KR102137815B1 - Ferromagnetic multilayer thin film and magnetic tunnel junction structure including the same - Google Patents

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Abstract

강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조를 제공한다. 강자성 다층박막 은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다. 따라서, 강자성 다층박막에 삽입층을 포함시킴으로써 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막의 임계 두께를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 강자성 다층박막의 부피가 증가하여 열적안정성을 향상시킬 수 있다.A ferromagnetic multilayer thin film and an MTJ structure including the same are provided. The ferromagnetic multilayer thin film may include at least two or more ferromagnetic layers having perpendicular magnetic anisotropy, and an interlayer positioned between the ferromagnetic layers and including a B-based material. Therefore, by including the insertion layer in the ferromagnetic multilayer thin film, the critical thickness of the ferromagnetic multilayer thin film having vertical magnetic anisotropy can be increased, and accordingly, the volume of the ferromagnetic multilayer thin film can be increased to improve thermal stability.

Description

강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조{Ferromagnetic multilayer thin film and magnetic tunnel junction structure including the same}Ferromagnetic multilayer thin film and magnetic tunnel junction structure including the same}

본 발명은 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a ferromagnetic multilayer thin film and an MTJ structure including the same, and more particularly, to a ferromagnetic multilayer thin film having a perpendicular magnetic anisotropy and an MTJ structure including the same.

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.Next-generation non-volatile memories that are attracting attention as a demand for new information storage media include ferroelectric memory (FeRAM), magnetic memory (MRAM), resistive memory (ReRAM), and phase change memory (PRAM). These memories have their own advantages, and research and development are actively conducted in a direction suitable for 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 using a quantum mechanical effect called magnetoresistance, and is a device that can store non-volatile data with features of high density and high response with low power consumption, and is currently widely used. It is a large-capacity storage device that can replace DRAM, which is a storage device.

자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.As the magneto-resistance effect, two effects are known: giant magneto resistance (GMR) and tunneling magneto resistance (TMR).

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.A device using the GMR effect stores information by using a phenomenon in which the resistance of a conductor positioned between two ferromagnetic layers changes according to the spin direction of the upper and lower ferromagnetic layers. However, since the GMR element has a magnetoresistance (MR) ratio representing a rate of change in the magnetoresistance value as low as about 10%, the read signal of the storage information is small, and securing a read margin is the biggest challenge in realizing MRAM.

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 representative element using the TMR effect, a magnetic tunnel junction (MTJ) element using a change in magnetic resistance according to the 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 laminated structure of a ferromagnetic layer/insulating layer/ferromagnetic layer. In the MTJ element, when the spin directions of the upper and lower ferromagnetic layers are the same, the probability of tunneling between two ferromagnetic layers via a tunnel insulating film is maximized, and as a result, the resistance value is minimized. In contrast, when the spin direction is reversed, the probability of the tunnel is minimized, so that the resistance value is maximized.

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, one of the ferromagnetic layers (magnetic material film) has a fixed magnetization direction and is set so as not to be affected by external magnetization. Generally, the ferromagnetic layer in which the magnetization direction is fixed is referred to as a pinned layer or 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.In the other ferromagnetic layer (magnetic material film), the magnetization direction may 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 MTJ devices, it is also currently obtained that the MR ratio as a resistance change rate exceeds 50%, and it has become the mainstream of MRAM development.

한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.Meanwhile, among these MTJ devices, an MTJ device using a vertical magnetic anisotropy material has attracted attention.

특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, studies for applying the MTJ device using the vertical magnetic anisotropic material to a vertical spin transfer torque type magnetoresistive memory (STT-MRAM) are actively being 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 method refers to a method of inducing magnetization reversal by injecting a current directly into a magnetic tunnel junction rather than an external magnetic field. This STT recording method has an advantage of 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 may be mentioned as a material used for magnetic tunnel bonding using vertical magnetic anisotropy, which has been previously studied as a horizontal magnetic anisotropic material, but has a characteristic of exhibiting vertical magnetic anisotropy at a very thin thickness (about 1.5 nm or less). Has been actively researched.

