KR102565362B1 - 자기 터널 접합 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 호이슬러 합금이 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 가진 자기 터널 접합 소자를 제공한다. 자기 터널 접합 소자는 적어도 1개의 호이슬러 합금막, 및 상기 호이슬러 합금막과 접하고, 절연성을 갖는 배리어층을 포함한다. 상기 호이슬러 합금막에는 상기 호이슬러 합금막과 상기 배리어층 사이의 접합면에 평행인 방향으로 압축 응력이 부여된다.

Description

자기 터널 접합 소자{Magnetic tunnel junction device}
본 발명은 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로, 상세하게는 스핀 주입 자화 반전 효과를 이용한 고집적의 수직 자화형 STT-MRAM((Spin Transfer Torque Magnetoresistive Random Access Memory)에 사용되는 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다.
수직 자화를 가지며 자기 저항 효과에 의해 판독되는 자기 저항 소자는, 미세화에 대한 열 교란 내성이 높아 차세대 메모리 등으로 기대되고 있다.
차세대 메모리는, 자화 방향이 가변되는 자유층, 소정의 자화 방향을 유지하는 기준층, 및 이들 사이에 제공되는 MgO 배리어층을 갖는 자기 터널 접합층을 구비한 자기 저항(Magnetic tunnel junction: MTJ) 소자로 구성된다.
이러한 차세대 메모리의 기본 구성 재료로서, 높은 수직 자기 이방성을 가지면서, 또한 높은 스핀 분극률을 갖는 강자성 재료가 요구된다. 그러나, 재료 자체가 수직 자기 이방성을 가지면서, 이론적으로 높은 스핀 분극률을 갖는 재료는 CoFeB 금속 강자성체 또는 Mn―Ge 계열의 재료 밖에 없기 때문에, 선택할 수 있는 재료의 범위가 매우 좁은 실정이다. 따라서, 높은 수직 자기 이방성을 가지며, 또한 높은 스핀 분극률을 갖는 재료를 사용하는 것은 어렵다.
현재, 주로 연구 개발에 이용되는 CoFeB 금속 강자성체에 대하여, 특허 문헌 1에는, 스핀 분극층보다 작은 격자 상수를 갖는 안정화 층을 스핀 분극층에 접촉시켜 스핀 분극층의 결정 격자를 x축 방향 및 y축 방향으로 수축시킨 자기 터널 접합 소자가 기재되어 있다.
그러나, 수직 자기 이방성의 변화는 재료 구성(조성, 결정 구조, 자성 원소)에 의존하며, 변형에 의해 모든 자성체의 수직 자기 이방성이 증가하는 것은 아니다. 일반적으로, 변형이 수직 자기 이방성에 미치는 효과는 자성 재료 자체가 갖는 특성에 크게 의존한다.
한편, Co 기반의 호이슬러(Heusler) 합금은 높은 스핀 분극율 및 높은 퀴리(Curie) 온도를 갖기 때문에, Co 기반의 호이슬러 합금을 이용하는 경우 거대한 터널 자기 저항비를 갖는 강자성 터널 접합 소자가 기대된다.
그리고, 특허 문헌 2 내지 4, 및 비 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 자기 터널 접합 소자는 수직 자화형 STT-MRAM에 대한 응용이 검토되고 있다.
(특허문헌 1) JP2010-238769 A
(특허문헌 2) JP2011-71352 A
(특허문헌 3) JP2005-150303 A
(특허문헌 4) JP2005-32878 A
(비특허 문헌 1) J. Appl. Phys 115, 17C732(2014), IEEE Trans. Magn., vol. 50, No11, 2600304
Co 기반의 호이슬러 합금은 재료 자체가 수직 자기 이방성을 갖지 않기 때문에, 자기 터널 접합 소자에 수직 자화 유지층을 결합시키는 것이 검토되고 있다. 그러나, Co기반 호이슬러 합금을 이용한 자기 터널 접합 소자에서는, 막 두께가 커지는 만큼 자화 반전 전류가 증대되어 저전력 장치를 제조하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
또한, 계면 자기 이방성을 이용하는 검토도 수행되고 있지만, Co 기반의 호이슬러 합금은 수직 자기 이방성이 작기 때문에, 반쪽 금속성(half-metallicity)을 유지하기 위해 호이슬러 합금의 두께를 1nm 이상으로 하는 경우 자기 이방성이 수직에서 면내로 변화하는 문제가 있다.
