KR102537054B1 - 스핀 전달 토크 응용에 사용 가능하고 자기 배리어층을 포함하는 자기 접합을 제공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

스핀 전달 토크 응용에 사용 가능하고 자기 배리어층을 포함하는 자기 접합을 제공하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 기판 상에 위치하고 자기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합은 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)에 의해 분리된 자유층 및 고정층을 포함한다. 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과해 지나갈 때 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전이 가능하다(switchable). 고정층은 고정층 면외 자기소거 에너지(a pinned layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지(a pinned layer perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다. 고정층은 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA층, 자기층 및 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 자기 배리어층을 포함한다. 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 자기 배리어층은 고 PMA층의 비자기 구성 요소의 확산을 차단하기 위한 것이다.

Description

스핀 전달 토크 응용에 사용 가능하고 자기 배리어층을 포함하는 자기 접합을 제공하기 위한 방법 및 시스템{Method and system for providing a magnetic junction usable in spin transfer torque applications and including a magnetic barrier layer}
자기 메모리, 구체적으로 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAMs)는, 작동하는 동안 높은 읽기/쓰기 속도, 훌륭한 내구성, 비휘발성 및 낮은 전력 소비에 대한 그들의 잠재성 때문에 점점 관심을 끌어 왔다. MRAM은 자기 물질(magnetic materials)을 정보 기록 매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크(spin transfer torque) 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)가 있다. STT-MRAM은 적어도 부분적으로 자기 접합(magnetic junction)을 통해 구동된(driven) 전류에 의해 기록된 자기 접합을 이용한다. 자기 접합을 통해 구동된 스핀 분극된 전류(spin polarized current)는 자기 접합의 자기 모멘트(magnetic moments) 상에 스핀 토크(spin torque)를 가한다. 그 결과로, 스핀 토크에 빠르게 반응하는 자기 모멘트를 가지는 층은 원하는 상태(state)로 반전될(switched) 수 있다.
예를 들어, 기존의 자기 터널 접합(MTJ; magnetic tunneling junction)이 기존의 STT-MRAM에 사용될 수 있다. 기존의 MTJ는 일반적으로 기판 상에 위치한다. 기존의 MTJ는, 기존의 시드층(seed layer(s))을 사용하고, 캡핑층(capping layers)을 포함할 수 있고, 기존의 반강자성(AFM; antiferromagnetic)층을 포함할 수 있다. 기존의 MTJ는 기존의 고정층(pinned layer), 기존의 자유층(free layer) 및 기존의 고정층과 자유층 사이에 있는 기존의 터널 배리어층(barrier layer)을 포함할 수 있다. 기존의 MTJ 아래에 있는 바텀 컨택(bottom contact) 및 기존의 MTJ 위에 있는 탑 컨택(top contact)은 평면과 수직인 전류(CPP; current-perpendicular-to-plane) 방향으로 기존의 MTJ를 통해 전류를 구동하는데 사용될 수 있다.
기존의 고정층 및 기존의 자유층은 자성이다(magnetic). 기존의 고정층의 자화(magnetization)는 특정한 방향으로 고정된다(fixed or pinned). 기존의 자유층은 변할 수 있는 자화를 가진다. 기존의 자유층은 단일층일 수도 있고, 또는 복수의 층을 포함할 수도 있다. 고정층 및 자유층은 층들의 평면과 수직으로(perpendicular-to-plane) 배향거나, 또는 층들의 평면으로(in-plane) 배향된 자화를 가질 수 있다.
기존의 자유층의 자화를 반전하기 위해, 전류는 평면과 수직하게 구동된다. 탑 컨택으로부터 바텀 컨택으로 충분한 전류가 구동될 때, 기존의 자유층의 자화는 기존의 바텀 고정층의 자화와 평행하도록 반전할 수 있다. 바텀 컨택으로부터 탑 컨택으로 충분한 전류가 구동될 때, 자유층의 자화는 바텀 고정층의 자화와 역평행하도록 반전할 수 있다. 자기장배위(magnetic configurations)의 차이는 다른 자기 저항(magnetoresistances), 그리고 기존의 MTJ의 다른 논리 상태(logical states)(예를 들어, 논리 "0" 및 논리 "1")와 부합한다.
다양한 용도에 대한 그들의 잠재성 때문에, 자기 메모리의 연구는 계속 진행 중이다. STT-MRAM의 성능 개선을 위한 메커니즘(mechanisms)이 요구된다. 예를 들어, 전류 자기 접합(current magnetic junctions)은 고정층의 큰 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)과 같이, 요구되는 특성을 제공하기 위해 다양한 자성체 및 비자성체를 사용할 수 있다. 그러나, 몇몇 그러한 물질들은 열적으로 안정하지 않을 수 있다. 그 결과로, 고정층은 열적으로 불안정할 수 있다. 예를 들어, 고정층의 안정성은 제조(fabrication) 또는 열 싸이클(thermal cycling) 때문에 훼손될 수 있다. 자기 접합의 성능은 불리하게 영향받을 수 있다. 따라서, 요구되는 것은 스핀 전달 토크 기반 메모리(spin transfer torque based memories)의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이다. 여기에서 설명된 방법 및 시스템은 이러한 요구를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열 안정성이 개선된 자기 접합을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열 안정성이 개선된 자기 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 열 안정성이 개선된 자기 접합 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 기판 상에 위치하고 자기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합은 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)에 의해 분리된 자유층 및 고정층을 포함한다. 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과해 지나갈 때 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전이 가능하다(switchable). 고정층은 고정층 면외 자기소거 에너지(a pinned layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지(a pinned layer perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다. 고정층은 적어도 하나의 비자기 구성 요소(nonmagnetic component)를 포함하는 고 PMA층(high perpendicular magnetic anisotropy layer), 자기층(magnetic layer) 및 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 자기 배리어층을 포함한다. 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 자기 배리어층은 고 PMA층의 비자기 구성 요소의 확산을 차단하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 기판 상에 위치하고 자기 장치에 사용되는 자기 접합은, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용되는 자기 접합으로서, 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(magnetic junction)을 통과해 지나갈 때 복수의 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전이 가능한(switchable) 자유층(free layer), 비자기(nonmagnetic) 스페이서층 및 고정층(pinned layer)을 포함하고, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 고정층은, 고정층 면외 자기소거 에너지(a pinned layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지(a pinned layer perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖고, 상기 고정층은, 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA(high Perpendicular Magnetic Anisotropy)층, 자기층 및 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되는 자기 배리어층을 포함하고, 상기 자기 배리어층은, Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 자기 배리어층은, 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어(barrier)인 자기 접합이다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 기판 상에 위치하는 자기 메모리는, 기판 상에 배치되는 자기 메모리로서, 복수의 자기 저장 셀을 포함하고, 각각의 상기 복수의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 자유층과, 비자기 스페이서층과, 고정층을 포함하고, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은, 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과해 지나갈 때 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 반전이 가능하고, 상기 고정층은, 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 고정층은, 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA층, 자기층 및 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되는 자기 배리어층을 포함하고, 상기 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어인 자기 메모리이다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 기판 상에 위치하고 자기 장치에 사용되는 자기 접합 제조 방법은, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용되는 자기 접합 제조 방법으로서, 자유층을 제공하고, 비자기 스페이서층을 제공하고, 고정층을 제공하는 것을 포함하고, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 비자기 스페이서층 및 상기 자유층은 상기 고정층 및 기판 사이에 배치되고, 상기 고정층은 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 고정층을 제공하는 것은, 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA층을 제공하고, 자기 배리어층을 제공하고, 자기층을 제공하는 것을 포함하고, 상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되고, 상기 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어인 자기 접합 제조 방법이다.
도 1은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치(magnetic devices)에 사용되는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 고정층에 사용 가능한 자기 배리어층의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 고정층에 사용 가능한 자기 배리어층의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 고정층에 사용 가능한 자기 배리어층의 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 스핀 전달 토크를 사용하고 자기 배리어층을 포함하는 고정층을 갖는 프로그램 가능한(programmable) 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합을 제공하는 방법에 관한 일 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 자기 배리어층을 포함하는 열적으로 안정한 고정층을 제공하는 방법에 관한 일 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 자기 장치에 사용되는 자기 접합을 위해 열적으로 안정한 고정층의 일부를 제공하는 방법에 관한 다른 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 11은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 13은 저장 셀(storage cell(s))의 메모리 소자(memory element(s))에서 자기 접합을 이용하는 메모리의 일 실시예를 도시한다.
