KR102617267B1 - 이지-콘 상태의 자유층을 가지는 자기 터널 접합 소자 - Google Patents
이지-콘 상태의 자유층을 가지는 자기 터널 접합 소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정 자성층; 상기 고정 자성층 상에 배치되고 자화 방향을 스위칭하는 자유 자성층; 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 터널 절연층; 상기 자유 자성층 상에 배치된 비자성 금속층; 및 상기 비자성 금속층 상에 배치된 금속 보호층을 포함한다. 상기 자유 자성층의 자화 상태는 이지 콘 상태이고, 상기 자유 자성층의 일함수에서 상기 비자성 금속층의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV를 가진다.
Description
본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것이며, 보다 상세하게는 자기 메모리 (MRAM) 소자에 관한 것이다.
수직자기이방성 (Perpendicular Magnetic Anisotropy; 이하 PMA)은 자기 메모리 (MRAM)의 고집적화와 데이터 유지에 중요한 열적 안정성 특성에 직접적으로 연관이 있는 매우 중요한 특성이다.
자기 메모리 응용에서 주로 사용되는 나노미터 수준의 자성다층박막은 일반적으로 벌크에 의한 수직자기이방성(PMA) 보다 계면에 의한 수직자기이방성(PMA)이 더 큰 것으로 알려져 있다. 따라서 다층박막에서의 수직자기이방성(PMA)은 계면의 상태에 의해 크게 그 특성이 결정된다. 현재까지 알려진 바에 의하면 비자성금속/강자성체/산화물을 구성하는 자기터널접합 구조에서, 계면의 산화량(interface oxidation), 상호 고용도 (intermixing), 오비탈 혼성화 (orbital hybridization) 등에 따라 수직자기이방성(PMA)의 성질이 달라질 수 있다.
수직자기이방성(PMA) 에너지는 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)에 의존하는 에너지와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K2)에 의존하는 에너지로 나누어 기술될 수 있다. 두 에너지의 부호와 상대적인 크기에 따라 자성 박막의 용이축 (easy axis)이 면내 방향 (in-plane) 상태, 수직 방향 (out-of-plane) 상태, 면내와 수직 사이에 기울어진 방향을 가진 이지-콘((easy-cone) 상태, 그리고 면내 방향 상태와 수직 방향 상태가 공존하는 (coexistence) 상태를 가질 수 있다. 따라서 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)를 조절함으로써 자성 박막의 자화 용이 방향을 제어할 수 있다.
특히 자기 메모리 응용에서 자유층이 이지-콘 상태일 경우, 소자의 스위칭 속도와 임계 전류가 크게 감소할 수 있다 [R. Matsumoto et al., Phys. Rev. B 92, 140409(R) (2015)]. 그렇기 때문에 1차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K1)과 2차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K2)를 자유자재로 제어할 수 있는 기술을 확보하는 것은 자기 메모리 응용 관점에서 굉장히 중요하다.
현재 학계와 산업 분야에서는 1차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K1)에 대한 이해는 깊은 편이지만 2차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K2)에 대한 이해는 기초적인 수준에 머물러 있는 실정이다. 이에 따라 2차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K2)의 제어를 통하여 메모리의 성능을 한층 더 개선시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 2차 수직자기이방성(PMA) 상수 (K2)는 효율적으로 활용하지 못하고 있다. 예를 들어, J. M. Shaw et al. [IEEE Magn. Lett. 6, 3500404 (2015)]의 경우 종래의 구조인 Ta/CoFeB/MgO 구조에서 자성층(CoFeB)의 두께를 조절함으로써 이지-콘 상태를 유도하려 했지만 이를 실현하지 못하였다.
뿐만 아니라, B. M. S. Teixeira et al. [Appl. Phys. Lett. 112, 202403 (2018)]의 경우, MgO/CoFeB/W or Ta/CoFeB/MgO 구조에서 이온 조사 기법을 활용하여 이지-콘 상태를 성공적으로 유도했다. 그러나, 이러한 구조는 통상적인 자기터널 접합의 적층 구조가 아니며, PMA의 크기 감소 등의 기타 특성들의 열화를 야기한다.
