KR102623551B1 - 자기접합, 이를 제공하는 방법 및 자기메모리 - Google Patents
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Abstract
자기접합, 자기접합을 이용하는 메모리 및 자기접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기접합은 제1 기준층, 제1 두께를 갖는 메인 배리어층, 자유층, 조작된 보조 배리어층 및 제2 기준층을 포함한다. 자유층은 기입전류(write current)가 자기접합을 통해 흐를 때 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 메인 배리어층은 제1 기준층과 자유층 사이에 위치한다. 보조 배리어층은 자유층과 제2 기준층 사이에 위치한다. 조작된 보조 배리어층은 소정의 저항, 제1 두께보다 얇은 제2 두께, 및 소정의 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 포함한다. 자유층과 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지 및 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지를 갖는다.
Description
본 개시는 자기접합, 자기접합을 이용하는 메모리, 및 자기접합을 제공하는 방법에 관한 것이다.
자기메모리, 구체적으로 자기 랜덤액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory: MRAM)는 빠른 독출/기입(read/write) 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소비와 같은 잠재력으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있다. MRAM은 자성재료를 정보기록매체로 사용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀전달토크 자기 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: STT-MRAM)가 있다. STT-MRAM은 적어도 부분적으로, 자기접합(magnetic junction)을 통해 구동되는 전류에 의하여 기입되는 자기접합을 이용한다. 자기접합을 통해 구동되는 스핀분극전류(spin polarized current)는 자기접합의 자기모멘트(magnetic moment)에 스핀토크를 가한다. 그 결과, 스핀토크에 반응하는 자기모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 반전(switching)될 수 있다.
예를 들어, 종래의 이중 자기터널접합(Dual Magnetic Tunneling Junction: DMTJ)이 기존 STT-MRAM에서 사용될 수 있다. 종래의 DMTJ는 통상적으로 기판 상에 위치한다. DMTJ는 시드층(들)(seed layer(s))을 이용하며, 캡핑층들(capping layers)을 포함할 수 있고, 기준층들(reference layers)의 자화를 고정시키는 반강자성(Antiferromagnetic: AFM)층들을 포함할 수 있다. 종래의 DMTJ는 제1 기준층, 제1 (메인) 터널링 배리어층(tunneling barrier layer), 자유층(free layer), 제2 (보조) 터널링 배리어층 및 제2 기준층을 포함한다. 메인 터널링 배리어층은 제1 기준층과 자유층 사이에 위치한다. 보조 터널링 배리어층은 제2 기준층과 자유층 사이에 위치한다. 보조 터널링 배리어층은 일반적으로 메인 터널링 배리어층보다 얇다. DMTJ 아래의 하부 컨택과 DMTJ 위의 상부 컨택은 MTJ를 통해 평면수직전류(Current-Perpendicular-to-Plane: CPP) 방향으로 전류를 구동시키는데 이용될 수 있다. 기준층 및 자유층은 자성을 갖는다. 기준층의 자화는 특정 방향으로 고정(fixed 또는 pinned)된다. 자유층은 변경될 수 있는 자성을 갖는다. 자유층 및 기준층은 단일층이거나, 여러 층들을 포함할 수 있다.
자유층의 자화를 반전시키기 위해, 전류는 평면에 대해 수직 방향(CPP 방향)으로 구동된다. 상부 컨택 및 하부 컨택 사이에 일방향으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화방향은 제1 기준층의 자화방향과 평행하도록 반전될 수 있다. 이와 반대방향으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화방향은 제1 기준층의 자화방향과 반평행(antiparallel)하도록 반전될 수 있다. 자기장 배위(magnetic configuration)의 차이는 상이한 자기저항(magnetoresistance) 및 이에 따른 종래의 MTJ의 상이한 논리적 상태(예: 논리 "0" 및 논리 "1")에 대응한다. "반전 전류(switching current)를 감소시키기 위해, 기준층들의 자화는 두 가지 상태(이하, "이중 상태")에 있게 된다. 다시 말해, 기준층들의 자기모멘트들은 서로 반평행하다. 이러한 이중 상태는 터널링 자기저항을 감소시킨다.
다양한 응용분야에서의 이용 가능성에 따라 자기메모리에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 예를 들어, 낮은 반전 전류 및 높은 신호가 요구된다. 따라서, 스핀전달토크(spin transfer torque) 기반 메모리 및 이러한 메모리가 이용되는 전자장치들의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 본 개시의 방법 및 시스템은 이러한 요구를 해결하고자 한다.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 반전 전류를 감소시킴으로써 이중 자기접합의 성능을 향상시키는데 있다.
이하, 자기접합, 자기접합을 이용하는 메모리 및 자기접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기접합은 제1 기준층, 제1 두께를 갖는 메인 배리어층, 자유층, 가공된(engineered) 보조 배리어층 및 제2 기준층을 포함한다. 자유층은 기입전류(write current)가 자기접합을 통해 흐를 때 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 메인 배리어층은 제1 기준층과 자유층 사이에 위치한다. 가공된 보조 배리어층은 자유층과 제2 기준층 사이에 위치한다. 가공된 보조 배리어층은 저항, 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 가지며, 상기 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 포함한다. 자유층, 제1 기준층 및 제2 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy) 및 평면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 포함한다. 평면 외 자기소거 에너지는 수직 자기 이방성 에너지보다 작다.