현재까지 알려진 바로는 이러한 CoFeB에서 수직자기이방성을 발현시키기 위해서는 Ta/CoFeB/MgO의 구조를 가지는 접합이 필요한데, 이러한 구조에서 CoFeB가 수직자기이방성을 가지려면 상기 기재한 것과 같이 매우 얇은 두께가 필요하다. 그에 따라 박막의 부피에 비례하는 열적안정성은 매우 낮을 수 밖에 없는 문제점이 있다.As far as is known, in order to express perpendicular magnetic anisotropy in CoFeB, a junction having a structure of Ta/CoFeB/MgO is required, and in order to have vertical magnetic anisotropy in CoFeB, a very thin thickness as described above is required. . Accordingly, there is a problem that the thermal stability proportional to the volume of the thin film must be very low.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열적 안정성을 향상 시킬 수 있는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a ferromagnetic multilayer thin film having a perpendicular magnetic anisotropy capable of improving thermal stability and an MTJ structure including the same.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 강자성 다층박막을 제공한다. 이러한 강자성 다층박막은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention provides a ferromagnetic multilayer thin film. The ferromagnetic multilayer thin film may include at least two or more ferromagnetic layers having perpendicular magnetic anisotropy, and an interlayer positioned between the ferromagnetic layers and including a B-based material.

이때의 강자성층은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질을 포함할 수 있다.At this time, the ferromagnetic layer may include a magnetic material including at least two of Co, Fe, and B.

또한, 이때의 강자성층은 CoFeB을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ferromagnetic layer at this time is characterized in that it comprises CoFeB.

또한, 이때의 삽입층은 WB 또는 CrB를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the insertion layer at this time is characterized in that it comprises WB or CrB.

또한, 이때의 삽입층은 초박막층인 것을 특징으로 한다.In addition, the insertion layer at this time is characterized in that the ultra-thin layer.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 이러한 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 제2 강자성층은, 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy. The MTJ structure having vertical magnetic anisotropy includes a first ferromagnetic layer having vertical magnetic anisotropy, a tunneling barrier layer positioned on the first ferromagnetic layer, and a second ferromagnetic layer positioned on the tunneling barrier layer, and having vertical magnetic anisotropy can do. In addition, the second ferromagnetic layer may include at least two ferromagnetic layers having perpendicular magnetic anisotropy, and an interlayer positioned between the ferromagnetic layers and including an B-based material.

또한, 이때의 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the tunneling barrier layer at this time is characterized in that it comprises MgO.

또한, 이때의 제2 강자성층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조인 것을 특징으로 한다.In addition, the second ferromagnetic layer at this time is characterized by having a [CoFeB/(WB or CrB)/CoFeB] structure.

또한, 상기 제2 강자성층 상에 위치하는 MgO층을 더 포함할 수 있다.In addition, an MgO layer positioned on the second ferromagnetic layer may be further included.

본 발명에 따르면, 강자성 다층박막에 삽입층을 포함시킴으로써 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막의 임계 두께를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 강자성 다층박막의 부피가 증가하여 열적안정성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by including the insertion layer in the ferromagnetic multilayer film, the critical thickness of the ferromagnetic multilayer film having perpendicular magnetic anisotropy can be increased, and accordingly, the volume of the ferromagnetic multilayer film can be increased to improve thermal stability.

또한, 이러한 강자성 다층박막을 이용하여 열적 안정성이 향상된 MTJ 구조를 제공할 수 있다.In addition, an MTJ structure with improved thermal stability can be provided using such a ferromagnetic multilayer thin film.

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 will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a ferromagnetic multilayer thin film having vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy according to an 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 allows for various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated and illustrated by the drawings, which will be described in detail below. However, it is not intended to limit the invention to the specific forms disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents, and substitutes 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. When an element, such as a layer, region, or substrate, is referred to as being "on" another component, it will be understood that it may be present directly on the other element, or an intermediate element between them. .