본 발명의 발명자는 한국 등록특허 10-1897916에서 Pt/Co/MgO 구조에서 이지-콘 상태를 형성하는 내용을 개시하였다. 그러나, Pt/Co/MgO 구조는 용이하게 이지-콘 상태를 구현하기 힘들다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 자성다층박막 구조에서 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)를 제어하는 원리를 제안하고, 이지-콘 상태에 유발하는 새로운 구조 및 물질을 제안한다. 구체적으로, 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2) 사이의 상관관계를 보이는 고유 인자를 파악하고, 구조 및 물질에 변화를 줌으로써, 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)가 제어될 수 있다. 즉, 이에 따라, 이지-콘 상태의 자성층을 포함하는 자기터널접합 소자가 구현된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이지-콘 상태의 자성층을 포함하는 자기터널접합을 구현하는 것이다. 상기 자기터널접합 소자는 스위칭 속도와 임계 전류를 크게 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정 자성층; 상기 고정 자성층 상에 배치되고 자화 방향을 스위칭하는 자유 자성층; 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 터널 절연층; 상기 자유 자성층 상에 배치된 비자성 금속층; 및 상기 비자성 금속층 상에 배치된 금속 보호층을 포함한다. 상기 자유 자성층의 자화 상태는 이지 콘 상태이고, 상기 자유 자성층의 일함수에서 상기 비자성 금속층의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 금속층은 Ti, Al, Hf, Zr, Mn 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 금속층은 Ta, W, Mo 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 Co이고, 상기 자유 자성층의 두께는 1.0 nm 내지 2.0 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 실리콘 기판 상에 배치된 씨앗층; 및 상기 씨앗층 상에 배치된 인위적 반강자성층을 더 포함할 수 있다. 상기 인위적 반강자성층 상에 상기 고정 자성층이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 증착과 동시에 또는 후속 열처리에 의하여 이지 콘 상태로 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자는 자유 자성층 (예를 들어, Co)의 상부 또는 하부에 일함수 차이가 큰 비자성금속층 (e.g. Mn, Zr, Hf, Al, Ti 등)을 추가로 삽입함으로써 계면에 의한 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)를 증가시킨다. 이에 따라, 스핀전달토크 (spin transfer torque)에 의한 자화반전 속도가 증가하고 임계 전류가 감소하고, 열적 안정성이 증가될 수 있다.
도 1은 유효 1차 수직 자기이방성 상수(K1 eff)와 2차 수직 이방성 상수(K2)의 좌표에서 표시된 자성층의 위상 다이어그램(phase diagram)이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 도 2a의 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 가지는 홀 바 패턴(Hall bar pattern)의 사시도와 이상 홀 전압 분석 (anomalous Hall voltage measurement) 셋업의 모식도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 mz-Hext 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 αHext-(1-mz 2) 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K1-1/tCo 그래프이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K2-1/tCo 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 자외선 광전자 분광법 스펙트럼에서 2차 전자 컷오프 (secondary electron cutoff) 영역 및 페르미 엣지 (Fermi edge) 영역을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비자성 금속에 따른 일함수를 나타내는 결과이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K1-ΔWmeas 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 도 2a의 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 가지는 홀 바 패턴(Hall bar pattern)의 사시도와 이상 홀 전압 분석 (anomalous Hall voltage measurement) 셋업의 모식도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 mz-Hext 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 αHext-(1-mz 2) 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K1-1/tCo 그래프이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K2-1/tCo 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 자외선 광전자 분광법 스펙트럼에서 2차 전자 컷오프 (secondary electron cutoff) 영역 및 페르미 엣지 (Fermi edge) 영역을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비자성 금속에 따른 일함수를 나타내는 결과이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K1-ΔWmeas 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자는 자유 자성층/비자성금속층의 계면에서의 일함수 차이와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)의 상관관계를 이해한 후, 적절한 구조 및 재료를 선택하여 의도에 따라 자화 용이 방향을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자는 자유 자성층과 접촉하도록 일함수 차이가 큰 비자성금속층을 배치하여, 상기 자유 자성층에 이지-콘 상태를 제공할 수 있다. 상기 이지 -콘 상태는 스핀전달토크 (spin transfer torque)에 의한 자화반전 속도와 임계 전류를 크게 개선시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
우선, 이론적 측면에서, 자유 자성층/비자성금속층 기반의 자성 다층박막구조에서 발현되는 1차 수직자기이방성(PMA) 상수(K1)와 2차 수직자기이방성(PMA) 상수(K2)에 대하여 기술된다.
