KR102335104B1 - 자기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자는 제1 자화층을 포함하는 자유층과, 제2 자화층을 포함하는 고정층과, 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 개재된 터널 배리어층을 포함하고, 상기 제1 자화층 및 상기 제2 자화층 중 적어도 하나는 제1 강자성층과, 제2 강자성층과, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자이다.

Description

자기 소자{Magnetic device}
본 발명의 기술적 사상은 자기 소자에 관한 것으로, 특히 합성 반강자성층(Synthetic Anti-ferromagnetic: SAF) 구조를 가지는 자성층을 구비하는 자기 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
최근 자기 저항(Tunnel MagnetoResistance) 특성을 이용하는 자기터널접합(magnetic tunnel junction: MTJ)이 자기 소자에 채용되고 있다. 이러한 자기 소자의 성능을 향상하고 자기적 구조의 안정화와 읽기/쓰기시의 오류를 방지하기 위해서 교환 결합을 지닌 합성 반강자성층 구조가 이용되기도 한다. 일반적으로, 교환 결합 자기장(Exchange coupling field)의 크기가 클수록 소자의 안정화에 이점을 지니고 있다.
자기 저항비를 높이기 위하여 자기 소자에 어닐링 공정이 수행되기도 하는데, 고온화에 따라 물질층이 주변으로 확산되어 오히려 소자의 성능을 열화시키는 문제가 발생한다. 이에 따라, 열내성을 갖는 자기 소자 구조를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 자기 소자의 특성 향상를 위해 높은 교환 결합 자기장을 확보하는 동시에, 열내성이 우수하여 고열에서 안정된 동작이 가능한 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 자기 소자는, 제1 자화층을 포함하는 자유층과, 제2 자화층을 포함하는 고정층과, 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 개재된 터널 배리어층을 포함하고, 상기 제1 자화층 및 상기 제2 자화층 중 적어도 하나는 제1 강자성층과, 제2 강자성층과, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층으로 이루어지는 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer: SAF)구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층은 Rh를 1at%이상 60at%이하 포함하고, 그 잔부는 Ru를 포함하는 합금 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층은 육방최밀충진(hexagonal closest packing: HCP) 결정 배향 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층은 Ir, Re, Os, Mo, W, Ta, Cr 또는 Cu로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 1at%이상 15at%이하 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층의 두께는 3~15 Å인 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 중 적어도 하나는 Co로 이루어지는 제1 층과, Pt 또는 Pd로 이루어지는 제2 층이 교대로 적층된 다층 박막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 중 적어도 하나는 L11 또는 L10형 원자 규칙 구조를 가지는 자성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층은 결정질 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 합성 반강자성층과 상기 터널 배리어층 사이에 비정질 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층은 수직 자화층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층은 수평 자화층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제2 자화층을 사이에 두고 상기 터널 배리어층과 이격된 반강자성층(anti ferromagnetic layer: AFM)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 합성 반강자성층은 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재되고 상기 Ru-Rh 합금층에 접해 있는 Ru층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층과 Ru층은 상기 Ru-Rh 합금층과 상기 Ru층이 교대로 복수회 적층된 다층 박막 구조인 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 자기 소자는, 제1 자화층을 포함하는 자유층과, 제2 자화층을 포함하는 고정층과, 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 개재된 터널 배리어층을 포함하고, 상기 제1 자화층 및 상기 제2 자화층 중 적어도 하나는 제1 강자성층과, 제2 강자성층과, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층과 Ru층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자와, 상기 자유층 및 상기 고정층 중 어느 하나에 연결되는 스위치 소자, 및 상기 자유층 및 상기 공정층 중 다른 하나에 연결되는 비트라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자는 높은 교환 결합 자기장을 가지는 동시에, 동시에 열내성이 우수하여 고열에서 안정된 동작이 가능한 자기 소자이다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 Ru-Rh 합금층 및 Ru층을 포함하는 다층 박막 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 Ru-Rh 합금층의 두께에 따른 교환 결합 자기장(exchange coupling field)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 Ru-Rh 합금층의 조성비에 따른 상평형도를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 강자성층의 다층 박막 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 강자성층의 원자 규칙 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자의 교환 결합 자기장에 따른 자기 모멘트를 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자의 메모리 셀 어레이를 나타낸 회로도이다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 전자 시스템의 블록도이다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 정보 처리 시스템의 블록도이다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 메모리 카드이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(10) 의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, STT-MRAM(spin transfer torque magnetic random access memory)을 이루는 자기 소자(10)가 예시되어 있다.
자기 소자(10)를 이루는 하나의 메모리 셀(MC)은 MTJ (magnetic tunnel junction) 구조(MD) 및 셀 트랜지스터(CT)를 포함할 수 있다. 상기 MTJ 구조(MD)는 자유층(free layer)(FL), 고정층(pinned layer)(PL) 및 상기 자유층(FL)과 상기 고정층(PL) 사이에 개재된 터널 배리어층(tunnel barrier layer)(BAR)를 포함한다. 비트라인(BL)과 상기 셀 트랜지스터(CT)의 드레인 전극(D)은 상기 MTJ 구조(MD)의 자유층 (FL) 및 고정층(PL)과 연결된다. 상기 셀 트랜지스터(CT)의 소스 전극(S)은 소스 라인(SL)에 연결된다. 상기 셀 트랜지스터(CT)의 게이트(G)는 워드라인(WL)에 연결된다. 상기 셀 트랜지스터(CT)는 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET)구조일 수 있다.
상기 고정층(PL)은 제1 강자성층(PL1), 제2 강자성층(PL2) 및 상기 제1 강자성층(PL1)과 제2 강자성층(PL2) 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층(SP)을 포함하는 합성 반강자성 구조(Synthetic Anti-ferromagnetic: SAF)로 되어 있다. 도 1에서는 비트라인(BL)은 상기 MTJ구조(MD)의 자유층(FL)과 연결되고, 상기 MTJ구조(MD)의 고정층(PL)은 상기 셀 트랜지스터(CT)의 드레인 전극(D)과 연결되는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 고정층(PL)이 터널 배리어층(BAR)의 상부에 배치되어 비트라인(BL)과 연결되고, 자유층(FL)이 상기 터널 배리어층(BAR)의 하부에 배치되어 셀 트랜지스터(CT)의 드레인(D)에 연결될 수 있다. 또한, 도 1에서는 고정층(PL)에만 상기 합성 반강자성층 구조를 포함하는 것으로 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 자유층(FL) 및 상기 고정층(PL)의 적어도 하나는 상기 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자일 수 있다.