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. can be used to describe various elements, components, regions, layers and/or regions, these elements, components, regions, layers and/or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.

또한, 본 발명에서 사용하는 용어 “A/B/C 다층구조”는 A층 상에 B층 및 C층이 차례도 위치하는 구조를 의미한다.In addition, the term “A/B/C multilayer structure” used in the present invention means a structure in which B and C layers are sequentially located on the A layer.

또한, 본 발명에서 사용하는 용어 “[A/B]m 다층박막”은 A와 B를 교대로 반복적으로 m번 적층한 다층박막을 의미한다.
In addition, the term “[A/B] m multi-layer thin film” used in the present invention means a multi-layer thin film in which A and B are alternately repeatedly m stacked.

본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막을 설명한다.A ferromagnetic multilayer thin film having vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막(10)을 나타낸 단면도이다.
1 is a cross-sectional view showing a ferromagnetic multilayer thin film 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 강자성 다층박막(10)은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2 이상의 강자성층들(11) 및 이러한 강자성층들(11A, 11B) 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층(12)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the ferromagnetic multilayer thin film 10 is positioned between at least two or more ferromagnetic layers 11 having perpendicular magnetic anisotropy and these ferromagnetic layers 11A and 11B, and an insertion layer containing a B-based material ( 12).

이 때의 강자성층들(11)은 제1 강자성 물질을 주 원소로 한다. 이러한 제1 강자성 물질은 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질이 가능할 것이다.The ferromagnetic layers 11 at this time have a first ferromagnetic material as a main element. The first ferromagnetic material may be various ferromagnetic materials exhibiting perpendicular magnetic anisotropy.

따라서, 이러한 강자성층들(11)이 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.Therefore, at least these ferromagnetic layers 11 are selected from the group selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta and mixtures thereof in order to have perpendicular magnetic anisotropy. It can include any one.

바람직하게, 제1 강자성 물질은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질일 수 있다. 즉, 강자성층들(11)은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 강자성층들(11)은 CoFeB를 포함할 수 있다.Preferably, the first ferromagnetic material may be a magnetic material including at least two of Co, Fe, and B. That is, the ferromagnetic layers 11 may include a magnetic material including at least two of Co, Fe, and B. For example, these ferromagnetic layers 11 may include CoFeB.

이때의 삽입층(12)은 이러한 강자성층들(11A, 11B) 사이에 위치한다. 따라서, 이러한 삽입층(12)에 의해 강자성 다층박막(10)이 수직자기이방성을 갖을 수 있는 임계 두께를 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 강자서 다층박막(10)의 부피가 증가됨으로써 열적안정성을 향상시킬 수 있다.The insertion layer 12 is located between the ferromagnetic layers 11A and 11B. Therefore, the ferromagnetic multilayer thin film 10 by the insertion layer 12 serves to increase the critical thickness that can have perpendicular magnetic anisotropy. Accordingly, the thermal stability can be improved by increasing the volume of the multilayer thin film 10 in the strong magnetic field.

이러한 삽입층(12)은 B 계열 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 이러한, 삽입층(12)은 WB 또는 CrB를 포함할 수 있다.The insertion layer 12 may include a B-based material. For example, the insertion layer 12 may include WB or CrB.

예를 들어, 강자성층들(11)이 B를 포함하는 강자성 물질을 포함하는 경우, 열처리과정에서 이러한 강자성층들(11)의 B가 삽입층으로 확산하여 자성특성이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, B 계열 물질인 WB 또는 CrB를 삽입층(12) 물질로 사용할 경우, 열처리과정에서 강자성층(11) 내에 포함되어있는 B가 삽입층(12)으로 확산하는 것을 최소화하여 자성특성이 감소하는 것을 막아줄 수 있다.For example, when the ferromagnetic layers 11 include a ferromagnetic material containing B, there is a problem in that the B of the ferromagnetic layers 11 diffuses into the insertion layer during the heat treatment process, thereby reducing the magnetic properties. Accordingly, when B-based material WB or CrB is used as the insertion layer 12 material, the magnetic properties are reduced by minimizing the diffusion of B contained in the ferromagnetic layer 11 into the insertion layer 12 during the heat treatment process. You can prevent it.