이와 같이, 종래에는 호이슬러 합금이 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 갖는 자기 터널 접합 소자를 제공할 수 없었다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 호이슬러 합금이 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 갖는 자기 터널 접합 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합 소자는 적어도 1개의 호이슬러 합금막; 및 상기 호이슬러 합금막과 접하고, 절연성을 갖는 배리어층을 포함하되, 상기 호이슬러 합금막에는 상기 배리어층으로부터 상기 호이슬러 합금막과 상기 배리어층 사이의 접합면에 평행인 방향으로 압축 응력이 부여된다.
일 실시예에 따르면, 상기 호이슬러 합금막과 상기 배리어층은 XY 평면에서 서로 접하고, 상기 배리어층의 X축 및/또는 Y축의 격자 상수는 상기 호이슬러 합금막의 X축 및/또는 Y축의 격자 상수의 96% 이상 98% 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 호이슬러 합금막은 L21 결정 구조를 갖는 Co 기반의 완전(full) 호이슬러 합금일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 배리어층은 CaF2, CeO2, PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 자기 터널 접합 소자는 상기 호이슬러 합금막과 접하는 버퍼층을 더 포함하고, 상기 호이슬러 합금막은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖되, 상기 배리어층은 상기 제1 면과 접하고, 상기 버퍼층은 상기 제2 면과 접할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은 CaF2, CeO2, PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 호이슬러 합금막은 2개로 제공되고, 상기 2개의 호이슬러 합금막 중 하나는 상기 배리어층의 일면과 접하고, 다른 하나는 상기 일면에 대향하는 상기 배리어층의 타면과 접할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 자기 저항 메모리는 적어도 1개의 호이슬러 합금막, 및 상기 호이슬러 합금막과 접하고, 절연성을 갖는 배리어층을 포함하되, 상기 호이슬러 합금막에는 상기 호이슬러 합금막과 상기 배리어층 사이의 접합면에 평행인 방향으로 압축 응력이 부여되는 자기 터널 접합 소자; 및 상기 자기 터널 접합 소자에 전압을 인가하기 위한 전극을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 호이슬러 합금이 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 가진 자기 터널 접합 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작도록 절연 물질을 선택함으로써 기준층 및 자유층에 압축 응력이 부여되고, 이에 따라, 기준층 및 자유층의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 배리어층을 구성하는 물질과, 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수의 비율이 소정의 범위를 갖게 함에 따라, 기준층 및 자유층은 반쪽 금속성을 가질 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들에 따르면, 2개의 호이슬러 합금막으로 구성된 자기 터널 접합 소자에서, 2개의 호이슬러 합금막들은 1개의 절연 베리어층에 의해 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 가질 수 있다.
본 발명의 자기 저항 메모리에 따르면, 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작도록 절연 물질을 선택한 자기 터널 접합 소자를 이용함으로써 수직 자기 이방성이 증가하게 되고, 이에 따라, 자기 저항 메모리를 고밀도화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 2는 호이슬러 합금에 부여된 변형과 수직 자기 이방성의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 호이슬러 합금에 부여된 변형과 반쪽 금속성의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 변형예에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 자기 저항 메모리의 일 예의 주요부를 나타내는 사시도이다.
본 발명은 호이슬러 합금막의 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성(half-metallicity)을 동시에 확보하는 방법에 관한 것이다. 제1 원리 계산(first-principles calculations)에 따른 변형과 수직 자기 이방성 및 반쪽 금속성의 관계를 조사한 결과, 호이슬러 합금막에 압축 변형(compressive distortion)을 부여함으로써, 큰 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 절연 배리어층의 격자 상수가 호이슬러 재료의 격자 상수보다 작은 것이 중요함을 발견했다. 배리어층의 재료로는 CaF2(calcium fluroraide), 또는 CeO2(Cerium Oxide, Ceria)가 적당하다. 본 발명에 의해 차세대 STT-MRAM에 적합한 수직 자기 터널 접합 소자가 제공될 수 있다.
