KR102471717B1 - 스핀 전달 토크 자기 램의 응용 분야에서 사용될 수 있는 수직 자기 접합에 하부 기준층을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 비자성 스페이서 층에 의하여 분리된 자유 층 및 기준 층을 포함한다. 상기 자유 층은 상기 자기 접합에 기록 전류가 흐를 때 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 상기 기준 층은 자신의 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 이하 PMA) 에너지를 갖는다. 상기 기준 층을 제공하는 것은 벌크 PMA(bulk perpendicular magnetic anisotropy; 이하 B-PMA) 층을 제공하는 것, 상기 B-PMA 층 상에 제1 계면 PMA(interfacial perpendicular magnetic anisotropy; 이하 I-PMA) 층을 제공하는 것, 및 상기 제1 I-PMA 층의 구성 성분의 싱크(sink) 역할을 하는 희생 층을 제공하는 것을 포함한다. 그 후, 어닐링이 수행된다. 상기 희생 층 및 상기 제1 I-PMA 층의 일부가 상기 어닐링 후에 제거된다. 상기 제거 공정 후에, 추가적 I-PMA 층(들)이 제공된다. 상기 제1 I-PMA 층의 잔존 부분 및 상기 추가적 I-PMA 층(들)은 20옹스트롬(Angstroms) 이하의 두께를 갖는다.
Description
본 발명은 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합에 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 주목받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크 자기 램(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory; 이하 STT-MRAM)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부가 기록되는 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된(spin polarized) 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 그 결과, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 소정의 상태로 스위칭 될 수 있다.
일 예로, 도 1은 일반적인 STT-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기 접합(10)을 도시한다. 일반적인 자기 접합(10)은 일반적으로 기판(12) 상에 배치된다. 일반적인 자기 접합(10)를 통해 전류가 흐르도록 하기 위해, 하부 콘택(14) 및 상부 콘택(22)이 사용될 수 있다. 일반적인 자기 접합(10)은 일반적인 시드 층(seed layer)(들)(미도시)을 사용할 수 있고, 캐핑 층들(capping layers)(미도시)을 포함할 수 있고, 일반적인 반강자성(antiferromagnetic; 이하 AFM) 층(미도시)을 포함할 수 있다. 일반적인 자기 접합(10)은 일반적인 기준 층(16), 일반적인 터널 배리어 층(18), 및 일반적인 자유 층(20)을 포함한다. 또한, 상부 콘택(22)이 도시되어 있다. 일반적인 콘택들(14 및 22)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 면-수직 전류(current-perpendicular-to-plane; 이하 CPP) 방향 또는 z축으로 전류를 흐르도록 하기 위해 사용된다. 보통, 일반적인 기준 층(16)은 층들(16, 18, 20) 중에서 기판(12)에 가장 가깝다.
일반적인 기준 층(16)과 일반적인 자유 층(20)은 자성을 띤다. 일반적인 기준 층(16)의 자화(17)는 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝된다(pinned). 비록 단일 층으로 도시되었으나, 일반적인 기준 층(16)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 기준 층(16)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전 층들을 통하여 반강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic: 이하 SAF) 층일 수 있다. 일반적인 기준 층(16)은 또한 다른 다중 층일 수 있다. 일반적인 자유 층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일 층으로 도시되었으나, 일반적인 자유 층(20) 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일반적인 기준 층(16) 및 일반적인 자유 층(20)은 각 층의 면에 수직한 방향의 자화들(17 및 21)을 각각 가질 수 있다.
수직한 자기 모멘트들(17 및 21)을 얻기 위하여, 다양한 구조들이 제안되어 왔다. 일 예로, 일반적인 기준 층(16)은 벌크 수직 자기 이방성(bulk perpendicular magnetic anisotropy layer; 이하 B-PMA) 층과 계면 수직 자기 이방성(interfacial perpendicular magnetic anisotropy; 이하 I-PMA) 층 사이의 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta) 층과 같은 비자성 결합(nonmagnetic coupling) 층들을 포함할 수 있다. B-PMA 층은 그 전체 층(entire layer)으로 인하여 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 이러한 B-PMA 층은 Co/Pt 다중 층 또는 합금일 수 있다. I-PMA 층은 주로 계면에서의 현상으로 인하여 자신의 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 일 예로, I-PMA 층은 CoFeB 및 FeB와 같은 층들을 포함할 수 있다. 하지만, B-PMA 층, I-PMA 층, 및 결합 층들은 모두 문제점들을 가지고 있다. B-PMA 층은 낮은 스핀 분극을 가질 수 있으며, 이는 일반적인 자기 접합(10)의 자기저항에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 비자성 삽입 층은 제조 과정 중에 확산될 수 있으며, 이는 수직 자기 이방성 및 자기저항에 부정적인 영향을 줄 수 있다. I-PMA 층은 자기 모멘트(17)를 적절히 고정할 수 있을 만큼 충분히 큰 수직 자기 이방성을 갖지 않을 수 있다. 따라서, 일반적인 자기 접합(10)은 낮은 자기저항, 기준 층(16)의 부족한 안정성, 및/또는 다른 문제점들을 가질 수 있다. 이에 따라, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 요구된다. 이하에서 설명되는 방법 및 시스템은 이러한 요구에 초점을 맞추고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성능이 향상된 자기 접합들을 제공하는데 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 성능이 향상된 자기 접합들을 제공하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
자기 접합, 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 비자성 스페이서 층에 의하여 분리된 자유 및 기준 층들을 포함할 수 있다. 상기 자유 층은 상기 자기 접합에 기록 전류가 흐를 때 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 상기 기준 층은 자신의 면-외 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 이하 PMA) 에너지를 가질 수 있다. 상기 기준 층을 제공하는 것은 벌크 PMA (bulk perpendicular magnetic anisotropy; 이하 B-PMA) 층을 제공하는 것, 상기 B-PMA 층 상에 제1 계면 PMA(interfacial perpendicular magnetic anisotropy; 이하 I-PMA) 층을 제공하는 것, 및 상기 제1 I-PMA 층의 구성 성분의 싱크(sink) 역할을 하는 희생 층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 그 후 어닐링이 수행될 수 있다. 상기 희생 층 및 상기 제1 I-PMA 층의 일부가 상기 어닐링 후에 제거될 수 있다. 상기 제거 공정 후에, 추가적 I-PMA 층(들)이 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층의 잔존 부분 및 상기 추가적 I-PMA 층(들)은 20옹스트롬(Angstroms) 이하의 두께를 가질 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 성능이 향상된 자기 접합들이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 성능이 향상된 자기 접합들을 제공하는 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 4 내지 도 9는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시한다.
