the tunneling barrier layer in contact with the CoFe-based first magnetic layer and containing cobalt (Co) and iron (Fe);
A fourth magnetic layer interlayer-magnetically exchange-coupled with the CoFe-based third magnetic layer; And
(Ta) layer adjacent to the CoFe-based third magnetic layer and a ruthenium (Ru) layer adjacent to the fourth magnetic layer, which are disposed between the CoFe-based third magnetic layer and the fourth magnetic layer, 2 composite spacer layer.
최밀 결정 성장면을 갖는 제 2 자성층; 및
상기 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층 사이에 삽입되고, 상기 제 1 자성층 측의 탄탈륨층 및 상기 제 2 자성층 측의 루테늄층의 복합 스페이서층을 포함하는 다층 자기 박막 스택.A first magnetic layer having a growth plane of (001) orientation of a body-centered cubic structure;
A second magnetic layer having a dense crystal growth surface; And
And a composite spacer layer of a tantalum layer on the first magnetic layer side and a ruthenium layer on the second magnetic layer side inserted between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
상기 제 1 자성층과 상기 제 2 자성층은 반평행 층간 교환 결합을 하는 다층 자기 박막 스택.12. The method of claim 11,
Wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer exchange coupling between antiparallel layers.
상기 복합 스페이서층의 상기 탄탈륨층은 0.2 nm 내지 0.6 nm의 두께를 가지며, 상기 루테늄층은 0.2 nm 내지 1.2 nm의 두께를 갖는 다층 자기 박막 스택.The method according to claim 1,
Wherein the tantalum layer of the composite spacer layer has a thickness of 0.2 nm to 0.6 nm and the ruthenium layer has a thickness of 0.2 nm to 1.2 nm.
상기 루테늄층의 두께는 0.6 내지 0.9 nm의 범위 내인 다층 자기 박막 스택.14. The method of claim 13,
Wherein the thickness of the ruthenium layer is in the range of 0.6 to 0.9 nm.
상기 복합 스페이서층과 접하는 상기 제 1 자성층의 면과 반대되는 면 상에 상기 제 1 자성층의 열처리에 의한 상기 (001) 배향의 성장면으로 결정화를 위한 템플릿 층을 더 포함하는 다층 자기 박막 스택.12. The method of claim 11,
Further comprising a template layer for crystallization on the growth surface of the (001) orientation by heat treatment of the first magnetic layer on a surface opposite to the surface of the first magnetic layer in contact with the composite spacer layer.
상기 템플릿 층은 MgO (001)을 포함하는 다층 자기 박막 스택.16. The method of claim 15,
Wherein the template layer comprises MgO (001).
상기 다층 자기 박막 스택은 수직 이방성을 갖는 다층 자기 박막 스택.12. The method of claim 11,
Wherein the multi-layer magnetic thin film stack has perpendicular anisotropy.
상기 제 1 자성층은 코발트-철 (CoFe), 코발트-철-붕소 (CoFeB) 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.12. The method of claim 11,
Wherein the first magnetic layer comprises cobalt-iron (CoFe), cobalt-iron-boron (CoFeB), or a laminated structure of two or more of them.
상기 제 2 자성층은 백금 (Pt)층 및 코발트 (Co) 자성층이 적어도 1회 이상 교번하여 적층된 다층구조를 포함하는 다층 자기 박막 스택.12. The method of claim 11,
Wherein the second magnetic layer includes a multilayer structure in which a platinum (Pt) layer and a cobalt (Co) magnetic layer are alternately stacked at least once.
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