KR102166500B1 - 스핀 전달 토크 자기 램의 응용들에 사용되는 희토류 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기 소자에 이용되는 자기 접합 및 자기 접합을 공급하는 방법에 관한 것으로, 자기 접합은 자유 층, 피고정 층, 그리고 자유 층과 피고정 층 사이의 비자성 스페이서 층을 포함하며, 상기 자유 층은 쓰기 전류가 상기 자기 접합에 인가되면 복수의 안정 자기 상태들 사이에서 변환가능하고, 자유 층 및 피고정 층 각각은 면을 벗어나는 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가지며, 피고정 층과 자유 층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 이중 층을 갖는 다중 층을 포함하고, 각각의 이중 층(들)은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제 2 층은 비결정질 자성 층을 포함하고, 상기 다중 층은 적어도 400℃의 온도까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는다.
Description
본 발명은 스핀 전달 토크 자기 램의 응용들에 사용되는 희토류 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 램(Magnetic Random Access Memory: 이하 MRAM)들은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모에 대한 잠재력 때문에 점점 더 주목 받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크 램(Spin Transfer Torque Random Access Memory: 이하 STT-MRAM)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부에 기록된 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된(spin polarized) 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 따라서, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 스위칭 될 수 있다.
일 예로, 도 1은 일반적인 STT-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 이중 자기 터널링 접합(Magnetic tunneling junction: 이하 MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 기판(12) 상에 배치된다. 하부 컨택(14) 및 상부 컨택(24)은, 도 1과 같이, 면 수직 전류(CPP) 방향 또는 z-축을 따라, 일반적인 이중 자기 터널링 접합(10)을 관통하는 전류를 구동하는 데 쓰일 수 있다. 일반적인 MTJ는 일반적인 시드 층(들)(미도시)을 이용하고, 캐핑 층들(미도시) 및 일반적인 반강자성(antiferromagnetic: 이하 AFM) 층(미도시)를 포함할 수 있다. 일반적인 자기 접합(10)은 일반적인 하부 피고정 층(16), 일반적인 터널링 장벽 층(18), 일반적인 자유 층(20), 일반적인 제 2 터널링 장벽 층(22), 그리고 일반적인 상부 피고정 층(30)을 포함한다.
일반적인 피고정 층들(16,30), 일반적인 자유 층(20), 그리고 일반적인 피고정 구조(10)는 자성을 띤다. 일반적인 피고정 층들(16,30)의 자화들(17,31)은, 각각, 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝(pinned)된다. 비록 간단한 (단일) 층을 도시하였으나, 일반적인 피고정 층들(16,30)은 다중 층 구조를 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정 층들(16,30)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 전도성 막들을 통해 반강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반자성(SAF) 구조일 수 있다. 일반적인 자유 층(20)은 변환 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 도면에는 단일 층으로 도시하였으나, 일반적인 자유 층(20)은 다중 층 구조를 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 자유 층(20)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 전도성 막들을 통하여 반강자성적 혹은 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 층일 수 있다.
일반적인 자유 층(20)의 자화(21)를 스위치(switch)하기 위하여, 면에 수직인 방향(z-축 방향)으로 전류가 구동된다. 상부 콘택(22)으로부터 하부 콘택(14)으로 충분한 전류가 인가되면, 일반적인 자유 층(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정 층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치될 수 있다. 하부 콘택(14)으로부터 상부 콘택(22)으로 충분한 전류가 인가되면, 일반적인 자유 층(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정 층(16)의 자화(17)에 반평행하게 스위치될 수 있다. 자기적 배치(magnetic configuration)들의 차이들은 다른 자기저항들(magnetoresistances)과 이에 따른 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 상응한다.
다양한 응용들에 사용될 수 있는 가능성 때문에, 자기 메모리들에 대한 연구가 진행중이다. STT-MRAM의 성능 향상을 위한 메커니즘이 요구된다. 일 예로, 높은 수직 자기 이방성 및 높은 자기저항이 요구된다. 따라서, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 장치가 요구된다. 이하 기술되는 방법 및 장치는 이러한 필요를 다룬다.
본 발명은 STT-MRAM의 성능을 향상시키는 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명은 높은 수직 자기 이방성 및 열적 내구성이 강한 자기 접합을 얻는 방법 및 시스템을 제공한다.
자기 소자(device)에 사용 가능한 자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 기술된다. 상기 자기 접합은 자유 층, 피고정 층, 및 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 사이의 비자성 스페이서 층을 포함한다. 자유 층은 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때 안정된 자기 상태들(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하다. 자유 층과 피고정 층은 면을 벗어나는(out-of-plane) 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다. 피고정 층 및 자유 층 중의 적어도 하나는 다중 층을 포함한다. 다중 층은 적어도 하나의 이중 층을 포함한다. , 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 제 2 층은 비정질 자성층을 포함하되, 다중 층은 적어도 400℃까지의 온도에서 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는다.
본 발명의 개념에 따르면, 본 발명은 다중 층들을 이용하여 높은 수직 자기 이방성 및 열적 내구성이 강한 자기 접합을 구현하고, STT-MRAM의 성능을 향상시키는 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 이중 자기 접합을 보여주는 도면이다.
도 2는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5는 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 7은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 8은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9는 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 10은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 11은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 12는 저장 셀(들)의 메모리 요소(들)에서 자기 접합들을 이용한 메모리의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 13은 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법의 일 실시예를 보여주는 플로우 챠트이다.
도 14는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 실시예를 보여주는 플로우 챠트이다.
도 2는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 접합에 사용 가능한 자기 접합의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5는 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 7은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 8은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9는 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 10은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 11은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 12는 저장 셀(들)의 메모리 요소(들)에서 자기 접합들을 이용한 메모리의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 13은 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법의 일 실시예를 보여주는 플로우 챠트이다.
도 14는 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 실시예를 보여주는 플로우 챠트이다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리들은 스핀 전달 토크 자기 랜덤 억세스 메모리들(STT-MRAMs)을 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 사용하는 전자 기기들에 사용 가능하다. 이러한 전자 기기들은 휴대폰, 스마트 폰, 테블릿, 랩탑, 그리고 다른 휴대 가능 또는 휴대 불가능한 컴퓨팅 디바이스 등에 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하의 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며, 특허 출원 및 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들의 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 관점에서 기술된다. 그러나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현들에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시예들을 언급하는 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 본 발명의 범위 내에서 구성 요소들의 배치 및 형태에 대한 변화가 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖는 다른 방법들 및 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기 소자에 사용 가능한 자기 접합 및 자기 접합을 제공하는 방법이 기술된다. 자기 접합은 자유 층, 피고정 층, 그리고 자유 층과 피고정 층 사이의 비자성 스페이서 층을 포함한다. 자유 층은 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 인가되면, 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하다. 자유 층 및 피고정 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 더 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다. 피고정 층 및 자유 층 중 적어도 하나는 다중 층을 포함한다. 다중 층은 적어도 하나의 이중 층을 갖는다. 이중 층(들) 각각은 제 1 층과 제 2 층을 갖는다. 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함한다. 제 2 층은 비결정질 자성 층을 포함한다. 다중 층은 적어도 400℃까지의 온도에서 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는다.