본 발명의 실시예들은 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합 및 이러한 자기 접합을 사용하는 장치에 관련된 것이다. 자기 장치는 스핀 전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAMs)를 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 쓰는 전자 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전자 장치는 휴대 전화(cellular phones), 스마트폰(smart phones), 태블릿(tablets), 랩탑(laptops) 및 다른 휴대용과 비휴대용 컴퓨팅 장치를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이하 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며 특허 출원과 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들 및 그에 대한 원리 및 형태들의 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 특정한 이행(implementations)에서 제공된 특정한 방법 및 시스템의 관점에서 주로 설명된다. 그러나, 방법 및 시스템은 다른 이행에서도 유효하게 작동할 것이다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐 아니라 동일하거나 다른 실시 예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이다. 하지만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성 들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있다. 하지만, 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖거나 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정할 의도가 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기 접합 및 상기 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 기판 상에 위치하고 자기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합은 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)에 의해 분리된 자유층 및 고정층을 포함한다. 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과해 지나갈 때 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전이 가능하다(switchable). 고정층은 고정층 면외 자기소거 에너지(a pinned layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지(a pinned layer perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다. 고정층은 적어도 하나의 비자기 구성 요소(nonmagnetic component)를 포함하는 고 PMA층(high perpendicular magnetic anisotropy layer), 자기층(magnetic layer) 및 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 자기 배리어층을 포함한다. 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 자기 배리어층은 고 PMA층의 비자기 구성 요소의 확산을 차단하기 위한 것이다.
본 명세서의 예시적인 실시예들은, 정해진 구성 요소, 배열 및/또는 배열 형태(configuration)를 갖는 특정 자기 메모리 및 자기 접합의 맥락에서 설명되었다. 본 명세서에 개시된 기술적 사상들은, 본 발명의 기술적 사상과 상반되지 않는 다른 특징들 및/또는 다른 추가적인 구성 요소들을 갖는 자기 메모리 및 자기 접합의 사용과 일치함을 이해하여야 한다. 방법 및 시스템도 또한, 최근 스핀-전달 현상(spin-transfer phenomenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy), 및/또는 다른 물리적인 현상에 대한 이해의 맥락에서 개시되었다. 결론적으로, 개시된 방법 및 시스템의 작용에 대한 그 어떤 이론적인 설명들은, 최근 스핀-전달 현상(spin-transfer phenomenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy), 및/또는 다른 물리적인 현상에 대한 이해에 근거를 두고 이루어졌음을 이해하여야 한다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은, 특정한 물리적인 설명에 의존하지 않는다. 개시된 방법 및 시스템은, 특정한 배열 및/또는 형태를 갖는 구조의 맥락에서 설명되었음을 이해하여야 한다. 방법 및 시스템은, 다른 구조들과 일치할 수도 있음을 이해하여야 한다. 나아가, 개시된 방법 및 시스템은, 간단한 다층 및/또는 합성되는 특정 층들의 맥락에서 설명되었다. 그러나, 그러한 층들은 다른 구조를 가질 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 방법 및 시스템은, 자기 접합 및/또는 특정한 층들을 갖는 하부 구조의 맥락에서 설명되었다. 자기 접합 및/또는 개시된 방법 및 시스템과 상반되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 갖는 하부 구조들도 또한 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 더욱이, 어떤 구성 요소들은, 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리 자성(ferrimagnetic)인 것으로 설명될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "자성" 또는 "강자성"은, 강자성체(ferromagnet) 및 페리자성체(ferrimagnet)를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 방법 및 시스템은 또한, 단일 자기 접합 및 하부 구조의 맥락에서 개시되었다. 개시된 방법 및 시스템은, 다중 하부 구조를 이용하고, 다중 자기 접합을 갖는 자기 메모리의 사용과 일치함을 이해하여야 한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 "평면 내(in-plane)"라는 용어는, 자기 접합의 하나 이상의 층들의 평면에 대해 실질적으로 평행하거나, 또는 실질적으로 내부인 것을 의미할 수 있다. 반대로, "수직(perpendicular)"은, 자기 접합의 하나 이상의 층들에 대해 실질적으로 수직인 방향에 상응하는 의미일 수 있다.
도 1은 자기 장치(magnetic devices)에 사용 가능하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 자기 접합(100)의 일 실시예를 도시한다. 명료성을 위해, 도 1은 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(100)은 스핀 전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 자기 모멘트(105)를 가진 고정층(104), 비자기 스페이서층(106), 자기 모멘트(109)를 가진 자유층(108), 선택적인(optional) 추가의 비자기 스페이서층(110) 및 자기 모멘트(113)을 가진 선택적인 추가의 고정층(112)을 포함할 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(102) 및 캡핑층(114)이 도시된다. 자기 접합(100)이 형성되는 기판은 시드층(102) 아래에 위치하지만, 간결함(simplicity)을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 비슷하게, 다른 층들이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다.
도 1에 도시된 것처럼, 자기 접합(100)은 듀얼(dual) 자기 접합이다. 다른 실시예에서, 비자기 스페이서층(110) 및 고정층(112)은 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자기 접합(100)은 바텀 고정(bottom pinned) 자기 접합이다. 이와 달리, 고정층(104) 및 비자기 스페이서층(106)이 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자기 접합(100)은 탑 고정(top pinned) 자기 접합이다. (도시되지 않은)선택적인 피닝층(pinning layer(s))은 고정층(104 및/또는 112)의 자화를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택적인 피닝층은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 자화를 고정하는 AFM층 또는 멀티층(multilayer)일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 선택적인 피닝층은 생략되거나 또는 다른 구조가 사용될 수 있다. 도시된 본 발명의 실시예에서, 고정층(104, 112)의 각각의 자기 모멘트(105, 113)는 각각의 고정층(104, 112)의 자기 이방성에 의해 고정된다. 자유층(108) 및 고정층(104, 112)은 큰 수직 자기 이방성(PMA; perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는다. 다르게 설명하면, 수직 자기 이방성 에너지는 층(104, 108, 112)의 면외 자기소거 에너지를 초과한다. 이러한 배열(configuration)은 평면에 수직하여 안정하기 위해 고 PMA를 갖는 각각의 층(104, 108, 112)의 자기 모멘트(105, 109, 113)를 고려한다.
자기 접합(100)은 또한 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(100)을 통과해 지나갈 때, 자유층 자기 모멘트(109)가 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전될(switched) 수 있도록 구성된다. 따라서, 평면에 수직한 전류(CPP; current perpendicular-to-plane)에서 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통과해 지나갈 때, 자유층(109)은 스핀 전달 토크를 이용하여 반전할 수 있다(switchable). 자유층(108) 자기 모멘트(109)의 방향은 자기 접합(100)을 통하는 읽기 전류를 구동함으로써 읽어질 수 있다.
비자기 스페이서층(106, 110)은 터널링 배리어층(tunneling barrier layers)일 수 있다. 예를 들어, 비자기 스페이서층(106 및/또는 110)은 (100)으로 배향된 결정성(crystalline) MgO 터널링 배리어일 수 있다. 이러한 비자기 스페이서층(106, 110)은 자기 접합(100)의 TMR(tunneling magnetoresistance)을 강화할 수 있다.
고정층(104 및/또는 112)은 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 PMA 에너지를 가진다. 따라서, 자기 모멘트(105, 113)는 평면에 수직하여 안정하다. 이에 더해, 고정층(104, 112) 중 하나 또는 모두는 적어도 하나의 자기 배리어층을 포함한다. 더 구체적으로, 고정층(104 및/또는 112)은 적어도 하나의 고 PMA층, 적어도 하나의 자기층 및 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 적어도 하나의 자기 배리어층을 포함한다. 방법 및 시스템은 고정층 당 단일 자기 배리어층, 단일 고 PMA층 및 단일 자기층의 맥락에서 여기에 설명된다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 자기 배리어층, 복수의 고 PMA층 및/또는 복수의 자기층이 사용될 수 있다.