도 1은 유효 1차 수직 자기이방성 상수(K1 eff)와 2차 수직 이방성 상수(K2)의 좌표에서 표시된 자성층의 위상 다이어그램(phase diagram)이다.
자성층은 1차 수직자기이방성 상수 (first-order PMA; K1 eff)과 2차 수직자기이방성 상수 (second-order PMA; K2)을 포함한다. K1eff 와 K2의 부호와 상대적인 크기에 따라, 자성층의 자화 용이축 (easy axis)은 면내 방향 (in-plane) 상태, 수직 방향 (out-of-plane) 상태, 면내(in-plane)와 수직 사이 기울어진 방향을 가진 이지-콘 (easy-cone) 상태, 그리고 면내 방향과 수직 방향이 공존하는 (coexistence) 상태를 가질 수 있다. 자성층과 접촉하는 비자성금속층 사이의 계면 상태와 자성층의 두께를 조절을 통해 자화 용이 방향이 제어될 수 있다. 이 시스템의 자기 에너지는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 1]
여기서, E(θ)는 시스템(system)의 자기에너지 (magnetic energy)이다. K1 eff 은 유효 1차 수직자기 이방성 상수이다. K2 는 2차 수직자기이방성 상수이다. θ 는 상기 자성층의 자화 방향과 박막의 법선 방향 사이의 극각(polar angle)이다. K1 은 1차 수직자기 이방성 상수이다.
K1 eff(=K1 - 2πMs 2)은 1차 수직자기 이방성 상수( K1)과 정자기 에너지 (magnetostatic energy)를 모두 고려한 유효 1차 PMA 에너지이다. Ms는 상기 자성층의 포화 자화이다. 시스템(system)의 자기에너지 (magnetic energy)를 [수학식 1]의 형태로 기술할 경우, 자성층이 K2>-1/2K1 eff와 K1 eff<0 조건을 동시에 만족했을 때, 이지-콘이 형성된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 도 2a의 Pt/Co/X의 다층 박막 구조를 가지는 홀 바 패턴(Hall bar pattern)의 사시도와 이상 홀 전압 분석 (anomalous Hall voltage measurement) 셋업의 모식도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 시료는 Si 기판/Ta (5 nm)/Pt (5 nm)/Co (1 nm)/X (3 nm)/Ta or Pt (3 nm) 구조이다. 비자성금속층(160)인 X층의 경우, Ti, Al, Hf, Zr, Mn 등과 같은 금속층을 포함할 수 있다. 모든 금속층들(Ta (5 nm)/Pt (5 nm)/Co (1 nm)/X (3 nm)/Ta )은 순차적으로 DC 스퍼터링을 통하여 증착되었다.
Si 기판은 습식-산화 (wet-oxidation) Si/SiO2 기판이다. 상기 Si 기판 상에 Ta (5 nm)의 씨앗층(110)과 Pt (5 nm)의 중금속층(20)을 형성한 후, Co (1 nm)의 자성층(150)을 형성한다. 상기 자유 자성층(150)은 Co 외에 단일 물질인 Fe나 합금인 CoFeB 등을 포함할 수 있다. 상기 자성층 상에 비자성금속층(160)에 X (3 nm)을 형성한 후, 추가적인 산화를 방지하기 위하여 Pt 또는 Ta (3 nm)의 금속 보호층(170)을 형성한다.
각 층들은 마그네트론 스퍼터링 증착 방법을 통해 증착되었다. 스퍼터링 증착 챔버의 기저압 (base pressure)은 8×10-8 Torr이며, 스퍼터링 증착은 Ar 가스 주입을 통하여 2×10-3 Torr에서 시행하였다. 스퍼터링 증착 과정 중, 모든 층은 진공을 깨지 않은 상태에서 in-situ 로 수행되어졌으며, 각 층은 단일 타겟으로 증착하였다.
씨앗층(110)은 Ta, Ta/Ru, Ta/Pt/Ru와 같이 Ta을 포함하여 계면 거칠기를 조절할 수 있는 단일층 혹은 그 이상의 복합층을 포함할 수 있다. 계면 거칠기는 최적의 Ta의 두께에서 최소화될 수 있다.