예시적인 실시예들은 일정한 구성요소들을 갖는 특정한 방법들, 자기 접합들 및 자기 메모리들의 맥락에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명에 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 구성요소들 및/또는 다른 특징들을 갖는 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용과 일관성이 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 스핀 전달 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 그 결과, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 작동에 대한 이론적 설명들은 스핀 전달 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상들에 대한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템은 다른 구조들과도 일관성을 가짐을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법과 시스템은 합성된 및/또는 단일의 일정 층들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 방법 및 시스템은 특정한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 다른 구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 다른 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 구성들은 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 자성이란 용어는 강자성, 페리자성 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 대로, “면 내(in-plane)”는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, “수직인(perpendicular)” 또는 ““면에 수직인(perpendicular-to-plane)””은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 높은 수직 자기 이방성 및 강한 내열성(thermally robust) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합(100)의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합(100)은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용 가능하다. 도 2는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(100)은 STT-MRAM과 같은 자기 소자에 사용될 수 있고, 따라서, 다양한 전자 기기들에 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)을 포함한다. 또한, 트랜지스터를 포함하는 장치들이 형성된(그러나, 이에 한정되지 않는다) 하부의 기판(101)이 도시된다. 하부 콘택(102), 상부 콘택(108), 선택적 시드 층(들)(104), 그리고 선택적 캐핑 층(들)이 또한 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 피고정 층(130)은 자유 층(110)보다, 자기 접합(100)의 상부(기판(101)으로부터 제일 이격된)에 인접할 수 있다. 또한, 피고정 층(130)은 자유 층(110)보다 후에 형성될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)은 상부 피고정(pinned) 접합일 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 접합(100)은 이중 자기 접합 또는 하부 피고정 접합일 수 있다. 이중 자기 접합에서, 추가적 (하부) 비자성 스페이서 층(도 2에 미도시) 및 하나의 추가적 (하부) 피고정 층(도 2에 미도시) 중 적어도 하나는 자유 층(110)과 선택적 시드 층(들)(104)/하부 콘택(102) 사이에 배치될 수 있다. 선택적 고정 층(미도시)은 피고정 층(130)의 자화(미도시)를 고정(fix)할 수 있다. 일부 실시예들에서, 선택적 고정 층은 AFM 층 또는 다중 층일 수 있고, 다중 층은 피고정 층(130)의 자화(미도시)를 자기-변환 상호 작용(exchange-bias interaction)에 의해 고정할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 선택적 고정 층은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 높은 스핀 분극을 갖는 분극 강화 층(polarization enhancement layers: PELs), 자성 또는 비자성 삽입 층들, 및/또는 다른 층들은 자기 접합(100)의 층들에 포함되거나, 자기 접합(100)에 이용될 수 있는 별도의 다른 층들로 간주될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 그러나, 이러한 층들은 간소화를 위해 미도시된다.
비자성 스페이서 층(120)은 MgO 터널링 장벽 층일 수 있다. MgO 층은 결정질(crystalline)일 수 있고, 향상된 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: 이하 TMR)을 위해 후술하는 방위<200>를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 비자성 스페이서 층은 다른 터널링 장벽 층일 수 있고, 전도성 층일 수 있으며, 또는 다른 구조를 가질 수 있다.
자유 층(110)은 자성을 띠고, 면을 벗어나는 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자유 층(110)은 높은 수직 자기 이방성(PMA)을 가질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 자유 층(110)의 자기 모멘트(111)는 면에 수직한 방향을 향할 수 있다(oriented). 또한, 자기 접합은, 자기 접합을 통해 인가되는 전류를 사용하여(일 예로, 스핀 전달을 이용) 자유 층(110)의 자기 모멘트(111)가 스위칭되도록 구성될 수 있다. 비록 자유 층(110)이 단일 층으로 도시되었으나, 일부 실시예들에서, 자유 층(110)은 다중 층일 수 있다. 일 예로, 자유 층(110)은 SAF일 수 있다. 자유 층(110)은 또한 SAF 구조가 아닌 다중의 자기 및 /또는 비자기 층들을 포함할 수 있다.
피고정 층(130)은 자성을 띤다. 피고정 층(130)은 SAF와 같은, 피고정 구조의 일부분일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 피고정 층(130)은 비자성 층(들)이 삽입된 강자성 층들 중의 하나일 수 있다. 피고정 층(130)은 다중 층일 수 있다. 따라서, 피고정 층(130)은 또한 다중의 강자성 층들을 포함하는 서브 층들(sublayers)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 높은 스핀 분극을 갖는 분극 강화 층(PEL)은, 비자성 스페이서 층(120)에 가장 인접한 피고정 층(130)의 일부분에 제공될 수 있다. 자유 층(110)과 같이, 피고정 층(130)의 수직 자기 이방성 에너지는, 면을 벗어나는(out-of-plane) 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과할 수 있다. 결과적으로, 피고정 층(130)의 자기 모멘트(131)는 면에 수직할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 고정층은 일반적으로 제공되지 않는다.
하나 혹은 그 이상의 다중 층들이 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)에 배치될 수 있다. 이러한 다중 층은 비정질 자성 전이 금속 합금 층이 삽입된 희토류와 전이 금속(RE-TM)의 합금 층을 포함할 수 있다. 기재된 바와 같이, 비정질 자성층은 비정질을 갖도록 증착된다. 자기 접합의 형성 동안의 어닐링 또는 다른 제작 단계들 이후에, 비정질 자성층은 여전히 비정질로 존재할 수 있다. 또는, 만약 비정질 자성층으로부터 붕소(B)가 확산되는 것이 허락되면, 비정질 자성 층은 적어도 부분적으로 결정화될 수 있다. 일 예로, 이러한 다중 층은 FeB 또는 CoFeB 층(비정질 자성 합금 층)들이 삽입된 CoTb 층들(RE-TM 층)을 포함할 수 있다. 일 예로, 다중 층은 n회 반복되는 CoTb/FeB 이중 층을 포함할 수 있다. (n은 1 이상의 정수 값) 일부 실시예들에서, n은 7을 초과하지 않을 수 있다. 일 예로, n은 3일 수 있다. 일부 실시예들에서, CoTb는 실제로 CoxTb1-x이고, x는 0.4 내지 0.5의 값을 가질 수 있다. CoFeB 층들은 다음의 화학량론을 가질 수 있다. Co: 1-30 (a/o), Fe: 40-99 (a/o), 그리고 B: 1-50 (a/o). (a/o)는 원자 퍼센트(atomic percent) 일부 실시예들에서, CoFeB 층들은 다음과 같은 농도들, Co: 10-20 (a/o), Fe: 60-90 (a/o), 그리고 B: 10-30 (a/o)를 가질 수 있다. FeB 층은 Fe: 80-60 (a/o), 및 B: 20-40 (a/o)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, FeB는 정상적으로 20 (a/o)의 보론(B)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 층을 통해, RE-TM 합금 층 및/또는 비정질 자성 합금의 화학량론은 구배(gradient)를 가지고 그리고/또는 변할 수 있다. 일 예로, RE-TM 합금 층은 제 1 이중 층의 40 (a/o)에서부터 n번째 이중 층의 50 (a/o)까지로 변할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 비정질 자성 합금의 화학량론은 실질적으로 일정하거나 변할 수 있다. 유사하게, 비정질 자성 합금은 다중 층을 통해 변화되는 화학량론을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, RE-TM 합금의 화학량론은 실질적으로 일정하거나 변할 수 있다.
이중 층의 층들은 또한 얇을 수 있다. 일 예로, CoTb 및 비정질 자성 합금 층들은 적어도 2 A 그리고 5 A를 초과하지 않는 두께를 가질 수 있다. RE-TM 합금 층은 비정질 자성 합금 층들과 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있다. 게다가, 다중 층의 RE-TM 합금 층들 및/또는 비정질 자성 합금 층들의 두께에는 구배(gradient)가 있을 수 있다. 일 예로, 다중 층은 정상적으로 3 A의 CoTb 및 2.7 A의 FeB를 포함하고 n회 반복된 이중 층들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, RE-TM 합금(일 예로, CoTb) 및 비정질 자성 합금(FeB) 층의 두께들은 변하지 않을 수 있다. 다른 실시예들에서, CoTb 층 및/또는 FeB 또는 CoFeB 층의 두께는 이중 층들이 반복됨에 따라 변할 수 있다. 일 예로, 3회 반복된 이중 층들은, 첫번째 이중 층은 3 A, 두번째 이중 층은 4 A, 그리고 세번째 이중 층에는 5 A의 CoTb를 포함할 수 있다.
RE-TM 합금 및 비정질 자성 합금 이중 층들에 더하여, 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)의 다중 층은 다른 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 다중 층은 계면 층(들)(interfacial layer) 및/또는 삽입 층(들)(insertion layer)을 포함할 수 있다. 피고정 층(130) 또는 자유 층(110)은 다중 층에 추가하여, PEL을 포함할 수 있다. PEL은 CoFeB 또는 FeB와 같은 물질들을 포함할 수 있고, 상술한 화학량론을 가질 수 있다. 전형적으로, 계면 층 및 삽입 층은 반복되는 이중 층의 가장자리 영역들에 배치될 수 있다. 일 예로, 피고정 층은 복수 회 반복되는 이중 층들, PEL, 그리고 마지막으로 반복된 이중 층 및 PEL 사이의 삽입 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 삽입 층들은 반복되는 이중 층들 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 삽입 층(들)은 계면 층과 PEL 사이, 반복되는 이중 층의 가장자리 영역들과 계면 층 사이, 또는 이중 층과 PEL 사이에 배치될 수 있다. 계면 층(들)은 CoFeB 또는 FeB과 같은 자성 물질들을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 CoFeB 또는 FeB 계면 층들은 상술한 화학량론을 가질 수 있다.