(실시예 1)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 도 1은 실시예 1에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다. 도 1에서 자기 터널 접합 소자(10)는 기판(11), 버퍼층(12), 기준층(13), 배리어층(14), 자유층(15), 제1 캡층(16), 및 제2 캡층(17)을 포함할 수 있다.
기판(11)은 열 산화막을 갖는 실리콘(Si) 기판 또는 단결정 실리콘(Si) 기판일 수 있다.
버퍼층(12)은 기판(11)상에 형성된 안정화 층일 수 있다. 구체적으로, 버퍼층(12)은 Cr, Ta, Au, W, Pt 또는 Ti를 포함한 층일 수 있다.
기준층(13)은 호이슬러 합금막으로 이루어진 층(13A), 및 Co/Pt 다층막(13B)으로 구성될 수 있다. 바람직하게, 호이슬러 합금막으로 이루어진 층(13A)는 Co 기반의 완전 호이슬러(Co-based full-Heusler) 합금으로 구성된 층일 수 있다. 구체적으로, Co 기반의 완전 호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2(Fe-Mn)Si, Co2FeAl 또는 Co2CrAl를 포함할 수 있다. 또한, Co/Pt 다층막(13B)은 큰 수직 자기 이방성을 갖기 위해 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 호이슬러 합금막으로 이루어진 층(13A)는 배리어층(14)과 접하고 Co/Pt 다층막(13B)은 버퍼층(12)과 접할 수 있다.
배리어층(14)은 절연 물질로 이루어진 층일 수 있다. 배리어층(14)은 강자성을 갖는, 기준층(13) 및 자유층(15) 사이에 개재될 수 있다. 그리고, 기준층(13) 및 자유층(15)과의 접합면에 대해 수직으로 전압이 인가됨으로써, 터널 효과에 의해 자기 터널 접합 소자(10)에 전류가 흐를 수 있다.
자유층(15)은 호이슬러 합금막으로 이루어진 층일 수 있다. 바람직하게, 자유층(15)은 Co 기반의 완전 호이슬러 합금으로 이루어진 층일 수 있다. 구체적으로, Co 기반의 완전 호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2(Fe-Mn)Si, Co2FeAl 또는 Co2CrAl를 포함할 수 있다.
캡층(16, 이하, 제1 캡층)은 자유층(15) 상에 형성된 안정화 층일 수 있다. 구체적으로, 제1 캡층(16)은 Ru 및 Ta를 포함한 층일 수 있다.
제2 캡층(17)은 제1 캡층(16) 상에 형성된 안정화 층일 수 있다. 구체적으로, 제2 캡층(17)은 Ru 또는 Ta를 포함한 층일 수 있다.
자기 터널 접합 소자(10)에서, 배리어층(14)을 구성하는 물질의 격자 상수를 기준층(13) 및 자유층(15)을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작게 함으로써, 기준층(13) 및 자유층(15)에 압축 응력(compressive stress)이 부여될 수 있으며, 기준층 (13) 및 자유층(15)의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다. 그리고, 자기 터널 접합 소자(10)는 수직 자기 이방성이 증가한 기준층(13)과 자유층(15)사이에 배리어층(14)을 구비하고, 배리어층(14)과 기준층(13) 및 자유층(15) 사이의 접합면들에 대해 수직으로 전압을 인가하면 터널 효과에 의해 자기 터널 접합 소자(10)에 전류가 흐를 수 있다.
또한, 자기 터널 접합 소자(10)의 저항 값은, 기준층(13)과 자유층(15)의 스핀 분극이 서로 평행한 경우 낮아지고, 기준층(13)과 자유층(15)의 스핀 분극이 서로 반 평행한 경우 높아질 수 있다.