또한, 삽입층(12) 물질로 Ta 물질을 사용할 경우, Ta가 강자성층으로 확산되어 자성특성이 감소하는 문제점이 있는데, 이러한 Ta 물질 대신에 B 계열 물질인 WB 또는 CrB를 삽입층(12) 물질로 사용함으로써, 이러한 문제점 역시 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, when the Ta material is used as the material for the insertion layer 12, Ta diffuses into the ferromagnetic layer, thereby reducing the magnetic properties. Instead of the Ta material, the B-based material WB or CrB is used as the insertion layer 12 material. By using as, there is an effect that can also prevent such problems.

또한, B 계열 물질인 WB 또는 CrB 을 삽입층(12)의 경우 열적 안정성도 향상되는 효과가 있다.In addition, in the case of the insertion layer 12, the B-based material WB or CrB has an effect of improving thermal stability.

한편, 이러한 삽입층(12)은 초박막층인 것을 특징으로 한다. 따라서, 삽입층(12)을 초박막층으로 형성함으로써, 강자성 다층박막(10)에 삽입층(12)이 포함됨으로써 발생되는 수직자기이방성 특성의 감소를 최소화할 수 있다.
On the other hand, the insertion layer 12 is characterized in that the ultra-thin layer. Therefore, by forming the insertion layer 12 as an ultra-thin layer, it is possible to minimize the decrease in the perpendicular magnetic anisotropy characteristic caused by the inclusion of the insertion layer 12 in the ferromagnetic multilayer thin film 10.

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

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(100), 제1 강자성층(100) 상에 위치하는 터널링 배리어층(200) 및 터널링 배리어층(200) 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(300)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the MTJ structure having vertical magnetic anisotropy includes a first ferromagnetic layer 100 having vertical magnetic anisotropy, a tunneling barrier layer 200 and a tunneling barrier layer 200 positioned on the first ferromagnetic layer 100. ), and includes a second ferromagnetic layer 300 having vertical magnetic anisotropy.

제1 강자성층(100)은 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 제1 강자성층(100)이 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 first ferromagnetic layer 100 may include various ferromagnetic materials exhibiting vertical magnetic anisotropy. Therefore, the first ferromagnetic layer 100 is selected from the group selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta and mixtures thereof in order to have vertical magnetic anisotropy It may include at least one.

이러한 제1 강자성층(100)은 고정층 또는 자유층일 수 있다.The first ferromagnetic layer 100 may be a fixed layer or a free layer.

고정층은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다. 한편, 이러한 고정층은 필요에 따라 반강자성층을 더 포함할 수 있다. 이러한 반강자성층은 고정층의 자화방향을 고정하는 역할을 한다.The fixed layer is set so that the magnetization direction is fixed and is not affected by external magnetization. Meanwhile, the fixed layer may further include an antiferromagnetic layer if necessary. The antiferromagnetic layer serves to fix the magnetization direction of the pinned layer.

예를 들어, 이러한 반강자성층은 IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2 및 NiO로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 박막으로 형성하거나, 이들 중 적어도 2개 이상의 박막이 적층되어 형성된 적층막일 수 있다.For example, the antiferromagnetic layer is formed of any one thin film selected from the group consisting of IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF 2 , FeF 2 , FeCl 2 , FeO, CoCl 2 , CoO, NiCl 2 and NiO Or, it may be a laminated film formed by laminating at least two or more of them.

또한, 반강자성층은 인위적 반강자성층(SyAF: Synthetic Anti-Ferromagnet)일 수 있다. 예를 들어, 인위적 반강자성층은 [Co/(Pt 또는 Pd)]m/Ru/[Co/(Pt 또는 Pd)]m 구조일 수 있다.Also, the antiferromagnetic layer may be an artificial antiferromagnetic layer (SyAF: Synthetic Anti-Ferromagnet). For example, the artificial antiferromagnetic layer may have a [Co/(Pt or Pd)] m /Ru/[Co/(Pt or Pd)] m structure.