박막의 두께는 증착 속도로부터 정확하게 시간을 제어함으로써 조절하였다. 박막속도를 정확하게 측정하기 위하여, 증착된 박막의 두께는 박막두께측정기 (Stylus Surface Profilometer)를 사용하여 정확하게 측정하였다. 제작된 샘플의 포화 자화 (saturation magnetization)를 측정하기 위하여 진동시료자력계(VSM: Vibrating Sample Magnetometer)를 이용하였다. 또한 1차 및 2차 자기이방성 상수를 정확하게 측정하기 위해 이상 홀 전압 분석 (anomalous Hall voltage measurements)을 실시하였다.
도 2b를 참조하면, 홀 바 패턴된 Pt/Co/X 시료를 360° 회전이 가능한 샘플 스테이지에 마운팅을 한 후, x 방향으로 DC 전류를 인가하고 y방향으로 홀 전압을 측정한다. 자성층(150)을 포함하는 홀 바 구조에 외부자기장 (Hext)을 인가한 상태에서 홀 전압 분석(Hall Voltage Analysis)을 실시할 경우, 외부자기장 (Hext)에 따른 자화의 z축 성분 (mz)의 변화에 대한 정보를 얻을 수 있다. 측정 시, 자화의 단자구 (single domain) 거동을 유도하기 위해 외부자기장 (Hext)의 극각 (θH)을 80°로 설정한다. 극각 (θH)은 외부 자기장의 방향과 박막의 법선 방향(z축 방향) 사이의 각도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 mz-Hext 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 αHext-(1-mz 2) 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 홀 전압 분석을 실시함으로써 Pt/Co/X에 대한 mz-Hext 그래프를 얻을 수 있다. 해당 그래프는 1차 자기이방성 상수(K1) 및 2차 자기이방성 상수(K2)에 대한 정보를 제공한다.
도 3a로부터, 각 샘플의 유효 1차 PMA 필드 (HK1 eff)와 2차 PMA 필드 (HK2)를 추출하기 위해서, generalized Sucksmith-Thompson (GST) 방법을 활용한다. GST 방법을 활용하기 위해, [수학식 1]에서 추가로 제이만 에너지 (Zeeman energy)를 고려하여 다음과 같은 식을 (최소 에너지 조건을 가정하여) 유도한다.
[수학식 2]
여기서, α는 mz와 θH에 의해 결정되는 변수이다. mz는 자화의 z축 성분이고, θH 는 외부 자기장의 방향과 박막의 법선 방향(z축 방향) 사이의 각도이다.
[수힉식 2]는 HK1 eff와 HK2를 추출하기 위해 사용한다.
도 3b를 참조하면, mz-Hext 그래프를 αHext - (1-mz 2)로 도시하면 [수학식 2]의 형태로 변환된다.
도 3b 와 [수학식 2]에 의하면, y 절편으로부터 HK1 eff, 기울기로부터 HK2 값을 각각 예측할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 자성층(150)인 Co 위에 적층된 비자성금속 X에 따라 기울기의 크기와 부호가 달라진다. 비자성금속층(160)의 X에 따라 2차 PMA 에너지가 변화하고 있음을 의미한다.
1차 수직 이방성 상수(K1)는 유효 1차 PMA 필드 (HK1 eff)와 다음과 같이 주어진다.
K1 = MsHK1 eff/2 + 2πMs 2
2차 수직 이방성 상수(K2)는 2차 PMA 필드 (HK2)와 다음과 같이 주어진다.
K2 = MsHK2/4
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K1-1/tCo 그래프이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu에 대한 K2-1/tCo 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 시료는 Si 기판/Ta (5 nm)/Pt (5 nm)/Co (tCo)/Cu (3 nm)/Ta (3 nm) 구조이다. 시료는 Si 기판 상에 씨앗층(110)/중금속층(20)/자성층(150)/비자성금속층(60)/금속 보호층(170)을 포함할 수 있다.
중금속층(Pt (5 nm)) 상에 자성층(Co)의 두께(tCo)에 변화를 주어 1차 수직이방성 상수(K1)와 2차 수직 이방성 상수(K2)를 벌크에 의한 기여와 계면에 의한 기여로 분리할 수 있다.