다음으로, 기준층(13) 및 자유층(15)에 부여되는 변형(distortion)과 수직 자기 이방성의 관계에 대해서 설명한다. 도 2는 호이슬러 합금에 부여된 변형과 수직 자기 이방성과 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에서, 가로축은 호이슬러 합금의 변형의 양을 나타내고, 세로축은 수직 자기 이방성을 나타낸다.
도 2에서 수직 자기 이방성은 수학식 1에 의해 정의되는 자기 이방성 에너지 Ku(105J/m3)으로 정의된다.
Figure 112016072688743-pat00001
여기서, E[ijk]는 자화가 (ijk) 방향인 경우의 내부 에너지이고, E[001]은 자화가 (001) 방향인 경우의 내부 에너지를 나타낸다.
구체적으로, 자화가 면 내의 (100) 및 (110) 방향인 경우의 내부 에너지와, 자화가 면에 수직인 (001) 방향인 경우의 내부 에너지의 차이(예컨대, E[100]-E[001]과 E[110]-E[001])부터 자기 이방성 에너지 Ku를 구한다. 이 때, Ku가 0보다 큰 경우, 수직 자화막일 수 있다.
호이슬러 합금의 변형의 양(δ)은, 입방 격자(Cubic, 공간 군(space group) Fm-3m)에서 정방 격자(Tetragonal, 공간 군 I4/mmm)로 변형되는 경우, 다음과 같이 정의된다.
δ=(a-ao)/ao
여기서, ao는 입방 격자의 세 축의 격자 상수(즉, ax=ay=az=a0)이며, a는 정방정계의 두 축의 격자 상수(ax=ay=a, az=c)이다. 양(positive)의 δ은 인장 변형(tensile distortion)에 대응하고, 음(negative)의 δ는 압축 변형(compressive distortion)에 대응한다.
도 2의 압축 변형과 수직 자기 이방성과의 관계는 Co2MnSi 호이슬러 합금에 대해 제1 원리 계산으로 구한 결과이다.
제1 원리 계산은 평면파 기저(plane wave basis)·유사 퍼텐셜(ground-pseudopotential) 방법 전자 구조 계산 프로그램 VASP를 이용하였다. 교환 상관 (exchange correlation) 에너지의 취급에는 일반화 기울기 근사(Generalized Gradient Approximation: GGA)를 적용하고, 내각(inner shell)의 취급에는 Projector Augmented Wave(PAW) 방법을 채택했다. 이 때의 평면파 컷오프 에너지는 500eV이며, 파수 점 추출(wave number point sampling)은 브릴루인 영역(Brillouin zone)을 25×25×25 분할하는 Monkhorst-Pack 방법을 이용하였다. 호이슬러 합금의 단위 세포에 대해 a를 부여하고 에너지가 최소가 되도록 c를 결정하여 구조 최적화(structure optimization)를 실시했다. 이 때의 에너지 수렴(energy convergence) 판정 조건은 10-7eV/unit cell이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 호이슬러 합금의 수직 자기 이방성은, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)이 -0.02 이하에서, 급격히 상승하는 것으로 밝혀졌다.
이어서, 기준층(13) 및 자유층(15)에 부여되는 변형과 반쪽 금속성의 관계에 대해서 설명한다. 도 3은 호이슬러 합금에 부여된 변형과 반쪽 금속성의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 가로 축은 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)을 나타내고, 세로 축은 스핀 분극율(Spin Polarization)을 나타낸다. 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)의 정의는 도 2에서 설명한 바와 같다.
스핀 분극율은 페르미 에너지의 상향 스핀 상태 밀도(spin-up state density: Dup)와 하향 스핀 상태 밀도(spin-up state density: Ddown)로부터 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112016072688743-pat00002
수학 식2에 의해 구해진 P가 100%일 때, 반쪽 금속성(half-metallicity)을 가진다.
스핀 분극율 또한, 도 2의 수직 자기 이방성과 마찬가지로, 제1 원리 계산에 의해 구해진 결과이다. 제1 원리 계산은 상술한 도 2의 조건과 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)이 -0.04 이상일 때, 호이슬러 합금의 스핀 분극율이 100%가 되는 것이 판명되었다. 따라서, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)이 -0.04 이상인 경우, 호이슬러 합금은 반쪽 금속성을 가질 수 있다.