고정층(104 및/또는 112)의 고 PMA층은 자기 물질(magnetic material(s)) 및 자기 접합(100)의 제조 또는 사용 동안 확산할 수 있는 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함한다. 이러한 비자기 물질은 Pt일 수 있다. 예를 들어, 고 PMA층은 Co/Pt 이중층의 복수 반복(multiple repeats)((Co/Pt)n; 다르게 표현될 수 있다) 및/또는 CoPt 합금을 포함하는 멀티층(multilayer)일 수 있다. 고 PMA층의 다른 가능성들은 CoTb 합급, Co/Tb 이중층의 복수 반복, CoTb/FeB 이중층의 복수 반복, FePd 합금, FePdB 합금, CoPd 합금, FePt 합금, TbCoFe 합금, GaMn 합금, GeMn 합금, Co/Pd 이중층의 복수 반복, Fe/Pt 이중층의 복수 반복, Co/Ni 이중층의 복수 반복, Tb/CoFe 이중층의 복수 반복, Co/Ir 이중층의 복수 반복, 및/또는 Co/TbCoFe 이중층의 복수 반복을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 고 PMA층들에서, Pt, Pd, 및/또는 ?o는 확산하는 경향이 있을 수 있다.
고정층(104 및/또는 112)의 자기층은 고 PMA층이 그러한 것보다 비자기 스페이서층(106 및/또는 100)에 더 가까울 수 있다. 고정층(104 및/또는 112)의 자기층은 적어도 하나의 증착된(as-deposited) 유리 증진 구성 요소(glass-promoting component)를 포함할 수 있다. 그러므로, 자기층은 비정질 증착된(amorphous as-deposited) 것이다. 보론(boron)은 여기에서 설명된 유리 증진 구성 요소이다. 그러나, 복수의 및/또는 다른 유리 증진 구성 요소들이 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기층은 CoFeB 및/또는 FeB일 수 있다. CoFeB층은 (CoFe)1- xBx일 수 있고, 여기에서 x는 0.2 내지 0.5일 수 있다. 예를 들어, x는 명목 상 0.4일 수 있다. 일반적으로, 여기에 언급된 합금들은 특별하게 언급되지 않는 한, 구체적인 화학량론(stoichiometries)을 지시하지 않는다. 예를 들어, CoFeB는 Co, Fe 및 B의 합금을 지시한다. CoFeB는, 위에서 논의된 것처럼, CoFe에 합금된 20 내지 50 원자 퍼센트(atomic percent)의 B를 갖는 합금을 지시하려는 것이다. CoFeB는 같은 양의 Co, Fe 및 B를 갖는 합금에 제한하려는 것이 아니다. 다른 자기층들 및/또는 다른 유리 증진 구성 요소들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기층은 CoFeB 및/또는 FeB 대신에 CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi 및 MnAl 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제조 후에, 아래에 기술된 것처럼, 자기층은 적어도 부분적으로 결정화될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 적어도 몇몇의 유리 증진 구성 요소는 제조 동안에 제거될 수 있다. 따라서, 자기층은 유리 증진 구성 요소가 부족할 수 있다(예를 들어, 보론(boron)이 부족할 수 있다). 몇몇 실시예에서, 유리 증진 구성 요소는 완전히 제거될 수 있다. 그러나, 여기에서 자기층들은 여전히 유리 증진 구성 요소를 포함하는 것으로 기술된다. 예를 들어, 비록 B가 제조 동안에 부분적으로 또는 완전히 제거될지라도 자기층은 CoFeB층으로 설명될 수 있다.
자기층은 높은 스핀 분극층(high spin polarization layer)일 수 있다. 따라서, 자기층은 분극 강화층(PEL; polarization enhancement layer)으로써 작용할 수 있다. 자기층은 또한 고 PMA를 가질 수 있다. 다르게 설명하면, 수직 자기 이방성 에너지는 면외 자기소거 에너지보다 클 수 있다. 따라서, 고 PMA 자기층 대신 "자기층"으로 칭해짐에도 불구하고, 자기층은 평면에 수직하여 안정한 자기 모멘트를 가질 수 있다.
자기 배리어층은 고 PMA층 및 자기층 사이에 있다. 따라서, 자기 배리어층은 완전히 고정층(104 및/또는 112) 내에 있다. 자기 배리어층은 또한 고정층(104 및/또는 112)의 어떠한 경계면(interface)에 있는 것이 아니다. 따라서, 고정층(104)과 비자기 스페이서층(106) 사이의 경계면 및 비자기 스페이서층(110)과 고정층(112) 사이의 경계면은 자기 배리어층에 의해 공유되지 않는다. 자기 배리어층은 자기 접합(100)의 열 안정성(thermal stability)이 개선되는 동안 요구되는 물질이 고 PMA 및 자기층에 포함될 수 있게 한다. 더 구체적으로, 자기 배리어층은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 자기 배리어층은 하나 이상의 Ta, W 및/또는 Mo의 층을 사이에 끼우고(sandwiching)에 끼우고 이들 사이에 끼워지는(interleaved with) 복수의 Co층을 포함하는 멀티층일 수 있다. 그러나, 비자기층은 충분히 얇아서, Co층들은 강자성적으로(ferromagnetically) 연결될(coupled) 수 있다. 따라서, 자기 배리어층은 강자성으로 남는다. 그 결과로, 자기 배리어층, 자기층 및 고 PMA층의 결합은 단일층으로 작용한다.
예를 들어, 도 2, 3 및 4는 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 고정층에 사용 가능한 자기 배리어층(120, 120', 120'')의 일 실시예를 도시한다. 도 2, 3 및 4는 비례가 아니다(not to scale). 자기 배리어층(120, 120' 및/또는 120'')은 고정층(104 및/또는 112)에서 사용될 수 있다. 자기 배리어층(120)은 비자기층(122)을 사이에 끼우는(sandwich) 2개의 Co층(121)을 포함한다. 비자기층(122)은 Ta, W 및 Mo 중 하나 이상으로부터 구성될 수 있다. 일반적으로, 단일 물질만이(Ta만, W만 또는 Mo만) 사용된다. 자기 배리어층(120')은 비자기층(122)을 사이에 끼우고(sandwich) 이들 사이에 끼워지는(interleaved with) 3개의 Co층(121)을 포함한다. Ta, W 및 Mo의 비자기층(122)은 0.5Å 내지 1.2Å 두께인 반면, Co층(121)은 각각 1.5Å 내지 3Å 두께일 수 있다. 비자기층(122)은 충분이 얇아서, Co층(121)은 비자기층(122)을 통해 자기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 자기 배리어층(120, 120')은 자성이다(magnetic). 이와 달리, 자기 배리어층(120'')이 사용될 수 있다. 자기 배리어층(120'')은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 하나 이상의 합금일 수 있다. 자기 배리어층(120'')의 화학량론은 멀티층(120 및/또는 120')의 그것과 유사할 수 있다. 따라서, 자기 배리어층(120'')은 또한 강자성이다(ferromagnetic). 자기 배리어층(120'')은 고 PMA층의 비자기 이동성 구성 요소(nonmagnetic mobile component)의 확산에 대한 배리어(barrier)이다. 예를 들어, 자기 배리어층(120, 120' 및/또는 120'')은 Pt 확산에 대한 배리어일 수 있다. 게다가, 자기 배리어층은 자성이기 때문에, 자기층 및 고 PMA층은 자기적으로(magnetically) 연결된 채 남을 수 있다.