1차 수직이방성 상수(K1)는 벌크 성분과 계면 성분으로 분리될 수 있다. K1 = K1 v + K1 i/tCo 로 표시된다.
2차 수직이방성 상수(K2)는 벌크 성분과 계면 성분으로 분리될 수 있다. K2 = K2 v + K2 i/tCo) 로 표시된다. 여기서 Kn v (n=1,2,...)는 n차 PMA 에너지의 부피 성분이고, Kn i (n=1,2,...)는 n차 PMA 에너지의 계면 성분이다.
도 4b를 참조하면, K1-1/tCo 그래프로부터 Pt/Co/Cu 시료의 K1 i와 K1 v를 구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu의 경우, K1 i=1.01±0.04erg/cm2와 K1 v=0.96±0.29 Merg/cm3의 값을 갖는다. Pt/Co (1 nm)/Cu 시료의 경우, 계면 성분이 벌크 성분보다 1차 수직이방성 상수(K1)에 기여하는 바가 더 크다.
도 4c를 참조하면, K2-1/tCo 그래프로부터 Pt/Co/Cu 시료의 K2 i와 K2 v를 구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/Cu의 경우, K2 i=-0.02±0.006erg/cm2와 K2 v=0.14±0.04 Merg/cm3의 값을 갖는다. Pt/Co (1 nm)/Cu 시료의 경우, 음의 K2값이 계면에 의해 발현된다.
도 4b 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X의 경우, 계면이 벌크에 비해 K1과 K2 에너지 형성에 기여하는 바가 더 크다.
K1(=K1 v+K1 i/tCo)과 K2(=K2 v+K2 i/tCo)의 현상학적인 관계에 의하면 Pt/Co/X 구조의 경우, tCo를 조절하여 자기이방성을 조절할 수 있다.
K.-W. Kim et al.[Phys. Rev. B 94, 184402 (2016)]에 의하면, 자기이방성은 계면 라쉬바 효과 (interfacial Rashba effect)에 의해 발현될 수 있다. 라쉬바 헤밀토니언 (Rashba hamiltonian)은 다음과 같은 식으로 기술된다.
[수학식 3]
여기서 αR은 라쉬바 상수, p는 모멘텀, 그리고 σ는 파울리 스핀행렬 (Pauli spin matrix)이다. 라쉬바 효과는 αR의 크기에 비례하고, 그 크기는 다음과 같은 식으로 기술될 수 있다 [M. Nagano et al., J. Phys.: Condens. Matter 21, 064239 (2009)].
라쉬바 상수의 크기를 나타내는 식은 다음과 같이 기술된다.
[수학식 4]
여기서 c는 빛의 속력, 는 계면 포텐셜 그라디언트 (surface potential gradient), 그리고 는 전자밀도 (electron density distribution)를 나타낸다.
[수학식 4]를 참조하면, 라쉬바 효과는 계면 포텐셜 그라디언트에 비례할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X의 경우, 계면 포텐셜 그라디언트는 Pt/Co와 Co/X 계면에서 형성될 수 있다.
그러나 본 실시예의 경우, 비자성금속 X에 따라 K1과 K2 값이 변화하고 있기 때문에, 이러한 변화는 Co/X 계면에 의한 것임을 예측할 수 있다. Co/X 계면에서의 계면 포텐셜 그라디언트는 자성층(Co)와 비자성금속(X)의 일함수 차이로 예측할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 구조인 X에 대한 자외선 광전자 분광법 스펙트럼에서 2차 전자 컷오프 (secondary electron cutoff) 영역 및 페르미 엣지 (Fermi edge) 영역을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 시료는 Si 기판/X (5 nm) 단일층 구조이다. 비자성금속 X의 일함수를 측정하기 위해 자외선 광전자 분광법 (Ultraviolet photoelectron spectroscopy; UPS)을 활용한다. 비자성금속의 일함수를 측정할 때 챔버의 기저압은 2×10-8 Torr이며, 광원은 He I (21.2 eV)을 사용하고, 샘플에 -15 V의 바이어스를 인가한다. 자외선 광전자 분광법 측정에 활용된 시편의 경우 금속보호층이 포함되어 있지 않기 때문에 자외선 광전자 분광법(UPS)의 측정에 앞서 Ar 스퍼터링을 실시하였다. 여기서 Ar 스퍼터링은 비자성금속 X층의 페르미 엣지 영역에서 시그널이 관측될 때까지 실시한다.