그러므로, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)을 -0.04 이상 -0.02 이하로 하는 경우, 호이슬러 합금은 수직 자기 이방성과 반쪽 금속성을 동시에 가질 수 있다.
그리고, 배리어층(14)을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층(13) 및 자유층(15)을 구성하는 호이슬러 합금의 격자 정수보다 작은 경우, 자기 터널 접합 소자가 고출력 및 높은 고열 안정성의 관점에서 우위인 것을 알 수 있다.
다음으로, 호이슬러 합금에 압축 변형을 부여할 수 있는, 호이슬러 합금 및 절연체(Insulator)의 격자 상수의 관계에 대해서 설명한다. 표 1은 절연체 재료의 격자 상수와 응력의 관계를 나타내는 표이다. 표 1은 배리어층에 사용되는 절연체 재료와 이의 격자 상수(a[nm]), 호이슬러 합금과의 격자 상수의 차이(Misfit[%]), 및 응력(Strain)의 종류와 관계를 나타내고 있다. 표 1 및 후술되는 표 2에서, Misfit는 (절연 재료의 격자 상수-호이슬러 합금의 격자 상수)/호이슬러 합금의 격자 상수로 정의된다. 표 1에서는 호이슬러 합금으로서 Co2MnSi, Co2FeSi, Co2FeAl, 및 Co2CrAl의 4종을 예시하고 있다.
절연 재료
Insulator		 격자 정수
a[nm]		 Co2MnSi과의 격자 Misfit [%] Co2FeSi과의 격자 Misfit [%] Co2FeAl과의 격자 Misfit [%] Co2FeAl과의 격자 Misfit [%] 응력
Strain
MgO 0.595
(0.421)		 5.3 5.1 3.8 3.7 인장
tensile
MgAl2O4 0.571
(0.808)		 1.1 0.9 -0.3 -0.5 인장/압축
tensile/
compressive
CaF2 0.546 -3.4 -3.5 -4.7 -4.9 압축
compressive
CeO2 0.541 -4.2 -4.4 -5.6 -5.7 압축
compressive
PrO2 0.539 -4.6 -4.8 -5.9 -6.1 압축
compressive
SrTiO3 0.553 -2.1 -2.3 -3.5 -3.7 압축
compressive
Sm2O3 0.547 -3.2 -3.4 -4.5 -4.7 압축
compressive
Gd2O3 0.541 -4.2 -4.4 -5.6 -5.7 압축
compressive
Si 0.543 -3.9 -4.1 -5.2 -5.4 압축
compressive
표 1에 나타난 바와 같이, 절연 재료가 MgO 또는 MgAl2O4인 경우 격자 상수는 각각 0.421, 0.808이며, 격자 구조를 고려하면 MgO, MgAl2O4의 격자 상수는 각각 0.595, 0.571이다. 그리고, Co2MnSi 호이슬러 합금의 격자 상수는 0.565이다. 그러므로, MgO의 격자 상수는 Co2MnSi 호이슬러 합금의 격자 상수보다 5.3% 크고, MgAl2O4의 격자 상수는 Co2MnSi 호이슬러 합금의 격자 상수보다 1.1% 크다. 그 결과, 호이슬러 합금에 인장 응력(tensile strain)이 부여된다. 절연 재료가 MgO 또는 MgAl2O4이며, 또한 호이슬러 합금이 Co2FeSi인 경우, 마찬가지로 인장 응력(tensile strain)이 부여된다. 또한, 절연 재료가 MgO 이며 또한 호이슬러 합금이 Co2FeAl 또는 Co2CrAl인 경우, 마찬가지로 인장 응력(tensile strain)이 부여된다.