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

터널링 배리어층(200)은 이러한 제1 강자성층(100) 상에 위치할 수 있다. 즉, 터널링 배리어층(200)은 제1 강자성층(100)과 후술하는 제2 강자성층(300) 사이에 개재된다. The tunneling barrier layer 200 may be located on the first ferromagnetic layer 100. That is, the tunneling barrier layer 200 is interposed between the first ferromagnetic layer 100 and the second ferromagnetic layer 300 described later.

따라서, 이러한 터널링 배리어층(200)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다.Therefore, the material of the tunneling barrier layer 200 may be any material as long as it 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(200)은 MgO층일 수 있다.For example, the 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 200 may be a MgO layer.

제2 강자성층(300)은 터널링 배리어층(200) 상에 위치한다. 만일, 제1 강자성층(100)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(300)은 자유층이고, 제1 강자성층(100)이 자유층인 경우, 제2 강자성층(300)은 고정층일 것이다.The second ferromagnetic layer 300 is located on the tunneling barrier layer 200. If the first ferromagnetic layer 100 is a fixed layer, the second ferromagnetic layer 300 is a free layer, and if the first ferromagnetic layer 100 is a free layer, the second ferromagnetic layer 300 will be a fixed layer .

이러한 제2 강자성층(300)은 도 1과 관련하여 상술한 강자성 다층박막(10)을 이용할 수 있다.The second ferromagnetic layer 300 may use the ferromagnetic multilayer thin film 10 described above with reference to FIG. 1.

즉, 제2 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들(도 1의 11) 및 상기 강자성층들(도 1의 11) 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층(도 1의 12)을 포함할 수 있다.That is, the second ferromagnetic layer 300 is positioned between at least two or more ferromagnetic layers (11 in FIG. 1) having perpendicular magnetic anisotropy and the ferromagnetic layers (11 in FIG. 1), and an insertion layer containing a B-based material (12 in FIG. 1).

예를 들어, 제2 강자성층(300)은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조의 강자성 다층박막일 수 있다.For example, the second ferromagnetic layer 300 may be a ferromagnetic multilayer thin film having a [CoFeB/(WB or CrB)/CoFeB] structure.

한편, 이러한 강자성 다층박막(도 1의 10)에 대하여 이미 상술한 바, 자세한 설명은 생략한다.On the other hand, as described above with respect to such a ferromagnetic multilayer thin film (10 in FIG. 1), detailed description thereof will be omitted.

한편, 제2 강자성층(300) 상에 MgO층(400)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 MgO층(400)은 MgO층(400)에 인접한 제2 강자성층(300)에 수직자기이방성을 유도할 수 있다.Meanwhile, the MgO layer 400 may be further included on the second ferromagnetic layer 300. Therefore, the MgO layer 400 can induce vertical magnetic anisotropy in the second ferromagnetic layer 300 adjacent to the MgO layer 400.

도 1의 강자성 다층박막(도 1의 10)을 제2 강자성층(300)으로 예를 들어 설명하면, MgO층(400)은 삽입층(도 1의 12) 상부에 있는 강자성층(도 1의 11B)에 수직자기이방성을 유도할 수 있다. When the ferromagnetic multilayer thin film of FIG. 1 (10 of FIG. 1) is described as an example of the second ferromagnetic layer 300, the MgO layer 400 is a ferromagnetic layer (FIG. 1 of FIG. 1) on the top. 11B) can induce vertical magnetic anisotropy.

한편, 제2 강자성층(300)뿐만 아니라 제1 강자성층(100)도 도 1에서 상술한 강자성 다층박막(도 1의 10)을 이용할 수 있음은 물론이다.On the other hand, of course, the first ferromagnetic layer 100 as well as the second ferromagnetic layer 300 can use the ferromagnetic multilayer thin film (10 in FIG. 1) described above.