도 10은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합의 예시적 실시예를 도시한다.
도 11은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 12 내지 도 15는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시한다.
도 16은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합의 예시적 실시예를 도시한다.
도 17은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적 실시예를 도시한다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 4 내지 도 9는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시한다.
도 10은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합의 예시적 실시예를 도시한다.
도 11은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 12 내지 도 15는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적 실시예를 도시한다.
도 16은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합의 예시적 실시예를 도시한다.
도 17은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적 실시예를 도시한다.
예시적 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 램(spin transfer torque magnetic random access memory: 이하 STT-MRAM)들을 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 이용하는 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 이러한 전자 장치들은 핸드폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북 및 다른 휴대용/비휴대용 컴퓨터 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 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 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들에 대한 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 실시예들은 주로 특정 구현에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 관점에서 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적 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, 구성 요소들의 배치 및 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 실시예들은 일정한 단계들을 갖는 특정한 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖는 다른 방법들 및 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 접합을 이용하는 자기 메모리 및 자기 접합을 제공하는 방법들 및 시스템들이 설명된다. 자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 비자성 스페이서 층에 의하여 분리된 자유 층 및 기준 층을 포함할 수 있다. 상기 자유 층은 상기 자기 접합에 기록 전류가 흐를 때 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 상기 기준 층은 자신의 면-외 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 이하 PMA) 에너지를 가질 수 있다. 상기 기준 층을 제공하는 것은 벌크 PMA (bulk perpendicular magnetic anisotropy; 이하 B-PMA) 층을 제공하는 것, 상기 B-PMA 층 상에 제1 계면 PMA(interfacial perpendicular magnetic anisotropy; 이하 I-PMA) 층을 제공하는 것, 및 상기 제1 I-PMA 층의 구성 성분의 싱크(sink) 역할을 하는 희생 층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 그 후 어닐링이 수행될 수 있다. 상기 희생 층 및 상기 제1 I-PMA 층의 일부가 상기 어닐링 후에 제거될 수 있다. 상기 제거 공정 후에, 추가적 I-PMA 층(들)이 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층의 잔존 부분 및 상기 추가적 I-PMA 층(들)은 20옹스트롬(Angstroms) 이하의 두께를 가질 수 있다.
실시예들은 특정한 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, 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 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 시스템이 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 하부 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 하부 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. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 “자성” 또는 “강자성”이라는 용어는 강자성체들 및 페리자성체들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 대로, “면 내(in-plane)”는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, “수직(perpendicular)” 및 “면 수직(perpendicular-to-plane)”은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 스핀 전달 토크 자기 램(spin transfer torque random access memory: 이하 STT-MRAM)과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있으며, 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 이하 PMA)을 갖는 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제조하는 방법(100)의 예시적 실시예를 도시한다. 설명의 간결함을 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 단계에서 수행되거나, 하부 단계들을 포함하거나, 또는 결합될 수 있다. 나아가, 제조 방법(100)은 자기 메모리를 제조하는 다른 단계들이 수행된 이후에 시작될 수 있다. 제조 방법(100)은 단일(single) 자기 접합을 제조 하는 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제조 방법(100)이 다중(multiple) 자기 접합을 제조하기 위해 일반적으로 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
단계 102를 통해, 하부 기준 층이 제공될 수 있다. 하부 기준 층이란 이름은 상기 기준 층이 자유 층보다 기판에 더 가까이 있기 때문에 붙여졌다. 하부 기준 층은 자신의 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; 이하 PMA) 에너지를 가질 수 있다. 이에 따라, 하부 기준 층의 자기 모멘트는 면에 수직한 방향을 가질 수 있다. 하부 기준 층은 다중 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하부 기준 층은 Ru와 같은 비자성 결합 층에 의해 분리되되, 자기적으로 결합된 두 개의 강자성 층들을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet; 이하, SAF)일 수 있다. 상기 강자성 층(들)은 단일 층들이거나 혹은 다중 층들일 수 있다. 단계 102는 여러 개의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 벌크 수직 자기 이방성(bulk perpendicular magnetic anisotropy layer; 이하 B-PMA) 층이 단계 102의 일부로 제공될 수 있다. 상기 B-PMA 층은 자신의 구조 전반에 의한 효과로 인하여(즉, 자신의 구조의 벌크적 효과에 의하여) 높은 수직 자기 이방성을 갖는 물질(들) 및 구조를 포함할 수 있다. 상기 B-PMA 층은 Co/Pt 이중 층이 복수 번 반복된 구조(다시 말해, (Co/Pt)n), CoPt 합금, CoTb 합금, 및/또는 Co/Tb 이중 층이 복수 번 반복된 구조를 포함하는 다중 층일 수 있다. 다른 예로, 상기 B-PMA 층은 CoTb/FeB 이중 층이 복수 번 반복된 구조, FePd 합금, FePdB 합금, CoPd 합금, FePt 합금, TbCoFe 합금, GaMn 합금, GeMn 합금, Co/Pd 이중 층이 복수 번 반복된 구조, Fe/Pt 이중 층이 복수 번 반복된 구조, Co/Ni 이중 층이 복수 번 반복된 구조, Tb/CoFe 이중 층이 복수 번 반복된 구조, Co/Ir 이중 층이 복수 번 반복된 구조, 및/또는 Co/TbCoFe 이중 층이 복수 번 반복된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예들에 따르면, 상기 B-PMA 층이 증착된 것에 더하여, 상기 B-PMA 층이 어닐링될 수 있다. 일 예로, 300℃ 내지 400℃의 온도에서 급속 열 처리(rapid thermal anneal; 이하 RTA) 공정이 수행될 수 있다.