상술한 다중 층들은 향상된 열적 안정성(thermal stability)를 가질 수 있다. 다중 층/RE-TM 합금/비결정질 자성 층(들)은 400℃까지의 온도에서, 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 층의 0이 아닌 수직 자기 이방성은 섭씨 450℃ 혹은 그 이상까지도 지속될 수 있다. 그렇게, 다중 층들은 열적으로 더 강해질 수 있다. 결과적으로, 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)은 또한 보다 자기적으로 안정될 수 있다.
또한, 다중 층들은 자기 접합이 향상된 자기적 특성들 및 전기적 특성들을 가지도록 할 수 있다. 삽입 층들은 반복되는 이중 층과 PEL 또는 계면 층 사이의 결합을 조절할 수 있다. 삽입 층들은 또한 보론(B)의 확산을 억제하거나 차단하기 위해 사용될 수 있다. 삽입 층들은, Tb와 같은 희토류 원소가 PEL 또는 다른 층(들)로의 확산되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 일 예로, 삽입 층은 Mg, Ta, W, Hf, 및/또는 비슷한 물질들을 포함할 수 있다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)은 다중 층의 열적 내구성을 향상시키고, 그에 따라, 피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)의 열적 내구성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서는, 자유 층(110) 및 피고정 층(130) 중 오직 하나만이 상술한 것과 같이 열적으로 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 자유 층(110) 및 피고정 층(130)이 모두 상술한 다중 층을 포함할 수 있다. 그러나, 다중 층들이 이러한 실시예들에서 동일할 필요는 없다. 일 예로, 다양한 수의 반복된 이중 층이 피고정 층(130)에 비해 자유 층(110)에 사용될 수 있다. 계면 층 및/또는 삽입 층들은 각각, 자유 층(110) 또는 피고정 층(130) 중 어느 하나에 배치되고 다른 하나에는 생략될 수 있다.
피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)은 다중 층이 아닌 층(들)을 포함할 수 있고/있거나 다른 구조의 일부일 수 있다. 일 예로, 피고정 층(130)은 합성 반강자성체의 일부일 수 있다. 이러한 실시예에서, SAF 구조는 피고정 층(130), 비자성 층, 그리고 피고정 층(130)과 반강자성적으로 결합된 다른 강자성 층을 포함할 수 있다. 또한, 자유 층(110)은 SAF이거나 또는 다른 층들을 포함할 수 있다. 따라서, 단일 층들로 도시하더라도, 층(들)(110,120,130)은 내부 층들 및/또는 다른 하부 구조들을 포함할 수 있다.
자기 접합(100)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유 층(110) 및 피고정 층(130)은 보다 향상된 성능에 적합하도록, 면에 수직한 방향의 자기 모멘트들을 가질 수 있다. 이러한 방향은 RE-TM 합금 및 비결정질 자성 합금 이중 층(들)로 인해 야기될 수 있다. 이중 층(들)로 인해, 특히 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)이 다중 층의 열적 내구성을 향상시킬 수 있고, 따라서, 피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)의 열적 내구성이 향상될 수 있다. 자기 접합(100)은 보다 고온으로 어닐링될 때도, 자기적으로 안정될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100)의 일부분은 더 높은 온도들에서 어닐링될 수 있다. 고온 어닐링 온도들은 비자성 스페이서 층(120)의 결정질 구조를 향상시킬 수 있다. 일 예로, MgO로 형성된 비자성 스페이서 층(120)은 이상적인 결정질 구조 및 <100> 방위(orientation)를 가질 수 있다. 비자성 스페이서 층(120)의 향상된 결정질 구조는 더 큰 터널링 자기 저항을 야기하고, 따라서 더 높은 읽기 신호를 야기할 수 있다. 나아가, 삽입 층(들)의 이용은 B 및/또는 Tb와 같은 희토류 원소들의 확산을 감소시키거나 막을 수 있다. 이러한 점은 자기 접합(100)의 자기적 특성들을 향상시킬 수 있다. 삽입 층들은 또한 비자성 스페이서 층(120)으로부터 산소를 끌어당겨(attract), 면저항(resistance area product)을 줄일 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100)의 성능이 향상될 수 있다.
도 3은 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층을 포함하고, 주변 구조들뿐만 아니라, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리에 사용될 수 있는 자기 접합(100')의 일 실시예를 도시한다. 도 3은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(100')은 STT-MRAM과 같은 자기 소자들에 이용될 수 있고, 다양한 전자 기기들에 이용될 수 있다. 자기 접합(100')은 자기 접합(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 자기 접합(100')은 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)을 포함한다. 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)은 각각, 자기 접합(100)에 도시된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)과 유사하다. 따라서, 층들(110,130) 중 하나 또는 모두는 상술한 것과 같은 다중 층(들)을 포함할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 하부 기판(101), 하부 콘택(102), 상부 콘택(108), 선택적 시드 층(들)(104), 그리고 선택적 캐핑 층(들)(106)은 각각, 자기 접합(100)의 하부 기판(101), 하부 콘택(102), 상부 콘택(108), 선택적 시드 층(들)(104), 그리고 선택적 캐핑 층(들)(106)과 유사할 수 있다.
자기 접합(100')은 하부 피고정 자기 접합이다. 특히, 피고정 층(130)이 자유 층(110)에 비해, 기판(101)과 더 가까울 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 시드 층(들)(104)은 도 2의 시드 층(들)과 상이할 수 있다. 피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)은 상술한 다중 층(들)을 포함할 수 있다. 또한, 단일 층들로 도시하였으나, 피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)은 다른 구조들을 포함하고/포함하거나 SAF와 같은 다른 구조의 일부일 수 있다.
자기 접합(100')은 자기 접합(100)의 이점들을 포함할 수 있다. 일 예로, 자유 층(110) 및 피고정 층(130)은 RE-TM 합금과 비결정질 자성 합금 이중 층(들)에 의해 면에 수직한 방향의 자기 모멘트들을 가질 수 있다. 피고정 층(130) 및/또는 자유 층(110)의 열적 내구성은 상술한 다중 층의 존재로 인해 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100')의 일부분은 더 높은 온도들에서 어닐링될 수 있다. 비자성 스페이서 층(120)의 결정질 구조 및 방위(orientation)는 향상될 수 있고, 이로 인해 더 높은 터널링 자기 저항 및 읽기 신호를 얻을 수 있다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)은 또한, 자기 접합(100')의 결정질 구조 및 자기적 특성들을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100')의 성능이 향상될 수 있다.
도 4는 얇은 피고정 층을 포함하고, 주변 구조들뿐만 아니라 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 사용될 수 있는 자기 접합(100")의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합(100")은 STT-MRAM과 같은 자기 소자들에 이용될 수 있고, 따라서, 다양한 전자 기기들에 이용될 수 있다. 자기 접합(100")은 자기 접합들(100,100') 중 적어도 하나와 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 자기 접합(100")은 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)을 포함한다. 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)은 각각, 자기 접합(100)에 도시된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 그리고 자기 모멘트(131)를 갖는 피고정 층(130)과 유사하다. 또한 도 4에 도시된 하부 기판(101), 하부 콘택(102), 상부 콘택(108), 선택적 시드 층(들)(104), 그리고 선택적 캐핑 층(들)(106)은 각각, 자기 접합(100)의 하부 기판(101), 하부 콘택(102), 상부 콘택(108), 선택적 시드 층(들)(104), 그리고 선택적 캐핑 층(들)(106)과 유사할 수 있다. 층들(110,130) 중 적어도 하나는 상술한 것과 같은 다중 층(들)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 자기 접합(100")은 추가적 (하부) 피고정 층(160) 및 추가적 비자성 (하부) 스페이서 층(170)을 포함할 수 있다. 따라서, 자기 접합(100")은 이중 자기 접합일 수 있다. 비자성 스페이서 층(170)은 비자성 스페이서 층(120)과 유사할 수 있다. 따라서, 비자성 스페이서 층(170)은 도전성을 띠고, 터널링 장벽 층일 수 있으며, 또는 다른 구조를 가질 수 있다. 만약 비자성 스페이스 층(170)이 터널링 장벽 층일 경우, 비자성 스페이서 층(170)은 <100> 방위(orientation)를 갖는 결정질 MgO인 것이 바람직할 수 있다.