도 5b를 참조하면, 단일층 X의 자외선 광전자 분광법 측정 결과이다. 도 5b의 경우, 2차전자 컷오프 영역 및 페르미 엣지 영역(Fermi edge region)을 확대한 것이다. 운동에너지가 가장 작은 전자(EK,min)는 2차 전자 컷오프 영역에 기여하고, 운동 에너지가 가장 큰 전자 (EK,max)는 페르미 엣지 영역의 신호에 기여한다. 따라서, 다음의 관계를 통해 금속의 일함수(W)를 구할 수 있다.
[수학식 5]
W = hυ - (EK,max - EK,min)
여기서, W는 비자성 금속의 일함수이고, EK는 전자의 운동에너지이다. υ는 자외선의 진동수이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비자성 금속에 따른 일함수를 나타내는 결과이다.
도 6을 참조하면, Wmeas는 UPS로 측정한 일함수 측정값이며, W는 문헌값이다.
도 6을 참조하면, Wmeas(Co) - Wmeas(X)를 통해 Co/X 계면에서의 일함수 차이(ΔWmeas)를 구할 수 있다. 일함수 차이(ΔWmeas)는 Co/X 계면에서의 를 의미한다. 따라서, [수학식 4]에 의해 이를 αR과 관련지을 수 있다. 즉, Co/X 계면에서 라쉬바 효과에 의해 K1과 K2 에너지가 형성된다면, ΔWmeas와 자기이방성 상수는 강한 상관관계를 보일 것이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K1-ΔWmeas 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, K1과 K2 에너지 모두 ΔWmeas와 강한 상관관계를 보인다. K1과 ΔWmeas 사이에서 0.81, K2와 ΔWmeas 사이에서 -0.94의 상관관계 계수(Pearson’s correlation coefficient)가 관측되었다. 이러한 결과로 미루어보아 K1과 K2는 모두 라쉬바 효과의 영향을 받고 있다는 것을 짐작할 수 있다. 더 나아가 실용적인 관점에서 이러한 결과는 매우 중요하다. 그 이유는 ΔWmeas의 조절을 통해 K1과 K2의 크기와 부호를 제어할 수 있다는 가능성을 제시하기 때문이다. 비자성 금속 X는 Ta, W, Mo, Cu, Ru, Pd, Pt일 수 있다. 이 경우, K1은 Ta, W, Mo, Cu, Ru, Pd, Pt에 대하여 양의 값을 가진다. 한편, K2는 Ta, W, Mo에 대하여 양의 값을 가진다. 자성층(Co)의 이지 콘 상태를 구현하기 위하여, 자성층이 K2>-1/2K1 eff와 K1 eff<0 조건을 요구한다. 한편, 이지- 콘 상태를 만족하기 위하여, K2는 Ta보다 큰 값은 가진 물질이 요구된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co/X에 대한 K2-ΔWmeas 그래프이다.
도 8을 참조하면, 비자성금속으로 Ti, Al, Hf, Zr, 그리고 Mn을 삽입했을 때 예상 가능한 K2 값을 별 기호로 나타낸다. 동그라미는 실제 실험값을 의미한다.
자성층(Co)와 일함수 차이가 큰 비자성금속(Ti, Al, Hf, Zr, 또는 Mn)을 삽입함으로써 K2의 크기를 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다. 자성층의 일함수에서 비자성 금속층의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV일 수 있다.