상기 B-PMA 층이 제공된 후, 단계 102의 일부로, 제1 계면 수직 자기 이방성(interfacial perpendicular magnetic anisotropy; 이하 I-PMA) 층이 상기 B-PMA 층 상에 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층은 다른 층들과 자신의 구조 사이의 계면들 근처에서의 효과로 인하여(즉, 자신의 구조의 계면에서의 효과로 인하여) 높은 수직 자기 이방성을 갖는 물질(들) 및 구조를 포함할 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층에 사용될 수 있는 물질(들)은 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi, 및/또는 MnAl를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 몇몇 실시예들에서, CoFeB 층이 제공될 수 있다. 상기 CoFeB 층은 (CoFe)1- xBx 층일 수 있으며, x는 0.2 내지 0.5일 수 있다. 일 예로, x는 명목상으로 0.4일 수 있다. 일반적으로, 특별히 언급되지 않는다면, 본 명세서에서 언급되는 합금들은 특정한 화학량론적 구성비를 나타내지 않는다. 일 예로, CoFeB란 용어는 Co, Fe, 및 B의 합금을 나타낸다. CoFeB란 용어는, 상술한 바와 같이, 20at% 내지 50at%의 B가 CoFe와 이룬 합금을 나타내기 위한 것이다. CoFeB란 용어는 동일한 양의 Co, Fe, 및 B를 갖는 합금으로 제한하기 위한 것이 아니다. 상기 제1 I-PMA 층은 확산성이 있는 물질(들) 및 구성 성분을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분은 비자성을 띨 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 구성 성분은 B일 수 있다. 또한 단계 102의 일부로, 상기 제1 I-PMA 층 상에 희생 층이 제공될 수 있다. 상기 희생 층은 상기 구성 성분을 위한 싱크(sink) 역할을 할 수 있다. 달리 말하자면, 상기 희생 층은 상기 구성 성분에 대해 높은 친화력(affinity)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 희생 층은 Ta 층일 수 있다. Ta는 B에 대하여 높은 친화력을 가질 수 있다. 상기 희생 층이 제공된 후, 단계 102의 일부로서 어닐링이 수행될 수 있다. 따라서, 상기 어닐링은 상기 B-PMA 층, 상기 제1 I-PMA 층, 및 상기 희생 층에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 어닐링은 200℃ 내지 400℃의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 어닐링은 적어도 300℃의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다. 일 예로, 상기 어닐링은 명목상으로 350℃의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다.
단계 102는 또한, 상기 어닐링이 수행된 후, 상기 희생 층 및 상기 제1 I-PMA 층의 일부를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 공정은 플라즈마 식각(plasma etch)을 통해 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 식각 후, 적어도 하나의 추가적 I-PMA 층이 상기 제1 I-PMA 층의 잔존 부분 상에 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층의 상기 잔존 부분 및 상기 추가적 I-PMA 층(들)은 전체로서 20옹스트롬(Angstroms) 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 추가적 I-PMA 층(들)에 사용될 수 있는 물질들은 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi, 및/또는 MnAl를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다중(multiple) 추가적 I-PMA 층이 사용되는 경우, 다른 물질들이 사용될 수 있다. 나아가, 이러한 층들은 비자성 층들에 의해 분리되지 않을 수 이다. 일 예로, 상기 추가적 I-PMA 층(들)은 CoFeB 층 및 FeB 층을 포함할 수 있다.
상기 하부 기준 층의 가장자리(혹은, 경계)는 증착(deposition) 직후에, 혹은 나중에 정의될 수 있다. 일 예로, 자기 접합의 나머지 층들이 증착된 후에, 상기 자기 접합이 정의될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이온 밀(ion mill) 공정이 수행될 수 있다. 따라서, 단계 102의 부분들은 시간적으로 나누어져 수행될 수 있다.
단계 104를 통해, 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 단계 104는 터널 배리어 층을 형성하기 위해 MgO 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 비자성 스페이서 층은 전도체이거나, 다른 절연 터널 배리어 층이거나, 혹은 다른 구조 및/또는 다른 물질들을 가질 수 있다. 상기 비자성 스페이서 층의 가장자리는 증착 직후에, 혹은 나중에 정의될 수 있다.
단계 106을 통해, 자신의 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 자유 층이 기판 상에 제공될 수 있다. 따라서, 상기 자유 층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계 106은 상기 자유 층을 위한 물질(들)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 접합의 가장자리들 및 상기 자유 층의 가장자리들은 증착 직후에, 혹은 나중에 정의될 수 있다. 상기 자유 층은 단일 층이거나 혹은 다중 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자유 층은 Ru와 같은 비자성 결합 층에 의해 분리되되, 자기적으로 결합된 두 개의 강자성 층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 상기 강자성 층(들)은 단일 층들이거나, 혹은 다중 층들일 수 있다. 일 예로, 상기 자유 층은 제1 CoFeB 층, 제1 W 층, 제2 CoFeB 층, 및 제2 W 층을 포함할 수 있다. 이러한 층들은 상기 자유 층의 전체를 구성하거나, SAF 내의 강자성 층들 중 어느 하나를 구성할 수 있다. 다른 다중 층들도 가능하다.
상기 자기 접합의 제조가 완료될 수 있다. 이중 자기 접합의 경우, 자기 접합의 제조를 완료하는 것은 추가적 비자성 층 및 추가적 기준 층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 캐핑 층, 콘택들, 및 다른 구조체들이 또한 제공될 수 있다. 자기 접합의 가장자리들이 아직 정의되지 않은 경우, 자기 접합의 가장자리들이 정의될 수 있다. 즉, 상기 자기 접합(들)에 대응되는 상기 층들의 부분이 마스크에 의해 덮이고, 상기 마스크에 의해 노출된 부분은 식각될 수 있다. 일 예로, 상기 식각 공정은 이온 밀 공정에 의해 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 자기 접합이 제공될 수 있다. 이러한 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에 제공되는 복수의 자기 접합들 중 하나일 수 있다.
제조 방법(100)을 이용하여 향상된 성능을 갖는 자기 접합이 형성될 수 있다. 특히, 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 하부 기준 층이 제공될 수 있다. 상기 I-PMA 층(들)과 상기 B-PMA 층 사이의 결합이 강화될 수 있으며, 이에 따라 기준 층의 안정성이 향상될 수 있다. 더 높은 스핀 분극을 갖는 물질이 사용되어, 쓰기 성능이 향상될 수 있다. 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance; 이하 TMR)과 같은 자기 저항이 또한 강화될 수 있다. 이에 따라, 제조 방법(100)을 이용하여 형성된 자기 접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 3은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있으며, 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제조하는 방법(110)의 예시적 실시예를 도시한다. 설명의 간결함을 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 단계에서 수행되거나, 하부 단계들을 포함하거나, 또는 결합될 수 있다. 나아가, 제조 방법(110)은 자기 메모리를 제조하는 다른 단계들이 수행된 이후에 시작될 수 있다. 도 4 내지 도 9는 제조 방법(110)을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(200)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 4 내지 도 9는 제조 공정 중의 자기 접합(200)을 도시한다. 도 4 내지 도 9는 실제 크기 비율이 아니다. 도 3 내지 도 9를 참조하면, 몇몇 도면들에는, 최종 자기 접합(200)의 일부분만이 도시되어 있다. 제조 방법(110)은 자기 접합(200)의 맥락에서 설명된다. 하지만, 다른 자기 접합들이 형성될 수도 있다. 나아가, 제조 방법(110)은 자기 접합(200)을 형성하는 것으로 설명된다. 하지만, 다중 자기 접합들이 유사한 방법으로 제조될 수 있다.