피고정 층(160)은 실질적으로 평면에 고정된 자기 모멘트(161)를 갖고, 면을 벗어나는 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 피고정 층(160)은 단일 층이거나 다중 층일 수 있다. 일 예로, 피고정 층(160)은, RE-TM 합금 및 비결정질 자성 합금 이중 층이 적어도 한번 이상 반복되는 다중 층을 포함할 수 있다. 삽입 층(들), 계면 층(들), 및/또는 PEL이 상술한 바와 같이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피고정 층(160)은 SAF 이거나 다른 유사한 고정 구조일 수 있다. 다른 다중 층들 또한 가능할 수 있다. 도시된 실시예에서, 피고정 층들(130,160)은 각각 반대 방향들의 자기 모멘트들(131,161)을 갖는, 이중 상태일 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 모멘트들(131,161)이 정렬된 반-이중 상태를 포함하는 다른 상태일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
자기 접합(100")은 또한, 자기 접합들(100,100') 중 적어도 하나의 이점들을 포함할 수 있다. 일 예로, 층(들)(110,130,160)은 RE-TM 합금과 비결정질 자성 합금 이중 층(들)에 의해 면에 수직한 방향의 자기 모멘트들을 가질 수 있다. 층(들)(110,130,160)의 열적 내구성은 상술한 다중 층의 존재로 인해 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100")의 일부분은 더 높은 온도들에서 어닐링될 수 있다. 비자성 스페이서 층들(120,170)의 결정질 구조 및 방위는 향상될 수 있고, 이로 인해 더 높은 터널링 자기 저항 및 읽기 신호를 얻을 수 있다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)은 또한 자기 접합(100')의 결정질 구조 및 자기적 특성들을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100")의 성능이 향상될 수 있다.
도 5는 자기 접합들(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능한, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층(200)을 도시한다. 도 5는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 다중 층(200)은 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)에 배치될 수 있다. 다중 층(200)은 선택적 추가 층들(204,206) 뿐만 아니라, 복수 회 반복된 이중 층(202)을 포함할 수 있다. 이중 층(202)은 RE-TM 합금 층(210) 및 비정질 자성 층(220)을 포함한다. 일 예로, RE-TM 합금 층(210)은 상술한 화학량론을 갖는 CoTb 층일 수 있다. 비정질 자성 합금 층(220)은 상술한 화학량론을 갖는 FeB 층 또는 CoFeB 층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 다른 물질(들)이 층들(210,220) 중 적어도 하나에 이용될 수 있다. 다중 층(200)은 n회 반복된 이중 층(202)을 포함할 수 있다. (n은 1 이상의 정수) 도시된 실시예에서, n은 5이다. 일부 실시예들에서, 각각의 반복된 이중 층(202)은 동일할 수 있다. 다른 실시예들에서, 층들(210,220) 중 적어도 하나는 화학량론의 구배를 가질 수 있고/또는 다른 물질들을 이용할 수 있다. 일 예로, RE-TM 합금 층(210)은 40 (a/o)의 Co를 갖는 첫번째 이중 층에서 50 (a/o)의 Co를 갖는 다섯번째 이중 층까지 달라질 수 있다. 이와는 달리, RE-TM 합금 층(210)은 세 개의 이중 층들에서 50 (a/o)의 Co를 갖는 반면, 두 개의 이중 층들은 40 (a/o)의 Co를 가질 수 있다. 비정질 자성 합금 층(220)의 화학량론은 실질적으로 일정하거나 변할 수 있다. 유사하게, 비결정질 자성 합금 층(220)은 다중 층을 걸쳐 변하거나, 한 물질(일 예로, CoFeB)에서 다른 물질(일 예로, FeB)로 스위치되는 화학량론을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, RE-TM 합금 층(220)의 화학량론은 실질적으로 일정하거나 변할 수 있다.
이중 층(202)의 층들(210,220)의 두께는 얇을 수 있다. 일 예로, 층들(210,220)은 그 각각의 두께가 적어도 2A이고, 5A 보다 작을 수 있다. RE-TM 합금 층(210)은 비정질 자성 합금 층(220)과 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 게다가, RE-TM 합금 층(210) 및/또는 비정질 자성 합금 층(220)은 두께의 구배를 가질 수 있다.
반복되는 이중 층(202)에 더해, 다중 층(200)은 선택적 하부 추가 층들(204) 및/또는 선택적 상부 추가 층들(206)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 추가 층들은, 하나 또는 그 이상 반복되는 이중 층(202) 사이 및/또는 하나 또는 그 이상 반복되는 이중 층(202)의 층들(210,220) 사이에 삽입될 수 있다. 하부 추가 층들(204)은 상술된 계면 층(들) 및/또는 삽입 층(들)을 포함할 수 있다. 선택적 추가 상부 층들(206)은 상술한 다른 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)을 포함할 수 있다. 계면 층들 및 삽입 층들의 위치 및 존재는 다중 층(200)의 위치에 의존할 수 있다. 일 예로, 다중 층(200)이 하부 피고정 층에 사용되는 경우, 계면 층들 및/또는 삽입 층들은 선택적 추가 상부 층들(206)에 위치될 수 있다. 다중 층(200)이 상부 피고정 층에 사용되는 경우, 계면 층들 및/또는 삽입 층들은 선택적 추가 하부 층들(204)에 위치될 수 있다. 다중 층(200)이 자유 층에 사용되는 경우, 계면 층들 및/또는 삽입 층들은 선택적 추가 하부 층들(204) 및 선택적 추가 상부 층들(206) 모두에 위치될 수 있다. 일 예로, 이중 자기 접합에서, 계면 층들은 두 위치들(204,206)에 모두 존재할 수 있으나, 삽입 층들은 생략될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다중 층(200)이 이중 자기 접합의 자유 층으로 사용되는 경우, 삽입 층들은 두 위치들(204,206) 중 적어도 한 곳에 존재할 수 있다.
다중 층(200)은 자기 접합들(100,100',100")과 같이 향상된 성능을 얻을 수 있는 자기 접합을 가능하게 할 수 있다. 이중 층(202)으로 인해, 다중 층(200)은 면에 수직한 방향(z축을 따라)의 자기 모멘트(도 5에 미도시)를 가질 수 있다. 이 방위는 자유 층의 스핀 전달 토크 스위칭에 바람직할 수 있다. 이중 층에 사용된 물질들로 인해, 일부 실시예들에서는 추가 층들(204,206)에 사용된 물질들로 인해, 다중 층(200)의 열적 내구성이 향상될 수 있다. 일 예로, 다중 층(200)은 상술한 온도까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 결과적으로, 다중 층(200)이 사용되는 자기 접합의 부분들은 더 높은 온도에서 어닐링될 수 있다. 비자성 스페이서 층들로 사용되는 MgO 터널링 장벽 층들의 결정질 구조 및 방위는 향상될 수 있다. 더 높은 터널링 자기 저항 및 읽기 신호를 얻을 수 있다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들)을 이용하여, 다중 층(200)을 이용한 자기 접합의 결정질 구조 및 자기적 특성들을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 다중 층(200)을 이용하는 자기 접합의 성능은 향상될 수 있다.
도 6은 자기 접합들(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층(200')을 도시한다. 도 6은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 다중 층(200')은 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 층(200')은 특히 자유 층(110)에 배치될 수 있다. 이러한 일부 실시예들에서, 자유 층은 다중 층(200')을 구성한다. 다중 층(200')은, 비자성 스페이서 층들(120,170)이 MgO 터널링 장벽 층들인 자기 접합(100")과 같은 이중 자기 터널링 접합의 자유 층일 수 있다. 선택적으로, 다중 층(200')은 접합(100)과 같은 상부 피고정 자기 접합의 자유 층 또는 자기 접합(100')과 같이 하부 피고정 자기 접합의 자유 층일 수 있다. 다중 층(200')이 상부 피고정 자기 접합(일 예로, 자유 층이 기판과 가장 인접한)의 자유 층인 경우, 다중 층(200')은 MgO 시드 층과 같은 시드 층 상에 배치될 수 있다. 다중 층(200')이 하부 피고정 자기 접합(일 예로, 자유 층이 기판에서 먼)의 자유 층에 배치된 경우, MgO 캐핑 층과 같은 캐핑 층이 다중 층(200') 상에 배치될 수 있다. MgO 시드 층 또는 캐핑 층은 수직 자기 이방성을 향상시킬 수 있다.