상기 MTJ 구조(MD)는 데이터 저장 소자로 기능할 수 있고, 상기 셀 트랜지스터(CT)는 스위치 소자로 기능할 수 있다. 상기 MTJ 구조(MD)의 상기 자유층(FL)은 상기 자유층(FL)의 연장 방향에 수직인 방향으로 자화 용이축 (magnetization easy axis)을 가지고 자화 방향이 조건에 따라 가변적이다. 상기 자유층(FL)의 자화 방향은 스핀 전달 토크 (spin transfer torque: STT)에 의해 변할 수 있다. 상기 고정층(PL)은 상기 고정층(PL)의 연장 방향에 수직인 방향으로 자화 용이축을 가지고 자화 방향이 고정되어 있다. 도 1에서는 층의 연장 방향의 수직 방향으로의 자화 방향인 경우를 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 고정층(PL)의 자화 방향이 상기 고정층(PL)의 연장 방향과 수평한 방향이고, 상기 자유층(FL)의 자화 방향이 이와 평행 또는 반평행하게 변할 수 있다.
상기 자기 소자(10)의 쓰기 동작은 상기 비트 라인(BL)에 흐르는 전류와 상기 워드 라인(WL)에 흐르는 전류가 만드는 합성 자장(synthetic magnetic field)으로 상기 MTJ 구조(MD)의 상기 자유층(FL)의 자화 배열을 제어하여 수행될 수 있다. 상기 고정층(PL)의 자화 방향은 고정되어 있기 때문에, 상기 비트라인(BL)의 전류 방향을 바꿈으로써 상기 자유층(FL)의 자화 방향을 반전시켜서 상기 고정층(PL)의 자화 방향과 평행 또는 반평행하도록 조정한다. 상기 고정층(PL)과 상기 자유층(FL)의 자화 방향이 평행하게 될 때 데이터 '0'이 저장될 수 있고, 반평행하게 될 때 데이터 '1'이 저장되도록 제어할 수 있다.
상기 자기 소자(10)의 읽기 동작은 TMR(Tunnel magnetoresistance) 효과를 이용하여 수행될 수 있다. MTJ 구조(MD)의 양 끝에 전압 인가시 상기 터널 배리어층(BAR)에 터널 전류가 흐른다. 셀 트랜지스터(CT)를 통전 가능하게 하고, 터널 전류에 의해 발생한 전압강하, 즉 저항 크기를 측정하여 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화 방향이 평행하여 저항이 작을 때는 데이터 ‘0’로 해석하고, 자화 방향이 반평행하여 저항이 클 때는 데이터 ‘1’로 해석할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(20, 25)의 단면도이다. 도 2a 내지 도 3b, 도 9 내지 도 12의 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 자기 소자(20)는 고정층(PL), 자유층(FL) 및 상기 고정층(PL)과 상기 자유층(FL) 사이에 개재된 터널 배리어층(BAR)을 포함하고, 상기 고정층(PL)은 제1 강자성층(PL1), 제2 강자성층(PL2) 및 상기 제1 강자성층(PL1)과 상기 제2 강자성층(PL2)의 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층(SP)으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함하고 있다. 상기 합성 반강자성층 구조는 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 상호 작용으로 인한 반강자성 결합(Anti-Ferromagnetic Coupling: AFC) 특성을 나타낸다. 상기 제2 강자성층(PL2)은 상기 제1 강자성층(PL1)과 반평행한 자기 모멘트를 가지고, 상기 제2 강자성층(PL2) 및 상기 제1 강자성층(PL1)은 고정층(PL)을 구성하며 자화 방향이 변하지 않는다. 상기 자유층(FL)은 인가 자기장에 의해 자화 방향이 가변할 수 있다. 상기 자유층(FL)의 자화 방향과 상기 고정층(PL)의 자화 방향의 평행 또는 반평행에 의해 통전량이 결정된다. 상기 터널 배리어(BAR)는 비자성 물질을 포함할 수 있다.
제1 강자성층 및 제2 강자성층 사이에 Ru-Rh 합금층(SP)이 개재되는 경우, 외부 자기장이 가해졌을 때 다른 전이 금속층이 개재되는 경우에 비하여 높은 전기 전도성을 나타낸다. Co와 같은 육방밀집구조(hexagonal close-packed: HCP) 의 물질층과 전이 금속층으로 구성되는 다층 박막 구조에서 정규화된 교환 결합 강도(normalized coupling strength)를 평가하는 경우, Ru 및 Rh를 포함하는 다층 박막이 Ir, Cr, Cu, Re, Cr, V, Mo, W, Nb, Ta 등의 다른 전이 금속보다 상대적으로 높은 교환 결합 강도를 가진다. 또한 Fe와 같은 체심임방구조(body-centered cubic: BCC)의 물질층과 전이 금속층간의 다층 박막 구조에서 정규화된 교환 결합 강도(normalized coupling strength)를 평가하는 경우에도, Ru 및 Rh를 포함하는 다층 박막이 Ir, Cu, Re, Cr, V, Mo, W, Nb, Ta 등의 다른 전이 금속보다 상대적으로 높은 교환 결합 강도를 가지고 있다. 이것은 외부 자기장이 인가되었을 때 비자성층을 사이에 두고 이격된 양 강자성층의 스핀의 배열이 동일하게 되기 위한 교환 결합 강도가 높아진다는 것으로, 비자성층으로서 Ru-Rh합성층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 갖는 자기 소자는 개선된 동적 특성을 가질 수 있음을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)은 Rh를 1at%이상 60at%이하 포함하고, 그 잔부는 Ru로 이루어진 합금 조성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)은 육방최밀충진(hexagonal closest packing: HCP) 결정 배향 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)은 Ir, Re, Os, Mo, W, Ta, Cr 또는 Cu로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 1 at%이상 15at%이하 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)는 3~15 Å일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 사이에는 Ru-Rh 합금과 Ru층을 포함하는 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer: SAF)구조를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 Co로 이루어지는 제1 층과, Pt 또는 Pd로 이루어지는 제2 층이 교대로 적층된 다층 박막 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 Co-Pt 합금 또는 Co-Pd 합금을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 L11 또는 L10형 원자 규칙 구조를 가지는 자성 물질로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1)과 상기 제2 강자성층(PL2)은 결정질 물질층을 포함하고, 일부 실시예들에서, 상기 합성 반강자성층과 상기 터널 배리어층(BAR) 사이에 비정질 물질층을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 고정층(PL)을 사이에 두고 상기 터널 배리어층(BAR)과 이격된 반강자성층(anti ferromagnetic layer: AFM)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 터널 배리어(BAR)는 Mg, Ti, Al, MgZn, 및 MgB 중에서 선택되는 어느 하나의 물질의 산화물, 또는 Ti 질화물 또는 V 질화물로 이루어 질 수 있다. 일부 실시예들에서, 터널 배리어(BAR)는 단일층으로 이루어 질 수 있고, 차례로 적층된 복수의 층을 포함하는 다중층으로 이뤄질 수 있다. 예를 들면, 터널 배리어(BAR)는 Mg/MgO, MgO/Mg, 및 Mg/MgO/Mg 중에서 선택되는 다중층 구조를 가질 수 있다. 상기 실시예들에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
도 2a에서는 고정층(PL)에만 상기 합성 반강자성층 구조를 포함하는 것으로 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 자유층(FL) 또는 상기 고정층(PL)의 적어도 하나가 제1 강자성층, 제2 강자성층 및 상기 제1 강자성층과 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자일 수 있다.