본 개시의 실시예들에 따른 자기접합은 향상된 기입 및/또는 독출 특성들을 가질 수 있다. 그 결과, 본 개시의 실시예들에 따른 자기접합의 성능이 향상될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 이중 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 스토리지 셀(들)의 메모리소자(들) 내 자기접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 2는 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 다른 자기접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 스토리지 셀(들)의 메모리소자(들) 내 자기접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하며, 가공된 보조 배리어층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 가공된 보조 배리어층의 일 실시예를 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 자기장치(예: 자기메모리)에서 이용 가능한 자기접합 및 이러한 자기접합을 이용하는 장치에 관한 것이다. 자기메모리는 스핀전달토크 자기 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: STT-MRAM)를 포함할 수 있으며, 비휘발성 메모리를 채용하는 전자장치들에서 사용될 수 있다. 이러한 전자장치들은 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 랩탑 및 다른 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자가 발명을 생산 및 사용할 수 있도록 제시되며, 특허 출원 및 그 요건들 하에서 제공된다. 예시적인 실시예들에 대한 다양한 변형들 및 본 명세서에 설명된 일반적인 원리들 및 특징들은 쉽게 명백해질 것이다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현예들에서 제시되는 특정 방법들 및 시스템들과 관련하여 설명된다. 그러나 이러한 방법들 및 시스템들은 다른 구현예들에서 효과적으로 동작할 것이다. "예시적인 실시예", "일 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 문구들은 동일하거나 상이한 실시예들을 지칭할 뿐만 아니라 다수의 실시예들을 지칭할 수 있다. 실시예들은 소정의 구성요소들을 포함하는 시스템들 및/또는 장치들과 관련하여 설명될 것이다. 다만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 것보다 많거나 적은 구성요소들을 포함할 수 있으며, 구성요소들의 배열 및 유형은 본 개시의 범위에서 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 소정의 단계들을 포함하는 특정 방법들과 관련하여 설명될 것이다. 그러나 본 방법 및 시스템은 다른 단계들 및/또는 추가 단계들을 포함하고 예시적인 실시예들과 모순되지 않는 상이한 순서의 단계들을 포함하는 다른 방법들에 대해서도 효과적으로 동작한다. 따라서, 본 개시는 도시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에서 설명되는 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다.
이하, 자기접합, 자기접합을 이용하는 메모리 및 자기접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기접합은 제1 기준층, 제1 두께를 갖는 메인 배리어층, 자유층, 가공된(engineered) 보조 배리어층 및 제2 기준층을 포함한다. 자유층은 기입전류(write current)가 자기접합을 통해 흐를 때 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 메인 배리어층은 제1 기준층과 자유층 사이에 위치한다. 가공된 보조 배리어층은 자유층과 제2 기준층 사이에 위치한다. 가공된 보조 배리어층은 저항, 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 가지며, 상기 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 포함한다. 예를 들어, 가공된 보조 배리어층은 감소된 (및/또는 0값인) 두께를 갖는 영역들, 보다 높은 도전성 도핑영역들, 및 보다 높은 도전성 혼합영역들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 자유층, 제1 기준층 및 제2 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy) 및 평면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 포함한다. 평면 외 자기소거 에너지는 수직 자기 이방성 에너지보다 작다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 특정 방법들, 자기접합들 및 소정의 구성요소들을 포함하는 자기메모리들과 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 개시가 다른 구성요소들 및/또는 추가 구성요소들 및/또는 본 개시와 모순되지 않는 다른 특징들을 포함하는 자기접합 및 자기메모리의 사용과 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 스핀전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도의 맥락에서 설명된다. 따라서, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 작용에 대한 이론적 설명이 스핀전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도에 기초하여 이루어짐을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 방법 및 시스템은 특정 물리적 설명에 의존하는 것은 아니다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 또한, 본 방법 및 시스템이 기판에 대해 특정한 관계를 갖는 구조와 관련하여 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템이 다른 구조들과도 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 소정의 합성 및/또는 단순 층들과 관련하여 설명된다. 그러나, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 이러한 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 자기접합 및/또는 특정 층들을 포함하는 구조와 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템과 모순되지 않는 추가적인 층 및/또는 다른 층을 갖는 자기접합 및/또는 구조가 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 소정의 구성요소들은 자성/자기(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)인 것으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "자성/자기"라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "자성/자기" 또는 "강자성"이라는 용어는 강자성체 및 페리자성체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "평면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기접합의 하나 이상의 층의 평면 내부를 의미하거나, 또는 그 평면과 평행함을 의미한다. 반대로, "수직(perpendicular)" 및 "평면에 수직(perpendicular-to-plane)"은 자기접합의 하나 이상의 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응한다. 본 방법 및 시스템은 또한 소정의 합금과 관련하여 설명된다. 달리 명시되지 않는 한, 합금의 특정 농도가 언급되지 않은 경우, 본 방법 및 시스템과 모순되지 않는 임의의 화학적 조성비가 사용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 자기메모리에서 이용 가능하고, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 이중 자기접합(100 및 100')의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 1a 및 도 1b는 일정한 비율로 도시되는 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되는 것이 아닐 수 있다. 자기접합(100 및/또는 100')은 스핀전달토크 자기 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random-Access Memory: STT-MRAM)와 같은 자기장치 및 이에 따른 다양한 전자장치들에서 사용될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 자기접합(100)은 자기모멘트(111)를 갖는 제1 기준층(또는 피고정층(pinned layer))(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 보조 배리어층(140) 및 자기모멘트(151)를 갖는 제2 기준층(또는 피고정층)(150)을 포함할 수 있다. 또한, 임의적인 시드층(들)(102) 및 캡핑층(들)(104)이 도시된다. 자기접합(100)이 형성되는 기판(101)은 시드층들 아래에 위치되며 명확성을 위해 도시되었다. 하부 컨택 및 상부 컨택은 도시되지 않았으나 형성될 수 있다. 결합층(coupling layer), 반강자성(Antiferromagnetic: AFM)층이나 다른 층, 및/또는 기타 층과 같은 다른 층들도 존재할 수 있다. 분극강화층(Polarization Enhancement Layer: PEL)(들)도 포함될 수 있다. 예를 들어, 분극강화층(들)은 기준층(들)(110 및/또는 150)과 배리어층들(120 및 140) 사이 각각에 존재할 수 있다. 그러나 이러한 층들은 간결성을 위해 도시되지 않는다. 도 1a에서 알 수 있듯이, 이중 자기접합(100)은 기판(101)과 가장 가까운 위치에 기준층(110) 및 메인 배리어층(120)을 갖는다. 다른 실시예들에 따르면, 층들(110, 120, 130, 140 및 150)의 순서는 달라질 수 있다.