한편, 절연 재료가 CaF2 또는 CeO2인 경우 격자 상수는 각각 0.546, 0.541이다. 그러므로, CaF2의 격자 상수는 Co2MnSi 호이슬러 합금의 격자 상수보다 3.4% 작고, CeO2의 격자 상수는 Co2MnSi 호이슬러 합금의 격자 상수보다 4.2% 작다. 그 결과, 호이슬러 합금에 압축 응력(compressive strain)이 부여된다. 마찬가지로, 절연 재료가 CaF2 또는 CeO2인 경우, 호이슬러 합금이 Co2MnSi, Co2FeSi, Co2FeAl 및 Co2CrAl 중의 어느 것이라도 압축 응력(compressive strain)이 부여된다. 또한, 절연 재료가 PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si인 경우, 호이슬러 합금이 Co2MnSi, Co2FeSi, Co2FeAl 및 Co2CrAl 중의 어느 것이라도 압축 응력(compressive strain)이 부여된다.
이와 같이, 실시예 1의 자기 터널 접합 소자는, 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작도록 절연 물질을 선택함으로써, 기준층 및 자유층에 압축 응력이 부여될 수 있으며, 기준층 및 자유층의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다.
그리고, 실시예 1의 자기 터널 접합 소자에서, 배리어층을 구성하는 물질과, 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수의 비율이 소정의 범위를 갖게 함에 따라, 기준층 및 자유층은 반쪽 금속성을 가질 수 있다.
또한, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)은 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수와, 기준층 및 자유층을 구성하는 호이슬러 합금의 격자 상수와의 차이를 호이슬러 합금의 격자 상수로 나눈 값이므로, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)은 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수와, 기준층 및 자유층을 구성하는 호이슬러 합금의 격자 상수의 비율로 나타낼 수도 있다.
즉, 상술한 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)이 -0.04인 것은, 달리 얘기하면, 베리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수를 기준층 및 자유층을 구성하는 호이슬러 합금의 격자 상수의 96%로 만드는 것이다. 마찬가지로, 호이슬러 합금의 변형의 양(δ)이 -0.02인 것은, 달리 얘기하면, 베리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수를 기준층 및 자유층을 구성하는 호이슬러 합금의 격자 상수의 98%로 만드는 것이다.
(실시예 2)
실시예 1에서는, 하지층(캡층, 버퍼층)을 공지의 Cr, Ta, Au, W, Pt 또는 Ti를 포함하는 층으로 형성하였으나, 실시예 2에서는 이에 갈음하여, 하지층(캡층, 버퍼층) 또한 격자 상수가 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 물질로 구성된 층으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다. 도 4에서, 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다. 도 4에서 자기 터널 접합 소자(20)는, 기판(11), 버퍼층(22), 기준층(13), 배리어층(14), 자유층(15), 제1 캡층(26), 및 제2 캡층(17)을 포함할 수 있다.
버퍼층(22)은 기준층(13) 및 자유층(15)을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질로 구성된 층일 수 있다. 마찬가지로, 제1 캡층(26)은 기준층(13) 및 자유층(15)을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질로 구성된 층일 수 있다.
표 2는 하지층 재료의 격자 상수, 기준층과 자유층에게 부여되는 응력, 및 자기 이방성과의 관계를 나타내는 표이다. 표 2는, 하지층에 사용되는 재료와 그의 격자 상수(a[nm]), Co2MnSi 호이슬러 합금과의 격자 정수의 차이(Misfit[%]), 응력(Strain)의 종류 및 수직 자기 이방성의 관계를 나타내고 있다.
하지 재료
Material		 격자 정수
a[nm]		 격자 상수의 차이
Misfit[%]		 응력
Strain		 자기이방성
Anisotropy
Pd 0.55 -2.8 압축
compressive		 수직
Out of Plane
Cr 0.572 1.0 인장
tensile		 면내
In Plane
MgO 0.595 5.0 인장
tensile		 면내
In Plane
표 2에 나타난 바와 같이, 하지층(버퍼층(22), 제1 캡층(26))을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층(13) 및 자유층(15)을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 물질(표 2에서는 Pd)를 선택함으로써, 기준층(13) 및 자유층(15)에 압축 응력이 부여되며, 기준층(13) 및 자유층(15)의 수직 자기 이방성이 증가된다.
또한, 예를 들어, 하지층(버퍼층(22) 또는 제1 캡층(26))의 물질로서, 실시예 1에서 배리어층(14)에 사용된 CaF2, CeO2, PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si를 이용할 수 있다.