이에 따라 도 2b를 참조하면, 자기 소자(25)는 제1 강자성층(PL1), 제1 Ru-Rh 합금층(SP1), 및 제2 강자성층(PL2)으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 고정층(PL)을 포함하고, 상기 고정층(PL)과 터널 배리어층(BAR)을 사이에 두고 이격된 곳에 형성되는 자유층(FL)은 제3 강자성층(FL1), 제2 Ru-Rh 합금층(SP2), 및 제4 강자성층(FL2)으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 고정층(PL)이 상기 합성 반강자성층 구조를 포함하는 경우에는, 상기 자유층(FL)에 포함되는 제2 Ru-Rh 합금층(SP2)은 Ru, Rh, Cr, Ir, Re, Os, Re, V, Mo, Nb, W, Ta 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금층으로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 자기 소자(25)의 제1 Ru-Rh 합금층(SP1)의 두께(D1)은 3~15Å이고, 제2 Ru-Rh 합금층(SP2)의 두께(D2)는 3~15Å일 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(30, 35)를 나타낸 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 자유층(FL), 고정층(PL), 및 상기 자유층(FL)과 상기 고정층(PL) 사이에 개재되는 터널 배리어층(BAR)을 포함하고, 상기 고정층(PL)은 제1 강자성체(PL1)와 제2 강자성층(PL2)와 상기 제1 강자성체(PL1) 및 상기 제2 강자성체(PL2) 사이에 개재되는 Ru층(SP1)과 상기 Ru층(SP1) 상에 형성된 Ru-Rh 합금층(SP2)을 포함하는 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 갖는 자기 소자(30)이다.
상기 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)의 상기 Ru층(SP1)은 300 ℃이상으로 고온 공정이 수행되는 경우 상기 Ru층(SP1)과 접하는 물질층들이 상기 Ru-Rh 합금층(SP2)으로 확산되는 것을 막을 수 있다. 따라서, Ru-Rh 합금층(SP2)을 포함하는 합성 반강자성체 구조의 당초 교환 결합력을 유지할 수 있어서, 고온화로 인한 소자의 열화를 막을 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Rh합금 복합층(SPA)을 구성하는 상기 Ru층(SP1)의 두께(D3)는 0.5Å~3.5Å이고, 상기 Ru-Rh 합금층(SP2)의 두께(D4)는 0.5Å~10Å인 자기 소자일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP2)의 두께(D4)는 상기 Ru층(SP1)의 두께(D3)보다 두꺼울 수 있다.
도 3a에서는 Ru층(SP1) 위에 Ru-Rh 합금층(SP2)이 형성되어 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)을 구성하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, Ru-Rh 합금층(SP2)상에 Ru층(SP1)이 형성되어 상기 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)을 구성할 수 있다. 즉, 제1 강자성층(PL1)과 제2 강자성층(PL2)의 사이에 개재되는 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)은 Ru-Rh 합금층(SP2)을 사이에 두고 Ru층(SP1)와 상기 제2 강자성층(PL2)이 이격되게 형성될 수 있고, Ru층(SP1)을 사이에 두고 Ru-Rh 합금층(SP2)과 상기 제2 강자성층(PL2)이 이격되게 형성될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 상기 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)은 상기 제1 강자성층(PL1)과 상기 제2 강자성층(PL2) 중 확산이 활발한 층과 Ru층(SP1)이 접하도록 형성되는 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPA)일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 자유층(FL), 고정층(PL), 및 상기 자유층(FL)과 상기 고정층(PL) 사이에 개재되는 터널 배리어층(BAR)을 포함하고, 상기 고정층(PL)은 제1 강자성체(PL1)와 제2 강자성층(PL2)와 상기 제1 강자성체(PL1) 및 상기 제2 강자성체(PL2) 사이에 개재되는 상기 Ru-Rh 합금층(SP2)과 상기 Ru층(SP1)이 교대로 적층된 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPB)을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 갖는 자기 소자(35)가 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 Ru/Ru-Rh합금 복합층(SPB)은 상기 Ru-Rh 합금층(SP2)과 Ru층(SP1)을 포함하는 구조가 세 번 이상 반복되어 교대로 적층될 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 Ru-Rh 합금층의 두께에 따른 교환 결합 자기장(exchange coupling field)을 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 2a를 다시 참조하면, Ru-Rh 합금층(SP)을 형성하기 위한 Ru 대 Rh의 조성비를 80 대 20, 73 대 27, 67 대 33 at% 로 했을 때에 각각의 Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)에 따른 교환 결합 자기장의 크기 H 가 나타나 있다. Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)가 약 4Å ~ 5Å정도로 작을 때에 교환 결합 자기장의 크기 H 는 큰 양상을 보인다. 도 4에는 나타나 있지 않으나, 상기 교환 결합 자기장 H의 크기는 Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)가 4Å, 8Å, 12Å 근방에서 피크가 형성되어 오실레이션하는 양상을 보이므로, 필요로 하는 교환 결합 자기장 H의 크기에 따라 Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)를 설정하여 Ru-Rh 합금층(SP)를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 자기 소자(10)에 포함되는 Ru-Rh 합금층(SP)의 두께(D)는 3~15 Å인 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 Ru-Rh 합금층의 조성비에 따른 상평형도를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, Ru-Rh 합금층을 구성하는 Ru 대 Rh의 조성비에 따라 Ru-Rh 합금층의 결정 구조와 온도에 따른 상 변화가 나타나 있다. Ru원자 퍼센트가 40%이상, 즉 Rh원자 퍼센트가 60%이하가 되는 Ru-Rh 합금층(◇)은 Ru의 단일상(signle phase)인 것과 같게 되어 육방밀집구조(hexagonal closest packing: HCP)의 결정 배향 구조로 볼 수 있다. Ru원자 퍼센트가 약 34% 이하, 즉 Rh원자 퍼센트가 66%이상이 되는 Ru-Rh 합금층(●)은 Rh의 단일상 인 것과 같게 되어 면심입방구조(face-centered cubic: FCC)의 결정 배향 구조로 볼 수 있다.