자기 접합(100)은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 배리어층(120, 120', 120'')과 같은 자기 배리어층은 고 PMA층 및 자기층 사이에 있기 때문에, 자기 접합(100)은 자기층으로 확산하는 고 PMA층의 비자기 구성 성분(nonmagnetic constituent) 없이, 더 높은 온도를 견딜 수 있다. 예를 들어, Co/Pt 멀티층의 Pt는 CoFeB 자기층으로 확산하는 것이 방지될 수 있다. 자기 접합(100)은 고정층(104 및/또는 112)의 성능에 불리한 영향을 미치지 않고, 더 높은 온도에서 열 싸이클(thermal cycling)을 견딜 수 있다. 고정층(104 및/또는 112)은 더 높은 온도에서 자기적으로 안정하게 남을 수 있다. 따라서, 자기 저항(magnetoresistance) 및 자기 접합(100)의 다른 특성들은 그들의 값을 유지할 수 있다. 자기 접합(100)의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
도 5는 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 층을 제공하고, 고정층 내의 자기 배리어층을 포함하는 방법(200)에 관한 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 간결함을 위해, 몇몇 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 하위 단계들(substeps) 및/또는 결합(combined)을 포함할 수 있다. 게다가, 방법(200)은 자기 메모리의 형성에 다른 단계가 수행된 후에 시작한다. 방법(200)은 자기 접합(100) 및 자기 배리어층(120, 120', 120'')의 맥락에서 기술된다. 그러나, 방법(200)은 다른 자기 접합의 형성에 사용될 수 있다. 게다가, 복수의 자기 접합들은 동시에 제조될 수 있다.
고정층(104)은 단계(202)를 통해 제공될 수 있다. 단계(202)는 전체 듀얼(dual) 자기 접합(100)이 형성되어야 하거나, 비자기 스페이서층(110) 및 고정층(112)을 생략하는 바텀 고정 자기 접합이 형성되어야 한다면 수행될 수 있다. 단계(202)는 적어도 하나의 고 PMA층, 적어도 하나의 자기층 및 위에서 설명된 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 적어도 하나의 자기 배리어층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 만일 단계(202)에서 자기 배리어층(120, 120', 120'')이 고정층(104)에 형성되지 않는다면, 자기 배리어층(120, 120', 120'')은 남은 고정층(112)에 형성될 수 있다.
단계(202)에서 형성된 고정층(104)은 단순한 (단일)층일 수도 있고, 복수층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단계(122)에서 형성된 고정층은, Ru와 같이 얇은 비자기층을 통해 반강자성적으로 또는 강자성적으로 연결된 자기층을 포함하는 합성 반강자성체(SAF; synthetic antiferromagnet)일 수 있다. 각각의 자기층은 또한 멀티층을 포함할 수 있다. 이러한 SAF에서, 강자기층들(ferromagnetic layers) 중 하나 또는 모두는 고 PMA층, 자기 배리어층 및 자기층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 강자기층들 중 하나 또는 모두는 고 PMA층, 자기 배리어층 및 자기층을 포함한다.
비자기 스페이서층(106)은 단계(204)를 통해 제공될 수 있다. 단계(204)는 자기 접합(100) 또는 바텀 고정 자기 접합이 형성되어야 한다면 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 결정성(crystalline) MgO 터널링 배리어층은 형성되는 자기 접합을 위해 요구될 수 있다. 단계(204)는 예를 들어, 고주파 스퍼터링(RF sputtering; radio frequency sputtering)을 사용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, Mg 금속은 자연스러운(natural) Mg 산화물을 제공하기 위해 단계(204)에서 증착된 다음 산화될 수 있다. 결정성 MgO 터널링 배리어층 및 비자기 스페이서층(106)은 또한 다른 방식으로 형성될 수 있다. 단계(204)는, 강화된 자기 접합의 TMR을 위한 (100)으로 배향된 결정성 MgO 터널링 배리어를 제공하기 위해 이미 형성된 자기 접합의 일부를 어닐하는 것(annealing)을 포함할 수 있다.
자유층(108)은 단계(206)를 통해 제공될 수 있다. 단계(206)은 자유층(108) 물질을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 만일 단계(202) 및 단계(204)가 생략된다면, 자유층은 시드층 상에 증착될 수 있다. 이러한 실시예에서, 탑 고정 자기 접합이 제조될 수 있다. 시드층은 자유층(108)의 요구되는 결정 구조(crystal structure), 자유층(108)의 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및/또는 자기 제동(magnetic damping)을 포함하는 다양한 목적을 위해 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 자유층(108)은 결정성 MgO층과 같이 자유층(108)에 수직 자기 이방성을 증진시키는 시드층(102) 상에 제공될 수 있다. 만일 듀얼 자기 접합 또는 바텀 고정 자기 접합이 제조된다면, 자유층은 단계(204)에서 제공된 비자기 스페이서층 상에 형성될 수 있다.
추가의 비자기 스페이서층(110)은 단계(208)를 통해 제공될 수 있다. 단계(208)는 듀얼 자기 접합(100) 또는 탑 고정 자기 접합의 제조가 요구된다면 수행될 수 있다. 만일 바텀 고정 자기 접합이 요구된다면, 단계(208)는 생략된다. 몇몇 실시예에서, 추가의 결정성 MgO 터널링 배리어층이 형성되는 자기 접합을 위해 요구될 수 있다. 단계(208)는 따라서 단계(204)에 대해 위에서 설명한 것처럼 수행될 수 있다.
추가의 고정층(112)은 단계(210)을 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(210)는 듀얼 자기 접합 또는 탑 고정 자기 접합의 제조가 요구된다면 수행될 수 있다. 만일 바텀 고정 자기 접합이 요구된다면, 단계(210)는 생략된다. 단계(210)는 고 PMA층, 자기층 및 위에서 설명된 고 PMA층과 자기층 사이에 있는 자기 배리어층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 만일 자기 배리어층(120, 120', 120'')이 단계(210)에서 고정층(112)에 형성되지 않는다면, 자기 배리어층(120, 120', 120'')은 남은 고정층(104)에 형성된다. 단계(210)에서 형성된 고정층(112)은 단순한 (단일)층일 수도 있고, 복수의 층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단계(210)에서 형성된 고정층은 SAF일 수 있다. 이러한 SAF에서, 강자기층들 중 하나 또는 모두는 고 PMA층, 자기 배리어층 및 자기층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 강자기층들 중 하나 또는 모두는 고 PMA층, 자기 배리어층 및 자기층을 포함한다.
이에 따라 자기 접합(100)의 제조는 완성될 수 있다. 예를 들어, 캡핑층(114)은 증착될 수 있고, 예를 들어 증착된 층들에 마스크를 제공하고 그 층들의 노출된 부분에 이온 밀링(ion milling)을 함으로써 자기 접합(100)의 모서리들이 정의될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이온 밀(ion mill)이 수행될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)의 모서리들은 단계(210)가 수행됨을 통해 단계(202) 후에 정의될 수 있다. 이와 달리, 다양한 층들의 모서리들은 다른 때에 형성될 수 있다. 컨택(contacts) 및 전도성 배선(conductive lines)과 같은 추가의 구조들 또한 자기 접합이 사용되는 장치를 위해 형성될 수 있다.
단계(200)를 사용해서, 자기 접합(100); 고정층(104), 비자기 스페이서층(106) 및 자유층(108)을 포함하는 바텀 고정 자기 접합; 자유층(108), 비자기 스페이서층(110) 및 고정층(112)을 포함하는 탑 고정 자기 접합; 또는 자기 배리어층(120, 120', 120'')과 같은 적어도 하나의 자기 배리어층을 포함하는 다른 자기 접합이 제조될 수 있다. 따라서, 개선된 열 안정성을 갖는 고정층을 가진 자기 접합이 성취될 수 있다.
도 6은 자기 장치에 사용되는 자기 접합의 층을 제공하고, 고정층 내의 자기 배리어층을 포함하는 방법(220)에 관한 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 간결함을 위해, 몇몇 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 하위 단계들(substeps) 및/또는 결합(combined)을 포함할 수 있다. 게다가, 방법(220)은 자기 메모리의 형성에 다른 단계가 수행된 후에 시작한다. 방법(220)은 자기 접합(100) 및 자기 배리어층(120, 120', 120'')의 맥락에서 기술된다. 그러나, 방법(220)은 다른 자기 접합의 형성에 사용될 수 있다. 게다가, 복수의 자기 접합들은 동시에 제조될 수 있다.
