KR102163823B1 - 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

자기 장치에 사용 가능한 자기 접합 및 그 제조 방법이 제공된다. 자기 접합은, 기판 상에 배치되고, 자기 장치(magnet device)에 사용 가능한 자기 접합으로, 고정층, 기록 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능한(switchable) 자유층, 및 고정층과 자유층 사이에 개재되는 비자기 스페이서층을 포함하고, 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖고, 자유층은, [CoxFeyBz]uMot층을 포함하고(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.

Description

자기 장치에 사용 가능한 자기 접합 및 그 제조 방법{MAGNETIC JUNCTION USABLE IN A MAGNETIC DEVICE AND FABRICATING THE SAME}
본 발명은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 스핀 전달 토크(spin transfer torque) 적용에 사용 가능한 낮은 모멘트의 CoFeBMO 자유층 자기 접합 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자기 메모리, 구체적으로 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAMs; magnetic random access memories)는, 작동하는 동안의 높은 읽기/쓰기 속도, 훌륭한 내구성, 비휘발성 및 낮은 전력 소비에 대한 그들의 잠재성으로 인해, 점점 관심을 끌어 왔다. MRAM은 자기 물질(magnetic materials)을 정보 기록 매체로 사용하여 정보를 저장할 수 있다.
MRAM의 한 종류로, 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM; spin transfer torque random access memory)가 있다. STT-MRAM은 자기 접합(magnetic junction)을 통과해 구동되는 전류에 의해 적어도 부분적으로 기록된 자기 접합을 이용한다. 자기 접합을 통과해 구동된 스핀 분극된 전류(spin polarized current)는, 자기 접합의 자기 모멘트(magnetic moments)에 스핀 토크(spin torque)를 가한다. 그 결과로, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 요구되는 상태(state)로 스위칭될(switched) 수 있다.
예를 들어, 자기 터널링 접합(MTJ; magnetic tunneling junction)이 STT-MRAM에 사용될 수 있다. MTJ는 기판 상에 배치될 수 있다. 시드층(seed layer(s))을 사용하는 MTJ는, 캡핑층(capping layer)을 포함할 수 있고, 반강자성층(AFM layer; antiferromagnetic layer)을 포함할 수도 있다. MTJ는 고정층(pinned layer), 자유층(free layer) 및 고정층과 자유층 사이에 개재되는 터널링 배리어층(tunneling barrier layer)을 포함할 수 있다. MTJ 아래의 하부 컨택 및 MTJ 상의 상부 컨택은, 평면에 수직하는 전류 방향(CPP direction; current-perpendicular-to-plane direction)으로, MTJ를 통과하는 전류를 구동하는데 사용될 수 있다.
고정층 및 자유층은 자성(magnetic)이다. 고정층의 자화(magnetization)는 특정한 방향으로 고정된다. 자유층은 가변적인(changeable) 자화를 갖는다. 자유층은 단일층이거나, 또는 다중층을 포함할 수 있다.
자유층의 자화를 스위칭시키기 위해, 평면에 수직하는 전류가 구동될 수 있다. 상부 컨택으로부터 하부 컨택으로 충분한 전류가 구동될 때, 자유층의 자화는 고정층의 자화와 평행하도록 스위칭될 수 있다. 하부 컨택으로부터 상부 컨택으로 충분한 전류가 구동될 때, 자유층의 자화는 고정층의 자화와 역평행(antiparallel)하도록 스위칭될 수 있다. 자기 배열의 차이는 서로 다른 자기 저항(magnetoresistances)에 상응한다. 이에 따라, 자기 배열의 차이는 MTJ의 서로 다른 논리 상태(예를 들어, 논리 "0" 및 논리 "1")에 상응한다.
다양한 응용 분야에서의 그들의 이용 가능성 때문에, 자기 메모리에 관한 연구가 진행되고 있다. 그 일환으로, STT-MRAM의 성능을 향상시키기 위한 메커니즘이 요구된다. 예를 들어, 더 쉽고 빠른 스위칭을 위해, 낮은 스위칭 전류가 요구될 수 있다. 동시에, 자기 접합은 열적으로 안정성을 유지하도록 요구될 수 있다. 이에 따라, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 요구된다. 이러한 방법 및 시스템이 이하에서 설명된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 향상시킬 수 있는 자기 접합을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 성능이 향상된 자기 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 향상시킬 수 있는 자기 접합의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 자기 접합은, 기판 상에 배치되고, 자기 장치(magnet device)에 사용 가능한 자기 접합으로, 고정층, 기록 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능한(switchable) 자유층, 및 고정층과 자유층 사이에 개재되는 비자기 스페이서층을 포함하고, 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖고, 자유층은, [CoxFeyBz]uMot층을 포함하고(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 자유층은 [CoxFeyBz]uMot층으로 구성된다(consists of).
몇몇 실시예에서, 자유층은, 적어도 하나의 CoFeB층 및 적어도 하나의 FeB층 중 적어도 하나를 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.50 이하이다.
몇몇 실시예에서, t는 0.2 이하이다.
몇몇 실시예에서, t는 0.1 이상 0.15 이하이다.
몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층은 14 Å 이상 20 Å 이하의 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층은 20 Å 이상의 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 비자기 스페이서층은 MgO를 포함하고, 자유층에 인접한다.
몇몇 실시예에서, 자유층에 인접하는 시드층 및 자유층에 인접하는 캡핑층 중 적어도 하나를 더 포함하고, 시드층 및 캡핑층은 각각 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 탄탈(tantalum oxide), 산화 몰리브덴(molybdenum oxide), 산화 바나듐(vanadium oxide) 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 추가 비자기 스페이서층 및 추가 고정층을 더 포함하고, 자유층은, 추가 비자기 스페이서층과 비자기 스페이서층 사이에 개재되고, 추가 비자기 스페이서층은, 추가 고정층과 자유층 사이에 개재된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 자기 메모리는, 기판 상에 배치되는 자기 메모리로, 고정층, 비자기 스페이서층 및 자유층을 포함하는 적어도 하나의 자기 접합을 포함하는 복수의 자기 저장 셀, 및 복수의 자기 저장 셀과 연결되는(coupled with) 복수의 비트 라인을 포함하고, 비자기 스페이서층은 고정층과 자유층 사이에 개재되고, 자유층은, 기록 전류가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 자유층은, [CoxFeyBz]uMot층을 포함하고(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 자기 접합의 제조 방법은, 기판 상에 배치되고, 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 제조 방법으로, 고정층을 제공하고, 비자기 스페이서층을 제공하고, 자유층을 제공하는 것을 포함하고, 비자기 스페이서층은 고정층과 자유층 사이에 개재되고, 자유층은, 기록 전류가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 자유층은, [CoxFeyBz]uMot층을 포함하고(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 자유층을 제공하는 것은, 적어도 하나의 CoFeB층 및 적어도 하나의 FeB층 중 적어도 하나를 제공하는 것을 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.20 이하이다.
몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 비자기 스페이서층을 제공하는 것은, 자유층에 인접하는 MgO층을 제공하는 것을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 자유층에 인접하는 시드층 및 자유층에 인접하는 캡핑층 중 적어도 하나를 제공하는 것을 더 포함하고, 시드층 및 캡핑층은 각각 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 탄탈(tantalum oxide), 산화 몰리브덴(molybdenum oxide), 산화 바나듐(vanadium oxide) 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 추가 비자기 스페이서층 및 추가 고정층을 제공하는 것을 더 포함하고, 자유층은, 추가 비자기 스페이서층과 비자기 스페이서층 사이에 개재되고, 추가 비자기 스페이서층은, 추가 고정층과 자유층 사이에 개재된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능하고 CoFeBMo 자유층을 갖는, 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 2는 자기 접합에 사용 가능한 CoFeBMo 자유층의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 3은 자기 접합에 사용 가능한 CoFeBMo 자유층의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 4는 자기 접합에 사용 가능한 CoFeBMo 자유층의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 5는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능하고 CoFeBMo 자유층을 갖는, 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 6은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능하고 CoFeBMo 자유층을 갖는, 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 7은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능하고 CoFeBMo 자유층을 갖는, 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 제조 방법의 몇몇 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 CoFeBMo 자유층의 제조 방법의 몇몇 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 저장 셀의 메모리 구성 요소에서 자기 접합을 사용하는 메모리의 몇몇 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합, 및 이러한 자기 접합을 사용하는 장치에 관한 것이다. 자기 메모리는 스핀 전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리 (STT-MRAMs)를 포함 할 수 있고, 비 휘발성 메모리를 사용하는 전자 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전자 장치는 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿, 랩톱, 및 기타 휴대용 및 비 휴대용 컴퓨팅 장치를 포함하지만, 이들에 제한되는 것은 아니다.
다음의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있게 하기 위해 제공되며, 특허 출원 및 그 요구 사항의 맥락에서 제공된다. 예시적인 실시 예들에 대한 다양한 변형들, 및 여기에서 설명되는 일반적인 원리들 및 특징들은 쉽게 명백해질 것이다. 예시적인 실시예들은 특정 구현 예에서 제공되는 특정 방법 및 시스템의 측면에서 주로 설명된다. 그러나, 방법 및 시스템은 다른 구현에서 효과적으로 동작 할 것이다.
"예시적인 실시예", "일 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 문구는, 동일하거나 상이한 실시예뿐만 아니라 다수의 실시 예를 지칭할 수도 있다. 실시 예들은 특정 구성 요소들을 포함하는 시스템 및/또는 장치들에 관하여 설명될 것이다. 그러나, 시스템 및/또는 장치는 도시된 것보다 많거나 적은 구성 요소를 포함할 수 있으며, 구성 요소의 배열 및 유형의 변형은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
또한, 예시적인 실시예들은 특정 단계를 포함하는 특정 방법의 관점에서 설명될 것이다. 그러나, 방법 및 시스템은, 다른 및/또는 추가적인 단계, 및 예시적인 실시예들과 모순되지 않는 다른 순서의 단계를 갖는 다른 방법에 대해 효과적으로 동작한다. 즉, 본 발명의 기술적 사상은 도시된 실시예들에 제한되는 것이 아니고, 본 명세서에서 설명된 원리들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기 접합 및 자기 접합의 제조 방법이 설명된다. 자기 접합은, 기판 상에 배치되고, 자기 장치에 사용 가능하다. 자기 접합은, 비자기 스페이서층에 의해 분리되는 자유층 및 고정층을 포함한다.
자유층은, 기록 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 안정한 자기 상태들(magnetic states) 사이에서 스위칭 가능하다(switchable). 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다. 자유층은, [CoxFeyBz]uMot층을 포함한다(여기서, u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님). [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지
예시적인 실시예들은 특정한 구성 요소들을 포함하는 특정한 방법, 자기 접합, 및 자기 메모리에 대한 관점에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 발명의 기술적 사상이, 이와 모순되지 않는 다른 및/또는 추가의 구성 요소 및/또는 다른 특징을 갖는 자기 접합 및 자기 메모리의 사용과 일치되는 것임을 쉽게 인식할 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은 또한, 스핀 전달 현상(spin transfer phenomenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy), 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해의 맥락에서 기술된다. 결론적으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 상기 방법 및 시스템의 거동에 대한 이론적 설명이, 스핀 전달, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해에 기초하여 이루어는 것임을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 여기에 설명된 방법 및 시스템은, 특정한 물리적인 설명에 의존하지 않는다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한, 상기 방법 및 시스템이 기판에 대해 특정한 관계를 갖는 구조의 관점에서 설명된다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 상기 방법 및 시스템이 다른 구조들에도 적용된다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은, 특정한 합성층 및/또는 단순한 층에 대한 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 상기 층들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은, 특정한 층들을 포함하는 자기 접합 및/또는 하부 구조에 대한 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 상기 방법 및 시스템과 모순되지 않는 추가 및/또는 다른 층을 포함하는 자기 접합 및/또는 하부 구조도 사용될 수 있음을 쉽게 인식 할 것이다.
또한, 특정한 구성 요소는 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic), 및 페리 자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서, "자성"은 강자성, 페리 자성, 또는 유사한 구조를 포함할 수있다. 즉, 본 명세서에서, "자성" 또는 "강자성"이라는 용어는 강자성체(ferromagnets) 및 페리 자성체(ferrimagnets)를 포함하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서, "평면 내(in-plane)"는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합층의 평면 내에 배치되거나, 이와 평행하다. 이와 달리, "수직(perpendicular)" 및 "평면에 수직(perpendicular-to-plane)"은 하나 이상의 자기 접합층 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응된다.
도 1은 CoFeBMo 자유층을 포함하는 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합(100)의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 1은 비례로 도시되지 않는다.