자유층(130)은 높은 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy: PMA)을 가질 수 있다. 따라서, 자유층(130)은 자유층 평면 외 자기소거 에너지(free layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 PMA 에너지를 갖는다. 그러므로, 자기모멘트(131)는 평면에 수직으로 안정적이다. 양방향 화살표로부터 추측할 수 있는 바와 같이, 자유층 자기모멘트(131)는 도 1a에서 페이지의 상부를 향할 때와 페이지의 하부를 향할 때 안정적일 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 자기모멘트(131)는 평면 내에서 안정적일 수 있다. 자유층(130)은 단일층으로 도시되어 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 자유층(130)은 다중층일 수 있다. 자유층(130)은 하나 이상의 비자성층을 사이에 개재 및 구비하고 있는 다중 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성체일 수 있다. 예를 들어, 자유층(130)은 비자성층(예: Ru층)에 의해 분리된 2개의 강자성층들을 포함할 수 있다. Ru층의 두께는 강자성층들이 RKKY 결합(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida coupling)을 통해 반강자성적으로 결합되도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 비자성층 두께는 강자성 결합을 위해 선택될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 자유층(130)은 소정의 다른 다중층일 수 있고, 및/또는 다른 방식으로 결합된 층(들)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 자유층(130)은 Fe층, (CoFe)1-yBy층 및/또는 (CoFeNi)1-yBy층(여기서, 0 ≤ y < 1)을 포함하거나, 이들로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 자유층(130)은 (CoFe)1-yBy층 및 Fe층(여기서, 0 ≤ y < 1)으로 구성될 수 있다. 다른 합금들 또는 추가 합금들 및/또는 다중층들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
자유층(130)은 변경될 수 있는 자기모멘트(131)를 가지므로 데이터를 저장하는데 이용될 수 있다. 자기접합(100)은 자기접합(100)을 통해 기입전류가 흐를 때, 자유층 자기모멘트(131)로 하여금 안정적인 자기상태들 사이에서 반전되도록 한다. 따라서, 자유층(130)은 기입전류가 자기접합(100)을 통해 평면수직전류(Current Perpendicular-to-Plane: CPP) 방향으로 구동될 때의 스핀전달토크를 이용하여 반전 가능하다. 도 1a의 페이지 상부를 향하거나 하부를 향하는 기입전류의 방향에 따라 자유층(130)은 다른 상태들로 프로그램될 수 있다. 자유층(130)의 자기모멘트(131) 방향은 자기접합(100)을 통하는 독출전류(read current)를 구동시킴으로써 독출될 수 있다. 이러한 독출전류는 기입전류보다 작아 자기모멘트 방향을 반전시키기에는 부족하다.
메인 배리어층(120)은 터널링 배리어층일 수 있다. 예를 들어, 메인 배리어층(120)은 (100) 방위의 결정질 MgO 터널링 배리어일 수 있다. 이러한 메인 배리어층(120)은 자기접합(100)의 터널링 자기저항(Tunneling Magnetoresistance: TMR)을 강화시킬뿐만 아니라 자유층(130)의 PMA도 증가시킬 수 있다. 결정질 MgO 터널링 배리어층(120)은 적어도 8 옹스트롬에서 15 옹스트롬 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 결정질 MgO 터널링 배리어층(120)의 두께는 명목상 적어도 9 옹스트롬에서 13 옹스트롬 이하일 수 있다. 그러나 다른 두께도 가능할 수 있으며, 및/또는 다른 재료도 가능하다. 예를 들어, 메인 배리어층(120)은 MgO, 산화마그네슘알루미늄(MgAlOx, 여기서 Ox는 산화물의 가변적인 화학적 조성비를 나타냄), 산화마그네슘타이타늄(MgTiOx, 여기서 Ox는 산화물의 가변적인 화학적 조성비를 나타냄), 산화마그네슘철(MgFeOx, 여기서 Ox는 산화물의 가변적인 화학적 조성비를 나타냄), 및/또는 다른 산화물이나 재료들 중 하나 이상을 포함하거나, 이들 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 메인 배리어층(120)을 위해 선택된 산화물들은 메인 배리어층(120)이 스핀 필터로서 기능하게 한다. 또한, 메인 배리어층(120)은 자유층(130)을 위한 시드층 역할을 하는 것으로 간주될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 메인 배리어층(120)은 도전층(이에 한정되지 않음)을 포함하는 다른 구조를 가질 수 있다.
기준층들(110 및 150)은 각각 평면 외 자기소거 에너지보다 큰 PMA 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자기모멘트들(111 및 151)은 평면에 수직으로 안정적이다. 기준층들(110 및 150)은 각각 단일층으로 도시되어 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 기준층들(110 및 150) 중 어느 하나 또는 이들 모두는 다중층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(들)(110 및/또는 150)은 전술한 바와 같이 합성 반강자성체일 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 다른 다중층들이 사용될 수 있다. 기준층(110 및/또는 150)은 Co-Pt층 및/또는 Co-Ir층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준층(110 및/또는 150)은 Co/Pt 다중층이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 다중층에서, Co/Pt 이중층([Co/Pt]n, n ≥ 1)이 하나 이상 반복 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 기준층(110 및/또는 150)은 Co/Ir 다중층이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 다중층은 Co/Ir 이중층([Co/Ir]n, n ≥ 1)이 하나 이상 반복될 수 있다. 일부 실시예들에서는 다른 구조를 갖거나, 및/또는 다른 재료를 사용하는 다른 기준층(들)이 사용될 수도 있다. 임의적인 고정층(들)(pinning layer(s))(미도시)이 기준층(110 및/또는 150)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 임의적인 고정층은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 자화(들)를 고정시키는 반강자성(AFM)층 또는 다중층일 수 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 임의적인 고정층이 생략될 수 있거나, 다른 구조가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 기준층들(110 및 150)의 자기모멘트(111 및 151)는 각각 기준층(110)의 자기 이방성에 의해 고정된다.
도 1a에서 알 수 있듯이, 기준층들(110 및 150)은 이중 상태에 있다. 달리 말하면, 자기모멘트들(111 및 151)은 반평행하게 정렬된다. 이러한 구성은 두 층들(110 및 150)에서의 스핀전달토크가 자유층(130)의 반전에 기여하도록 한다. 따라서, 반전 전류 및/또는 반전 시간이 감소될 수 있다.
또한, 도 1a에는 가공된 보조 배리어층(140)이 도시된다. 가공된 보조 배리어층(140)은 일반적으로 비자성이다. 가공된 보조 배리어층(140)은 터널링 배리어층일 수 있다. 예를 들어, 가공된 보조 배리어층(140)은 (100) 방위의 결정질 MgO 터널링을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 이러한 보조 배리어층(140)은 자유층(130) 및/또는 기준층(150)의 PMA를 증가시킨다. 가공된 보조 배리어층(140)은 MgO, MgAlOx, MgTiOx, MgFeOx 및/또는 다른 산화물이나 재료 중 하나 이상을 포함하거나, 이들 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가공된 보조 배리어층(140)을 위해 선택된 산화물들은 가공된 보조 배리어층(140)이 스핀 필터로서 기능하게 한다. 가공된 보조 배리어층(140)은 자유층(130)을 위한 캡핑층, 또는 기준층(150)을 위한 시드층의 역할을 하는 것으로 간주될 수 있다.