고정층(104, 112)을 위한 자기층은 단계(222)를 통해 제공된다. 자기층은 고 PMA를 가지고, 유리 증진 구성 요소(glass-promoting component)를 가질 수 있다. 결과적으로, 자기층은 비정질 증착된(amorphous as-deposited) 것이다. 예를 들어, CoFeB 및/또는 FeB를 포함하는 층이 증착될 수 있다. 다른 실시예에서, 단계(222)에서 증착된 고 PMA를 갖는 자기층은 CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi 및 MnAl 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 단계(222)는 또한 자기층을 결정화하는 것(crystallizing)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 희생층(sacrificial layers)이 제1 자기층 상에 증착될 수 있다. 여기서 제1 자기층은 유리 증진 구성 요소를 가지고, 비정질 증착되는 자기층일 수 있다. 희생층의 적어도 하나는 유리 증진 구성 요소에 대해 높은 친화도(affinity)를 갖는다. 예를 들어, Ta 및/또는 W와 같은 물질은 B에 대한 싱크(sink)로 사용될 수 있다. MgO와 같은 희생 산화물층(sacrificial oxide layer)은, Ta 또는 W 희생층 전에 선택적으로 증착될 수 있다. 어닐(anneal)은 그 다음에 수행된다. 높은 B 친화도 물질을 포함하는 희생층은 제1 자기층으로부터 유리 증진 구성 요소를 제거하는 것을 돕고, 따라서, 제1 자기층을 결정화하는 것을 돕는다. 결과 제1 자기층은 어닐 후에 적은 유리 증진 구성 요소를 포함할 수 있다(또는 유리 증진 구성 요소가 없을 수 있다). 희생층은, 예를 들어 플라즈마 식각(plasma etch)를 통해 그 다음 제거된다. 희생 산화물층의 존재는 희생층의 제거 동안 그 밑에 있는(underlying) 자기층의 손상 감소를 돕는다.
적어도 하나의 자기 배리어층은 단계(224)를 통해 제공된다. 단계(224)는 자기 배리어층(120, 120' 및/또는 120'')을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 자기 배리어층은 아래에 기술된 것처럼, 자기 접합의 어닐 또는 다른 가열 동안, 고 PMA층에서 특정한 구성 요소의 이동을 줄이거나 없앤다. 따라서, 결과 고정층(102 및/또는 112)의 특성은 더 안정할 수 있다. 자기 배리어층은 자성이기 때문에, 단계(222)에서 제공된 자기층 및 고 PMA층은, 아래에 제공된 것처럼 자기적으로 연결될 수 있다.
고 PMA층은 단계(226)를 통해 제공될 수 있다. 예를 들어, 전체 구조에 걸친 효과 때문에 큰 수직 자기 이방성을 가지는 구조가 제공될 수 있다. 고 PMA층은 Co/Pt 멀티층일 수 있다. 예를 들어, 더 두꺼운 Co층, 더 두꺼운 Pt층 및 더 얇은 Co 및/또는 Pt 층들을 갖는 이중층의 복수 반복이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, CoPt 합금, CoTb 합급, Co/Tb 이중층의 복수 반복, CoTb/FeB 이중층의 복수 반복, FePd 합금, FePdB 합금, CoPd 합금, FePt 합금, TbCoFe 합금, GaMn 합금, GeMn 합금, Co/Pd 이중층의 복수 반복, Fe/Pt 이중층의 복수 반복, Co/Ni 이중층의 복수 반복, Tb/CoFe 이중층의 복수 반복, Co/Ir 이중층의 복수 반복, 및/또는 Co/TbCoFe 이중층의 복수 반복이 단계(226)에서 형성될 수 있다. 이에 더해, 단계(222), 단계(224) 및 단계(226)은 더 두꺼운 멀티층의 형성에서 반복될 수 있다.
따라서, 고정층(104 및/또는 112)과 같은 고정층은 방법(220)을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 고정층은 고 PMA를 가지고, 따라서, 평면과 수직하게 안정한 자기 모멘트를 가진다. 고정층(104 및/또는 112)을 사용하는 자기 접합의 터널링 자기 저항 TMR(tunneling magnetoresistance)과 같은 자기 저항은 강화될 수 있다. 이러한 고정층(104 및/또는 112)은 고 PMA과 함께, 자기 배리어층의 존재 때문에 개선된 열 안정성을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합의 성능은 개선될 수 있다.
도 7은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합(130)의 일 실시예를 도시한다.
명료성을 위해, 도 7은 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(130)은 스핀 전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(130)은 자유층(131), 터널링 배리어층(132)인 비자기 스페이서층 및 고정층(133)을 포함할 수 있다. 시드층 및/또한 캡핑층이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층(131)은 구조의 하부에 있고, 그 밑에 있는 기판(미도시)과 가까울 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 자유층(131), 터널링 배리어층(132), 고정층(133)의 순서는 반전될 수 있다. 따라서, 자기 접합(130)은 바텀 고정 또는 탑 고정 자기 접합일 수 있다. 자기 접합(130)은 단지 하나의 고정층(131)이 존재하는 자기 접합(100)의 특수한 경우로 보여질 수 있다.
자유층(131)은 자유층(108)과 유사할 수 있다. 자기 접합(130)은 또한 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(130)을 통과해 지나갈 때, 자유층(131)이 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전될(switched) 수 있도록 구성된다. 따라서, CPP 방향으로 쓰기 전류가 자기 접합(130)을 통과해 지나갈 때, 자유층(131)은 스핀 전달 토크를 이용하여 반전할 수 있다(switchable). 자기 접합(130)에 저장된 데이터, 즉 자유층(131) 자화의 방향은, 자기 접합(130)을 통하는 읽기 전류를 구동함으로써 읽어질 수 있다.
배리어층(132)은 비자기 스페이서층(106 또는 110)과 유사할 수 있다. 따라서, 배리어층(132)은 요구되는 결정성 구조, 배향 및 두께를 갖는 결정성 MgO층일 수 있다.
고정층(133)은 자기층(134), 자기 배리어층(135) 및 고 PMA층(136)을 포함한다. 비록 고 PMA층으로 명확히 표시되지 않았지만, 자기층(134) 또한 고 PMA를 가진다. 자기층은 단계(222)에서 제공되는 것으로 위에서 설명된 자기층과 유사할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서 자기층(134)은 CoFeB 또는 FeB 층일 수 있다. 자기 배리어층(134)은 자기 배리어층(120, 120', 120'')과 유사할 수 있고, 단계(222)에서 제공될 수 있다. 따라서, 자기 배리어층(135)은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 자기 배리어층(135)은 자기층(134) 및 고 PMA층(136) 사이에 있다. 따라서, 자기 배리어층(135)은 고정층(133) 내에 완전히 포함되고, 고정층(133)의 경계면에 위치하지 않는다. 자기 배리어층(135)은 또한 고 PMA층(136)의 하나 이상의 구성 성분이 자기층(134)으로 확산하는 것을 줄이거나 방지할 수 있다. 자기 배리어층(135)은 고정층(133)의 열 안정성을 유지하는 동안, 자기층(134), 자기 배리어층(135) 및 고 PMA층(136)이 자기적으로 단일층으로 기능하도록 한다.
고 PMA층(136)은 방법(220)의 단계(226)를 사용하여 형성될 수 있다. 따라서, 고 PMA층은 대부분의 고 PMA층(136)을 통한 효과 때문에 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 예를 들어, 고 PMA층(136)은 Co/Pt 멀티층 또는 다른 유사한 구조를 포함할 수 있다.