자기 접합(100)은 STT-MRAM과 같은 자기 장치 및 이에 따라 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 자기 모멘트(105)를 갖는 고정층(104), 비자기 스페이서층(106), 자기 모멘트(109)를 갖는 자유층(108), 선택적인 추가 비자기 스페이서층(110), 및 자기 모멘트(113)를 갖는 선택적인 추가 고정층(112)을 포함할 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(102) 및 캡핑층(114)이 도시된다. 자기 접합(100)이 형성되는 기판(101)은 시드층(102) 아래에 배치될 수 있다. 도시되지 않았으나, 하부 컨택 및 상부 컨택이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 설명의 간결함을 위해, 도시되지 않은 다른 층들이 존재할 수 있다.
도 1에 도시되는 것처럼, 자기 접합(100)은 이중(dual) 자기 접합일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가 비자기 스페이서층(110) 및 추가 고정층(112)은 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자기 접합(100)은 하부 고정 자기 접합(bottom pinned magnetic junction)이다. 이와 달리, 고정층(104) 및 비자기 스페이서층(106)이 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자기 접합(100)은 상부 고정 자기 접합(top pinned magnetic junction)이다. 선택적인 고정층(미도시)이, 고정층(104 및/또는 112)의 자화를 고정시키기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 선택적인 고정층은, 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 자화를 고정시키는 AFM층 또는 다중층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 선택적인 고정층은 생략되거나, 다른 구조가 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 각각의 고정층(104, 112)의 자기 모멘트(105, 113)는, 고정층(104, 112)의 자기 이방성에 의해 각각 고정될 수 있다. 자유층(108) 및 고정층(104, 112)은 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 다르게 설명하면, 고정층(104), 자유층(108), 및 추가 고정층(112)에서, 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)는 면외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과할 수 있다. 이러한 구성은, 각각의 고정층(104), 자유층(108), 및 추가 고정층(112)의, 수직 자기 이방성을 갖는 자기 모멘트(105, 109, 113)가 평면에 수직으로 안정되게 한다. 다르게 설명하면, 자유층(108) 및 고정층(104)의 자기 모멘트는 면외에서(out-of-plane) 안정하다.
자기 접합(100)은 또한, 기록 전류가 자기 접합(100)을 통과할 때, 자유층 자기 모멘트(109)가 안정한 자기 상태들 사이에서 스위칭할 수 있도록 구성된다. 즉, 자유층(108)은 기록 전류가 평면에 수직인(CPP; perpendicular-to-plane) 방향으로 자기 접합(100)을 통과할 때, 스핀 전달 토크를 이용하여 스위칭할 수 있다. 자유층(108)의 자기 모멘트(109)의 방향은, 자기 접합(100)을 통해 판독 전류(read current)를 구동함으로써 판독될 수 있다.
비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)은 터널링 배리어층(tunneling barrier layers)일 수 있다. 예를 들어, 비자기 스페이서층(106) 및/또는 추가 비자기 스페이서층(110)은, 방향(orientation) (100)을 갖는 결정성 MgO 터널링 배리어일 수 있다. 이러한 비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)은, 자기 접합(100)의 TMR을 강화시킬 수 있다. 비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)은 또한, 자유층(108)을 위한 시드층 및 캡핑층으로 작용하는 것으로 고려될 수 있다.
고정층 및/또는 추가 고정층(112)은, 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다. 즉, 자기 모멘트(105, 113)는 평면에 수직(perpendicular-to-plane)일 때 안정하다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(105 및/또는 113)는 평면 내(in-plane)일 때 안정할 수 있다. 고정층(104) 및 추가 고정층(112)은 단순한 단일층으로 도시된다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 고정층(104) 및/또는 추가 고정층(112)은 다중층일 수도 있다. 예를 들어, 고정층(104) 및/또는 추가 고정층(112)은, Ru와 같은 비자기층에 의해 분리되고 이를 개재하는 자기적으로 결합된 2개의 강자성체층을 포함하는 합성 반강자성체(SAF; synthetic antiferromagnet)일 수 있다.
이와 달리, 고정층(104) 및 추가 고정층(112)은 높은 수직 이방성(Hk ) 다중층일 수 있다. 예를 들어, 고정층(104)은 Co/Pt 다중층일 수 있다. 다른 구조를 갖는 다른 고정층이 사용될 수도 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 고정층(104) 및/또는 추가 고정층(112)은, 평면 내에, 자기 모멘트(105 및/또는 113)를 가질 수 있다.
자유층(108)은 CoFeBMo 합금을 포함한다. 즉, 자유층(108)은 CoFeBMo 합금층으로 구성되거나, 또는 추가적인 층들을 가질 수 있다. 본 명세서에서, "CoFeBMo"층은, Co, Fe, B, 및 Mo를 포함하는 것이고, 이들 구성성분들 간의 비율이 특정된 것은 아니다. 마찬가지로, CoFeB는 Co, Fe, 및 B를 포함하는 혼합물(mixture)을 지칭하는 것이고, 이들 구성성분들 간의 비율이 특정된 것은 아니지만, 이러한 비율은 본 명세서에서 개시될 수 있다.
CoFeBMo는 [CoxFeyBz]uMot와 같을 수 있다. 여기서, 첨자는 원자 퍼센트(atomic percentages)를 지칭하고, u + t =1이고, x + y + z =1이다. 또한, u, t, x, y, t는 각각 0이 아니다.
몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.5 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.2 이하이다. 몇몇 실시예에서, t는 0.1 이상 0.15 이하일 수 있다. 즉, 몇몇 실시예에서, 합금은 15 원자 퍼센트 이하의 Mo를 포함할 수 있다. 이에 따라, 자유층(108)은 감소된 포화 자화(Ms; saturation magnetization)를 가질 수 있다. 다르게 설명하면, [CoxFeyBz]uMot 합금의 Ms는 1000 emu/cc 이하이다. 몇몇 실시예에서, 포화 자화는 600 emu/cc 이하일 수 있다.
또한, Co의 B 함량은 특정한 범위로 제한되는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, CoFeB는 적어도 10 원자 퍼센트 이상 60 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다(즉, z는 0.1 이상 0.6 이하). 몇몇 실시예에서, CoFeB는 15 원자 퍼센트 이상 40 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot 합금은 자유층(108)에서 층을 형성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(108)은 [CoxFeyBz]uMot층으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(108)은 하나 이상의 다른 층뿐만 아니라, [CoxFeyBz]uMot층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유층(108)은 CoFeB층 및/또는 FeB층을 포함할 수 있다. 즉, 자유층(108)은 CoFeB/[CoxFeyBz]uMot/FeB 삼중층, CoFeB/[CoxFeyBz]uMot/CoFeB 삼중층, FeB/[CoxFeyBz]uMot/FeB 삼중층, CoFeB/[CoxFeyBz]uMot 이중층, 및/또는 FeB/[CoxFeyBz]uMot 이중층을 포함할 수 있다.