이와 같이, 실시예 2의 자기 터널 접합 소자에서, 하지층(버퍼층, 캡층)을 구성하는 절연 물질을 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질로 선택함으로써, 기준층 및 자유층에 압축 응력이 부여되고, 기준층 및 자유층의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다.
또한, 실시예 1 및 실시예 2에서, 버퍼층(12 또는 22), 기준층(13), 배리어층(14), 자유층(15) 및 제1 캡층(16 또는 26)의 순서로 적층되지만, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 버퍼층(12)(또는 버퍼층(22)), 자유층(15), 배리어층(14), 기준층(13), 및 제1 캡층(16)(또는 제1 캡층(26))순으로 적층될 수 있다.
(실시 형태 3)
실시예 3은 실시예 1 또는 실시예 2의 자기 터널 접합 소자를 이용한 자기 저항 메모리에 대해서 설명한다.
도 6은 실시예 3에 따른 자기 저항 메모리의 일 예의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 6에서 자기 저항 메모리는 메모리 셀(30), 비트 라인(31), 콘택 플러그들(35, 37) 및 워드 라인(38)을 포함한다.
메모리 셀(30)은 반도체 기판(32), 확산 영역들(33, 34), 소스 라인(36), 게이트 절연막(39) 및 자기 저항 소자(10)를 포함할 수 있다. 자기 저항 소자, 즉, 자기 터널 접합 소자(10)는 실시예 1의 자기 터널 접합 소자(10)에 대응되지만, 실시예 2의 자기 터널 접합 소자(20)를 이용할 수도 있다.
자기 저항 메모리는, 복수의 메모리 셀들(30)을 매트릭스 형태로 배치하고, 복수의 비트 라인들(31) 및 복수의 워드 라인들(38)을 이용하여 서로 연결함으로써 형성될 수 있다. MRAM은 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 데이터의 쓰기 동작을 수행할 수 있다.
반도체 기판(32)은 상면에 확산 영역들(33, 34)을 가지며, 확산 영역(33)은 확산 영역(34)으로부터 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 확산 영역(33)은 드레인 영역으로서 기능하고, 확산 영역(34)는 소스 영역으로서 기능할 수 있다. 확산 영역(33)은 콘택 플러그(37)을 통해서 자기 터널 접합 소자(10)에 접속될 수 있다.
비트 라인(31)은 반도체 기판(32)의 위쪽에 배치되는 동시에, 자기 저항 소자(10)에 접속될 수 있다. 비트 라인(31)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 연결될 수 있다.
확산 영역(34)은 콘택 플러그(35)를 통해 소스 라인(36)에 연결될 수 있다. 소스 라인(36)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 연결될 수 있다.
워드 라인(38)은 확산 영역들(33, 34)에 연결되도록 게이트 절연막(39)을 개재하여 반도체 기판(32) 상에 배치될 수 있다. 워드 라인(38) 및 게이트 절연막(39)은 선택 트랜지스터로서 기능할 수 있다. 도시하지 않는 회로로부터 전류가 공급되어 워드 라인(38)이 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴 온 할 수 있다.
본 발명의 자기 저항 메모리는 비트 라인(31)과 확산 영역(33)이 전극으로서 자기 터널 접합 소자(10)에 전압을 인가하고, 전압 인가에 의한 일정 방향으로 정렬된 전자 스핀 토크가 강자성체 층의 자화 방향을 변화시킨다. 그리고, 전류 방향을 변경함으로써, 자기 저항 메모리에 기록되는 데이터 값을 바꿀 수 있다.