다중 층(200')은 다중 층(200)과 유사할 수 있다. 결과적으로, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 다중 층(200')은 RE-TM 합금 층(210) 및 비정질 자성 합금 층(220)을 가질 수 있다. 실시예에서 도시된 바와 같이, 다중 층(200')은 3회 반복된 이중 층(202)들을 가질 수 있다(n=3). 또한, 다중 층(200')은 계면 층들(230,232) 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 오직 하나의 계면 층(230 또는 232)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 두 개의 계면 층들(230,232)을 포함한다. 계면 층들(230,232)은 상술한 화학량론을 갖는 CoFeB 및/또는 FeB와 같은 비정질 자성 층들과 유사할 수 있다. 계면 층들(230,232)의 두께들은 비정질 자성 층들(220)의 두께와 유사할 수 있다. 따라서, 계면 층들(230,232)의 두께는 적어도 2A이고, 5A 보다 작을 수 있다. 일 예로, 계면 층들(230,232) 중 적어도 하나는 4A의 두께를 가질 수 있다. 이중 자기 접합에서, 계면 층들(230,232) 중 적어도 하나는 터널링 장벽 층(들)과 인접하게 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이러한 자기 터널링 접합의 자유 층은 다중 층(200')을 구성할 수 있다.
다중 층(200')은 다중 층(200)의 이점을 포함할 수 있다. 일 예로, 다중 층(200')은 상술한 온도들까지, 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 더 높은 어닐링 온도들이 이용될수록, MgO 터널링 장벽층들의 결정질 구조와 방위는 향상될 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 신호는 향상될 수 있다. 자기 저항은 또한 계면 층들(230,232)의 사용으로 인해 향상될 수 있다. 결과적으로, 다중 층(200')을 이용한 자기 접합의 성능은 향상될 수 있다.
도 7은 자기 접합들(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한 다중 층(200")을 도시한다. 도 7은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 다중 층(200")은 자유 층(110) 및/또는 피고정 층(130)에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 층(200")은 특히 자유 층(110)에 배치될 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 자유 층은 다중 층(200")을 구성한다. 다중 층(200")은, 비자성 스페이서 층들(120,170)이 MgO 터널링 장벽 층들인 자기 접합(100")과 같은 이중 자기 터널링 접합의 자유 층일 수 있다. 선택적으로, 다중 층(200")은 접합(100)과 같은 상부 피고정 자기 접합의 자유 층 또는 자기 접합(100')과 같은 하부 피고정 자기 접합의 자유 층일 수 있다. 다중 층(200")이 상부 피고정 자기 접합(일 예로, 자유 층이 기판과 가장 인접한)의 자유 층에 배치된 경우, 다중 층(200")은 MgO 시드 층과 같은 시드 층 상에 배치될 수 있다. 다중 층(200")이 하부 피고정 자기 접합(일 예로, 자유 층이 기판에서 먼)의 자유 층에 배치된 경우, MgO 캐핑 층과 같은 캐핑 층이 다중 층(200") 상에 배치될 수 있다.
다중 층(200")은 다중 층들(200,200')과 유사할 수 있다. 결과적으로, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 다중 층(200")은 RE-TM 합금 층(210) 및 비정질 자성 합금 층(220)을 갖는 이중 층(202)을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 다중 층(200")은 3개의 반복된 이중 층(202)들을 가질 수 있다(n=3). 다중 층(200")은 도 6의 계면 층들(230,232)과 유사한 하나 또는 두 개의 계면 층들(230,232)을 포함할 수 있다.
다중 층(200")은 또한 삽입 층들(234,236)의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는 오직 하나의 삽입 층(234 또는 236)이 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 두 개의 삽입 층들(234,236)이 배치될 수 있다. 삽입 층들(234,236)은 비자성을 띠고, B 및/또는 Tb와 같은 희토류 원소와 친화도(affinity)을 가질 수 있다. 일 예로, 삽입 층들(234,236)은 W, Ta, 및/또는 Hf를 포함할 수 있다. 삽입 층들(234,236)의 두께들은 적어도 2A이고, 10A 보다 작을 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 삽입 층들(234,236)의 두께는 적어도 3A이고, 5A 보다 작을 수 있다.
다중 층(200")은 다중 층들(200,200')의 이점을 포함할 수 있다. 일 예로, 다중 층(200")은 상술한 온도들까지, 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가져, MgO 터널링 장벽층들의 향상된 결정질 구조와 방위를 얻을 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 신호는 향상될 수 있다. 자기 저항은 또한 계면 층들(230,232)의 사용으로 인해 향상될 수 있다. 삽입 층들(234,236)은 계면 층(들)(230,232)의 B을 줄이고, Tb와 같은 희토류 원소들의 확산을 방지할 수 있으며, MgO 터널링 장벽 층들로부터 산소를 끌어당길 수 있다. 계면 층(들)(230,232)은 어닐링 공정 후에 보다 더 결정질화될 수 있다. 계면 층(들)(230,232) 및 비자성 스페이서 층들(120,170)과 같은 터널링 장벽 층들의 결정성(crystallinity)은 향상될 수 있다. 터널링 자기 저항 및 읽기 속도는 증가될 수 있다. 적어도 하나의 삽입 층(234,236)이 인접하는 터널링 장벽층으로부터 산소를 끌어당김으로써, 면저항(RA)은 또한 감소할 수 있다. 결과적으로, 다중 층(200")을 이용하는 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 8은 자기 접합(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한(thermally robust) 다중 층(300)을 도시한다. 도 8은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 다중 층(300)은 피고정 층(130,160) 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 피고정 층(130,160) 중 적어도 하나는 다중 층(300)을 구성한다. 따라서, 선택적 PEL(332)이 또한 도시된다. PEL(332)은 다중 층(300)이 사용되는 자기 접합의 비자성 스페이서 층(예를 들면, 터널링 장벽 층)에 가장 가까운 것이 바람직하다. 도 8에 도시된 예에서, 다중 층(300)은 하부 피고정 층에 배치될 수 있다. 상부 피고정 층에 사용된 경우, PEL(332)는 다중 층(332)의 아래에, 선택적 삽입 층(330)에 인접하게 형성될 수 있다. 다중 층(300)은 자기 접합(100")과 같은 이중 자기 터널링 접합의 피고정 층, 자기 접합(100)과 같은 상부 피고정 자기 접합의 피고정 층, 자기 접합(100')과 같은 하부 피고정 자기 접합의 피고정 층과 같은 피고정 층(들)에 제공될 수 있다. 다중 층(300)이 하부 피고정 자기 접합에 있는 경우, 다중 층(200")은 시드 층에 배치될 수 있다.
다중 층(300)은 다중 층들(200,200'200")과 유사할 수 있다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 다중 층(300)은 RE-TM 합금 층(310) 및 비결정질 자성 층(320)을 포함하는 이중 층(302)을 포함한다. 이중 층(302)은 이중 층(202)과 유사할 수 있다. 도시된 예에서, 다중 층(300)은 3회 반복된 이중 층(302)을 가진다(n=3). 다중 층(300)은 선택적 삽입 층(330)을 포함한다. 삽입 층(330)은 삽입 층들(234,236)과 유사한 비자성 층일 수 있다. 따라서, 삽입 층(330)은 보론(B)와 친화도(affinity)를 가질 수 있다. 따라서, Ta, Mg 및/또는 Hf와 같은 물질들이 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 선택적 삽입 층(330)은 시드 층으로 기능할 수 있다. 따라서, Ta는 다중 층(300)의 삽입 층(330)으로 선호될 수 있다. 삽입 층(330)은 적어도 2A이고, 10A 보다 작은 두께를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 삽입 층/시드 층(330)의 두께는 적어도 3A이고, 5A 보다 작을 수 있다.
다중 층(300)은 적어도 하나의 다중 층(200,200'200")의 이점을 가질 수 있다. 일 예로, 다중 층(300)은 상술한 온도들까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있고, 자기 접합들의 MgO 터널링 장벽 층들의 결정질 구조와 방위를 향상시킬 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 속도가 향상될 수 있다. 자기 저항은 삽입 층(330)을 사용함으로써 향상될 수 있다. 결과적으로, 다중 층(300)을 이용하는 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 9는 자기 접합(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한(thermally robust) 다중 층(300')을 도시한다. 도 9는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 또한 선택적 PEL(332)이 도시된다. 다중 층(300')은 피고정 층(130,160) 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 피고정 층은 다중 층(300) 및 선택적 PEL(332)을 구성한다. 도시된 바와 같이, 자기 접합(100')의 피고정 층(130) 또는 피고정 층(160)과 같이, 다중 층(300')은 하부 피고정 층으로 이용될 수 있다. 따라서, 시드 층(302)은 선택적 삽입 층(330)으로 도시될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 시드 층(302)은 Ta 시드 층일 수 있다.
다중 층(300')은 다중 층(300)과 유사할 수 있다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 다중 층(300')은 RE-TM 합금 층(310) 및 비정질 자성 층(320)을 포함하는 이중 층(302)을 포함한다. 도시된 예에서, 다중 층(300')은 3회 반복된 이중 층(302)을 가진다(n=3).