기판과의 관계는 고정되지 않는다. 즉, CoFeB/[CoxFeyBz]uMot/FeB 삼중층에서, 몇몇 실시예에 따른 FeB층은 기판(101)과 가장 가까울 수 있고, 또는 다른 실시예에 따른 FeB층은 기판(101)과 가장 멀 수도 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 자유층(108)은 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는다. 즉, 자유층(108)의 자기 모멘트(109)는 실질적으로 평면에 수직으로 배향될 수 있다. 또한, 자유층(108)을 갖는 [CoxFeyBz]uMot층의 수직 이방성도 높다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층의 수직 자기 이방성 에너지는 그 면외 자기소거 에너지를 초과한다. 따라서, [CoxFeyBz]uMot층은 평면에 수직으로 배향된 모멘트를 가질 수 있다. CoFeB층과 같은 높은 수직 자기 이방성층이 자유층(108)에 사용되지 않을지라도, 이는 마찬가지일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 그 모멘트가 면외(out-of-plane)인 동안에, [CoxFeyBz]uMot층은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 면외 자기 모멘트를 유지하면서, 자유층(108)의 [CoxFeyBz]uMot층은 20 Å을 초과하지 않는 두께를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, [CoxFeyBz]uMot층은 적어도 15 Å일 수 있다. 이와 달리, 면외 자기 모멘트를 가지면서, 자유층(108)의 [CoxFeyBz]uMot층은 20 Å 이상의 두께를 가질 수 있다. 즉, 두꺼운 두께의 [CoxFeyBz]uMot층에서, 수직 자기 이방성 에너지는 면외 자기소거 에너지보다 클 수 있다.
자유층(108)을 둘러싸는 층들은, 높은 수직 자기 이방성을 유지함에 있어 [CoxFeyBz]uMot층 및 자유층을 보조하도록 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 수직 자기 이방성 에너지를 강화하기 위해, 시드층 및/또는 캡핑층이 물질 세트로부터 선택될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이러한 시드층은 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 탄탈(tantalum oxide), 산화 몰리브덴(molybdenum oxide), 산화 바나듐(vanadium oxide) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 캡핑층은 산화 마그네슘층(magnesium oxide layer), 산화 탄탈층(tantalum oxide layer), 산화 몰리브덴층(molybdenum oxide layer), 산화 바나듐층(vanadium oxide layer) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 이중 자기 접합(100)에서, 비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)은, 각각 결정성 MgO 터널링 배리어층일 수 있다. 즉, 시드층 및 캡핑층은 각각 비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)에 대응될 수 있고, MgO를 포함할 수 있다. 이러한 비자기 스페이서층(106) 및 추가 비자기 스페이서층(110)은, 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance)을 개선할 뿐만 아니라, 자유층(108)의 수직 자기 이방성을 향상시키도록 보조할 수 있다.
만일 추가 비자기 스페이서층(110) 및 추가 고정층(112)이 생략되는 경우라면, 캡핑층(114)은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층을 포함할 수 있다. 만일 고정층(104) 및 비자기 스페이서층(106)이 생략되는 경우라면, 시드층(102)은 산화 마그네슘, 산화 탄탈, 산화 몰리브덴, 산화 바나듐 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 구성은, [CoxFeyBz]uMot층의 수직 자기 이방성 에너지를 더 강화할 수 있다. 즉, 자유층 자기 모멘트(109)는 실질적으로 평면에 수직인 방향에서 안정한 상태를 가질 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot 합금을 포함하는 자유층(108)을 포함하는 자기 접합(100)은, 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(108)은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 예를 들어, 550 emu/cc만큼 낮은 포화 자화가 달성될 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있다. 예를 들어, 1 테슬라(Tesla) 정도의 자기 이방성이 여전히 존재할 수 있다. [CoxFeyBz]uMot층은 또한, 예를 들어 0.005 이하의, 낮은 감쇠 계수(damping coefficient)를 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다.
결과적으로, 자유층은 대기 상태일 때(quiescent; 기록되지 않을 때) 열적으로 안정할 수 있다. 스위칭 전류의 감소는 또한, 스위칭 속도와 같은 다른 성능의 측면을 개선시킬 수 있다. 즉, 이러한 자유층을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자유층(120)의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 2는 비례로 도시되지 않는다.
자유층(120)은, 자기 접합(100) 내의 자유층(108)으로 사용될 수 있다. 자유층(120)은 [CoxFeyBz]uMot층(122)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 자유층(120)은 [CoxFeyBz]uMot층(122)으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가적인 층들이 존재할 수 있다. 또한, 시드층(131) 및 캡핑층(132)이 도시된다. 그러나, 이러한 시드층(131) 및 캡핑층(132)은 자유층(120)의 일부로 고려되지 않을 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122)은 상술한 것과 유사하다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층(122)에서, u, t, x, y, t는 각각 0이 아니다. [CoxFeyBz]uMot층(122)은, 다중층이 아닌 합금일 수 있다.
몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.5 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.1 이상 0.2 이하일 수 있다.
몇몇 실시예에서, t는 0.15 이하일 수 있다. 이러한 실시예에서, 포화 자화의 감소가 최적화될 수 있다. 예를 들어, [CoxFeyBz]uMot층(122)의 Ms는 600 emu/cc 이하일 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122) 및 자유층(120)은, 각각 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 즉, 자유층 자기 모멘트(121)는 실질적으로 평면에 수직인 방향에서 안정한 상태를 가질 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122)은 상술한 두께를 가질 수 있다. 즉, 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122)의 두께는 20 Å 이상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 평면에 수직인 자기 모멘트를 유지하면서, [CoxFeyBz]uMot층(122)의 두께는 30 Å 내지 40 Å일 수 있다.
또한, 자유층(120)을 둘러싸는 층들은, 높은 수직 자기 이방성을 유지함에 있어 [CoxFeyBz]uMot층(122) 및 자유층(120)을 보조하도록 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 시드층(131)은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 캡핑층(132)은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 선택되는 물질은, 자기 접합의 유형(이중, 하부 고정, 또는 상부 고정) 및 자유층(120)의 위치에 따라 다를 수 있다.