이와 같이, 실시예 3의 자기 저항 메모리에서, 배리어층을 구성하는 절연 물질의 격자 상수가 기준층 및 자유층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작도록 절연 물질을 선택한 자기 터널 접합 소자를 이용함으로써 수직 자기 이방성이 증가하게 되고, 이에 따라, 자기 저항 메모리를 고밀도화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
10, 20: 자기 터널 접합 소자
11: 기판
12, 22: 버퍼층
13: 기준층
14: 배리어층
15: 자유층
16, 26: 제1 캡층
17: 제2 캡층
30: 메모리 셀
31: 비트 라인
32: 반도체 기판
33,34: 확산 영역
35,37: 콘택 플러그
36: 소스 라인
38: 워드 라인
39: 게이트 절연막

Claims (9)

  1. 제1 호이슬러 합금막을 포함하는 자유층;
    제2 호이슬러 합금막 및 Co/Pt 다층막을 포함하는 기준층;
    상기 자유층과 상기 기준층 사이의 배리어층; 및
    상기 자유층 및 상기 기준층 중 어느 하나를 사이에 두고 상기 배리어층으로부터 이격되는 버퍼층을 포함하되,
    상기 제2 호이슬러 합금막은 상기 배리어층과 상기 Co/Pt 다층막 사이에 개재되고,
    상기 배리어층의 제1 면은 상기 제1 호이슬러 합금막과 접하고, 상기 배리어층의 제2 면은 상기 제2 호이슬러 합금막과 접하고,
    상기 배리어층 및 상기 버퍼층의 각각은 절연성을 가지고, 상기 자유층 및 상기 기준층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질을 포함하고,
    상기 배리어층 및 상기 버퍼층의 각각은 상기 기준층 및 상기 자유층에 상기 제1 호이슬러 합금막과 상기 배리어층 사이의 접합면에 평행인 방향으로 압축 응력을 부여하는 자기 터널 접합 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 호이슬러 합금막 및 상기 제2 호이슬러 합금막 중 적어도 하나는 L21 결정 구조를 갖는 Co 기반의 완전 호이슬러 합금인 자기 터널 접합 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 호이슬러 합금막 및 상기 제2 호이슬러 합금막 중 적어도 하나는 Co2MnSi를 포함하는 자기 터널 접합 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 호이슬러 합금막들의 각각과 상기 배리어층은 XY 평면에서 서로 접하고,
    상기 배리어층의 X축 또는 Y축의 격자 상수는 상기 제1 및 제2 호이슬러 합금막들의 각각의 X축 또는 Y축의 격자 상수의 96% 이상 98% 이하인 자기 터널 접합 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배리어층은 CaF2, CeO2, PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si를 포함하는 자기 터널 접합 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 버퍼층과 상기 배리어층 사이에 개재되고
    상기 제1 호이슬러 합금막은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖되, 상기 배리어층은 상기 제1 호이슬러 합금막의 상기 제1 면과 접하고, 상기 버퍼층은 상기 제1 호이슬러 합금막의 상기 제2 면과 접하는 자기 터널 접합 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 CaF2, CeO2, PrO2, SrTiO3, Sm2O3, Gd2O3 또는 Si를 포함하는 자기 터널 접합 소자.
  8. 삭제
  9. 제1 호이슬러 합금막을 포함하는 자유층, 제2 호이슬러 합금막 및 Co/Pt 다층막을 포함하는 기준층, 상기 자유층과 상기 기준층 사이의 배리어층, 및 상기 자유층 및 상기 기준층 중 어느 하나를 사이에 두고 상기 배리어층으로부터 이격되는 버퍼층을 포함하되, 상기 제2 호이슬러 합금막은 상기 배리어층과 상기 Co/Pt 다층막 사이에 개재되고, 상기 배리어층의 제1 면은 상기 제1 호이슬러 합금막과 접하고, 상기 배리어층의 제2 면은 상기 제2 호이슬러 합금막과 접하고, 상기 배리어층 및 상기 버퍼층의 각각은 절연성을 가지고, 상기 자유층 및 상기 기준층을 구성하는 물질의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질을 포함하고, 상기 배리어층 및 상기 버퍼층의 각각은 상기 기준층 및 상기 자유층에 상기 제1 호이슬러 합금막과 상기 배리어층 사이의 접합면에 평행인 방향으로 압축 응력을 부여하는 자기 터널 접합 소자; 및
    상기 자기 터널 접합 소자에 전압을 인가하기 위한 전극을 포함하는 자기 저항 메모리.
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