가공된 보조 배리어층(140)은 소정의 저항 및 제2 두께(t2)를 갖는다. 메인 배리어층은 제1 두께(t1)를 갖는다. 보조 배리어층(140)의 두께는 메인 배리어층(120)의 두께보다 얇다(t2 < t1). 일부 실시예들에 따르면, 보조 배리어층(140)은 적어도 5 옹스트롬에서 8 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 다만, 다른 두께도 가능하다. 또한, 가공된 보조 배리어층(140)은 도 1a에 점선으로 도시된 영역들(142)을 포함한다. 설명의 명확성을 위해, 영역들(142) 중 하나만 라벨링된다. 각 영역(142)은 감소된 저항을 갖는다. 따라서, 각 영역(142)의 저항은 보조 배리어층(140)의 저항보다 작다. 이러한 보조 배리어층(140)의 저항은 영역들(142) 바깥의 나머지 보조 배리어층(140) 부분들의 저항, 보조 배리어층(140)의 평균 저항, 또는 보조 배리어층(140)의 최대 저항 중 하나 이상일 수 있다.
영역들(142)의 저항은 여러가지 방법들 중 하나 이상의 방법으로 감소될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 영역들(142)은 감소된 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 보조 배리어층(140)은 박형화될 수 있고, 및/또는 영역들(142) 내에 개구(핀홀)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가공된 보조 배리어층(140)은 보다 큰 도전성(예: 금속)의 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 가공된 보조 배리어층(140)은 하나 이상의 금속 도펀트를 5 원자퍼센트 이하로 포함할 수 있다. 도펀트(들)는 Fe, Ni, Cr, Ti 및 Mg 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 영역들(142)에서는 도펀트 농도가 높을 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140)의 나머지 부분들은 본질적으로 전술한 산화물(들)일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가공된 보조 배리어층(140)은 적어도 하나의 도전체와 혼합된 절연체(예: 전술한 하나 이상의 산화물)를 포함할 수 있다. 도전체는 금속일 수 있다. 예를 들어, 도전체는 Fe, Ni, Cr, Ti 및 Mg 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 영역들(142)에는 도전체(들)가 풍부할 수 있다. 감소된 저항 영역들(142)을 위한 이러한 매커니즘들 중 2 이상이 결합되거나, 및/또는 다른 구성들이 사용될 수 있다.
감소된 저항을 갖는 영역들(142)의 존재로 인하여, 가공된 보조 배리어층(140)은 영역들(142)이 부재하는 경우의 RA(Resistance Area Product)보다 작은 RA를 가질 수 있다. 예를 들어, 영역들(142)이 보다 얇은 영역 또는 핀홀인 경우, 이러한 영역들은 주변 절연체보다 더 큰 도전성/더 낮은 비저항을 갖는다. 따라서, 이러한 보조 배리어층(140)의 RA는 동일한 일정 두께를 갖고 동일한 절연체를 이용하여 형성된 배리어층의 RA보다 작을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 보조 배리어층(140)에 대한 RA는 대략 적어도 0.1에서 1 이하일 수 있다. 다만, 다른 RA값들도 가능하다.
가공된 보조 배리어층(140)은 감소된 RA로 인해 자기접합(100)의 터널링 자기저항(TMR)을 향상시킬 수 있다. 터널링 자기저항은 상태들 간의 저항 변화량을 저항으로 나눈 것(ΔR/R)이다. 기준층들(110 및 150)은 이중 상태에 있다. 따라서, 평면수직전류(CPP) 방향으로 구동된 전류는 메인 배리어층(120)에 걸쳐 높은 저항(예: 자유층 자기모멘트(131)와 기준층 자기모멘트(111)가 반평행)을 갖고, 보조 배리어층(140)에 걸쳐 낮은 저항(예: 자유층 자기모멘트(131)와 기준층 자기모멘트(151)가 평행)을 갖게 될 것이고, 그 반대도 가능하다. 배리어층들(120 및 140)의 RA가 동일하면, 평면에 수직한 일방향으로 구동된 전류에 대한 자기저항은 반대방향으로 구동된 전류에 대한 자기저항과 동일하다. 이에 따라, TMR이 0 또는 0에 가깝게 감소된다. 보조 배리어층(140)은 메인 배리어층(120)보다 얇기 때문에, TMR에 대한 보조 배리어층(140)의 기여도는 감소한다. 달리 말하면, 보조 배리어층에 걸친 저항이 감소되기 때문에 보조 배리어층(140)에 걸친 반대 TMR이 감소된다. 따라서, 반대방향들로 구동된 전류에 대한 저항의 차이가 커진다. 영역들(142)은 보조 배리어층(140)의 저항을 더욱 감소시키므로, TMR에 대한 보조 배리어층(140)의 기여도 역시 더욱 감소시킨다. 그러므로, 자기접합(100)을 통해 반대방향들로 구동된 전류 간의 저항 차이가 증가된다. 따라서, TMR이 향상된다. 일부 실시예들에 따르면, TMR은 적어도 30퍼센트까지 증가된다. 일부 실시예들에 따르면, TMR은 적어도 50퍼센트까지 증가된다. 일부 실시예들에서, 자기접합에 대한 TMR은 적어도 60퍼센트에서 150퍼센트 이하일 수 있다. 그러나 다른 값의 TMR도 가능하며 (특히 큰 값이) 바람직하다.
가공된 보조 배리어층(140)을 갖는 자기접합(100)은 독출 및/또는 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 기준층들(110 및 150)이 이중 상태(반대방향의 자기모멘트들(111 및 151))에 있기 때문에, 자유층(130)은 더 낮은 전류에서 스핀전달토크를 이용하여 기입될 수 있다. 또한, 메인 배리어층(120) 및 가공된 보조 배리어층(140)을 위해 선택된 재료들은 배리어층들(120 및 140)을 통한 스핀토크를 유지하면서 스핀 필터링을 제공할 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140')의 저항 및 RA는 영역들(142)의 존재로 인하여 감소될 수 있다. 또한, 영역들(142) 및 보조 배리어층(140')은 배리어층에 걸쳐 스핀토크를 보존할 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용한 기입에 대해 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100')의 RA가 감소될 수 있다. 그러므로, 자기접합(100')은 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 보조 배리어층(140)의 낮은 RA는 자기접합(100)의 TMR을 향상시킬 수 있다. 따라서, 기입 특성에 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100)의 독출 특성이 향상될 수 있다.