단계 112를 통해, B-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 B-PMA 층은 자신의 구조 전반에 의한 효과로 인하여(즉, 자신의 구조의 벌크적 효과에 의하여) 높은 수직 자기 이방성을 갖는 물질(들) 및 구조를 포함할 수 있다. 상기 B-PMA 층의 PMA 에너지는 상기 B-PMA 층의 면-외 자기 소거 에너지보다 클 수 있다. 상기 B-PMA 층은 앞에서 설명한 B-PMA 층과 동일한 물질(들) 및 동일한 구조를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 B-PMA 층은 Co/Pt 이중 층이 복수 번 반복된 구조, CoPt 합금, CoTb 합금, 및/또는 Co/Tb 이중 층이 복수 번 반복된 구조를 포함하는 다중 층일 수 있다. 다른 예에 따르면, 상기 B-PMA 층은 앞서 설명한 바와 동일한 물질들을 포함할 수도 있다. 단계 112는 또한 상기 B-PMA 층을 어닐링하는 것을 포함할 수 있다. 일 예로, 300℃ 내지 400℃의 온도에서 급속 열 처리(rapid thermal anneal; 이하 RTA) 공정이 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 어닐링 온도는 명목상으로 350℃일 수 있다.
도 4는 단계 112가 수행된 후의 자기 접합(200)의 예시적 실시예를 도시한다. 따라서, B-PMA 층(212)이 선택적 시드 층(들)(202) 상에 도시되어 있다. 선택적 시드 층(들)(202)은 MgO 층을 포함할 수 있다. B-PMA 층(212) 및 선택적 시드 층(들)(202)은 기판(201) 상에 제공될 수 있다. B-PMA 층(212)은 자기 모멘트(213)를 포함할 수 이다. B-PMA 층(212)은 형성되고 있는 기준 층(210)의 일부일 수 있다. PMA 에너지가 면-외 자기 소거 에너지를 초과하기 때문에, B-PMA 층(212)의 자기 모멘트(213)는 면에 수직할 수 있다. 일 예로, 몇몇 실시예들에서, B-PMA 층(212)의 두께는 25옹스트롬 내지 30옹스트롬일 수 있다.
상기 B-PMA 층이 제공된 후, 단계 114를 통해, 상기 B-PMA 층 상에 제1 I-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층은 상술한 바와 같은 물질(들)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 I-PMA 층은 CoFeB 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 I-PMA 층은 20at% 내지 50at%의 B를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 40at%의 B가 사용될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층은 B와 같이 확산성이 있는 물질을 포함할 수 있다.
도 5는 단계 114가 수행된 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 자기 모멘트(215)를 갖는 제1 I-PMA 층(214)이 도시되어 있다. 제1 I-PMA 층(214)의 두께는 10옹스트롬 내지 20옹스트롬일 수 있다. 제1 I-PMA 층(214)은 형성되고 있는 기준 층(210)의 일부일 수 있다. PMA 에너지가 면-외 자기 소거 에너지를 초과하기 때문에, 자기 모멘트(215)는 제1 I-PMA 층(214)의 면에 수직할 수 있다. 도시된 실시예에서, 자기 모멘트들(213 및 215)은 아래 방향을, 즉 기판(201) 쪽으로, 향하고 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 자기 모멘트들(213 및 215)은 다른 방향을 향할 수 있다.
단계 116을 통해, 제1 I-PMA 층(214) 상에 희생 층이 제공될 수 있다. 상기 희생 층은 확산되는 구성 성분을 위한 싱크(sink) 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 상기 희생 층은 B에 대하여 높은 친화력을 갖는 Ta 층일 수 있다. 도 6은 단계 116이 수행된 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 희생 층(216)이 도시되어 있다. 희생 층(216)은 2옹스트롬 내지 5옹스트롬의 두께를 가질 수 있다.
희생 층(216)이 형성된 후에, 단계 118을 통해, 어닐링이 수행될 수 있다. 상기 어닐링은 B-PMA 층(212), 제1 I-PMA 층(214), 및 희생 층(216)에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 어닐링은 RTA일 수 있다. 상기 어닐링은 200℃ 내지 400℃의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 어닐링은 적어도 300℃의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다. 일 예로, 상기 어닐링은 명목상으로 350℃의 어닐링 온도에서 600초 이하의 시간 동안 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 어닐링 온도들 및 다른 수행 시간들이 사용될 수 있다. 단계 118의 상기 어닐링은 제1 I-PMA 층(214)이 바람직한 결정 구조를 갖는 것을 도와줄 수 있다. 희생 층(216)의 존재 때문에, 제1 I-PMA 층(214) 내의 소정의 구성 성분(예를 들어, B와 같은)은 희생 층(216) 내로 이동하려는 경향을 보일 수 있다. 결과적으로, 단계 118에서 수행되는 상기 어닐링 동안에, 제1 I-PMA 층(214)의 화학양론적 구성비가 달라질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(214) 내의 상기 확산되는 구성 성분의 양은 적어질 수 있다. 일 예로, 제1 I-PMA 층(214)으로 사용된 CoFeB 층 내의 B의 양은 적어질 수 있다.
단계 120을 통해, 희생 층(216) 및 제1 I-PMA 층(214)의 일부가 제거될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제거 공정은 자기 접합(200)을 플라즈마 식각함으로써 수행될 수 있다. 도 7은 단계 120이 수행된 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 잔존하는 제1 I-PMA 층(214')은 도 4 내지 도 6에 도시된 증착된 후의 제1 I-PMA 층(214)보다 얇을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(214')은 10옹스트롬 미만의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(214')은 2옹스트롬 내지 6옹스트롬의 두께를 가질 수 있다.