다중 층(300')은 적어도 하나의 다중 층(200,200'200",300)의 이점을 가질 수 있다. 일 예로, 다중 층(300')은 상술한 온도들까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있고, 자기 접합들의 MgO 터널링 장벽 층들의 결정질 구조와 방위를 향상시킬 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 속도가 향상될 수 있다. 결과적으로, 다중 층(300')을 이용하는 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 10은 자기 접합(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한(thermally robust) 다중 층(300")을 도시한다. 도 10은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 또한, 선택적 PEL(332)이 도시된다. 다중 층(300")은 자기 접합들(100,100")의 피고정 층(130)에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 피고정 층은 다중 층(300') 및 선택적 PEL(332)을 구성한다. 도시된 바와 같이, 다중 층(300')은 상부 피고정 층에 사용될 수 있다. 따라서, 비록 도시되지는 않았지만, 캐핑 층이 다중 층 상에 배치될 수 있다. 더욱이, PEL(332)이 배치되는 경우, 다중 층(300')의 아래에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에 기술된 것처럼, 피고정 층(300")은 이중 자기 접합의 피고정 층(300')과 함께 이용될 수 있다. 피고정 층(300")이 상부 피고정 층인 반면, 피고정 층(300')은 하부 피고정 층일 수 있다. 사용된 자유 층은 다중 층(200,200'200") 및/또는 다른 성분(들)을 포함할 수 있다.
다중 층(300")은 다중 층들(300,300')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호들(labels)을 가질 수 있다. 다중 층(300")은 RE-TM 합금 층(310) 및 비정질 자성 층(320)을 포함하는 이중 층(302)을 포함한다. 도시된 예에서, 다중 층(300")은 3회 반복된 이중 층(302)을 가진다(n=3).
다중 층(300")은 적어도 하나의 다중 층(200,200'200",300,300')의 이점을 가질 수 있다. 일 예로, 다중 층(300")은 상술한 온도들까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있고, 자기 접합들의 MgO 터널링 장벽 층들의 결정질 구조와 방위를 향상시킬 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 속도가 향상될 수 있다. 결과적으로, 다중 층(300")을 이용하는 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 11은 자기 접합(100,100',100")과 같은 자기 접합에 사용 가능하고, 높은 수직 자기 이방성 및 열적으로 강한(thermally robust) 다중 층(300"')을 도시한다. 도 11은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 또한 선택적 PEL(332)이 도시된다. 다중 층(300"')은 자기 접합들(100,100',100") 중 적어도 하나의 피고정 층(130,160)에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 피고정 층은 다중 층(300"') 및 선택적 PEL(332)을 구성한다. 다중 층(300"')은 다중 층들(300,300',300")과 유사할 수 있다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사한 labels를 가질 수 있다. 다중 층(300'")은 RE-TM 합금 층(310) 및 비정질 자성 층(320)을 포함하는 이중 층(302)을 포함한다. 도시된 예에서, 다중 층(300"')은 3회 반복된 이중 층(302)을 가진다(n=3).
다중 층(300"')은 또한 선택적 계면 층(334)뿐만 아니라, 선택적 추가 층들(330,336)을 포함한다. 삽입 층들(330,336)은 층들(234,236)과 유사하다. 따라서, 층들(330,336)은 Ta, W, mg, 및/또는 Hf와 같은 물질들을 포함할 수 있다(또는 구성될 수 있다). 선택적 계면 층(334)은 계면 층들(230,232)와 유사하다. 따라서, 선택적 계면 층(334)은 상술된 바와 같이, CoFeB 및/또는 FeB롸 같은 물질(들)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 다중 층(300"')은 하부 피고정 층으로 이용될 수 있다. 따라서, PEL(332)이 배치되는 경우, 다중 층(300"') 상에 배치될 수 있다. 게다가, 선택적 층들(334,336)은, 후술될 바와 같이, 반복되는 이중 층들(302) 상에 배치될 수 있다. 그러나, 다중 층(300")이 상부 피고정 층에 이용될 경우, 층들(334,336,332)은 반복되는 이중 층들(302) 아래에, 층(330)을 대신하여 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 층(334)은 이중 층(302)에 가장 인접하고, 층(336)은 이중 층(302)으로부터 가장 멀 수 있다. 자기 접합(300"')에는 층들(330,332,334,336)의 어떠한 조합도 가능하다. 또한, 아무 것도 포함하지 않는 경우도 가능하다. 더욱이, 어떤 실시예들에서, 층들(330,332,334,336)의 두께들은 그 층들이 상부 피고정 층에 배치되는지 하부 피고정 층에 배치되는지에 따라 다를 수 있다. 일 예로, 삽입 층(336)은 상부 피고정 층에서 적어도 2A이고, 4A 보다 작은 두께를 갖는 Mg으로 구성되고, 하부 피고정 층에서 적어도 4A이고, 6A 보다 작은 두께를 갖는 Mg로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 두께들 및/또는 다른 물질들이 가능하다. 일 예로, Ta 층 또는 Mg/Ta/Mg 삼중 층이 삽입 층(336)으로 사용될 수 있다.
PEL(332) 및 계면 층(334)/이중 층(302) 사이에 삽입 층(336)이 배치될 수 있다. 삽입 층(336)은 B 싱크(sink)로 기능할 수 있어, PEL(332) 및/또는 계면 층(334)로부터 B의 확산을 줄이거나 제거하는 것으로 기능할 수 있다. 나아가, 삽입 층(336)은 산소 획득 인자(oxygen getter)로 기능할 수 있다. 이러한 층은 인접한 터널링 장벽 층(도 11에 미도시)의 산소를 끌어당겨, 자기 접합의 RA를 조절하도록 이용될 수 있다. 또한, 삽입 층(336)은 층(336)을 통한 Tb와 같은 희토류 원소의 확산을 방지하는 차단 층으로 기능할 수 있다. Co/Pt 이중 층이 이중 층(302) 대신에 사용되는 실시예에서, 삽입 층(336)이 또한 Pt 블로커(blocker)일 수 있다. 따라서, 스핀 전달 스위칭 및 자기 저항이 향상될 수 있다. 삽입 층(336)이 또한 이중 층(302)과 PEL(332) 사이의 자기적 커플링을 조절하기 위해 이용될 수 있다. 일 예로, 보다 두꺼운 삽입 층(336)은 자기적 커플링을 감소시킬 수 있다. 또한, 삽입 층(336)은, 다중 층(300"')이 사용되는 피고정 층을 자기적으로 구성하도록 사용될 수 있다.
다중 층(300"')은 적어도 하나의 다중 층(200,200'200",300,300',300")의 이점을 가질 수 있다. 일 예로, 다중 층(300"')은 상술한 온도들까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 가질 수 있고, 자기 접합들의 MgO 터널링 장벽 층들의 결정질 구조와 방위를 향상시킬 수 있다. 따라서, 자기 저항, 스핀 전달 스위칭, 그리고 읽기 속도가 향상될 수 있다. 삽입 층(336)의 존재는 RA, 스핀 전달 스위칭, 자기 저항, 그리고 자기 접합의 자기 커플링을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 다중 층(300"')을 이용하는 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
상술한 다양한 특징들을 다양한 다중 층들(200,200'200",300,300',300",300"')이 설명되었다. 다중 층들(200,200'200",300,300',300",300"')의 특징들은 자기 접합의 자유 층 및/또는 피고정 층(들)과 결합되어, 상술한 성능이 향상될 수 있다. 또한, Co/Pt와 같은, 다른 벌크 수직 자기 이방성 이중 층은, RE-TM 층/비결정질 자성 층 이중 층을 대신하여 이용될 수 있다. 따라서, 비록 특정 다중 층들(200,200'200",300,300',300",300"')이 자유 층 또는 피고정 층들로 적합하다고 도시되었으나, 다른 층에서는 그렇지 않을 수 있다.
도 12는 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')을 포함하는 자기 접합들(100,100',100") 중 적어도 하나를 이용하는 메모리(400)의 일 실시예를 보여주는 도면이다. 자기 메모리(400)는 워드 라인 선택 드라이버(404) 뿐만 아니라, 읽기/쓰기 컬럼 선택 드라이버들(402,406)을 포함한다. 다른 배열을 갖는 다른(other 및/또는 different) 구성들이 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 자기 메모리(400)의 저장 영역은 자기 저장 셀들(410)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(412) 및 적어도 하나의 자기 선택 소자(414)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 선택 소자(414)는 트랜지스터이다. 자기 접합들(412)은 상술된 바와 같이 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')을 포함하는 자기 접합들(100,100',100") 중 하나일 수 있다. 비록 셀(410) 당 하나의 자기 접합(412)을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예들에서는, 셀(410) 당 다른 수의 자기 접합들(412)을 가질 수 있다. 마찬가지로, 자기 메모리(400)는 상술한 이점들을 가질 수 있다.