Ru원자 퍼센트가 34%이상 40%이하, 즉 Rh원자 퍼센트가 60%이상 66%이하의 조성비를 갖는 Ru-Rh 합금층(□)은 Rh의 결정 구조와 Rh의 결정 구조가 융합되어 단일상을 형성하고 있지 않다.
상평형도는 상기 Ru-Rh 합금층의 고상선(△)을 나타내고 있는데, 이것은 HCP 결정 배향 구조와 FCC결정 배향 구조의 열에 대한 내성을 알 수 있는 지표가 될 수 있다. FCC 결정 구조에서 HCP 결정 배향 구조로 갈수록 높은 용융점을 가지는 양상을 보이므로, HCP 결정 배향 구조를 갖는 상기 Ru-Rh 합금층은 FCC 결정 배향 구조를 갖는 상기 Ru-Rh 합금층에 비하여 열에 대한 내성이 높다고 평가할 수 있다. 열내성이 높은 Ru-Rh 합금층은 고온화에 의한 확산이 심하지 않아 소자의 신뢰성있는 동작에 기여할 수 있다. 다만, Ru-Rh 합금층에서 Rh의 조성비가 작을수록 상기 Ru-Rh 합금층의 열내성이 강한 양상을 보이기는 하나, 약 300℃이하에서는 Ru-Rh 합금층이 Ru만을 포함하는 층보다 확산이 적으므로, Ru-Rh 합금층의 실익이 있다.
일부 실시예들에서, 자기 소자(10)에 있어서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)은 Rh를 1at%이상 60at%이하 포함하고, 그 잔부는 Ru을 포함하는 합금 조성을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 자기 소자(10)에 있어서, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)은 육방밀집구조의 결정 배향 구조를 가질 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 강자성층의 다층 박막 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6a를 참조하면, Co를 포함하는 복수의 제1 층 및 Pd를 포함하는 복수의 제2 층을 교대로 복수회 반복 형성된 다층 박막구조를 포함하는 제1 강자성층(PL1A)이 나타나 있다.
도 6b를 참조하면, Co를 포함하는 복수의 제1 층 및 Pt를 포함하는 복수의 제2 층을 교대로 복수회 반복 형성된 다층 박막구조를 포함하는 제1 강자성층(PL1B)이 나타나 있다.
다시 도 2a에 도시된 자기 소자(20)에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 대신 도 6a의 다층 박막 구조를 갖는 상기 제1 강자성층(PL1A)를 포함하는 자기 소자 또는 상기 제1 강자성층(PL1) 대신 도 6b의 다층 박막 구조를 갖는 상기 제1 강자성층(PL1B)를 포함하는 자기 소자일 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 6a 내지 도 6b에서는 Co로 이루어지는 복수의 제1 층 과 Pt 또는 Pd로 이루어지는 복수의 제2 층으로 구성된 다층 박막 구조를 도시 하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 제1 층은 불순물을 포함하는 Co일 수 있고, 상기 제2 층은 불순물을 포함하는 Pt 또는 불순물을 포함하는 Pd일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 층 및 상기 제 2층은 각각 1 ∼ 5 Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자에 포함되는 강자성층의 원자 규칙 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2a에 도시된 자기 소자(10)에 있어서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 L10 또는 L11 형 원자 규칙 구조를 가지는 자성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 소자일 수 있다.
도 7a를 참조하면, 자기 소자(10)의 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 제1 원자(110)로 이루어 지는 제1 층과, 제2 원자(120)으로 이루어지는 제2 층이 교대로 형성된 수직 자화 고정층으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 L10형 원자 규칙 구조를 갖는 Co 기반의 수직 자화 고정층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 원자(110)는 Co이고, 제2 원자(120)는 Pt 또는 Pd일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 Fe50Pt50, Fe50Pd50, 및 Fe50Ni50를 포함하는 L10 원자 규칙 구조를 갖는 물질 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 자기 소자(10)의 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 제1 원자(130)로 이루어지는 제1 층과, 제2 원자(140)로 이루어지는 제2 층이 교대로 형성된 수직 자화 고정층으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1) 및 상기 제2 강자성층(PL2) 중 적어도 하나는 L11 형 원자 규칙 구조를 갖는 Co 기반의 수직 자화 고정층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 원자(130)는 Co이고, 제2 원자(140)는 Pt 또는 Pd일 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 자기 소자(10)의 교환 결합 자기장에 따른 자기 모멘트를 나타낸 그래프이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, Ru-Rh 합금층(SP)을 포함하는 자기 소자(10)의 유효한 교환 결합 자기장 범위가 나타나 있다.