단계 122를 통해, 잔존하는 제1 I-PMA 층(214') 상에 추가적 I-PMA 층이 제공될 수 있다. 추가적 I-PMA 층(들)에 사용될 수 있는 물질들은 상술한 바와 같다. 몇몇 실시예들에서, 단계 122는 CoFeB 층 및 FeB 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 도 8은 단계 122가 수행된 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 추가적 I-PMA 층(들)(218)이 도시되어 있다. 층들(212, 214', 및 218)은 기준 층(210)을 구성할 수 있다. 따라서, 단계 112 내지 단계 122는 제조 방법(100)의 단계 102와 유사할 수 있다. 제1 I-PMA 층(214') 및 추가적 I-PMA 층(들)(218)은 전체로서 20옹스트롬 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(214') 및 추가적 I-PMA 층(들)(218)의 전체 두께는 8옹스트롬 내지 15옹스트롬일 수 있다. 추가적 I-PMA 층(들)(218)은 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 PMA 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 추가적 I-PMA 층(들)(218)은 면에 수직한 자기 모멘트(219)를 가질 수 있다.
단계 124를 통해, 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 단계 124는 터널 배리어 층을 형성하기 위해 MgO 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 단계 126을 통해, 자신의 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 자유 층이 기판 상에 제공될 수 있다. 따라서, 상기 자유 층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 도 9는 단계 126이 도시된 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 비자성 스페이서 층(220) 및 자기 모멘트(231)를 갖는 자유 층(230)이 도시되어 있다. 비자성 스페이서 층(220)은 MgO 터널 배리어 층일 수 있다. 자유 층(230)의 PMA 에너지는 자유 층(230)의 면-외 자기 소거 에너지를 초과할 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(231)는 면에 수직할 수 있다. 이에 더해, 선택적 캐핑 층(들)(204)이 도시되어 있다. 선택적 캐핑 층(들)(204)은 MgO 층을 포함할 수 있다. 도시되어 있지는 않으나, 자기 접합(200)을 통하여 면에 수직한 전류가 흐르도록 하기 위하여 상부 및 하부 콘택들이 제공될 수 있다. 이에 따라, 자기 접합(200)은 단일 자기 접합으로 형성될 수 있으며, 후술될 단계 128 및 단계 130은 생략될 수 있다.
증착 직후에 혹은 나중에, 층들(212, 214, 218, 220, 및 230)의 가장자리들이 정의될 수 있다. 일 예로, 자기 접합(200)의 모든 층들이 증착된 후, 자기 접합(200)이 정의될 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 이온 밀(ion mill) 공정이 수행될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)의 가장자리들은 단계 112 내지 단계 126(혹은, 130)이 수행된 후에 정의될 수 있다. 이와 달리, 층들(212, 214', 218, 220, 및 230)의 가장자리들은 서로 다른 공정에 의하여 형성될 수 있다.
이중 자기 접합이 바람직한 경우, 단계 128을 통해, 추가적 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 단계 128은 결정성 MgO 층과 같은 제2 터널 배리어 층을 제공할 수 있다. 이와 달리, 상기 추가적 비자성 스페이서 층은 다른 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 비자성 스페이서 층은 전도체일 수 있다. 비자성 스페이서 층(220)과 단계 128에서 제공되는 상기 추가적 비자성 스페이서 층이 동일한 RA 값(resistance area product)을 갖는 경우, 상기 층들의 두께들은 일반적으로 서로 다를 수 있다. 일 예로, 두 층들 모두 터널 배리어 층들인 경우, 상기 터널 배리어 층들 중에서 어느 하나의 두께가 더 두꺼울 수 있다.
또한, 단계 130을 통해, 추가적 기준 층이 제공될 수 있다. 상기 추가적 기준 층의 PMA 에너지는 상기 추가적 기준 층의 면-외 자기 소거 에너지보다 클 수 있다. 그 결과, 상기 추가적 기준 층의 자기 모멘트는 면에 수직할 수 있다. 도 10은 단계 130이 수행된 후의 자기 접합(200')을 도시한다. 따라서, 자기 접합(200')은 추가적 비자성 스페이서 층(240) 및 추가적 기준 층(242)을 포함하는 이중 자기 접합일 수 있다. 추가적 기준 층(242)의 PMA 에너지는 추가적 기준 층(242)의 면-외 자기 소거 에너지를 초과하기 때문에, 추가적 기준 층(242)의 자기 모멘트(243)는 면에 수직할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 기준 층들(210 및 242)의 자기 모멘트들(213 및 243)은 서로 반대 방향을 향할 수 있다. 따라서, 자기 접합(200')은 이중 상태(dual state)에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 추가적 기준 층(242)은 B-PMA 및/또는 I-PMA 층들을 포함할 수 있다.
제조 방법(110)을 이용하여, 향상된 성능을 갖는 자기 접합(200 및/또는 200')이 형성될 수 있다. 특히, 안정된 면-수직 자기 모멘트(213/215/219)를 갖는 하부 기준 층(210)이 제공될 수 있다. 보다 높은 스핀 분극을 갖는 I-PMA 층(들)(214' 및 216)을 사용함으로써, 쓰기 성능을 향상시킬 수 있다. TMR 또한 강화될 수 있다. 따라서, 제조 방법(110)을 이용하여 형성된 자기 접합(200/200')의 성능이 향상될 수 있다.
도 11은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있으며, 하부 기준 층을 포함하는 자기 접합을 제조하는 방법(150)의 예시적 실시예를 도시한다. 설명의 간결함을 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 단계에서 수행되거나, 하부 단계들을 포함하거나, 또는 결합될 수 있다. 나아가, 제조 방법(150)은 자기 메모리를 제조하는 다른 단계들이 수행된 이후에 시작될 수 있다. 도 12 내지 도 16은 제조 방법(150)을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(250)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 12 내지 도 16은 제조 공정 중의 자기 접합(250)을 도시한다. 도 12 내지 도 16은 실제 크기 비율이 아니다. 도 11 내지 도 16을 참조하면, 몇몇 도면들에는, 최종 자기 접합(250)의 일부분만이 도시되어 있다. 제조 방법(150)은 자기 접합(250)의 맥락에서 설명된다. 하지만, 다른 자기 접합들이 형성될 수도 있다. 나아가, 제조 방법(150)은 자기 접합(250)을 형성하는 것으로 설명된다. 하지만, 다중 자기 접합들이 유사한 방법으로 제조될 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서, SAF인 하부 기준 층이 제조될 수 있다. 제조 방법(150)에서의 상기 하부 기준 층이 SAF가 아닌 경우, 단계 152 및 단계 154는 생략될 수 있다. 단계 152를 통해, 하부 강자성/B-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 B-PMA 층은 상기 B-PMA 층의 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 PMA 에너지를 가질 수 있다. 상기 B-PMA 층은 상술한 B-PMA 층과 동일한 물질(들) 및 동일한 구조를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 B-PMA 층은 Co/Pt 이중 층이 복수 번 반복된 구조, CoPt 합금, CoTb 합금, 및/또는 Co/Tb 이중 층이 복수 번 반복된 구조를 포함하는 다중 층일 수 있다. 다른 예에 따르면, 상기 B-PMA 층은 앞서 설명한 바와 동일한 물질들을 포함할 수도 있다.