도 1b는 자기접합(100')을 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 1b는 일정한 비율로 도시되는 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되는 것이 아닐 수 있다. 자기접합(100')은 자기접합(100)과 유사하다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사하게 지칭된다. 자기접합(100')은 기준층(110'), 메인 배리어층(120'), 자유층(130'), 가공된 보조 배리어층(140') 및 기준층(150')을 포함하며, 이들은 각각 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 보조 배리어층(140) 및 기준층(150)과 유사하다. 기판(101)뿐만 아니라 임의적인 시드층(102) 및 캡핑층(104)도 도시된다.
자기접합(100')의 각 층들(110', 120', 130', 140' 및 150')에 사용되는 구조, 기능 및 재료(들)는 각각 자기접합(100)의 각 층들(110, 120, 130, 140 및 150)의 구조, 기능 및 재료(들)와 유사하다. 예를 들어, 가공된 보조 배리어층(140')은 낮은 저항의 영역들(142)을 포함하며, 메인 배리어층(120')보다 낮은 저항을 갖고, 메인 배리어층(120')보다 얇다. 다만, 각 층들(110', 120', 130', 140' 및 150')의 기판에 대한 관계가 역전되어있다. 따라서, 자기접합(100')은 메인 배리어층(120')보다 더 기판(101)에 가까운 위치에 보조 배리어층(140')을 가질 뿐, 여전히 이중 자기접합이다.
자기접합(100')은 자기접합(100)의 이점들을 공유한다. 자기접합(100')은 독출 및/또는 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 기준층들(110' 및 150')이 이중 상태(반대방향의 자기모멘트들(111' 및 151'))에 있기 때문에, 자유층(130')의 자기모멘트(131')는 더 낮은 전류에서 스핀전달토크를 이용하여 기입될 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140')의 저항 및 RA는 영역들(142)의 존재로 인하여 감소될 수 있다. 이는 TMR을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 독출 성능도 향상시킬 수 있다. 또한, 영역들(142) 및 보조 배리어층(140')은 배리어층에 걸쳐 스핀토크를 보존할 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용한 기입에 대해 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100')의 RA가 감소될 수 있다. 그러므로, 자기접합(100')은 기입 성능을 향상시킬 수 있다.
도 2는 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기메모리와 같은 자기장치의 이중 자기접합(100A)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 2는 일정한 비율로 도시되는 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되는 것이 아닐 수 있다. 자기접합(100A)은 자기접합(100 및/또는 100')과 유사하다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사하게 지칭된다.
자기접합(100A)은 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 배리어층(140A) 및 기준층(150)을 포함하는 이중 자기접합이며, 이 층들은 각각 도 1a 및 도 1b의 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140') 및 기준층(150/150')과 유사하다. 기판(101)뿐만 아니라 임의적인 시드층(102) 및 캡핑층(104)도 도시된다. 도시된 실시예에서, 메인 배리어층(120)은 가공된 보조 배리어층(140A)보다 더 기판(101)에 가깝다. 다른 실시예에 따르면, 기판(101)에 대한 각 층들(110, 120, 130, 140A 및 150)의 순서는 역전(또는 배리어층들(120 및 140A)이 서로 바뀜)될 수 있다. 자기접합(100A)의 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 보조 배리어층(140A) 및 기준층(150)에 사용되는 구조, 기능 및 재료(들)는 각각 자기접합(100 및/또는 100')의 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140') 및 기준층(150/150')에 사용된 구조, 기능 및 재료(들)와 유사하다.
가공된 보조 배리어층(140A)은 영역들(142A)을 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 영역들(142A)은 보조 배리어층(140A) 내의 개구 또는 핀홀이다. 그 결과, 보조 배리어층(140A)의 두께는 가변적인 것으로 간주될 수 있다. 핀홀들(142A)이 존재하기 때문에, 보조 배리어층(140A)의 RA 및 저항은 감소될 수 있다. 그러나 핀홀들(142A)이 존재함에도 불구하고 보조 배리어층(140A)의 스핀 필터 효과는 실질적으로 유지될 수 있다.
자기접합(100A)은 자기접합(100 및/또는 100')의 이점들을 공유할 수 있다. 특히, 자기접합(100A)은 독출 및/또는 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 기준층들(110 및 150)이 이중 상태에 있으므로, 보다 낮은 기입전류가 사용될 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140)의 저항 및 RA는 핀홀들(142A)의 존재에 의해 감소될 수 있다. 이는 TMR을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 독출 성능도 향상시킬 수 있다. 또한, 핀홀들(142A) 및 보조 배리어층(140A)은 배리어층에 걸쳐 스핀토크를 보존할 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용한 기입에 대해 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100A)의 RA가 감소될 수 있다. 이에 따라, 자기접합(100A)은 기입 성능도 향상시킬 수 있다.
도 3은 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기메모리와 같은 자기장치의 이중 자기접합(100B)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 3은 일정한 비율로 도시된 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되는 것이 아닐 수 있다. 자기접합(100B)은 자기접합(100, 100' 및/또는 100A)과 유사하다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사하게 지칭된다.
자기접합(100B)은 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 배리어층(140B) 및 기준층(150)을 포함하는 이중 자기접합이며, 이 층들은 각각 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140'/140A) 및 기준층(150/150')과 유사하다. 기판(101)뿐만 아니라 임의적인 시드층(102) 및 캡핑층(104)도 도시된다. 도시된 실시예에서, 메인 배리어층(120)은 가공된 보조 배리어층(140B)보다 더 기판(101)에 가깝다. 다른 실시예에 따르면, 기판(101)에 대한 각 층들(110, 120, 130, 140B 및 150)의 순서는 역전(또는 배리어층들(120 및 140B)이 서로 바뀜)될 수 있다. 자기접합(100B)의 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 보조 배리어층(140B) 및 기준층(150)에 사용되는 구조, 기능 및 재료(들)는 각각 자기접합(100, 100' 및/또는 100A)의 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140'/140A) 및 기준층(150/150')에 사용된 구조, 기능 및 재료(들)와 유사하다.