자유층(120)을 포함하는 자기 접합은, 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(120)은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층(122)으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 수직 자기 이방성은 여전히 높게 유지될 수 있다. 결과적으로, 자유층(120)은 대기 상태일 때 열적으로 안정할 수 있다. 즉, 이러한 자유층(120)을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자유층(120')의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 3은 비례로 도시되지 않는다.
자유층(120')은 자기 접합(100) 내의 자유층(108)으로 사용될 수 있다. 자유층(120')은 자유층(120)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 참조 부호를 갖는다.
자유층(120')은 [CoxFeyBz]uMot층(122') 및 추가층(124)을 포함한다. 추가층(124)은 CoFeB층 또는 FeB층일 수 있다. 몇몇 실시예에서, CoFeB층 또는 FeB층인 추가층(124)은, 10 원자 퍼센트 이상 60 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 추가층(124)은 30 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 추가층(124)은 자유층(120') 내에 배치될 수 있다. 도시된 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122')은 기판(미도시)으로부터 가장 멀리 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122') 및 추가층(124)의 순서는 바뀔 수 있다. 즉, 추가층(124)이 기판으로부터 가장 멀리 배치될 수 있다. 또한, 시드층(131) 및 캡핑층(132)과 각각 유사한 시드층(131') 및 캡핑층(132')이 도시된다. 그러나, 이러한 시드층(131') 및 캡핑층(132')은 자유층(120')의 일부로 고려되지 않을 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122')은 상술한 것과 유사하다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층(122')에서, u, t, x, y, t는 각각 0이 아니다. [CoxFeyBz]uMot층(122')은, 다중층이 아닌 합금일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.5 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.1 이상 0.2 이하일 수 있다. 예를 들어, t는 0.15 이하일 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122') 및 자유층(120')은, 각각 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 즉, 자유층 자기 모멘트(121')는 실질적으로 평면에 수직인 방향에서 안정한 상태를 가질 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122')은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122')의 두께는 15 Å 이상 20 Å 미만일 수 있다. 즉, 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122')의 두께는 20 Å 이상일 수도 있다.
또한, 추가층(124; CoFeB층 또는 FeB층)은 얇은 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가층(124)은 또한, 3 Å 이상 10 Å 이하의 두께를 가질 수 있다.
자유층(120')을 둘러싸는 층들은, [CoxFeyBz]uMot층(122') 및 자유층(120')이 높은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 보조하도록 맞추어질 수 있다. 시드층(131')은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 캡핑층(132')은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 선택되는 물질은, 자기 접합의 유형(이중, 하부 고정, 또는 상부 고정) 및 자유층(120')의 위치에 따라 다를 수 있다.
자유층(120')을 포함하는 자기 접합은, 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(120')은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층(122')으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있다. [CoxFeyBz]uMot층(122')은 또한, 낮은 감쇠 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 수직 자기 이방성은 여전히 높게 유지될 수 있다. 결과적으로, 자유층(120')은 대기 상태일 때 열적으로 안정할 수 있다. 즉, 이러한 자유층(120')을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 4는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자유층(120')의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 4는 비례로 도시되지 않는다.
자유층(120'')은 자기 접합(100) 내의 자유층(108)으로 사용될 수 있다. 자유층(120'')은 자유층(120) 및/또는 자유층(120')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 참조 부호를 갖는다.
자유층(120'')은, 자유층(120 또는 120')의 [CoxFeyBz]uMot층(122 또는 122') 및 추가층(124; CoFeB층 또는 FeB층)과 각각 유사한 [CoxFeyBz]uMot층(122'') 및 추가층(124'; CoFeB층 또는 FeB층)을 포함한다. 또한, 다른 추가층(126; CoFeB층 또는 FeB층)이 도시된다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층(122'')은 두 개의 추가층(124', 126) 사이에 개재될 수 있다.
자유층(120'')은 CoFeB/[CoxFeyBz]uMot/CoFeB 삼중층, CoFeB/[CoxFeyBz]uMot/FeB 삼중층, FeB/[CoxFeyBz]uMot/CoFeB 삼중층, FeB/[CoxFeyBz]uMot/FeB 삼중층을 포함할 수 있다.
또한, 시드층(131 또는 131') 및 캡핑층(132 또는 132')과 각각 유사한 시드층(131'') 및 캡핑층(132'')이 도시된다. 그러나, 이러한 시드층(131'') 및 캡핑층(132'')은 자유층(120'')의 일부로 고려되지 않을 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122'')은 상술한 것과 유사하다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층(122'')에서, u, t, x, y, t는 각각 0이 아니다. [CoxFeyBz]uMot층(122'')은, 다중층이 아닌 합금일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.05 이상 0.5 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, t는 0.1 이상 0.2 이하일 수 있다. 예를 들어, t는 0.15 이하일 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122'') 및 자유층(120'')은, 각각 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 즉, 자유층 자기 모멘트(121'')는 실질적으로 평면에 수직인 방향에서 안정한 상태를 가질 수 있다.
[CoxFeyBz]uMot층(122'')은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122'')의 두께는 15 Å 이상 20 Å 미만일 수 있다. 즉, 몇몇 실시예에서, [CoxFeyBz]uMot층(122'')의 두께는 20 Å 이상일 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 추가층(124'; CoFeB층 또는 FeB층)은 10 원자 퍼센트 이상 60 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가층(124')은 30 원자 퍼센트 이하의 B를 포함할 수 있다. 추가층(124')은 또한, 얇은 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가층(124')은 또한, 3 Å 이상 10 Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 마찬가지로, 추가층(126)은 추가층(124')과 실질적으로 동일한 두께 및 화학양론(stoichiometry)을 가질 수 있다.
자유층(120'')을 둘러싸는 층들은, [CoxFeyBz]uMot층(122'') 및 자유층(120'')이 높은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 보조하도록 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 시드층(131'')은 산화 마그네슘, 산화 탄탈, 산화 몰리브덴, 산화 바나듐 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 캡핑층(132'')은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 산화 바나듐층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 선택되는 물질은, 자기 접합의 유형(이중, 하부 고정, 또는 상부 고정) 및 자유층(120'')의 위치에 따라 다를 수 있다.
자유층(120'')을 포함하는 자기 접합은, 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(120'')은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층(122'')으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있다. [CoxFeyBz]uMot층(122'')은 또한, 낮은 감쇠 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 수직 자기 이방성은 여전히 높게 유지될 수 있다. 결과적으로, 자유층(120'')은 대기 상태일 때 열적으로 안정할 수 있다. 즉, 이러한 자유층(120'')을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 5는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합(100')의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 5는 비례로 도시되지 않는다.