단계 154를 통해, Ru 층과 같은 비자성 결합 층이 제공될 수 있다. 상기 비자성 결합 층은, 단계 152에서 제공된 상기 하부 강자성 층과 단계 156 내지 단계 168에서 제공되는 층들이 바람직하게 자기적으로 결합되도록 하는 두께를 가질 수 있다. 일반적으로, 이러한 층들은 반강자성적으로 결합되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 비자성 결합 층의 두께는 강자성적 결합을 제공하도록 선택될 수 있다.
단계 156을 통해, B-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 B-PMA 층의 PMA 에너지는 상기 B-PMA 층의 면-외 자기 소거 에너지보다 클 수 있다. 상기 B-PMA 층은 상술한 B-PMA 층과 동일한 물질(들) 및 동일한 구조를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 B-PMA 층은 Co/Pt 이중 층이 복수 번 반복된 구조, CoPt 합금, CoTb 합금, 및/또는 Co/Tb 이중 층이 복수 번 반복된 구조를 포함하는 다중 층일 수 있다. 다른 예에 따르면, 상기 B-PMA 층은 앞서 설명한 바와 동일한 물질들을 포함할 수도 있다. 또한, 단계 156은 상기 B-PMA 층을 어닐링하는 것을 포함할 수 있다. 일 예로, 300℃ 내지 400℃의 온도에서 RTA 공정이 수행될 수 있다. 단계 156은 단계 112와 유사할 수 있다.
상기 B-PMA 층이 제공된 후, 단계 158를 통해, 상기 B-PMA 층 상에 제1 I-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층은 상술한 바와 같은 물질(들)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 I-PMA 층은 CoFeB 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 I-PMA 층은 20at% 내지 50at%의 B를 포함할 수 있다. 상기 제1 I-PMA 층은 B와 같이 확산성이 있는 물질을 포함할 수 있다. 단계 158은 단계 114와 유사할 수 있다.
단계 160을 통해, 상기 제1 PMA 층 상에 희생 층이 제공될 수 있다. 상기 희생 층은 확산되는 구성 성분을 위한 싱크(sink) 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 상기 희생 층은 B에 대하여 높은 친화력을 갖는 Ta 층일 수 있다. 단계 160은 단계 116과 유사할 수 있다.
도 12는 단계 160이 수행된 후의 자기 접합(250)의 예시적 실시예를 도시한다. 따라서, 선택적 시드 층(들)(252) 상에 B-PMA 층(262)이 도시되어 있다. 제1 I-PMA 층(264) 및 희생 층(261)이 또한 도시되어 있다. 선택적 시드 층(들)(252)은 MgO 층을 포함할 수 있다. B-PMA 층(262) 및 선택적 시드 층(들)(252)은 기판(251) 상에 제공될 수 있다. B-PMA 층(262)은 자기 모멘트(263)를 포함할 수 있고, 제1 I-PMA 층(264)은 자기 모멘트(265)를 포함할 수 있다. 층들(262, 264, 및 261)은 형성되고 있는 기준 층(260)의 일부일 수 있다. B-PMA 층(262) 및 제1 I-PMA 층(264)에 대하여, PMA 에너지는 면-외 자기 소거 에너지를 초과할 수 있기 때문에, 자기 모멘트들(263 및 265)은 면에 수직할 수 있다. 층들(262, 264, 및 261)의 두께들은 상술한 바와 같을 수 있다. 도시된 자기 접합(250)에서, 형성되고 있는 기준 층(260)은 SAF가 아니다.
희생 층(261)이 형성된 후, 단계 162를 통해, 어닐링이 수행될 수 있다. 단계 162는 상술한 단계 118과 유사할 수 있다. 따라서, 상기 어닐링은 B-PMA 층(262), 제1 I-PMA 층(264), 및 희생 층(261)에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 어닐링은 상술한 바와 같이 RTA일 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 어닐링의 결과로, 제1 I-PMA 층(264)의 화학양론적 구성비가 달라질 수 있다.
단계 164를 통해, 희생 층(261) 및 제1 I-PMA 층(264)의 일부가 제거될 수 있다. 단계 164는 단계 120과 유사할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제거 공정은 자기 접합(250)을 플라즈마 식각함으로써 수행될 수 있다. 도 13은 단계 164가 수행된 후의 자기 접합(250)을 도시한다. 따라서, 잔존하는 제1 I-PMA 층(264')은 도 12에 도시된 증착된 후의 제1 I-PMA 층(264)보다 얇을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(264')은 10옹스트롬 미만의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 I-PMA 층(264')은 2옹스트롬 내지 6옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 I-PMA 층(264')은 명목상으로 5옹스트롬의 두께를 가질 수 있다.
단계 166을 통해, 제2 I-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 제2 I-PMA 층은 5옹스트롬 내지 10옹스트롬의 두께를 갖는 CoFeB 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, CoFeB 층은 7옹스트롬 내지 9옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 또한, 단계 168을 통해, 상기 제2 I-PMA 층 상에 제3 I-PMA 층이 제공될 수 있다. 상기 제3 I-PMA 층은 2옹스트롬 내지 5옹스트롬의 두께를 갖는 FeB 층일 수 있다. 단계 166 및 단계 168은 단계 122와 유사할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 제2 및/또는 제3 I-PMA 층들에 다른 물질(들)이 사용될 수 있다.