도 8a를 참조하면, Ru 대 Rh의 조성비가 67 대 33 at% 인 Ru-Rh 합금층을 300 ℃에서 2시간의 어닐링 공정을 거친 조건하에서 얻어진 교환 결합 자기장 Hex에 대한 자기 모멘트 M의 결과이다. 강자성층 사이에 비자성층으로서 Ru층을 형성하는 경우에 -4.5KOe ~ 4.5KOe 수준의 교환 결합 자기장 Hex 범위에서 유효한 자기 모멘트 M를 가질 수 있는 것에 비하여, 본 발명의 기술적 사상에 따라 강자성층 사이에 Ru-Rh 합금층을 형성하는 경우에는 약 -7.0KOe ~ 7.0KOe 수준의 교환 결합 자기장 Hex 범위에서 유효한 자기 모멘트 M를 가질 수 있다.
도 8b를 참조하면, Ru 대 Rh의 조성비가 67 대 33 at% Ru-Rh 합금층을 350 ℃에서 1시간의 어닐링 공정을 거친 조건하에서 얻어진 교환 결합 자기장 Hex에 대한 자기 모멘트 M의 결과이다. 반강자성층의 결정성 향상을 위해 고온화하는 어닐링 공정을 수행하는 경우 물질층의 확산에 의해 유효한 자기 모멘트 M를 얻을 수 있는 교환 결합 자기장 Hex 범위가 줄어든다. 강자성층 사이에 비자성층으로서 Ru층을 형성하는 경우에는 -3.0KOe ~ 3.0KOe 수준의 교환 결합 자기장 Hex 범위에서 유효한 자기 모멘트 M를 가질 수 있었던 것에 비하여, 본 발명의 기술적 사상에 따라 강자성층 사이에 Ru-Rh 합금층을 형성하는 경우에는 약 -3.5KOe ~ 3.5KOe 수준의 교환 결합 자기장 Hex 범위에서 유효한 자기 모멘트 M를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(40)의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 자기 소자(40)는 하부 전극(210)과, 상기 하부 전극(210)에 접하여 형성되는 버퍼층(220)과, 상기 버퍼층(220)에 접하여 형성되는 시드층(230)과, 상기 시드층(230)상에 형성된 제1 강자성층(PL1)을 포함한다. 상기 제1 강자성층(PL1)은 제2 강자성층(PL2)과 Ru-Rh 합금층(SP)과 함께 고정층(PL)을 구성한다.
상기 제1 강자성층(PL1)에서 충분한 자화 특성을 확보하기 위하여는 상기 하부 전극(210)을 구성하는 재료와 상기 제1 강자성층(PL1)을 구성하는 재료와의 매칭이 필요하다. 상기 버퍼층(220)은 상기 하부 전극(210)과 상기 시드층(230)과의 사이에 개재되어 상기 하부 전극(210)의 결정 구조와 상기 시드층(230)의 결정 구조를 매칭하고, 상기 시드층(230)의 수직 배향성이 증가하도록 시드층(230)의 결정 축을 제어한다. 상기 시드층(230)은 상기 제1 강자성층(PL1)이 장범위 규칙의 초격자로 형성될 수 있도록 제어한다.
일부 실시예들에서, 상기 하부 전극(210)은 금속 또는 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 전극(210)은 낮은 배선 저항을 구현하기 위하여 N 함량이 비교적 낮은 TiN으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 버퍼층(220)은 Ti, Zr, Hf, Y, Sc, 또는 Mg로 이루어지는 층을 포함하거나, Co를 함유하는 비정질 합금층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼층(220)은 CoZr, CoHf, 또는 CoFeBTa로 이루어지는 박막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 시드층(230)은 Ru 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 하부 전극(210), 버퍼층(220), 및 시드층(230)은 동일한 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 전극(210), 버퍼층(220), 및 시드층(230)은 각각 HCP 결정 배향 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 강자성층(PL1)상에 형성되는 Ru-Rh 합금층(SP)과, 상기 Ru-Rh 합금층(SP)상에 형성되는 제2 강자성층(PL2)은 합성 반강자성층 구조를 형성한다. 상기 합성 반강자성층 구조상에 터널 배리어층(BAR)이 형성되고, 상기 터널 배리어층(BAR)의 상부에 자유층(FL)이 형성된다. 상기 자기 소자(40)의 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP), 제2 강자성층(PL2), 터널 배리어층(BAR) 및 자유층(FL)은 도 2 내지 도 8에서 설명한 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP), 제2 강자성층(PL2), 터널 배리어층(BAR) 및 자유층(FL)의 특성을 모두 가질 수 있다.
상기 자유층(FL)상에 보호층(240)이 형성되어 있다. 상기 보호층(240)은 Ta, Al, Cu, Au, Ag, Ti, TaN, 및 TiN 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 상기 보호층(240)상에는 상부 전극(250)이 형성되어 있다. 일부 실시예들에서, 상기 상부 전극(250)은 금속 또는 금속 질화물로 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(50)의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 도 9에 나타난 자기 소자(40)에 있어서, 상기 제1 강자성층(FL1) 및 상기 제2 강자성층(FL2)이 결정질 물질층을 포함하고, 상기 제2 강자성층(PL2)상에 형성되는 비정질층(260)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자(50)이다. 상기 합성 반강자성층 구조에 있어서 비자성층으로서 Ru-Rh 합금층(SP)가 쓰이는 경우, 어닐링 온도 300 ℃이하의 범위내에서는 제2 강자성층(PL2)이 결정질 물질층 또는 비정질 물질층 어느 하나를 포함하는 때에도 물질층의 확산이 줄어들어 열내성이 강한 자기 소자를 이룰 수 있다. 다만, 어닐링 온도 300 ℃이상 350℃이하의 범위에서는 제2 강자성층(PL2)이 결정질 물질층일 때에 물질층의 확산이 줄어들 수 있다. Ru-Rh 합금층(SP)은 결정질 물질층과의 확산이 적기 때문에, Ru-Rh 합금층(SP)과 접하는 양 강자성층을 결정질 물질층으로 하는 실익이 있다. 결정질 물질층을 포함하는 상기 제2 강자성층(PL2)상에 비정질층(260)을 더 형성하여, 물질층의 확산을 더 감소시킬 수 있다. 이 경우, 상기 비정질층(260)은 터널 배리어층(BAR)의 특성을 강화하는 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1), 제2 강자성층(PL2)은 Co 또는 Co 합금의 결정질 물질층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 비정질층(260)은 CoFeB계열의 비정질 물질층을 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(60)의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 도 9에 나타난 자기 소자(40)에 있어서, 상기 시드층(230)과 상기 제1 강자성층(PL1)사이에 개재되는 반강자성층(anti ferromagnetic layer: AFM) (270)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자(60)이다. 상기 반강자성층(270)은 상기 제1 강자성층(PL1)과 반강자성 결합(Anti-Ferromagnetic Coupling: AFC)에 의해 상기 제1 강자성층(PL1)의 자화 방향을 확고하게 고정시킬 수 있다. 특히, 상기 제1 강자성층(PL1)이 수평 자화 방향으로 고정하려는 경우 상기 반강자성층(270)이 필요하다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 강자성층(PL1)이 수직 자화 방향으로 고정되어 있는 경우 상기 반강자성층(270)은 생략될 수 있다.