자기 접합(130)은 자기 배리어층(135)의 존재로 인해 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 배리어층(135)은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 자기 배리어층(135)은 고 PMA층을 위한 적절한 시드 구조(seed structure)를 제공할 수 있다. 요구되는 결정 구조 및 자기적 특성을 가지는 고 PMA층(136)은 이에 따라 형성될 수 있다. 자기 배리어층(135)은 고 PMA층(136) 및 자기층(134) 사이에 있기 때문에, 자기 접합(130)은 자기층(134)으로 확산하는 고 PMA층(136)의 비자기 구성 성분(예를 들어, Pt) 없이, 더 높은 온도를 견딜 수 있다. 자기 접합(130)은 고정층(133)의 성능에 불리한 영향을 미치지 않고, 더 높은 온도에서 열 싸이클(thermal cycling)을 견딜 수 있다. 따라서, 고정층(133)은 더 높은 온도에서 자기적으로 안정하게 남을 수 있다. 그 결과로, 자기 저항(magnetoresistance) 및 자기 접합(130)의 다른 특성들은 그들의 값을 유지할 수 있다. 자기 접합(130)의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
요구되는 자기층(134) 및 고 PMA층(136)을 제공하기 위해, 다양한 절차들이 다음에 따른다. 도 8은 고정층을 제공하기 위해 희생 산화물층 및 희생층을 이용하는 방법(230)에 관한 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 간결함을 위해, 몇몇 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 하위 단계들(substeps) 및/또는 결합(combined)을 포함할 수 있다. 게다가, 방법(230)은 자기 메모리의 형성에 다른 단계가 수행된 후에 시작한다. 방법(230)은 자기 접합(150, 150', 160, 180)(뒤에서 기술) 뿐만 아니라, 자기 접합(130)의 맥락에서 기술된다. 그러나, 다른 자기 접합들을 위한 유사한 층도 형성될 수 있다. 게다가, 복수의 자기 접합들은 동시에 제조될 수 있다.
적어도 하나의 유리 증진 구성 요소를 포함하는 자기층은 단계(232)를 통해 증착된다. 유리 증진 구성 요소의 존재 때문에, 자기층은 비정질 증착된 것이다. 예를 들어, CoFeB 및/또는 FeB를 함유하는 층이 증착될 수 있다.
희생 산화물층은 단계(234)에서 선택적으로 증착될수 있다. 다른 실시예에서, 단계(234)는 생략될 수 있다. 희생 산화물층은 MgO층일 수 있다. 희생 산화물층은 얇도록 요구될 수 있다. 희생 산화물층의 두께는 0Å 내지 5Å 일 수 있다. 예를 들어, 희생 산화물층의 두께는 명목 상 3Å 내지 4Å 일 수 있다.
희생층은 단계(236)을 통해 증착될 수 있다. 희생층은 유리 증진 구성 요소에 대한 싱크(sink)이다. 다르게 설명하면, 희생층은 유리 증진 구성 요소에 대해 높은 친화도(affinity)를 갖는다. 희생층은 Ta, Hf, Rb, Sc, Zr, Nb, Mg, V, Mn, Ag, Be, Mo, Ti, Cr, Al, Te 및 W 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 희생층은 B에 대한 높은 친화도를 갖는 W, Ta 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 희생층은 또한 얇도록 요구된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 희생층의 두께는 2Å 내지 5Å 일 수 있다. 예를 들어, 희생층의 두께는 명목 상 3Å 내지 4Å 일 수 있다. 아래에 기술된 것처럼, 희생 산화물층은 충분히 얇아서, 유리 증진 구성 요소는 어닐(anneal) 동안에 층과 층을 통해 이동할 수 있다.
일단 희생층이 존재하면, 단계(238)을 통해 어닐이 수행된다. 어닐은 200℃보다 높은 어닐 온도(anneal temperature)에서 수행된다. 몇몇 실시예에서, 어닐 온도는 300℃ 내지 475℃이다. 몇몇 실시예에서, 어닐은 300℃ 내지 475℃ 온도에서 수행된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 어닐 온도는 명목 상 350℃이다. 다른 실시예에서, 어닐 온도는 명목 상 450℃이다. 다른 실시예에서, 다른 온도 및 시간이 사용될 수 있다. 단계(238)에서 수행된 어닐은 20분 또는 그 이하로 지속되는 급속 열처리(RTA; rapid thermal anneal)일 수 있다. 몇몇 실시예에서, RTA는 15분 이하로 수행될 수 있다. 어닐 때문에, 단계(232)에서 제공된 비정질(amorphous) 자기층은 적어도 부분적으로 결정화된다.
희생층 및 (만일 존재한다면)낮은 두께의 희생 산화물층의 존재 때문에, 자기층 내 유리 증진 구성 요소(B와 같은) 희생층으로 이동하는 경향이 있다. 결과적으로, 자기층의 화학량론은 단계(238)에서 수행되는 어닐 동안 변할 수 있다. 예를 들어, CoFeB층 또는 자기층에 사용된 FeB층은 B가 적을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 결정성 CoFe층은 남아 있고, 모든 B는 희생층으로 확산할 수 있다. 그러나, 이러한 층은 여전히 CoFeB층으로 지칭될 수 있다. 부분적인 결정화 후에, 자기층의 결정화된 부분은 요구되는 결정 구조 및 배향을 가진다. 예를 들어, CoFeB 또는 FeB층은 체심 입방 결정(body-centered cubic crystal) 구조 및 (100) 배향을 가질 수 있다.
희생층 및 (만일 존재한다면)희생 산화물층은 단계(240)을 통해 제거된다. 몇몇 실시예에서, 이는 형성되는 자기 접합을 플라즈마 식각(plasma etching)함으로써 성취될 수 있다. 따라서, Ar 이온과 같은 비반응성 이온(nonreactive ions)이, 층의 표면에 퍼부어지는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기층의 일부 또한 제거될 수 있다. 비록 희생층들은 제거되었지만, 이들 층들의 하나 또는 모두로부터 몇몇 잔여물(residue)이 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 잔여물은 Mg, MgO, W 및/또는 Ta을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 단계(240) 후에 잔여물이 남지 않을 수 있다. 만일 식각이 자기층의 일부를 제거하기 위해 수행된다면, 자기층은 증착된(as-deposited) 것보다 얇을 수 있다.
이에 따라 층의 제조는 단계(242)를 통해 완성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계(242)는 하나 이상의 추가적인 층들을 증착하는 것을 포함한다. 예를 들어, 자기 배리어층(135) 및 CoFeB와 같은 추가의 고 PMA층(136)이 증착될 수 있다. 이와 달리, 다른 고 PMA층이 형성될 수 있다. 예를 들어, Co/Pt 멀티층 또는 다른 유사한 층이 제공될 수 있다. 따라서, 방법(230)은 요구되는 고정층을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 9는 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합(150)의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합(150)은 단계(200), 단계(220) 및 단계(230)을 사용하여 형성될 수 있다. 명료성을 위해, 도 9는 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(150)은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(150)은 자기 접합(100 및/또는 130)과 유사하다. 자기 접합(150)은 자유층(151), 터널링 배리어층(152)인 비자기 스페이서층 및 탑(top) 고정층(153)을 포함한다. 시드층 및/또한 캡핑층이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층(151)은 구조의 하부에 있고, 그 밑에 있는 기판(미도시)과 가까울 수 있다.
자유층(151)은 자유층(108 및/또는 131)과 유사하다. 자기 접합(150)은 또한 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(150)을 통과해 지나갈 때, 자유층(151)이 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전될(switched) 수 있도록 구성된다. 따라서, CPP 방향으로 쓰기 전류가 자기 접합(150)을 통과해 지나갈 때, 자유층(151)은 스핀 전달 토크를 이용하여 반전할 수 있다(switchable). 배리어층(152)은 비자기 스페이서층(106, 110 및/또는 132)과 유사하다. 따라서, 배리어층(152)은 요구되는 구조, 배향 및 두께를 갖는 결정성 MgO층일 수 있다.
고정층(153)은 자기층(134), 자기 배리어층(135) 및 고 PMA층(136)과 각각 유사한 자기층(154), 자기 배리어층(155) 및 고 PMA층(156)을 포함한다.
고 PMA층(156)은 Pt층(157) 및 Co/Pt 멀티층(158)을 포함한다. 고 PMA층(156)에서, Co 및 Pt층들이 끼워질 수 있다. 따라서, Co/Pt 멀티층(158)의 Co층은 Pt층(157)과 접한다. 몇몇 실시예에서, 자기층(154)은 CoFeB 또는 FeB층일 수 있다. 자기 배리어층(155)은 자기 배리어층(120, 120', 120'')과 유사하다. 따라서, 자기 배리어층(155)은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함한다. 자기 배리어층(155)은 자기층(154) 및 고 PMA층(156)을 자기적으로 결합한다. 다르게 설명하면, 자기 배리어층(155)은 자기층(154), 자기 배리어층(155) 및 고 PMA층(156)이 자기적으로 단일층으로 기능하도록 한다. 자기 배리어층(155)은 또한 고 PMA층(156) 내 Pt가 자기층(154)으로 확산하는 것을 줄이거나 방지할 수 있다.