도 14는 단계 168이 수행된 후의 자기 접합(250)을 도시한다. 따라서, 제2 I-PMA 층(266) 및 제3 I-PMA 층(268)이 도시되어 있다. 제2 및 제3 I-PMA 층들(266 및 268)의 각각은 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 제2 I-PMA 층(266)의 자기 모멘트(267), 및 제3 I-PMA 층(268)의 자기 모멘트(269)는 각각 면에 수직할 수 있다. 층들(262, 264', 266, 268)은 기준 층(260)을 구성할 수 있다. 따라서, 단계 152 내지 단계 168은 제조 방법(100)의 단계 102와 유사할 수 있다.
단계 170을 통해, 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 단계 170은 터널 배리어 층을 형성하기 위해 MgO 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 단계 172을 통해, 자신의 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는 자유 층이 기판 상에 제공될 수 있다. 따라서, 상기 자유 층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 단계 174를 통해, 자기 접합의 제조가 완료될 수 있다. 일 예로, 캐핑 층, 콘택들, 및/또는 다른 구조체들이 제조될 수 있다. 자기 접합(250)의 가장자리들이 아직 정의되지 않은 경우, 자기 접합(250)의 가장자리들이 정의될 수 있다. 나아가, 이중 자기 접합이 바람직한 경우라면, 추가적인 비자성 스페이서 층 및 추가적인 기준 층이 제공될 수 있다.
도 15는 단계 174가 수행된 이후의 자기 접합(250)을 도시한다. 따라서, 비자성 스페이서 층(270) 및 자기 모멘트(281)를 갖는 자유 층(280)이 도시되어 있다. 비자성 스페이서 층(270)은 MgO 터널 배리어 층일 수 있다. 자유 층(280)의 PMA 에너지는 자유 층(280)의 면-외 자기 소거 에너지를 초과할 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(281)는 면에 수직할 수 있다. 이에 더해, 선택적 캐핑 층(들)(254)이 도시되어 있다. 선택적 캐핑 층(들)(254)은 MgO 층을 포함할 수 있다. 도시되어 있지는 않으나, 자기 접합(250)을 통하여 면에 수직한 전류가 흐르도록 하기 위하여 상부 및 하부 콘택들이 제공될 수 있다. 이에 따라, 자기 접합(250)은 단일 자기 접합으로 형성될 수 있다. 이중 자기 접합이 바람직한 경우라면, 자기 접합(250)은 이중 자기 접합으로 형성될 수 있다.
도 16은 단계 174가 완료된 후의 자기 접합(250')의 다른 실시예를 도시한다. 이해를 돕기 위하여, 도 16은 실제 크기 비율이 아니며, 몇몇 구조체들만이 도시되어 있다. 자기 접합(250')은 자기 접합(250)과 유사할 수 있다. 따라서, 유사한 구성들에는 유사한 참조 번호들이 제공된다. 자기 접합(250')은 층들(260, 262, 264', 266, 268, 270, 및 280)에 각각 유사한 B-PMA 층(262)을 포함하는 기준 층(260'), I-PMA 층들(264', 266, 및 268), 비자성 스페이서 층(270), 및 자유 층(280)을 포함할 수 있다. 상기 층들은 기판(251) 상에 배치될 수 있다. 선택적 시드 층(들)(252) 및 선택적 캐핑 층(들)(254)은 상술한 층들(252 및 254)에 각각 유사할 수 있다.
더하여, 기준 층(260')은 SAF일 수 있다. 따라서, 기준 층(260')은 다른 강자성 층(292) 및 비자성 결합 층(290)을 더 포함할 수 있다. 강자성 층(292)은 도시된 바와 같이 하나 이상의 B-PMA 층들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 강자성 층(292)은 또한 I-PMA 층(들)을 포함할 수 있다.
제조 방법(150)을 이용하여, 향상된 성능을 갖는 자기 접합(250 및/또는 250')이 형성될 수 있다. 특히, 안정된 면-수직 자기 모멘트(263/265/267/269)를 갖는 하부 기준 층(260 및/또는 260')이 제공될 수 있다. 보다 높은 스핀 분극을 갖는 I-PMA 층들(264', 266, 및 268)을 사용함으로써, 쓰기 성능을 향상시킬 수 있다. TMR 또한 강화될 수 있다. 따라서, 제조 방법(150)을 이용하여 형성된 자기 접합(250/250')의 성능이 향상될 수 있다.
도 17은 기준 층(들)(210, 260, 및/또는 260')을 포함하는 하나 이상의 자기 접합들(200, 200', 250, 및/또는 250')을 사용할 수 있는 메모리(300)의 일 실시예를 도시한다. 자기 메모리(300)은 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver)(304)뿐만 아니라 읽기/쓰기 열 선택 드라이버들(reading/writing column select drivers)(302 및 306)을 포함할 수 있다. 다른(other 및/또는 different) 구성 요소들도 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 자기 메모리(300)의 저장 영역(storage region)은 자기 저장 셀들(310)을 포함할 수 있다. 자기 저장 셀들(310)의 각각은 적어도 하나의 자기 접합(312)과 적어도 하나의 선택 장치(selection device)(314)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(314)는 트랜지스터일 수 있다. 자기 접합들(312)은 본 명세서에서 개시된 자기 접합들(200, 200', 250, 및/또는 250') 중에서 하나일 수 있다. 비록 셀(310) 당 하나의 자기 접합(312)이 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 셀 당 다른 개수의 자기 접합들(312)이 제공될 수 있다. 이를 통해, 자기 메모리(300)은 위에서 설명된 효과들을 누릴 수 있다.
자기 접합 및 상기 자기 접합을 사용하여 제조된 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 상기 방법 및 시스템은 도시된 실시예들에 부합되게 설명되었다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형들이 가해질 수 있고, 어떤 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그런 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 만들어 질 수 있다.