도 11에서는 시드층(230)의 상부에 상기 반강자성층(270)이 형성되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 고정층(PL)의 양 계면 중 자유층(FL)과 인접하지 않은 계면과 접하도록 상기 반강자성층(270)이 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(70)의 단면도이다.
도 12를 참조하면, 터널 배리어(BAR)와 자유층(FL)의 사이에는 상기 자유층(FL)의 스핀 분극을 증가시키기 위한 분극 강화층(280)이 개재되어 있다. 상기 분극 강화층(280)은 상기 자유층(FL)에서의 스핀 분극을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 상기 분극 강화층(280)의 자화 방향은 상기 제2 강자성층(PL2)과 동일한 자화 방향을 가질 수 있다.
상기 분극 강화층(280)은 Co, Fe, 또는 Ni 중에서 선택되는 강자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분극 강화층(280)은 CoFeB 자성층으로 이루어질 수 있다. 기 분극 강화층(280)은 높은 스핀 분극률 및 낮은 댐핑 상수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 분극 강화층(280)은 B, Zn, Ru, Ag, Au, Cu, C, 또는 N 중에서 선택되는 비자성 물질을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제2 강자성층(PL2)과 터널 배리어층(BAR) 사이에 분극 강화층이 형성되는 자기 소자가 있을 수 있다. 상기 분극 강화층의 자화 방향은 상기 제2 강자성층(PL2)의 자화 방향과 동일한 자화 방향을 가질 수 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 소자(80)의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13를 참조하면, 기판(302)상에 소자분리막(304)을 형성하여 활성 영역(306)을 정의한다. 일부 실시예들에서, 상기 기판(302)은 반도체 웨이퍼이다. 상기 기판(302)은 Si를 포함할 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 기판(302)은 Ge과 같은 반도체 원소, 또는 SiC, GaAs, InAs, 및 InP와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또 다른 일부 실시예들에서, 상기 기판(302)은 SOI (silicon on insulator) 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(302)은 BOX 층 (buried oxide layer)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 기판(302)은 도전 영역, 예를 들면 불순물이 도핑된 웰 (well), 또는 불순물이 도핑된 구조물을 포함할 수 있다. 상기 소자분리막(304)은 STI (shallow trench isolation) 구조를 가질 수 있다.
상기 활성 영역(306)에는 셀 트랜지스터(CT)를 형성한다. 상기 트랜지스터(CT)는 게이트 절연막(312), 게이트 전극(G), 소스 영역(S), 및 드레인 영역(D)을 포함한다. 상기 게이트 전극(G)은 절연 캡핑 패턴(320) 및 절연 스페이서(322)에 의해 그 상면 및 양 측벽이 각각 절연되도록 형성된다.
상기 기판(302) 상에 상기 셀 트랜지스터(CT)를 덮는 평탄화된 제1 층간절연막(330)을 형성하고, 상기 제1 층간절연막(330)을 관통하여 상기 소스 영역(S)에 전기적으로 연결되는 제1 콘택 플러그(332)와, 상기 드레인 영역(D)에 전기적으로 연결되는 제2 콘택 플러그(334)를 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(330) 위에 도전층을 형성한 후, 상기 도전층을 패터닝하여, 상기 복수의 제1 콘택 플러그(332)를 통해 상기 소스 영역(S)에 전기적으로 연결되는 소스 라인(SL)과, 상기 소스 라인(SL)의 양측에서 상기 제2 콘택 플러그(334)를 통해 상기 드레인 영역(D)에 각각 전기적으로 연결되는 도전 패턴(338)을 형성한다.
상기 제1 층간절연막(330) 위에서 상기 소스 라인(SL) 및 도전 패턴(338)을 덮도록 제2 층간절연막(340)을 형성한다. 포토리소그래피 공정을 이용하여, 상기 도전 패턴(338)의 상면을 노출시키도록 상기 제2 층간절연막(340)을 일부 제거하여 하부전극 콘택홀(340H)을 형성한다. 상기 하부 전극 콘택홀(340H) 내에 도전 물질을 채우고, 상기 제2 층간절연막(340)의 상부면이 노출되도록 상기 도전 물질을 연마하여, 하부 전극 콘택 플러그(342)를 형성한다. 일부 실시예들에서, 상기 하부 전극 콘택 플러그(342)는 TiN, Ti, TaN, Ta, 또는 W 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함한다.
상기 제2 층간절연막(340) 및 하부 전극 콘택 플러그(342) 위에 하부 전극층(352)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 상기 하부 전극층(352)은 금속 또는 금속 질화물로 이루어진다. 예를 들면, 상기 하부 전극층(352)은 TiN으로 이루어질 수 있다. 상기 하부 전극(352)을 형성하기 위하여, CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition), 또는 반응성 PLD (reactive pulsed laser deposition) 공정을 이용할 수 있다.