가공된 보조 배리어층(140B)은 영역들(142B1, 142B2, 142B3 및 142B4, 통칭하여 142B)을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 영역들(142B)은 보조 배리어층(140B)에서 (감소된) 다양한 두께를 갖는 영역들이다. 영역 142B3은 가공된 보조 배리어층(140B)을 관통하는 핀홀이다. 이에 따라, 보조 배리어층(140B)의 두께는 핀홀 142B3에서 0이 된다. 영역들(142B1 및 142B4)에서는 보조 배리어층(140B)이 각각 상부 및 하부에서 얇아진다. 영역 142B2는 보조 배리어층(140B)의 공극이다. 영역들(142B)이 존재하기 때문에, 보조 배리어층(140B)의 RA 및 저항은 감소될 수 있다. 그러나 박형화된 영역들(142B)이 존재함에도 불구하고 보조 배리어층(140B)의 스핀 필터 효과는 실질적으로 유지될 수 있다.
자기접합(100B)은 자기접합(100, 100' 및/또는 100A)의 이점들을 공유할 수 있다. 자기접합(100B)은 독출 및/또는 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 기준층들(110 및 150)이 이중 상태에 있으므로, 보다 낮은 기입전류가 사용될 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140)의 저항 및 RA는 영역들(142B)의 존재로 인하여 감소될 수 있다. 이는 TMR을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 독출 성능도 향상시킬 수 있다. 또한, 영역들(142C) 및 보조 배리어층(140C)은 배리어층에 걸쳐 스핀토크를 보존할 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용한 기입에 대해 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100C)의 RA가 감소될 수 있다. 이에 따라, 자기접합(100C)은 기입 성능도 향상시킬 수 있다.
도 4는 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기메모리와 같은 자기장치의 이중 자기접합(100B)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 4는 일정한 비율로 도시되는 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되는 것이 아닐 수 있다. 자기접합(100C)은 자기접합(100, 100', 100A 및/또는 100B)과 유사하다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사하게 지칭된다.
자기접합(100C)은 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 배리어층(140C) 및 기준층(150)을 포함하는 이중 자기접합이며, 이 층들은 각각 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140'/140A/140B) 및 기준층(150/150')과 유사하다. 기판(101)뿐만 아니라 임의적인 시드층(102) 및 캡핑층(104)도 도시된다. 도시된 실시예에서, 메인 배리어층(120)은 가공된 보조 배리어층(140C)보다 더 기판(101)에 가깝다. 다른 실시예에 따르면, 기판(101)에 대한 각 층들(110, 120, 130, 140C 및 150)의 순서는 역전(또는 배리어층들(120 및 140C)이 서로 바뀜)될 수 있다. 자기접합(100C)의 기준층(110), 메인 배리어층(120), 자유층(130), 가공된 보조 배리어층(140C) 및 기준층(150)에 사용되는 구조, 기능 및 재료(들)는 각각 기준층(110/110'), 메인 배리어층(120/120'), 자유층(130/130'), 가공된 보조 배리어층(140/140'/140A/140B) 및 기준층(150/150')에 사용된 구조, 기능 및 재료(들)와 유사하다.
가공된 보조 배리어층(140C)은 영역들(142C1, 142C2, 142C3 및 142C4, 통칭하여 142C)을 포함한다. 영역들(142C)은 보조 배리어층(140C)에서 다양한 조성을 갖는 영역들이다. 영역들(142C)에 있어서, 가공된 보조 배리어층(140C)에는 금속 및/또는 다른 도전성 재료가 풍부할 수 있다. 예를 들어, 가공된 보조 배리어층(140C)은 금속이나 다른 적절한 도전체로 도핑된, 전술한 바와 같은 절연체일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가공된 보조 배리어층(140C)은 Fe, Ni, Cr, Ti 및 Mg 중 적어도 하나를 포함하는(다만, 이에 한정되지 않음) 5 원자퍼센트 이하의 도펀트(들)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 영역들(142C)에서는 도펀트 농도가 높을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 가공된 보조 배리어층(140C)은 절연체와 금속/다른 적절한 도전체의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 절연체는 Fe, Ni, Cr 및/또는 Mg과 같은 금속과 혼합된 전술한 절연체들(예: MgO, MgAlOx, MgFeOx, MgTiOx) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 산화물과 금속은 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 혼합되지 않을 수 있다. 따라서, 영역들(142C)은 혼합물 중 금속이 풍부한 영역들이다. 영역들(142C)이 존재하기 때문에, 보조 배리어층(140C)의 RA 및 저항은 감소될 수 있다. 그러나 보조 배리어층(140C)의 스핀 필터 효과는 실질적으로 유지될 수 있다.
자기접합(100C)은 자기접합(100, 100', 100A 및/또는 100B)의 이점들을 공유할 수 있다. 자기접합(100C)은 독출 및/또는 기입 성능을 향상시킬 수 있다. 기준층들(110 및 150)이 이중 상태에 있으므로, 보다 낮은 기입전류가 사용될 수 있다. 가공된 보조 배리어층(140C)의 저항 및 RA는 영역들(142C)의 존재로 인하여 감소될 수 있다. 이는 TMR을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 독출 성능도 향상시킬 수 있다. 또한, 영역들(142C) 및 보조 배리어층(140C)은 배리어층에 걸쳐 스핀토크를 보존할 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용한 기입에 대해 실질적으로 악영향을 미치지 않고 자기접합(100C)의 RA가 감소될 수 있다. 이에 따라, 자기접합(100C)은 기입 성능도 향상시킬 수 있다.
도 5는 하나 이상의 자기접합(100, 100', 100A, 100B, 100C 및/또는 다른 자기접합들)을 이용할 수 있는 메모리(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기메모리(200)는 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들(202 및 206)과 워드라인 선택 드라이버(204)를 포함한다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다. 메모리(200)의 스토리지 영역은 자기 스토리지 셀들(210)을 포함한다. 각각의 자기 스토리지 셀은 적어도 하나의 자기접합(212) 및 적어도 하나의 선택소자(214)를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 선택소자(214)는 트랜지스터이다. 자기접합들(212)은 자기접합(100, 100', 100A, 100B, 100C) 및/또는 다른 유사 자기접합(들) 중 하나일 수 있다. 셀(210) 당 하나의 자기접합(212)이 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 셀 당 다른 개수의 자기접합들(212)이 구비될 수 있다. 자기메모리(200)는 하나 이상의 자기접합(100, 100', 100A, 100B, 100C) 및/또는 유사 자기접합을 포함하므로, 자기메모리(200)는 전술한 이점들을 가질 수 있다.