여기서 Ti, Al, Hf, Zr, 그리고 Mn의 일함수는 문헌값을 참고하였다 [H. B. Michaelson, J. Appl. Phys. 48, 4729 (1977), Y.-K. Park et al., NPG Asia Mater. 10, 995 (2018)]. 예를 들어, 자유 자성층 Co 상에 비자성금속 Ti층을 삽입할 경우, Co/Ti 계면에서의 강한 음의 ΔWmeas으로 인해 큰 양의 K2값을 기대할 수 있을 것이다. K2가 큰 양의 값을 가질 경우, 강한 이지-콘 이방성을 가질 뿐만 아니라, 이지-콘 상태를 보이는 자성층의 두께 범위가 늘어날 수 있다. 이에 따라, 자성층의 두께를 증가시키면, K1eff를 음의 값으로 감소시키면서, 열적 안정성을 증가시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
도 8를 참조하면, 자기터널 접합 소자(100)는 고정된 자화 방향을 가지는 고정 자성층(130); 상기 고정 자성층(130) 상에 배치되고 자화 방향을 스위칭하는 자유 자성층(150); 상기 고정 자성층(130)과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 터널 절연층(140); 상기 자유 자성층(150) 상에 배치된 비자성 금속층(160); 및 상기 비자성 금속층(160) 상에 배치된 금속 보호층(170)을 포함한다. 상기 자유 자성층(150)의 자화 상태는 이지 콘 상태이고, 상기 자유 자성층(150)의 일함수에서 상기 비자성 금속층(160)의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV를 가진다.
상기 자기터널 접합 소자(100)는 스핀전달토크 자기렌덤억세스 메모리(STT-MRAM)을 구성할 수 있다. 상기 터널 절연층(140)은 MgO이고, 상기 자유 자성층(150)은 Co이고, 상기 자유 자성층(150)의 자화 상태는 이지-콘 상태를 가지고, 상기 자유 자성층(150)은 음의 K1 eff 및 양의 K2를 가지고, 상기 비자성금속(160)은 Ti, Al, Hf, Mn, Zr일 수 있다. 또는 상기 비자성금속(160)은 Ta, W, Mo 일 수 있다. 음의 K1 eff를 위하여, 상기 자유 자성층(150)의 두께는 증가될 수 있다.
상기 자기터널 접합 소자(100)는 Si 기판/Ta(5 nm)/[Pt (0.25 nm)/Co (0.5 nm)]n/Ru (0.4 nm)/[Pt (0.25 nm)/Co (0.5 nm)]n/CoFeB (1 nm)/MgO (1.6 nm)/Co (tCo)/X (3 nm)/Ta (3 nm) 구조일 수 있다.
상기 자기터널 접합 소자(100)는 Si 기판 상에 차례로 적층된 씨앗층(110), 인위적 반강자성층(120), 고정 자성층(130), 터널 절연층(140), 자유 자성층(150), 비자성 금속층(160), 및 금속 보호층(170)을 포함할 수 있다.
씨앗층(110)은 Si 기판 상에 배치될 수 있다. 상기 씨앗층(110)은 Ta(5 nm)일 수 있다.
상기 인위적 반강자성층(synthetic antiferromagnet; SAF; 120)은 상기 고정 자성층의 자화 방향을 고정시킬 수 있다. 상기 인위적 반강자성층(120)은 [Pt/Co]n 의 하부 다층 박막(122), Ru 도전성 스페이서층(124), 및 [Pt/Co]n의 상부 다층 박막(126)을 포함할 수 있다. 상기 인위적 반강자성층(120)은 [Pt (0.25 nm)/Co (0.5 nm)]n/Ru (0.4 nm)/[Pt (0.25 nm)/Co (0.5 nm)]n 구조일 수 있다.
고정 자성층(130)은 상기 인위적 반강자성층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 고정 자성층은 CoFeB (1nm)일 수 있다. 상기 고정 자성층은 수직 자기 이방성을 가지고 수직으로 자화될 수 있다. 상기 고정 자성층130)의 재질은 Co, Fe, Ni 및 이들 중에서 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 구체적으로, 상기 고정 자성층은 CoFeB일 수 있다.
상기 터널 절연층(140)은 MgO(1.6 nm)이고, 상기 터널 절연층(140)은 RF 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 상기 터널 절연(140)층 상에는 자유 자성층(150)이 배치될 수 있다.
상기 자유 자성층(150)은 Co, Fe, Ni 및 이들 중에서 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 상기 자유 자성층(150)의 두께는 1.0 nm 내지 2.0 nm이다. 상기 자유 자성층 상에는 일함수 차이가 큰 비자성금속이 배치될 수 있다. 상기 자유 자성층(150)의 두께는 음의 K1 eff를 가지도록 선택될 수 있다. 상기 자유 자성층은 증착과 동시에 또는 후속 열처리에 의하여 이지 콘 상태로 정렬될 수 있다.