자기 접합(100')은 자기 접합(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 참조 부호를 갖는다. 자기 접합(100')은, 고정층(104), 비자기 스페이서층(106), 및 자유층(108)과 각각 유사한 고정층(104), 비자기 스페이서층(106), 및 자유층(108')을 포함하는 하부 고정 자기 접합일 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(102) 및 캡핑층(114')이 도시된다.
자유층(108')은 [CoxFeyBz]uMot 합금을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 자유층(108')은 자유층(120, 120', 또는 120'')으로 사용될 수 있다. 자유층(108')의 수직 자기 이방성을 개선하기 위해, 비자기 스페이서층(106)은 결정성 MgO층이 바람직할 수 있다. 즉, 비자기 스페이서층(106)은 또한, 시드층(131, 131', 또는 131'')으로 기능할 수 있다. 또한, 이러한 비자기 스페이서층(106)은 결정성 MgO 터널링 배리어층이므로, 터널링 자기 저항을 개선하여 자기 접합(100')으로부터의 신호를 개선할 수 있다.
캡핑층(114')은 캡핑층(132, 132', 및/또는 132'')과 유사한 것이 바람직할 수 있다. 즉, 캡핑층(114')은 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 마그네슘/산화 탄탈 이중층, 및 산화 티타늄층 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
자기 접합(100')은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(108')은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있고, 이에 따라, 면외 자기 모멘트(109)가 유지될 수 있다. 자유층(108')은 또한, 낮은 감쇠 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 수직 자기 이방성은 여전히 높게 유지될 수 있다. 즉, 이러한 자기 접합(100')을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 6은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합(100'')의 몇몇 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위해, 도 6은 비례로 도시되지 않는다.
자기 접합(100'')은 자기 접합(100 및/또는 100')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 참조 부호를 갖는다. 자기 접합(100'')은, 자유층(108 또는 108'), 비자기 스페이서층(110), 및 고정층(112)과 각각 유사한 자유층(108'), 비자기 스페이서층(110), 및 고정층(112)을 포함하는 상부 고정 자기 접합일 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(102) 및 캡핑층(114')이 도시된다.
자유층(108')은 [CoxFeyBz]uMot 합금층을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 자유층(108')은 자유층(120, 120', 또는 120'')으로 사용될 수 있다. 자유층(108')의 수직 자기 이방성을 개선하기 위해, 비자기 스페이서층(110)은 결정성 MgO층이 바람직할 수 있다. 즉, 비자기 스페이서층(110)은 또한, 캡핑층(132, 132', 또는 132'')으로 기능할 수 있다. 또한, 이러한 추가 비자기 스페이서층(110)은 결정성 MgO 터널링 배리어층이므로, 터널링 자기 저항을 개선하여 자기 접합(100'')으로부터의 신호를 개선할 수 있다.
시드층(102')은 시드층(131, 131', 및/또는 131'')과 유사한 것이 바람직할 수 있다. 즉, 시드층(102')은 산화 마그네슘, 산화 탄탈, 및 산화 티타늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
자기 접합(100'')은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자유층(108')은, 낮은 모멘트의 [CoxFeyBz]uMot층으로 인해 감소된 포화 자화를 가질 수 있다. 그러나, 높은 수직 자기 이방성이 유지될 수 있고, 이에 따라, 면외 자기 모멘트(109)가 유지될 수 있다. 자유층(108')은 또한, 낮은 감쇠 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 수직 자기 이방성은 여전히 높게 유지될 수 있다. 즉, 이러한 자기 접합(100'')을 채택하는 자기 접합 및 자기 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 7은 자기 장치에 사용 가능하고 자유층 내의 [CoxFeyBz]uMot 합금층을 포함하는 자기 접합의 제조 방법(200)의 몇몇 실시예를 도시하는 흐름도이다. 설명의 간결함을 위해, 몇몇 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 하부 단계(substeps) 및/또는 결합 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제조 방법(200)은, 자기 메모리를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 시작될 수 있다.
제조 방법(200)은 자기 접합(100, 100', 100'')의 관점에서 설명된다. 그러나, 제조 방법(200)은 다른 자기 접합 및 자유층(120, 120', 및/또는 120'')을 형성하는데 사용될 수도 있다. 또한, 복수의 자기 접합이 동시에 제조될 수도 있다.
단계(202)를 통해, 시드층(102)이 기판 상에 제공된다. 단계(202)는 고정층(104) 또는 자유층(108)을 위한 적절한 시드층(들)을 증착하는 것을 포함한다. 만일 자기 접합(100 또는 100')이 제조되는 경우에, 고정층(104)을 위한 시드층이 단계(202)에서 제공될 수 있다. 만일 자기 접합(100'')이 제조되는 경우에, 자유층(108 또는 108')을 위한 시드층(102')이 단계(202)에서 제공될 수 있다. 즉, 단계(202)는 산화 마그네슘, 산화 탄탈, 산화 몰리브덴, 및 산화 바나듐 중 하나 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
단계(204)를 통해, 고정층(104)이 제공될 수 있다. 단계(204)는, 전체 이중 자기 접합(100)이 형성되어야 하거나, 추가 비자기 스페이서층(110) 및 추가 고정층(112)이 생략되는 하부 고정 자기 접합(100')이 형성되어야 하는 경우에 수행될 수 있다.
단계(204)는 높은 수직 자기 이방성을 갖는 다중층 구조를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 단계(204)에서 형성된 고정층(104)은 단순한 (단일)층일 수 있고, 다중층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단계(204)에서 형성된 고정층은, Ru와 같은 얇은 비자기층에 통해 반강자성적으로 또는 강자성적으로 결합되는 자기층을 포함하는 합성 반강자성체일 수 있다. 각각의 자기층은 또한 다중층을 포함할 수 있다.
단계(206)를 통해, 비자기 스페이서층(106)이 제공될 수 있다. 단계(206)는, 이중 자기 접합(100) 및 하부 고정 자기 접합(100')이 형성되어야 하는 경우에 수행될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 형성되는 자기 접합을 위해 결정성 MgO 터널링 배리어층이 바람직할 수 있다. 단계(206)는 예를 들어, 무선 주파수(RF; radio frequency) 스퍼터링(sputtering)을 사용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 금속 Mg가 단계(206)에서 증착되고 산화되어, Mg의 자연 산화물(natural oxide)을 제공할 수 있다. MgO 배리어층 또는 비자기 스페이서층(106)은 또한, 다른 방법으로 형성될 수도 있다.