자기 접합(150)은 자기 배리어층(155)의 존재로 인해 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 배리어층(155)은 Co와, Ta, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 자기 배리어층(155)은 고 PMA층(156)을 위한 적절한 시드 구조(seed structure)를 제공할 수 있다. 자기 배리어층(155)은 고 PMA층(156)으로부터 자기층(154)으로 확산하는 Pt 없이, 자기 접합(150)이 더 높은 온도를 견딜 수 있게 한다. 따라서, 고정층(153)은 더 높은 온도에서 자기적으로 안정하게 남을 수 있다. 자기층(154)은 방법(230)의 희생층을 사용하여 제조되기 때문에, 자기층(154)의 결정화는 개선될 수 있다. 따라서, PMA 및 TMR이 개선될 수 있다. 게다가, 희생 산화물층의 사용은 이러한 개선의 더 큰 균일성(uniformity) 및 반복성(repeatability)을 가능하게 한다. 그 결과로, 자기 저항(magnetoresistance) 및 자기 접합(150)의 다른 특성들은 그들의 값을 유지할 수 있다. 자기 접합(150)의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
도 10은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합(150')의 다른 실시예를 도시한다. 자기 접합(150')은 단계(200), 단계(220) 및 단계(230)을 사용하여 형성될 수 있다. 명료성을 위해, 도 10은 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(150')은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(150')은 자기 접합(100, 130 및/또는 150)과 유사하다. 자기 접합(150')은 자유층(151), 터널링 배리어층(152)인 비자기 스페이서층 및 자유층(151)과 유사한 탑(top) 고정층(153')을 포함한다. 시드층 및/또한 캡핑층이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층(151)은 구조의 하부에 있고, 그 밑에 있는 기판(미도시)과 가까울 수 있다.
위에서 기술한 것처럼, 자유층(151), 배리어층(152) 및 고정층(153')은 이미 논의된 자유층, 배리어층 및 고정층과 유사하다. 게다가, 고정층(153')은 잔여물(159)를 포함한다. 위에서 기술한 것처럼, 자기 접합(150')은 자기 배리어층(155) 형성에 희생 산화물층 및 희생층을 사용하는 방법(230)을 사용하여 형성될 수 있다. 비록 이러한 층들이 완전히 제거될 수 있지만, 이러한 희생층들의 물질 때문에 몇몇 잔여물은 자기층(154) 상에 남아 있을 수 있다. 잔여물(159)은 희생층들에 있었던 MgO, Ta, W 및/또는 Mo를 포함할 수 있다. 잔여물(159)은 완전한 층을 형성하지 않지만, 존재하는 것으로 암시될 수 있다.
자기 접합(150')은 자기 접합(150)의 장점을 공유할 수 있다. 자기 접합(150)은 개선된 열적 강인성(thermal robustness) 및 TMR을 가질 수 있다. 자기 접합(150')의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
도 11은 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합(160)의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합(160)은 단계(200), 단계(220) 및 단계(230)을 사용하여 형성될 수 있다. 명료성을 위해, 도 11은 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(160)은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(160)은 자기 접합(100, 130, 150 및/또는 150')과 유사하다. 자기 접합(160)은 자유층(161), 터널링 배리어층(162)인 비자기 스페이서층 및 탑(top) 고정층(163)을 포함한다. 시드층 및/또한 캡핑층이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층(161)은 구조의 하부에 있고, 그 밑에 있는 기판(미도시)과 가까울 수 있다.
자유층(161)은 자유층(108, 131 및/또는 151)과 유사하다. 자기 접합(160)은 또한 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(160)을 통과해 지나갈 때, 자유층(161)이 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전될(switched) 수 있도록 구성된다. 배리어층(162)은 비자기 스페이서층(106, 110, 132 및/또는 152)과 유사하다. 따라서, 배리어층(162)은 요구되는 구조, 배향 및 두께를 갖는 결정성 MgO층일 수 있다.
고정층(163)은 SAF이다. 따라서, 고정층(163)은 자기 구조(164), 비자기 커플링층(170) 및 추가의 자기 구조(171)를 포함한다. 자기 구조(164)는 고정층(153)과 유사하다. 따라서 자기 구조(164)는 자기층(134, 154), 자기 배리어층(135, 155) 및 고 PMA층(136, 156)과 각각 유사한 자기층(165), 자기 배리어층(166) 및 층(167, 168)을 포함하는 고 PMA층을 포함한다. 도시하지 않았지만, 본 발명의 몇몇 실시에에서, 자기 구조(164)는 잔여물(159)과 유사한 희생층의 잔여물을 포함할 수 있다. 비자기 커플링층(170)은 자기 구조(164) 및 자기 구조(171)가 반강자성적으로(antiferromagnetically) 결합되도록 설정된 두께를 가진 Ru층일 수 있다. 따라서 자기 구조(171)는 Co층(172) 및 Pt/Co 멀티층(173)을 포함한다. 자기 구조(171)에서, Pt 및 Co층들이 끼워질 수 있다.
자기 접합(160)은 자기 접합(150 및/또는 150')의 장점을 공유할 수 있다. 자기 접합(160)은 자기 배리어층(166)으로 인한 개선된 열적 강인성(thermal robustness)을 가질 수 있다. 자기 배리어층(166)은 자기층(167, 168)으로부터 자기층(165)으로 확산하는 Pt 없이, 자기 접합(160)이 더 높은 온도를 견딜 수 있게 한다. 따라서, 고정층(163)은 더 높은 온도에서 자기적으로 안정하게 남을 수 있다. 자기층(165)은 방법(230)의 희생층을 사용하여 제조되기 때문에, 자기층(165)의 결정화는 개선될 수 있다. 따라서, PMA 및 TMR이 개선될 수 있다. 게다가, 희생 산화물층의 사용은 이러한 개선의 더 큰 균일성(uniformity) 및 반복성(repeatability)을 가능하게 한다. 그 결과로, 자기 저항(magnetoresistance) 및 자기 접합(160)의 다른 특성들은 그들의 값을 유지할 수 있다. 자기 접합(160)의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
도 12는 스핀 전달 토크를 사용하고 열적으로 안정한 고정층을 갖는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되는 자기 접합(180)의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합(180)은 단계(200), 단계(220) 및 단계(230)을 사용하여 형성될 수 있다. 명료성을 위해, 도 12는 비례가 아니다(not to scale). 자기 접합(180)은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(180)은 자기 접합(100, 130, 150, 150' 및/또는 160)과 유사하다. 자기 접합(180)은 바텀(bottom) 고정층(181), 터널링 배리어층(187)인 비자기 스페이서층 및 탑(top) 자유층(188)을 포함한다. 시드층 및/또한 캡핑층이 존재할 수 있으나, 간결함을 위해 도시되지 않는다. 바텀 컨택(bottom contact) 및 탑 컨택(top contact)은 도시되지 않았으나, 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 고정층(181)은 자기 접합(180)의 하부에 있고, 그 밑에 있는 기판(미도시)과 가까울 수 있다.
자유층(188)은 자유층(108, 131, 151 및/또는 161)과 유사하다. 자기 접합(180)은 또한 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(180)을 통과해 지나갈 때, 자유층(188)이 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전될(switched) 수 있도록 구성된다. 배리어층(187)은 비자기 스페이서층(106, 110, 132, 152 및/또는 162)과 유사하다. 따라서, 배리어층(187)은 요구되는 구조, 배향 및 두께를 갖는 결정성 MgO층일 수 있다.