따라서, 열적안정성이 향상된 MTJ 소자를 제공할 수 있다.
Therefore, it is possible to provide an MTJ element with improved thermal stability.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 설명한다.Hereinafter, a magnetic element including an MTJ structure having vertical 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 traversing the top of these digit lines, and a magnetic tunnel junction interposed between the digit line and the bit line.

이 때의 자기 터널 접합은 수직자기이방성을 갖는 고정층, 이러한 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 이러한 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함할 수 있다.The magnetic tunnel junction at this time may include a fixed layer having vertical magnetic anisotropy, a tunneling barrier layer positioned on the fixed layer, and a free layer positioned on the tunneling barrier layer and having vertical magnetic anisotropy.

이 때의 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다. 즉, 고정층 또는 자유층으로 도 1에서 상술한 강자성 다층박막을 이용할 수 있다.At this time, at least one of the fixed layer and the free layer may include at least two or more ferromagnetic layers having perpendicular magnetic anisotropy, and an interlayer positioned between the ferromagnetic layers and including an B-based material. That is, the ferromagnetic multilayer thin film described in FIG. 1 can be used as a fixed layer or a free layer.

예를 들어, 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조의 강자성 다층박막일 수 있다. 이러한 강자성 다층박막에 대하여 이미 상술한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.For example, at least one of the fixed layer and the free layer may be a ferromagnetic multilayer thin film having a [CoFeB/(WB or CrB)/CoFeB] structure. Since the ferromagnetic multilayer thin film is already the same as described above, detailed description thereof will be omitted.

또한, 이러한 강자성 다층박막이 포함된 고정층 또는 자유층의 터널링 배리어층이 접하는 면의 반대측면에 MgO층이 더 포함될 수 있다.In addition, an MgO layer may be further included on a side opposite to a surface of the fixed layer including the ferromagnetic multilayer thin film or the tunneling barrier layer of the free layer.

따라서, 열적 안정성이 향상된 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
Therefore, it is possible to provide a magnetic element including an MTJ structure with improved thermal stability.

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 presented as specific examples for ease of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

10: 강자성 다층박막 11, 11A, 11B: 강자성층
12: 삽입층 100: 제1 강자성층
200: 터널링 배리어층 300: 제2 강자성층
400: MgO층10: ferromagnetic multilayer thin film 11, 11A, 11B: ferromagnetic layer
12: Insertion layer 100: First ferromagnetic layer
200: tunneling barrier layer 300: second ferromagnetic layer
400: MgO layer

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
상기 제1 강자성 상에 위치하는 터널링 배리어층;
상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층; 및
상기 제2 강자성층 상에 형성되고, 상기 제2 강자성층의 수직자기이방성을 유도하기 위한 MgO 층을 포함하고,
상기 제2 강자성층은 수직자기이방성을 가지는 적어도 2 이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하는 삽입층을 가지며,
상기 삽입층은 B(붕소) 계열 물질을 포함하며, 상기 강자성층들의 B가 확산되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 MTJ 구조.A first ferromagnetic layer having vertical magnetic anisotropy;
A tunneling barrier layer located on the first ferromagnetic;
A second ferromagnetic layer positioned on the tunneling barrier layer and having vertical magnetic anisotropy; And
It is formed on the second ferromagnetic layer, and includes a MgO layer for inducing the perpendicular magnetic anisotropy of the second ferromagnetic layer,
The second ferromagnetic layer has at least two or more ferromagnetic layers having perpendicular magnetic anisotropy, and an insertion layer positioned between the ferromagnetic layers,
The insertion layer comprises a B (boron)-based material, MTJ structure characterized in that to block the diffusion of the B of the ferromagnetic layers. 제6항에 있어서,
상기 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조The method of claim 6,
The tunneling barrier layer comprises a MgO MTJ structure having a perpendicular magnetic anisotropy, characterized in that 제6항에 있어서,
상기 제2 강자성층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.The method of claim 6,
The second ferromagnetic layer has a vertical magnetic anisotropy MTJ structure, characterized in that the [CoFeB / (WB or CrB) / CoFeB] structure. 삭제delete
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