상기 하부 전극층(352) 위에 버퍼층(354)를 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(354)은 하부 전극층(352)와 시드층(356)과의 사이에서 하부 전극층(352)의 결정 구조와 시드층(356)의 결정 구조를 매칭하는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼층은 Ta로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층(354) 위에 시드층(356)을 형성한다. 상기 시드층(356)은 Ru, Pt 또는 Pd 층을 포함할 수 있다. 상기 시드층(356)은 CVD, PVD, ALD, 또는 반응성 PLD 공정에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 시드층(356)은 각각 스퍼터링 가스로서 Kr (krypton)을 사용하는 DC 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 시드층(356) 위에 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP) 및 제2 강자성층(PL2)을 차례로 형성하여 합성 반강자성층 구조를 포함하는 고정층(PL)을 형성한다. 상기 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP) 및 제2 강자성층(PL2)은 각각 MBE 또는 MOCVD 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP) 및 제2 강자성층(PL2)은 각각 약 200 ∼ 400 ℃의 비교적 저온의 공정 온도하에서 형성될 수 있다. 상기 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP) 및 제2 강자성층(PL2)으로 이루어지는 고정층(PL)에 대한 보다 상세한 설명은 도 1 내지 도 12를 참조하여 제1 강자성층(PL1), Ru-Rh 합금층(SP) 및 제2 강자성층(PL2)으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 고정층(PL)에 대하여 설명한 바를 참조한다.
상기 고정층(PL)위에 터널 배리어층(BAR)를 형성한다. 상기 터널 배리어층(BAR)는 Mg, Ti, Al, MgZn, 및 MgB 중에서 선택되는 어느 하나의 물질의 산화물, Ti 질화물, V 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 도 13에는 도시되지 않았으나, 도 12의 자기 소자(70)과 같이 상기 터널 배리어층(BAR)를 형성하기 전에 상기 고정층(PL) 위에 분극 강화층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 분극 강화층은 CoFeB 자성층으로 이루어질 수 있다. 상기 분극 강화층은 약 10 ∼ 20 Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 터널 배리어층(BAR) 위에 자유층(FL)을 형성한다. 도 13에는 도시되지 않았으나, 도 2b의 자기 소자(30)과 같이 상기 자유층(FL)은 제1 강자성층, 비자성층 및 제2 강자성층으로 이루어지는 합성 반강자성층 구조를 포함할 수 있다.
상기 자유층(FL) 위에 캡핑층(368)을 형성한다. 상기 캡핑층(368)은 Ta, Al, Cu, Au, Ti, TaN 및 TiN 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캡핑층(368)은 생략 가능하다.
상기 하부 전극층(352)으로부터 상기 캡핑층(368)에 이르기까지 차례로 적층된 적층 구조는 예시된 바에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 적층 구조 대신 도 1, 도2a, 도 2b, 도 9 내지 도 12에 예시한 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70) 중 어느 하나의 자기 소자의 적층 구조와 동일한 적층 구조를 포함하도록 형성할 수도 있다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따르면, 자기 소자에서 요구되는 특성에 따라 상기 적층 구조내에 다양한 종류의 막들이 추가 또는 대체될 수 있다.
상기 적층 구조 위에 복수의 도전성 마스크 패턴(372)을 형성한다. 상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)은 금속 또는 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)은 Ru, W, TiN, TaN, Ti, Ta, 또는 금속성 유리 합금 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함한다.
상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)을 식각 마스크로 이용하여 상기 적층 구조를 식각하여 복수의 자기 소자(MD)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 상기 적층 구조를 식각하기 위하여, 상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)이 형성된 결과물을 플라즈마 식각 챔버 내에 로딩한 후, 플라즈마 식각 공정을 행할 수 있다. 또한, RIE (reactive ion etching), IBE (ion beam etching), 또는 Ar 밀링 (milling) 공정을 이용할 수 있다. 상기 적층 구조(MD)의 식각 공정은 ICP (Inductively Coupled Plasma) 소스, CCP (Capacitively Coupled Plasma) 소스, ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 소스, 헬리콘파 여기 플라즈마 (HWEP: Helicon-Wave Excited Plasma) 소스, 또는 ACP (Adaptively Coupled Plasma) 소스로부터 형성된 플라즈마를 이용하여 행해질 수 있다. 상기 적층 구조(MD)의 식각 공정이 행해지는 동안, 상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)은 그 상면으로부터 일부가 식각 분위기에 의해 소모되어 낮아진 두께를 가질 수 있다.
상기 적층 구조를 식각한 결과물로서, 상기 복수의 하부 전극 콘택 플러그(342) 위에는 복수의 자기 소자(MD)가 얻어지게 된다. 상기 복수의 자기 소자(MD)에서, 상기 복수의 도전성 마스크 패턴(372)의 남은 부분과 상기 캡핑층(368)은 상부 전극으로서의 기능을 할 수 있다.
상기 복수의 자기 소자(MD)를 덮는 평탄화된 제3 층간절연막(380)을 형성하고, 상기 복수의 자기 소자(MD)를 구성하는 도전성 마스크 패턴(372)의 상면이 노출되도록 상기 제3 층간절연막(380)의 일부 영역을 식각에 의해 제거하여 복수의 비트 라인 콘택홀(380H)을 형성한다. 그 후, 상기 복수의 비트 라인 콘택홀(380H) 내부를 채우는 도전층을 형성한 후, 상기 제3 층간절연막(380)의 상면이 노출될 때까지 상기 도전층을 연마 또는 에치백하여, 복수의 비트 라인 콘택홀(380H) 내에 복수의 비트 라인 콘택 플러그(382)를 형성한다.
상기 제3 층간절연막(380) 및 복수의 비트 라인 콘택 플러그(382) 위에 비트 라인 형성용 도전층을 형성하고, 상기 도전층을 패터닝하여, 상기 복수의 비트 라인 콘택 플러그(382)와 전기적으로 연결되는 라인 형상의 비트 라인(BL)을 형성하여 자기 소자(80)를 완성한다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 셀 어레이를 나타낸 회로도이다.
도 14를 참조하면, 자기 소자(90)는 복수개의 워드라인들(WL0~WLn)과, 복수개의 비트라인들(BL0~BLm)과, 상기 워드라인(WL0~WLn)과 복수개의 비트라인들(BL0~BLm)이 교차하는 영역에 배치되는 적어도 하나의 메모리 셀(MC)를 포함한다.