고정층(181)은 바텀(bottom) 고정층이다. 따라서, 고정층(181)은 고 PMA층(182), 자기 배리어층(183) 및 층(185, 186)을 포함하는 자기층(184)을 포함한다. 고 PMA층(182), 자기 배리어층(183) 및 자기층(184)은 각각 자기층(134, 154, 165) 및 층(157/167 및 158/169)을 포함하는 고 PMA층(136/156/167 및 168)과 유사하다. 그러나, 고 PMA층(182)은 자기층(184) 전에 형성된다. 비록 도시하지 않았지만, 본 발명의 몇몇 실시에에서, 자기층(184)은 잔여물(159)와 유사한 희생층의 잔여물을 포함할 수 있다. 자기층(185)은 CoFeB 및/또는 FeB층일 수 있다. 층(186)은 높은 스핀 분극(spin polarization)을 가지고, Fe층일 수 있다. 자기 배리어층(183)은 자성이기 때문에, 층(182, 183, 185, 186)은 자기적으로 연결되고, 단일 자기층으로 기능한다.
자기 접합(180)은 자기 접합(150, 150' 및/또는 160)의 장점을 공유할 수 있다. 자기 접합(180)은 자기 배리어층(183)으로 인한 개선된 열적 강인성(thermal robustness)을 가질 수 있다. 따라서, 고정층(181)은 더 높은 온도에서 자기적으로 안정하게 남을 수 있다. 자기층(185)은 방법(230)의 희생층을 사용하여 제조되기 때문에, 자기층(185)의 결정화는 개선될 수 있다. 따라서, PMA 및 TMR이 개선될 수 있다. 게다가, 희생 산화물층의 사용은 이러한 개선의 더 큰 균일성(uniformity) 및 반복성(repeatability)을 가능하게 한다. 그 결과로, 자기 저항(magnetoresistance) 및 자기 접합(180)의 다른 특성들은 그들의 값을 유지할 수 있다. 자기 접합(180)의 성능 및 열 안정성은 이에 따라 개선될 수 있다.
비록 방법 및 장치가 구체적인 특징, 단계 및 구성 요소의 맥락에서 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 특징, 단계 및/또는 구성 요소의 하나 이상이 본 명세서의 설명과 상반되지 않는 다른 방식으로 결합될 수 있음을 인지할 것이다.
도 13은 자기 접합(100, 130, 150, 150', 160, 180) 및/또는 고정층 내에 자기 배리어층을 포함하는 다른 자기 접합 중 하나 이상을 사용하는 메모리(300)의 일 실시예를 도시한다. 자기 메모리(300)는 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver)(304) 뿐만 아니라 읽기/쓰기 칼럼 선택 드라이버(reading/writing column select drivers)(302, 306)를 포함한다. 또한, 다른(other) 및/또는 다른(different) 구성 요소들도 제공될 수 있다. 자기 메모리(300)의 저장 영역은 자기 저장 셀(310)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(312) 및 적어도 하나의 선택 장치(314)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(314)는 트랜지스터(transistor)이다. 자기 접합(312)은 자기 접합(100), 자기 접합(130), 자기 접합(150), 자기 접합(150'), 자기 접합(160), 자기 접합(180) 및/또는 고정층 내에 자기 배리어층을 포함하는 다른 자기 접합 중 하나일 수 있다. 비록 자기 저장 셀(310) 당 하나의 자기 접합(312)이 도시되지만, 다른 실시예에서, 자기 저장 셀(310) 당 다른 수의 자기 접합(312)이 제공될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300)는 위에서 기술된 장점들을 가질 수 있다.
이상 스핀 전달 토크 응용에 사용 가능하고 자기 배리어층을 포함하는 자기 접합을 제공하기 위한 방법 및 시스템이 설명되었다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 자기 접합 104, 112: 고정층
106, 110: 비자기 스페이서층 108: 자유층
134: 자기층 135: 자기 배리어층
136: 고 PMA층

Claims (10)

  1. 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용되는 자기 접합으로서,
    쓰기 전류(write current)가 자기 접합(magnetic junction)을 통과해 지나갈 때 복수의 안정한 자기 상태(magnetic states) 사이에서 반전이 가능한(switchable) 자유층(free layer);
    비자기(nonmagnetic) 스페이서층; 및
    고정층(pinned layer)을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고,
    상기 고정층은, 고정층 면외 자기소거 에너지(a pinned layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지(a pinned layer perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖고,
    상기 고정층은, 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA(high Perpendicular Magnetic Anisotropy)층, 자기층, 및 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되며 자성인 자기 배리어층을 포함하고,
    상기 자기 배리어층은, Co를 포함하며, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 자기 배리어층은, 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어(barrier)이고,
    상기 고 PMA층 및 상기 자기층은 상기 자기 배리어층에 의해 자기적으로 연결된 자기 접합.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기층은, 유리 증진 구성 요소(glass-promoting component)를 포함하고, 비정질 증착되는(amorphous as-deposited) 자기 접합.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자기층은 FeB로 구성되는 자기 접합.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성 요소는 Pt를 포함하는 자기 접합.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고 PMA층은 Co/Pt 멀티층을 포함하는 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 배리어층은,
    복수의 Co층과,
    상기 복수의 Co층 사이에 배치되는 적어도 하나의 비자기층을 포함하고,
    상기 비자기층은 W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 배리어층은 합금을 포함하고,
    상기 합금은 Co와, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고정층은, 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet)이고,
    상기 고정층은,
    비자기 커플링층과,
    추가적인 고 PMA층을 더 포함하고,
    상기 비자기 커플링층은, 상기 추가적인 고 PMA층 및 상기 고 PMA층 사이에 배치되는 자기 접합.
  9. 기판 상에 배치되는 자기 메모리로서,
    복수의 자기 저장 셀을 포함하고,
    각각의 상기 복수의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 자유층과, 비자기 스페이서층과, 고정층을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고,
    상기 자유층은, 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과해 지나갈 때 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 반전이 가능하고,
    상기 고정층은, 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 고정층은, 적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA층, 자기층 및 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되며 자성인 자기 배리어층을 포함하고,
    상기 자기 배리어층은 Co를 포함하며, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어이고,
    상기 고 PMA층 및 상기 자기층은 상기 자기 배리어층에 의해 자기적으로 연결된 자기 메모리.
  10. 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용되는 자기 접합 제조 방법으로서,
    자유층을 제공하고,
    비자기 스페이서층을 제공하고,
    고정층을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고,
    상기 비자기 스페이서층 및 상기 자유층은 상기 고정층 및 기판 사이에 배치되고,
    상기 고정층은 고정층 면외 자기소거 에너지보다 큰 고정층 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 고정층을 제공하는 것은,
    적어도 하나의 비자기 구성 요소를 포함하는 고 PMA층을 제공하고,
    자기 배리어층을 제공하고,
    자기층을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층과 상기 자기층 사이에 배치되며 자성이고,
    상기 자기 배리어층은 Co를 포함하며, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 자기 배리어층은 상기 고 PMA층의 상기 비자기 구성요소의 확산에 대한 배리어이고,
    상기 고 PMA층 및 상기 자기층은 상기 자기 배리어층에 의해 자기적으로 연결된 자기 접합 제조 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10297301B2 (en) * 2017-08-28 2019-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
US9972773B1 (en) * 2017-08-28 2018-05-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
US10388349B2 (en) * 2017-09-21 2019-08-20 The Regents Of The University Of California Writing of a magnetic memory with electric pulses
US10388853B2 (en) * 2017-12-29 2019-08-20 Spin Memory, Inc. Magnetic memory having a pinning synthetic antiferromagnetic structure (SAF) with cobalt over platinum (Pt/Co) bilayers
CN111788672A (zh) * 2018-03-06 2020-10-16 索尼半导体解决方案公司 半导体设备与成像设备
US10879307B2 (en) 2018-09-21 2020-12-29 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Magnetic device and magnetic random access memory

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150021726A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-22 Imec Vzw Method for patterning a magnetic tunnel junction stack

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8546896B2 (en) * 2010-07-16 2013-10-01 Grandis, Inc. Magnetic tunneling junction elements having magnetic substructures(s) with a perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
US9130155B2 (en) * 2013-03-15 2015-09-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having insertion layers and magnetic memories using the magnetic junctions
KR102099879B1 (ko) * 2013-05-03 2020-04-10 삼성전자 주식회사 자기 소자
US9634237B2 (en) * 2014-12-23 2017-04-25 Qualcomm Incorporated Ultrathin perpendicular pinned layer structure for magnetic tunneling junction devices

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150021726A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-22 Imec Vzw Method for patterning a magnetic tunnel junction stack

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