이상, 자기접합들(100, 100', 100A, 100B 및 100C) 및 자기메모리(200)에 대한 다양한 특징들이 설명되었다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 이러한 특징들이 도시되지 않은 방식(들)으로 본 명세서에 기술한 장치들 및 방법들과 모순되지 않게 결합될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 이러한 방법들, 시스템들 및 장치들에 따른 자기접합은 명시적으로 도시될 필요가 없다.
도 6은 스핀전달토크 랜덤액세스 메모리(STT-RAM)와 같은 자기장치 및 이에 따른 다양한 전자장치들에서 이용 가능한 자기접합의 제조방법(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들은 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 통합될 수 있다. 또한, 본 방법(300)은 자기메모리를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 개시될 수 있다. 본 방법(300)은 단일 자기접합을 형성하는 경우와 관련하여 설명된다. 그러나, 다수의 자기접합들이 실질적으로 동시에 형성될 수도 있다. 또한, 본 방법(300)은 자기접합(100)과 관련하여서 설명된다. 그러나 자기접합(들)(100', 100A, 100B, 100C) 및/또는 유사 자기접합과 같은 다른 자기접합이 형성될 수도 있다.
단계 302를 통해 기준층(110)이 제공된다. 기준층(110)은 자성을 가지며, 자기접합의 동작의 적어도 일부 동안 특정 방향으로 고정된 자화를 가질 수 있다. 단계 302에서 형성된 기준층은 단일층 또는 다중층일 수 있다. 단계 302에서 형성된 기준층은 평면 외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 기준층(110)은 평면에 수직하게 배향된 자기모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 단계 302는 Co/Pt 다중층, Co/Ir 다중층 또는 이들 모두를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 302는 시드층(들)(102) 상에 기준층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 시드층(들)(102)은 기준층의 바람직한 결정구조, 기준층의 자기 이방성 및/또는 다른 자기 특성들을 포함하는(다만, 이에 한정되지 않음) 다양한 목적에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 기준층은 기준층의 수직 자기 이방성을 증진시키는 (100) 결정질 MgO층과 같은 시드층 상에 제공될 수 있다.
단계 304를 통해 메인 배리어층(120)이 제공된다. 일부 실시예들에 따르면, 결정질 MgO 터널링 배리어층이 형성될 수 있다. 일부 실시예들의 MgO를 대체하여, 또는 이에 더하여 MgAlOx, MgTiOx, MgFeOx가 사용될 수 있다. 단계 304는 MgO를 증착하여 터널링 배리어층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 단계 304는 예컨대 무선주파수(RF) 스퍼터링을 이용하여 MgO를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 Mg가 증착된 다음, 단계 306에서 산화되어 Mg의 천연 산화물을 제공할 수 있다. MgO 배리어층/비자성 스페이서층은 다른 방식으로도 형성될 수 있다. 단계 306은 자기접합의 TMR을 위해 (100) 방위의 결정질 MgO 터널링 배리어를 제공하도록 이미 형성된 자기접합의 일부를 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 306을 통해 자유층(130)이 제공된다. 단계 306은 자유층(130)을 위한 재료(들)를 증착하는 단계를 포함한다. 단계 306에서 제공된 자유층(130)은 그의 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 자유층의 자기모멘트는 평면에 수직할 때를 포함하여 평면 외에서 안정적일 수 있다. 단계 306에서 제공된 자유층(130)은 기입전류가 자기접합을 통해 흐를 때 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능하다. 즉, 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 반전 가능하다. 단계 306에서 제공된 자유층(130)도 자성을 가지며, 동작 온도들에서 열적으로 안정적이다.
단계 308을 통해, 가공된 보조 배리어층(140)이 제공된다. 단계 308은 단계 304와 유사할 수 있다. 다만, 보조 배리어층(140)의 두께(t2)는 메인 배리어층(120)의 두께(t1)보다 얇다. 또한, 단계 308은 낮은 저항 영역들(142)을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서, 영역들(142)은 감소된 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 핀홀들이 형성되는 경우 두께가 0인 것도 가능할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 두께는 보조 배리어층(140)의 전반에 걸쳐 0이 아니다. 단계 308은 높은 금속 농도의 영역들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 단계 308에서 보다 높은 도전성/보다 낮은 비저항을 갖는 영역들(142)이 형성될 수 있다.
단계 310을 통해 기준층(150)이 제공된다. 단계 310은 단계 302와 유사할 수 있다. 단계 312를 통해 장치의 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 캡핑층(들)(104)이 증착될 수 있고, 증착된 층들 상에 마스크를 제공하고 해당 층들의 노출부분들을 이온 밀링함으로써 자기접합의 에지들이 규정될 수 있다. 각 층들이 제공되는 것으로 설명되었으나, 일부 실시예들에 따르면, 단계 302, 304, 306, 308 및 310은 자기접합 스택에서 각 층들을 제공하는 것을 포함한다. 접합의 에지들은 자기접합의 모든 층들이 증착된 후에 규정될 수 있다. 자기접합이 사용되는 장치를 위해 컨택 및 도전라인과 같은 추가 구조들도 형성될 수 있다. 그런 다음, 자기접합의 제조가 완료될 수 있다.
특정 순서로 설명되었으나, 본 방법(300)의 단계들은 다른 순서로 수행될 수도 있다. 예를 들어, 단계 304 및 단계 310이 서로 뒤바뀔 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 단계들은 310, 308, 306, 304, 302 및 312와 같은 순서로 수행될 수 있다. 이에 따라, 자기접합들(100, 100', 100A, 100B, 100C) 및/또는 유사 자기접합이 형성될 수 있다.
본 방법(300)을 이용하면, 고온의 어닐링을 이용함에도 불구하고 향상된 성능을 갖는 자기접합이 제공될 수 있다. 따라서, 본 방법(300)은 가공된 보조 배리어층(140, 140', 140A, 140B, 140C) 및/또는 유사한 층을 갖는 이중 자기접합이 제조되도록 할 수 있다.
도 7은 자기장치에서 이용 가능한 자기접합의 일부를 제공하는 방법(320)의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다. 보다 구체적으로, 본 방법(320)은 보조 배리어층을 형성하는데 이용된다. 설명의 간결성을 위해, 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질수 있다. 단일 자기접합에 관하여 설명되었으나, 다중 자기접합들도 제조될 수 있다. 설명의 간결성을 위해, 본 방법(320)은 자기접합(100A)과 관련하여 설명된다. 다만, 본 방법(320)은 자기접합들(100, 100', 100B, 100C) 및/또는 유사 자기접합 중 어느 하나를 위해 이용될 수도 있다.