도 13은 높은 수직 자기 이방성 및 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함하고, STT-MRAM과 같이 스핀 전달 토크를 이용하는 자기 메모리에 사용 가능하며, 다양한 전자 기기에 사용 가능한 자기 접합 제조 방법(500)의 일 실시예를 도시한다. 간략하게 나타내기 위해, 몇몇 단계들은 생략, 결합 및/또는 삽입될 수 있다. 나아가, 방법(500)은 수행된 자기 메모리 형성의 다른 단계들 이후에 시작될 수 있다. 간략화를 위해, 방법(500)은 자기 접합들(100,100")의 맥락에서 설명된다. 그러나, 다른 자기 접합들이 형성될 수 있다.
단계(502)에서, 하부 피고정 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 하부 피고정 층은 자기 접합(100')의 층(130) 또는 자기 접합(100")의 층(160)일 수 있다. 단계(502)에서 제공된 하부 피고정 층은, 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 하부 피고정 층은 RE-TM 층 및 비정질 자성 층이 복수 회 반복된 층을 포함한다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들) 또한 제공될 수 있다. 선택적으로, 다른 피고정 층이 제공될 수 있다. 일 예로, 복수 회 반복된 Co/Pt 이중 층이 단계(502)에 제공될 수 있다. 제공된 피고정 층은 높은 수직 자기 이방성 (면을 벗어나는 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지)을 가질 수 있다. 단계(502)는 또한 PEL을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 단계(502)는 다중 층들을 증착하는 것을 포함할 수 있다.
단계(504)에서, 층들(120,170)과 같은 비자성 스페이서 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(504)는 MgO 층을 증착하는 것 및/또는 Mg 층을 증착 및 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 터널링 장벽 층이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 비자성 스페이서 층이 이용될 수 있다. 단계(504)는 자기 접합이 이중 자기 접합 또는 하부 피고정 자기 접합으로 형성되는 경우 수행될 수 있다.
단계(506)에서,, 자유 층(110)과 같은 자유 층이 제공된다. 단계들(502,504)이 수행되면, 제작된 자기 접합이 하부 피고정 또는 이중 자기 접합일 수 있다. 단계(506)에 제공된 자유 층은 다중 층들(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 자유 층은 RE-TM 층 및 비정 자성 층이 복수 회 반복된 층을 포함할 수 있다. 삽입 층들 및/또는 계면 층들이 제공될 수 있다. 자유 층은 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 따라서, 단계(506)에서 형성된 자유 층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다.
단계(508)에서, 층(120)과 같은 비자성 스페이서 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(508)는 MgO 층을 증착하는 것 및/또는 Mg 층을 증착 및 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 터널링 장벽 층이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 비자성 스페이서 층이 이용될 수 있다. 단계(508)는 자기 접합이 이중 자기 접합 또는 하부 피고정 자기 접합으로 형성되는 경우 수행될 수 있다.
단계(510)에서, 상부 피고정 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 상부 피고정 층은 자기 접합(100,100")의 층(130)일 수 있다. 단계(510)에 제공된 상부 피고정 층은 다중 층들(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 상부 피고정 층은 RE-TM 층 및 비정질 자성 층이 복수 회 반복된 층을 포함할 수 있다. 삽입 층들 및/또는 계면 층들이 제공될 수 있다. 선택적으로, 또 다른 피고정 층이 제공될 수 있다. 일 예로, 복수 회 반복된 Co/Pt 이중 층이 단계(510)에서 형성될 수 있다. 제공된 피고정 층은 높은 수직 자기 이방성(면을 벗어나는 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지)를 가질 수 있다. 단계(510)는 또한, 열적 내구성이 강한 다중 층에 비해 비자성 스페이서 층에 가까운 PEL을 포함할 수 있다. 따라서, 단계(510)는 다중 층들을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
비록 단계들(502,504,506,508,510)이 특정 층들을 제공하는 것으로 기술하였으나, 각각의 층의 가장자리 영역들은 전체 스택 구조가 형성될 때까지 정의되지 않을 수 있다. 피고정 층(들)의 가장자리 영역들, 비자성 스페이서 층(들), 그리고 자유 층은 이러한 층들이 형성되는 것보다 다른 시기에 정의될 수 있다. 따라서, 단계들(502,504,506,508,510)이 각각의 적절한 시기에 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 적어도 하나 이상의 단계들(502,504,506,508,510)은 층을 형성할 뿐 아니라 즉시 그 층의 가장자리 영역들을 정의하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 단계(들)(504,508)에서 비자성 스페이서 층 형성은, 형성된 자기 접합의 적어도 일부분을 어닐링하는 것을 포함할 수 있다. 터널링 장벽 층의 형성 이후에는 어닐링 공정이 수월하게 이루어지기 때문에, 어닐링 공정은 다른 공정으로 간주될 수 있고, 피고정 층의 형성이 단계(510)에서 이루어지는 것에 국한되지 않는다.
방법(500)을 통해, 자기 접합(100,100',100")이 형성될 수 있다. 따라서, 적어도 하나 이상의 다중 층들(200,200'200",300,300',300")을 이용하는 자기 접합(들)(100,100',100")의 이점들을 획득할 수 있다. 특히, 면을 벗어나는 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 다중 층을 얻을 수 있고, 강한 열적 내구성을 획득할 수 있다. 자기 접합들(100,100',100")은 보다 고온에서 어닐링될 수 있다. 일 예로, 400℃ 보다 고온에서 어닐링될 수 있고, 450℃ 또는 그보다 고온에서 어닐링될 수 있다. 결과적으로, 자기 저항이 향상될 수 있다.
도 14는 STT-MRAM과 같은 자기 소자에 사용 가능한, 열적 내구성이 강한 피고정 층 및/또는 자유 층(들)을 갖는 자기 접합을 제작하는 또 다른 방법(550)을 도시한다. 간략하게 나타내기 위해, 몇몇 단계들은 생략, 결합 및/또는 삽입될 수 있다. 나아가, 방법(550)은 수행된 자기 메모리 형성의 다른 단계들 이후에 시작될 수 있다.
단계(552)에서, 하부 피고정 층의 층(들)이 선택적으로 증착될 수 있다. 하부 피고정 층은 자기 접합(100')의 층(130) 또는 자기 접합(100")의 층(160)일 수 있다. 단계(552)에서 제공된 하부 피고정 층은, 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 하부 피고정 층은 복수 회 반복된 RE-TM 층 및 비결정질 자성 층을 포함한다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들) 또한 제공될 수 있다. 선택적으로, 또 다른 높은 수직 자기 이방성을 갖는 피고정 층이 제공될 수 있다. 다중 층에 더해, 단계(552)는 PEL을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, Mg 층 또는 Mg/Ta/Mg 삼중층과 같은 삽입 층이, 복수 회 반복되는 이중 층/계면 층 그리고 PEL 사이에 배치될 수 있다.
단계(554)에서, 터널링 장벽 층은 선택적으로 증착될 수 있다. 단계(554)는 MgO 층의 증착 및/또는 Mg 층의 증착 및 산화에 이용되는 RF를 포함할 수 있다. 자기 접합이 이중 자기 접합 또는 하부 피고정 자기 접합으로 형성되는 경우, 단계(554)는 수행될 수 있다.
단계(556)에서, 자유 층(110)과 같은 자유 층이 증착된다. 단계(556)에 제공된 자유 층은, 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 하부 피고정 층은 복수 회 반복된 RE-TM 층 및 비정질 자성 층을 포함한다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들) 또한 제공될 수 있다. 자유 층은 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 따라서, 단계(556)에서 형성된 자유 층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다.
단계(558)에서, 터널링 장벽 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(558)는 MgO 층의 증착 및/또는 Mg 층의 증착 및 산화에 이용되는 RF를 포함할 수 있다. 자기 접합이 이중 자기 접합 또는 상부 피고정 자기 접합으로 형성되는 경우, 단계(558)는 수행될 수 있다. 이중 자기 접합의 경우, 단계(558)에서 제공된 터널링 장벽 층은 메인 배리어 층(더 두껍고/더 큰 자기 저항을 갖는)일 수 있다. 따라서, 단계들(554,558)에서 제공된 분리 층들은 자유 층의 자기 상태들에 따라 다른 저항들을 가질 수 있다.