단계(206)는, 강화된 자기 접합의 TMR을 위해, 이미 형성된 자기 접합의 일부를 어닐링하여 (100) 배향을 갖는 결정성 MgO 터널링 배리어를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 비자기 스페이서층(106)은 자유층(108 또는 108')을 위한 시드층으로도 볼 수 있기 때문에, 단계(206)는 또한 시드층(131, 131', 및/또는 131'')을 형성하는 것으로 볼 수도 있다.
단계(208)를 통해, 자유층(108 또는 108')이 제공된다. 단계(208)는 자유층(108)을 위한 물질을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 만일 단계(204) 및 단계(206)가 생략되는 경우에, 자유층은 단계(208)에서 시드층 상에 증착될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상부 고정 자기 접합이 제조될 수 있다. 시드층은, 자유층(108 또는 108')의 요구되는 결정 구조, 또는 자유층(108 또는 108')의 자기 이방성 및/또는 자기 댕핑을 포함하는 다양한 목적을 위해 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 자유층(108')은, 자유층(108 또는 108')에서 수직 자기 이방성을 증진시키는 결정성 MgO층과 같은 시드층(102') 상에 제공될 수 있다. 만일 이중 자기 접합 또는 하부 고정 자기 접합이 제조되는 경우에, 자유층은 단계(208)에서 비자기 스페이서층 상에 형성될 수 있다.
단계(208)는 또한, 자유층(120, 120', 또는 120'')을 제공하는 것으로도 볼 수 있다. 즉, 단계(208)는 [CoxFeyBz]uMot 합금층을 포함하는 하나 이상의 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 즉, [CoxFeyBz]uMot층(122, 122', 및/또는 122'')이 증착될 수 있다. 또한, 다중 [CoxFeyBz]uMot 합금층이 형성될 수도 있다. 또한, CoFeB층 및/또는 FeB층이 제공될 수 있다.
단계(208)는 또한, 자유층 물질을 증착하기 전에, 형성된 층들을 냉각하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 증착된 자기 접합(100)의 일부는 단계(206) 후의 단계(208) 동안에 냉각될 수 있다. 이러한 냉각 단계는, 형성된 자기 접합(100)의 일부를 실온(약 23℃) 이하의 온도를 갖는 냉각 챔버에 배치하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 챔버는 8 K(Kelvin) 이상 300 K 이하의 온도를 가질 수 있다.
단계(210)를 통해, 추가 비자기 스페이서층(110)이 제공될 수 있다. 단계(210)는 이중 자기 접합(100) 또는 상부 고정 자기 접합(100'')이 제조될 것이 요구되는 경우에 수행될 수 있다. 만일 하부 고정 자기 접합이 요구되는 경우에, 단계(210)는 생략될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 형성되는 자기 접합을 위해 추가 결정성 MgO 터널링 배리어층이 요구될 수 있다. 즉, 단계(210)는 단계(206)와 관련하여 상술한 것과 같이 수행될 수 있다. 이중 자기 접합에서, 추가 비자기 스페이서층(110)은 주요 터널링 배리어층으로 고려될 수 있다. 즉, 추가 비자기 스페이서층(110)으 두께 및 결정도(crystallinity)는 단계(210)에서 최적화될 수 있다.
단계(212)를 통해, 추가 고정층(112)이 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(212)는 이중 자기 접합(100) 또는 상부 고정 자기 접합(100'')이 제조될 것이 요구되는 경우에 수행될 수 있다. 만일 하부 고정 자기 접합이 요구되는 경우에, 단계(212)는 생략될 수 있다.
단계(210)에서 형성된 추가 고정층(112)은, 단순한 (단일)층일 수도 있고, 또는 다중층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단계(210)에서 형성된 추가 고정층(112)은 합성 반강자성체(SAF)일 수 있다.
이어서, 단계(214)를 통해, 캡핑층(114)이 제공될 수 있다. 하부 고정 자기 접합(100')이 형성되는 경우에, 단계(214)는 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 및 산화 바나듐층 중 적어도 하나를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 몇몇 실시예에서, 단계(214)는 캡핑층(132, 132', 또는 132'')를 제공하는 것으로 볼 수도 있다.
이어서, 자기 접합(100)의 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합(100)의 가장자리가 정의될 수 있다. 이는 증착된 층들 상에 마스크를 형성하고, 층들의 노출된 부분을 이온 밀링(ion milling)함으로써 달성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이온 밀링이 수행될 수 있다. 즉, 자기 접합(100)의 가장자리는 단계(202) 내지 단계(210)가 수행된 후에 정의될 수 있다. 이와 달리, 다양한 층들의 가장자리는 다른 때에 형성될 수 있다. 또한, 컨택 및 도전성 배선과 같은 추가적인 구조들이, 자기 접합이 사용되는 장치를 위해 형성될 수 있다.
제조 방법(200)을 사용하여, 자기 접합(100), 자기 접합(100'), 및/또는 자기 접합(100'')이 형성될 수 있다. 자유층(108, 108', 120, 120', 및/또는 120'')이 제조될 수 있다. 이에 따라, 개선된 스위칭 특성을 갖는 자유층을 포함하는 자기 접합이 형성될 수 있다.
도 8은 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합을 위한 자유층의 제조 방법(220)의 몇몇 실시예를 도시하는 흐름도이다. 제조 방법(220)은 자유층(120, 120', 및/또는 120'')을 형성하는데 사용될 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 몇몇 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 하부 단계(substeps) 및/또는 결합 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제조 방법(220)은, 자기 메모리를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 시작될 수 있다.
제조 방법(220)은 자유층(120, 120', 및 120'')의 관점에서 설명된다. 그러나, 제조 방법(220)은 다른 자유층을 형성하는데 사용될 수도 있다. 또한, 복수의 자유층이 동시에 제조될 수도 있다.
단계(222)를 통해, 자유층(120)과 인접하거나 경계를 공유하는 시드층(131, 131', 또는 131'')이 제공된다. 몇몇 실시예에서, 단계(222)는 산화 마그네슘, 산화 탄탈, 산화 몰리브덴, 및 산화 바나듐 중 적어도 하나를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계(222)에서 제공된 시드층은 형성되는 자기 접합의 비자기 스페이서층을 형성할 수 있다.
단계(224)를 통해, 시드층은 상온 이하에서 냉각될 수 있다. 단계(224)는 선택적인 것이고, 몇몇 실시예에서 생략될 수 있다. 단계(224)가 수행되는 경우에, 단계(224)는 자유층을 형성하는 물질의 증착 전에 완료될 수 있다.