Claims (10)
- 자기 장치에 사용되고, 기판 상에 배치되는 자기 접합을 제공하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
기준 층을 제공하되, 상기 기준 층은 기준 층 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 기준 층 수직 자기 이방성 에너지를 가지고, 상기 기준 층을 제공하는 것은:
벌크 수직 자기 이방성 층을 제공하는 것;
상기 벌크 수직 자기 이방성 층 상에 제1 계면 수직 자기 이방성 층을 제공하되, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층은 구성 성분을 포함하는 것;
상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층 상에 희생 층을 형성하되, 상기 희생 층은 상기 구성 성분의 싱크(sink) 역할을 하는 것;
적어도 상기 벌크 수직 자기 이방성 층, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층, 및 상기 희생 층을 어닐링 하되, 상기 어닐링은 적어도 200℃의 어닐링 온도에서 수행되는 것;
상기 어닐링 후에, 상기 희생 층 및 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층의 일부를 제거하는 것; 및
상기 희생 층을 제거한 후에, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층의 잔존 부분 상에 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층을 제공하는 것을 포함하되, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층의 상기 잔존 부분 및 상기 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층의 전체 두께는 20옹스트롬 미만이고;
비자성 스페이서 층을 제공하는 것; 및
자유 층을 제공하는 것을 포함하되, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 기준 층과 상기 자유 층 사이에 위치하고, 상기 기준 층은 상기 자유 층과 상기 기판 사이에 위치하고, 상기 자유 층은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자기 접합의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층은 제2 계면 수직 자기 이방성 층 및 제3 계면 수직 자기 이방성 층을 포함하고,
상기 제2 계면 수직 자기 이방성 층은 제1 계면 수직 자기 이방성 물질 및 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 물질과 다른 추가적 계면 수직 자기 이방성 물질 중에서 선택된 물질을 포함하고,
상기 제3 계면 수직 자기 이방성 층은 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 물질과 다른 제2 계면 수직 자기 이방성 물질을 포함하는 자기 접합의 제조 방법.
- 제2 항에 있어서,
상기 제1 계면 수직 자기 이방성 물질은 CoFeB이고,
상기 제2 계면 수직 자기 이방성 물질은 FeB인 자기 접합의 제조 방법.
- 제3 항에 있어서,
상기 제2 계면 수직 자기 이방성 층은 5옹스트롬 내지 10옹스트롬의 제1 두께를 가지고,
상기 제3 계면 수직 자기 이방성 층은 2옹스트롬 내지 5옹스트롬의 제2 두께를 가지는 자기 접합의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,
상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층은 CoFeB이고,
상기 구성 성분은 B인 자기 접합의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 희생 층은 2옹스트롬 내지 5옹스트롬의 Ta 두께를 갖는 Ta 층을 포함하는 자기 접합의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기준 층을 제공하는 것은:
제1 자성 층을 제공하는 것; 및
상기 제1 자성 층 상에 비자성 층을 제공하는 것을 더 포함하되,
상기 제1 자성 층은 상기 벌크 수직 자기 이방성 층과 반강자성적으로 결합되는 자기 접합의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 제1 자성 층은 추가적 벌크 수직 자기 이방성 층인 자기 접합의 제조 방법.
- 자기 장치에 사용되고, 기판 상에 배치되는 자기 접합을 제공하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
기준 층을 제공하되, 상기 기준 층은 기준 층 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 기준 층 수직 자기 이방성 에너지를 가지고, 상기 기준 층을 제공하는 것은:
벌크 수직 자기 이방성 층을 제공하되, 상기 벌크 수직 자기 이방성 층은 CoPt 합금, 적어도 하나의 Co/Pt 이중 층, CoTb 합금, 적어도 하나의 CoTb/FeB 이중 층, 적어도 하나의 Co/Tb 이중 층, FePd 합금, FePdB 합금, CoPd 합금, FePt 합금, TbCoFe 합금, GaMn 합금, 적어도 하나의 Co/Pd 이중 층, 적어도 하나의 Fe/Pt 이중 층, 적어도 하나의 Co/Ni 이중 층, 적어도 하나의 Tb/CoFe 이중 층, 및 적어도 하나의 Co/TbCoFe 이중 층 중에서 적어도 하나를 포함하는 것;
상기 벌크 수직 이방성 층이 제공된 후, 벌크 수직 자기 이방성 어닐링을 수행하는 것;
상기 벌크 수직 자기 이방성 어닐링을 수행한 후, 상기 벌크 수직 자기 이방성 층 상에 제1 계면 수직 자기 이방성 층을 제공하되, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층은 B를 포함하는 것;
상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층 상에 Ta 희생 층을 제공하되, 상기 Ta 희생 층은 상기 B의 싱크(sink) 역할을 하는 것;
적어도 상기 제1 계면 수직 이방성 층 및 상기 Ta 희생 층을 어닐링 하되, 상기 어닐링은 적어도 300℃의 어닐링 온도에서 수행되는 것;
상기 어닐링 후, 적어도 한 번의 플라즈마 식각을 수행하여, 상기 Ta 희생 층 및 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층의 일부를 제거하는 것;
상기 Ta 희생 층을 제거한 후, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층의 잔존 부분 상에 CoFeB 층을 제공하되, 상기 CoFeB 층은 5옹스트롬 내지 10옹스트롬의 두께를 갖는 것; 및
상기 CoFeB 층 상에 FeB 층을 제공하는 것을 포함하되, 상기 FeB 층은 2옹스트롬 내지 5옹스트롬의 두께를 가지고;
비자성 스페이서 층을 제공하는 것; 및
자유 층을 제공하는 것을 포함하되, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 기준 층과 상기 자유 층 사이에 위치하고, 상기 기준 층은 상기 자유 층과 상기 기판 사이에 위치하고, 상기 자유 층은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자기 접합의 제조 방법.
- 기판 상에 배치되는 자기 메모리에 있어서,
상기 자기 메모리는:
복수의 자기 저장 셀들; 및
상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 복수의 비트 라인들을 포함하되,
상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
상기 적어도 하나의 자기 접합은 자유 층, 비자성 스페이서 층, 및 기준 층을 포함하되,
상기 자유 층은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있고,
상기 비자성 스페이서 층은 상기 기준 층과 상기 자유 층 사이에 배치되고, 상기 비자성 스페이서 층과 상기 자유 층은 상기 기준 층과 상기 기판 사이에 배치되고,
상기 기준 층은 기준 층 면-외 자기 소거 에너지보다 큰 기준 층 수직 자기 이방성 에너지를 가지고,
상기 기준 층은:
벌크 수직 자기 이방성 층;
상기 벌크 수직 자기 이방성 층 상의 제1 계면 수직 자기 이방성 층; 및
상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층 상의 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층을 포함하되, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층은 상기 벌크 수직 자기 이방성 층과 제1 계면을, 그리고 상기 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층과 제2 계면을 공유하고, 상기 제1 계면 수직 자기 이방성 층 및 상기 적어도 하나의 추가적 계면 수직 자기 이방성 층의 전체 두께는 20옹스트롬 미만인 자기 메모리.
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