단계(560)에서, 상온을 초과하는 온도(들)에서의 어닐링이 수행될 수 있다. 어닐링 온도(들)은 적어도 400℃일 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 온도(들)은 450℃일 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 높은 어닐링 온도(적어도 450℃)가 바람직할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 섭씨 350℃만큼 낮은 더 낮은 온도에서 어닐링 공정을 진행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 공정은 급속 열 어닐링(RTA)일 수 있다. 일 예로, 어닐링은 10분 이상 지속되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 타임은 2분을 초과하지 않을 수 있다. 단계(560)의 어닐링 공정은 적어도 하나의 단계(554,558)의 터널링 장벽 층(들)을 적어도 부분적으로 결정화(결정 향상)하는데 쓰일 수 있다. 따라서, 단계(560)는 터널링 장벽 층(들)을 형성하는 단계의 일부로 간주될 수 있다. 그러나, 어닐링이 터널링 장벽 층(들)의 형성 후에 수행됨으로써, 어닐링 공정은 또한 상부 피고정 층의 형성의 일부로 간주될 수 있다.
단계(562)에서, PEL이 선택적으로 증착될 수 있다. 단계(562)는 CoFeB 층의 증착 및/또는 FeB 층의 증착을 포함한다. 단계(562)는 피고정 층 형성의 일부로 간주될 수 있다.
단계(564)에서, 상온을 넘는 온도에서 추가적인 어닐 공정이 선택적으로 수행될 수 있다. 어닐링 온도(들)은 적어도 400℃일 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 온도(들)은 적어도 400℃일 수 있다. 그러나, 낮은 어닐링 온도(예를 들어, 400℃)가 선호될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 어닐링은 350℃만큼 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 공정은 급속 열 어닐링(RTA)일 수 있다. 일 예로, 어닐링은 20분 이상 지속되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐링 타임은 10분을 초과하지 않을 수 있다. 단계(564)의 어닐링 공정은 적어도 하나의 단계(554,558)의 터널링 장벽 층(들)을 적어도 부분적으로 결정화(결정 향상)하는데 쓰일 수 있다. 따라서, 단계(560)는 터널링 장벽 층(들)을 형성하는 단계의 일부로 간주될 수 있다. 그러나, 어닐링이 터널링 장벽 층(들)의 형성 후에 수행됨으로써, 어닐링 공정은 또한 상부 피고정 층의 형성의 일부로 간주될 수 있다.
단계(566)에서, 상부 피고정 층의 잔류 부분이 선택적으로 증착될 수 있다. 상부 피 고정 층은 자기 접합(100,100")의 층(130)일 수 있다. 단계(510)는 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')과 같이 열적 내구성이 강한 다중 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 상부 피고정 층은 복수 회 반복된 RE-TM 층 및 비결정질 자성 층을 포함한다. 삽입 층(들) 및/또는 계면 층(들) 또한 제공될 수 있다. 선택적으로, 다른 피고정 층이 제공될 수 있다. 피고정 층은 높은 수직 자기 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 단계(566)는 다중 층들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 비록 도시되지 않았으나, 캐핑 층 및/또는 다른 층들 또한 증착될 수 있다.
단계(568)에서, 자기 접합이 정의될 수 있다. 단계(568)는 자기 접합(들)을 형성하기 위해 필요한 스택 구조의 층들의 일부를 덮는 마스크를 공급하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 밀(ion mill)을 이용하여 스택의 노출된 일부분이 제거된다. 자기 접합 및 자기 디바이스의 제작이 계속될 수 있다.
방법(550)을 이용해, 적어도 하나의 다중 층(들)(200,200'200",300,300',300",300"')을 포함하는 자기 접합(들)(100,100'100")을 형성할 수 있다. 따라서, 자기 접합(들)(100,100',100")의 이점을 얻을 수 있다. 따라서, 자기 접합(들)(100,100'100")의 기능이 향상될 수 있다.
자기 접합을 이용하여 제작된 자기 접합 및 메모리를 공급하는 방법 및 시스템이 기술되었다. 방법과 시스템은 개시된 실시예들에 따라 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형이 가능함을 알 수 있을 것이고, 어떠한 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내일 것이다. 따라서, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 이루어질 수 있다.
Claims (10)
- 기판 상에 배치되고, 자기 소자에 사용 가능한 자기 접합에 있어서,
쓰기 전류가 상기 자기 접합에 인가되면 복수의 안정 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하고, 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 자유 층;
비자성 스페이서 층; 그리고
피고정 층을 포함하되,
상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치되고, 상기 피고정 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가지며, 상기 피고정 층 및 상기 자유 층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 이중 층을 포함하는 다중 층(multilayer)들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중 층의 각각은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제 2 층은 비정질 자성층을 포함하되, 상기 다중 층은 적어도 400℃까지의 온도에서 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는 자기 접합.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자기 전이 금속은 코발트(Co)이고 상기 희토류는 터븀(Tb)이며, 상기 제 1 층은 0.4 내지 0.5의 x값을 갖는 CoxTb1-x를 포함하고, 상기 비정질 자성층은 CoFeB 및 FeB 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
- 제 2 항에 있어서,
상기 다중 층은 적어도 하나의 계면 층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중 층은 상기 적어도 하나의 상기 계면 층과 인접하는 자기 접합.
- 제 3 항에 있어서,
상기 다중 층은 적어도 하나의 삽입층을 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 삽입 층은 상기 이중 층과 상기 적어도 하나의 계면 층 사이의 제 1 위치, 및 상기 적어도 하나의 계면 층이 상기 이중 층 및 상기 적어도 하나의 삽입층 사이에 배치되도록 하는 제 2 위치 중에서 선택된 적어도 한 위치에 있고, 상기 적어도 하나의 삽입 층은 Tb 차단 물질을 포함하는 자기 접합.
- 제 4 항에 있어서,
상기 Tb 차단 물질은, Ta, W, Hf, 그리고 Mg 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피고정 층은, 상기 비자성 스페이서 층과 인접하는 분극 강화 층(polarization enhancement layer)을 더 포함하는 자기 접합.
- 제 1 항에 있어서,
추가 비자성 층; 및
추가 피고정 층을 더 포함하되,
상기 자유 층은 상기 비자성 층과 상기 추가 비자성 층 사이에 배치되고, 상기 추가 비자성 층은 상기 자유 층과 상기 추가 피고정 층 사이에 배치되는 자기 접합.
- 제 7 항에 있어서,
상기 추가 피고정 층은, 적어도 하나의 추가 이중 층을 포함하는 추가 다중 층을 포함하고, 상기 추가 이중 층의 각각은 추가 제 1 층 및 추가 제 2 층을 포함하며, 상기 추가 제 1 층은 추가 자기 전이 금속과 추가 희토류의 추가 합금을 포함하고, 상기 추가 제 2 층은 추가 비정질 자성 층을 포함하고, 상기 추가 다중 층은 적어도 400℃까지의 온도에서 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는 자기 접합.
- 기판 상에 배치된 자기 메모리에 있어서,
복수의 자기 저장 셀들, 상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 피고정 층, 자유 층, 그리고 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이의 비자성 스페이서 층을 포함하고, 상기 자유 층은 쓰기 전류가 상기 자기 접합으로 인가되면 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하고, 상기 자유 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 피고정 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 피고정 층 및 상기 자유 층 중의 적어도 하나는 적어도 하나의 이중 층을 포함하는 다중 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중 층의 각각은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제 2 층은 비정질 자성 층을 포함하고, 상기 다중 층은 적어도 400℃의 온도까지 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖고; 그리고
상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합된 복수의 비트 라인들을 포함하는 자기 메모리.
- 기판 상에 배치되고 자기 소자에서 사용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법에 있어서,
자유 층을 제공하는 것, 상기 자유 층은 쓰기 전류가 상기 자기 접합에 인가되면 복수의 안정 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하고, 상기 자유 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖고;
비자성 스페이서 층을 제공하는 것;
피고정 층을 제공하는 것, 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치되고, 상기 피고정 층은 면을 벗어나는 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가지며, 상기 피고정 층 및 상기 자유 층 중의 적어도 하나는 적어도 하나의 이중 층을 포함하는 다중 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중 층의 각각은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제 2 층은 비정질 자성층을 포함하되, 상기 다중 층은 적어도 400℃까지의 온도에서 0이 아닌 수직 자기 이방성을 갖는 방법.
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