상기 비자성금속층(160)은 Ti, Al, Hf, Zr, 그리고 Mn을 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층의 자화는 상기 비자성금속의 증착과 동시에 또는 후열처리에 의하여 이지-콘 상태로 정렬될 수 있다. 상기 비자성금속층(160)은 상기 자유 자성층(150)이 양의 K2를 가지도록 선택될 수 있다. 또는 상기 비자성금속층(160)은 Ta, W, Mo 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층의 일함수에서 상기 비자성 금속층의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV를 가지도록, 상기 비자성금속층(160)은 선택될 수 있다.
금속 보호층(170)은 상기 비자성금속층(160) 상에 배치될 수 있다. 상기 보호층(170)은 Ta 또는 W일 수 있다. 금속 보호층(170)은 상기 비자성 금속층(160)과 서로 다른 재질일 수 있다.
상기 자유 자성층(150)은 평형 극각 (θE)을 가지고 이지-콘 상태를 가질 수 있다. 이에 따라, STT-MRAM의 스위칭 시간 (tsw)을 지배하는 인큐베이션 (incubation) 시간을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이로 인해 스위칭 전류 밀도 (Jsw)가 감소될 수 있다. 다만, 상기 이지-콘 상태의 자유 자성층의 극각(θE)에 의한 터널자기저항 (tunneling magnetoresistance; TMR)이 감소하여, 독출 (read-out) 효율이 감소할 수 있다. 터널자기저항의 감소(ΔTMR)는 수직자기 이방성을 가진 자유 자성층의 터널 자기저항과 이지-콘을 가진 자유 자성층의 터널 자기 저항의 차이일 수 있다. 그러나 ΔTMR ∝ cosθrel (여기서 θrel은 고정 자성층과 자유 자성층의 극각 차이)의 관계를 가지기 때문에 터널자기저항의 감소는 경미한 수준이다. 시뮬레이션 결과[R. Matsumoto et al., Appl. Phys. Express 8, 063007 (2015)]에 의하면 상기 자유 자성층이 이지-콘 상태를 가지는 경우, STT-MRAM의 열안전성 (thermal stability factor; Δ)은 기존의 수준으로 유지하되, 자화 스위칭을 위한 임계전류(Jsw ))를 22%, tsw를 56% 경감시킬 수 있다. 이러한 특성 개선은 단지 8%에 불과한 ΔTMR의 감소에 의한 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 자기터널 접합 소자
130: 고정 자성층
140: 터널 절연층
150:자유 자성층
160: 비자성 금속층
170: 금속 보호층
130: 고정 자성층
140: 터널 절연층
150:자유 자성층
160: 비자성 금속층
170: 금속 보호층
Claims (6)
- 고정된 자화 방향을 가지는 고정 자성층;
상기 고정 자성층 상에 배치되고 자화 방향을 스위칭하는 자유 자성층;
상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 터널 절연층;
상기 자유 자성층 상에 배치된 비자성 금속층; 및
상기 비자성 금속층 상에 배치된 금속 보호층을 포함하고,
상기 자유 자성층의 자화 상태는 이지 콘 상태이고,
상기 자유 자성층의 일함수에서 상기 비자성 금속층의 일함수를 뺀 일함수 차이는 -0.5 eV 내지 -1.5 eV를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 비자성 금속층은 Ti, Al, Hf, Zr, Mn 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 비자성 금속층은 Ta, W, Mo 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 자유 자성층은 Co이고,
상기 자유 자성층의 두께는 1.0 nm 내지 2.0 nm인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자. - 제1 항에 있어서,
실리콘 기판 상에 배치된 씨앗층; 및
상기 씨앗층 상에 배치된 인위적 반강자성층을 더 포함하고,
상기 인위적 반강자성층 상에 상기 고정 자성층이 배치된 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 자유 자성층은 증착과 동시에 또는 후속 열처리에 의하여 이지 콘 상태로 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
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| KR101897916B1 (ko) * | 2017-06-20 | 2018-10-31 | 고려대학교 산학협력단 | 이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자 |
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| KR101356769B1 (ko) * | 2012-05-24 | 2014-01-28 | 한국과학기술연구원 | 스핀전달토크를 이용한 발진소자 |
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2020
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| KR101897916B1 (ko) * | 2017-06-20 | 2018-10-31 | 고려대학교 산학협력단 | 이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자 |
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