상기 메모리 셀(MC)은 셀 트랜지스터(CT) 및 자기 소자(MD)를 포함할 수 있다. 상기 자기 소자(MD)는 도 2a 내지 도 13에서 설명한 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80)일 수 있다. 상기 자기 소자(MD)의 일측은 비트라인들(BL0~BLm) 중 어느 하나의 비트라인과 연결되고, 상기 자기 소자(MD)의 타측은 스위치 소자로 기능하는 상기 셀 트랜지스터(CT)의 드레인과 연결된다. 상기 셀 트랜지스터(CT)의 소스는 소스 라인(SL)과 연결된다.
도 15은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 전자 시스템(1000)의 블록도이다.
도 15을 참조하면, 전자 시스템(1000)은 입력 장치(1010), 출력 장치(1020), 프로세서(1030), 및 메모리 장치(1040)를 구비한다. 일부 실시예들에서, 메모리 장치(1040)는 불휘발성 메모리 셀을 포함하는 셀 어레이와, 읽기/쓰기 등의 동작을 위한 주변 회로를 포함할 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 메모리 장치(1040)는 불휘발성 메모리 장치 및 메모리 콘트롤러를 포함할 수 있다.
상기 메모리 장치(1040)에 포함되는 메모리(1042)는 도 1 내지 도 13를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, Ru-Rh 합금층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 상기 메모리(1042)는 도 14를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 소자(90)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(1030)는 인터페이스를 통해 입력 장치(1010), 출력 장치(1020), 및 메모리 장치(1040)에 각각 연결되어 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 정보 처리 시스템(1100)의 블록도이다.
도 16을 참조하면, 정보 처리 시스템(1100)은 버스(1102)에 전기적으로 연결되는 불휘발성 메모리 시스템(1110), 모뎀(1120), 중앙 처리 장치(1130), RAM(1140), 및 유저 인터페이스(1150)를 구비한다.
상기 불휘발성 메모리 시스템(1110)은 메모리(1112)와, 메모리 콘트롤러(1114)를 포함할 수 있다. 불휘발성 메모리 시스템(1110)에는 중앙 처리 장치(1130)에 의해 처리된 데이터 또는 외부에서 입력된 데이터가 저장된다.
상기 불휘발성 메모리 시스템(1110)은 MRAM, PRAM, RRAM, FRAM 등의 불휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리(1112) 및 RAM(1140) 중 적어도 하나는 도 1 내지 도 13를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, Ru-Rh 합금층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 상기 메모리(1112)는 도 14를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80)를 포함하는 자기 소자(90)를 포함할 수 있다.
상기 정보 처리 시스템(1100)은 휴대용 컴퓨터 (portable computer), 웹 타블렛 (web tablet), 무선 폰 (wireless phone), 모바일 폰 (mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어 (digital music player), 메모리 카드 (memory card), MP3 플레이어, 네비게이션 (navigation), 휴대용 멀티미디어 재생기 (portable multimedia player: PMP), 고상 디스크 (solid state disk: SSD), 또는 가전 제품 (household appliances)에 이용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 자기 소자를 포함하는 메모리 카드(1200)이다.
상기 메모리 카드(1200)는 메모리(1210) 및 메모리 제어기(1220)를 포함한다.
상기 메모리(1210)는 데이터를 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 메모리(1210)는 전원 공급이 중단되어도 저장된 데이터를 그대로 유지할 수 있는 불휘발성 특성을 갖는다. 상기 메모리(1210)는 도 1 내지 도 13를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, Ru-Rh 합금층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하는 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 상기 메모리(1210)는 도 14를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따라, 자기 소자(10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80)를 포함하는 자기 소자(90)를 포함할 수 있다.
상기 메모리 제어기(1220)는 호스트(1230)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 상기 메모리(1210)에 저장된 데이터를 읽거나, 상기 메모리(1210)의 데이터를 저장할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80: 자기 소자, 90: 자기 소자, MD: MTJ 구조, FL: 자유층, BAR: 터널 배리어층, PL: 고정층, FL1, PL1: 제1 강자성층, SP: Ru-Rh 합금층, SPA, SPB: Ru/Ru-Rh합금 복합층, FL2, PL2: 제2 강자성층

Claims (10)

  1. 제1 자화층을 포함하는 자유층과,
    제2 자화층을 포함하는 고정층과,
    상기 자유층과 상기 고정층 사이에 개재된 터널 배리어층과,
    상기 터널 배리어층과 상기 고정층 사이의 비정질층을 포함하고,
    상기 제2 자화층은
    제1 강자성층과, 상기 비정질층과 상기 제1 강자성층 사이의 제2 강자성층과, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층을 포함하는 합성 반강자성층을 포함하고,
    상기 Ru-Rh 합금층은 육방최밀충진 결정 배향 구조를 가지고,
    상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층은 결정질 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자
  2. 제1 항에 있어서, 상기 Ru-Rh 합금층은 Rh를 1at%이상 60at%이하 포함하고, 그 잔부는 Ru를 포함하는 합금 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 상기 Ru-Rh 합금층은 Ir, Re, Os, Mo, W, Ta, Cr 또는 Cu로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 1 at%이상 15at%이하 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 Ru-Rh 합금층의 두께는 3~15 Å인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 합성 반강자성층은 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재되고 상기 Ru-Rh 합금층에 접해 있는 Ru층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제2 자화층을 사이에 두고 상기 터널 배리어층과 이격된 반강자성층(anti ferromagnetic layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층은 수직 자화층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  10. 제1 자화층을 포함하는 자유층과, 제2 자화층을 포함하는 고정층과, 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 개재된 터널 배리어층과, 상기 터널 배리어층과 상기 자유층 사이의 비정질층을 포함하고,상기 제1 자화층은 제1 강자성층과, 상기 제1 강자성층과 상기 터널 배리어층 사이의 제2 강자성층과, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층 사이에 개재된 Ru-Rh 합금층과 Ru층을 포함하는 합성 반강자성층 구조를 포함하고, 상기 제1 강자성층 및 상기 제2 강자성층은 결정질 물질층을 포함하는 자기 소자;
    상기 자유층 및 상기 고정층 중 어느 하나에 연결되는 스위치 소자; 및
    상기 자유층 및 상기 고정층 중 다른 하나에 연결되는 비트라인;을 포함하고,
    상기 Ru-Rh 합금층은 육방최밀충진 결정 배향 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자
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