단계(226)를 통해, 추가층(124 또는 124'; CoFeB층 또는 FeB층)이 제공될 수 있다. 자유층(120')이 형성되는 경우에, 단계(226)는 생략될 수 있다.
단계(228)를 통해, [CoxFeyBz]uMot 합금층(122, 122', 또는 122'')이 제공된다.
단계(230)를 통해, 추가층(126; CoFeB층 또는 FeB층)이 제공될 수 있다. 자유층(120'')이 형성되는 경우에, 단계(230)는 생략될 수 있다. 단계(226), 단계(228), 및 단계(230)는 모두, 적어도 하나의 자유층(120, 120', 및 120'')을 제공하는 것으로 볼 수 있다.
단계(232)를 통해, 캡핑층(132, 132', 또는 132'')이 제공된다. 단계(232)는 산화 마그네슘층, 산화 탄탈층, 산화 몰리브덴층, 및 산화 바나듐층 중 적어도 하나를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
이어서, 단계(234)를 통해, 자유층(120, 120', 또는 120'')의 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 자유층(120, 120', 또는 120'')의 가장자리가 정의될 수 있다.
제조 방법(220)을 사용하여, 자유층(108, 108', 120, 120', 및/또는 120'')이 제조될 수 있다. 이에 따라, 개선된 스위칭 특성을 갖는 자유층을 포함하는 자기 접합이 형성될 수 있다.
도 9는, 자기 접합(100, 100', 및/또는 100''), 및/또는 자유층(120, 120', 및/또는 120'')과 같은 CoFeBMo 자유층을 포함하는 다른 자기 접합 중 하나 이상을 사용할 수 있는 자기 메모리(300)의 몇몇 실시예를 도시한다.
자기 메모리(300)는, 워드 라인 선택 드라이버(304; word line select driver) 뿐만 아니라, 판독/기록 칼럼 선택 드라이버(302, 306; reading/writing column select drivers)를 포함한다. 또한, 다른 및/또는 상이한 구성 요소들도 제공될 수 있다.
자기 메모리(300)의 저장 영역은 자기 저장 셀(310)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(312) 및 적어도 하나의 선택 장치(314)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(314)는 트랜지스터(transistor)이다. 자기 접합(312)은 자기 접합(100), 자기 접합(100'), 자기 접합(100''), 및/또는 자유층 내에 [CoxFeyBz]uMot 합금층을 포함하는 다른 자기 접합 중 하나일 수 있다.
비록 자기 저장 셀(310) 당 하나의 자기 접합(312)이 도시되지만, 몇몇 실시예에서, 자기 저장 셀(310) 당 다른 수의 자기 접합(312)이 제공될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300)는 상술된 이점들을 누릴 수 있다.
이상 자기 접합을 사용하여 제조되는 자기 접합 및 메모리의 제조 방법 및 시스템이 설명되었다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 자기 접합 101: 기판
102: 시드층 104: 고정층
105, 109, 113: 자기 모멘트 106: 비자기 스페이서층
108: 자유층 114: 캡핑층

Claims (10)

  1. 기판 상에 배치되고, 자기 장치(magnet device)에 사용 가능한 자기 접합으로,
    고정층;
    기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능한(switchable) 자유층; 및
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 비자기 스페이서층을 포함하고,
    상기 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖고,
    상기 자유층은 [CoxFeyBz]uMot층을 포함하되(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), 상기 t는 0.05 이상 0.2 이하이고, 상기 z는 0.1 이상 0.6 이하이고,
    상기 [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층의 포화 자화(Ms; saturation magnetization)는 600 emu/cc 이하인 자기 접합.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 z는 0.15 이상 0.4 이하인 자기 접합.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 t는 0.1 이상 0.15 이하인 자기 접합.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 [CoxFeyBz]uMot층은 13 Å 이상 40 Å 이하의 두께를 갖는 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비자기 스페이서층은 MgO를 포함하고, 상기 자유층에 인접하는 자기 접합.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층에 인접하는 시드층 및 상기 자유층에 인접하는 캡핑층 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 시드층 및 상기 캡핑층은 각각 산화 마그네슘(magnesium oxide), 산화 탄탈(tantalum oxide), 산화 몰리브덴(molybdenum oxide), 산화 바나듐(vanadium oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  8. 제 1항에 있어서,
    추가 비자기 스페이서층 및 추가 고정층을 더 포함하고,
    상기 자유층은, 상기 추가 비자기 스페이서층과 상기 비자기 스페이서층 사이에 개재되고,
    상기 추가 비자기 스페이서층은, 상기 추가 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 자기 접합.
  9. 기판 상에 배치되는 자기 메모리로,
    고정층, 비자기 스페이서층 및 자유층을 포함하는 적어도 하나의 자기 접합을 포함하는 복수의 자기 저장 셀; 및
    상기 복수의 자기 저장 셀과 연결되는(coupled with) 복수의 비트 라인을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되고,
    상기 자유층은, 기록 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하고,
    상기 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층은 [CoxFeyBz]uMot층을 포함하되(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), 상기 t는 0.05 이상 0.2 이하이고, 상기 z는 0.1 이상 0.6 이하이고,
    상기 [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층의 포화 자화(Ms; saturation magnetization)는 600 emu/cc 이하인 자기 메모리.
  10. 기판 상에 배치되고, 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 제조 방법으로,
    고정층을 제공하고,
    비자기 스페이서층을 제공하고,
    자유층을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되고,
    상기 자유층은, 기록 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하고,
    상기 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층은 [CoxFeyBz]uMot층을 포함하되(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, 기판 상에 배치되고, 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합의 제조 방법으로,
    고정층을 제공하고,
    비자기 스페이서층을 제공하고,
    자유층을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되고,
    상기 자유층은, 기록 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하고,
    상기 자유층은, 자유층 면외 자기소거 에너지보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층은 [CoxFeyBz]uMot층을 포함하되(u + t =1이고, x + y + z =1이고, u, t, x, y 및 z는 각각 0이 아님), 상기 t는 0.05 이상 0.2 이하이고, 상기 z는 0.1 이상 0.6 이하이고,
    상기 [CoxFeyBz]uMot층은, [CoxFeyBz]uMot층 면외 자기소거 에너지보다 큰 [CoxFeyBz]uMot층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유층의 포화 자화(Ms; saturation magnetization)는 600 emu/cc 이하인 자기 접합의 제조 방법.
KR1020170027641A 2016-10-07 2017-03-03 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합 및 그 제조 방법 KR102163823B1 (ko)

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