단계 322를 통해 다양한 두께를 갖는 가공된 보조 배리어층(140A)을 위한 증착 조건들이 갖춰진다. 예를 들어, 핀홀들(142A)이 형성되도록 증착 온도, 압력 및 다른 조건들이 조정될 수 있다. 증착 조건들을 적용하여 단계 324를 통해 보조 배리어층(140A)이 증착된다. 필요에 따라 단계 322 및 단계 324는 증착 조건들을 조정하기 위해 반복될 수 있다. 또한, 얇은 층(140A)이 제공되도록 단계 324가 수행된다. 일부 실시예들에 따르면, 보조 배리어층(140A)의 박형화된 영역들만이 단계 324에서 형성될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 박형화된 영역들 및 핀홀들이 형성된다. 다른 실시예들에 따르면, 핀홀들만이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 공극들이 형성될 수 있다. 이에 따라, 보조 배리어층(140A 또는 140B)이 제공될 수 있다.
본 방법(320)을 이용하면, 자기접합의 기입 및/또는 독출 특성들을 향상시킬 수 있는 가공된 보조 배리어층이 형성될 수 있다. 그러므로, 본 방법(320)은 향상된 성능을 갖는 자기접합들이 제조되도록 할 수 있다.
도 8은 자기장치에서 이용 가능한 자기접합의 일부를 제공하는 방법(330)의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다. 본 방법(330)은 보조 배리어층을 형성하는데 이용된다. 설명의 간결성을 위해, 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질 수 있다. 단일 자기접합에 관하여 설명되었으나, 다중 자기접합들도 제조될 수 있다. 설명의 간결성을 위해, 본 방법(330)은 자기접합(100C)과 관련하여 설명된다. 다만, 본 방법(330)은 자기접합들(100, 100', 100A, 100B) 및/또는 유사 자기접합 중 어느 하나를 위해 이용될 수도 있다.
단계 332를 통해, 높은 도전성 영역들(142C)을 위한 적절한 도펀트들이 선택된다. 단계 332에서 도펀트의 선택은 적어도 부분적으로 배리어층의 나머지 부분에 대해 사용되는 재료(들)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 도펀트는 주변 절연체보다 높은 도전성/낮은 비저항을 갖는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에 따르면, 절연체는 MgO, MgAlOx, MgTiOx 및 MgFeOx 중 하나 이상을 포함한다. 단계 332에서 선택된 도펀트들은 Fe, Ni, Cr 및 Ti와 같은 금속(들)을 포함할 수 있다.
단계 334를 통해, 도핑된 보조 배리어층(140C)이 증착된다. 단계 334는 원하는 두께의 보조 배리어층(140C)이 획득되고 높은 도펀트 농도의 영역들(142C)이 형성되도록, 절연체와 도펀트를 동시에 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 방법(330)을 이용하면, 낮은 비저항 영역들(142C)을 갖는 가공된 보조 배리어층(140C)이 형성될 수 있다. 이러한 가공된 보조 배리어층은 형성된 자기접합의 기입 및/또는 독출 특성들을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 방법(330)은 향상된 성능을 갖는 자기접합들이 제조되도록 할 수 있다.
도 9는 자기장치에서 이용 가능한 자기접합의 일부를 제공하는 방법(340)의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다. 본 방법(340)은 보조 배리어층을 형성하는데 이용된다. 설명의 간결성을 위해, 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질수 있다. 단일 자기접합에 관하여 설명되었으나, 다중 자기접합들도 제조될 수 있다. 설명의 간결성을 위해, 본 방법(340)은 자기접합(100C)과 관련하여 설명된다. 다만, 본 방법(340)은 자기접합들(100, 100', 100A, 100B) 및/또는 유사 자기접합 중 어느 하나를 위해 사용될 수 있다.
단계 342를 통해, 절연층이 증착된다. 단계 342에서 사용되는 절연체/산화물은 가공된 보조 배리어층(140C)의 일부인 것이 바람직하다. 예를 들어, 절연체는 MgO, MgAlOx, MgTiOx 및 MgFeOx 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 절연층은 적어도 2 옹스트롬에서 5 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에 따르면, 다른 두께들도 가능하다.
단계 344를 통해, 높은 도전성/낮은 비저항을 갖는 층이 증착된다. 단계 344는 금속층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 344에서 증착된 층은 단계 342에서 증착된 층보다 낮은 저항(및 RA)을 갖는다. 예를 들어, 단계 344는 Fe, Ni, Cr 및 Ti 중 하나 이상으로 이루어진 층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 342 및 단계 344에서 증착된 층들의 총 두께는 가공된 보조 배리어층(140C)의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 높은 도전성/낮은 비저항을 갖는 층은 0 옹스트롬 초과 및 대략 2 옹스트롬 이하의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 다른 두께들도 가능하다.
단계 346을 통해, 층들이 어닐링된다. 단계 346은 단계 342 및 단계 344에서 제공된 층들을 산화 분위기, 진공 또는 다른 가스(들)에서 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 어닐링 온도는 상온을 초과하지만 400℃보다는 낮을 수 있다. 어닐링 온도, 시간 및 분위기는 금속층과 절연층이 혼합될 수 있도록 선택된다. 이에 따라, 영역들(142C)이 가공된 터널링 배리어층에 형성된다.
본 방법(340)을 이용하면, 낮은 비저항 영역들(142C)을 갖는 가공된 보조 배리어층(140C)이 형성될 수 있다. 이러한 가공된 보조 배리어층은 형성된 자기접합의 기입 및/또는 독출 특성들을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 방법(340)은 향상된 성능을 갖는 자기접합들이 제조되도록 할 수 있다.
이상, 자기접합을 제공하는 방법 및 시스템과 이러한 자기접합을 이용하여 제조된 메모리에 대하여 설명하였다. 본 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 따라 설명되었고, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형들이 가능함을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 청구범위의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의한 많은 변형들이 이루어질 수 있다.
100, 100', 100A, 100B, 100C: 자기접합
101: 기판 102: 임의적인 시드층
104: 임의적인 캡핑층 110, 110': 기준층
111, 111': 기준층 자기모멘트 120, 120': 메인 배리어층
130, 130': 자유층 131, 131': 자유층 자기모멘트
140, 140': 보조 배리어층 142: 복수의 영역들
150, 150': 기준층 151, 151': 기준층 자기모멘트
200: 자기메모리
202, 206: 독출/기입 컬럼 선택기/드라이버
204: 워드라인 선택기/드라이버 210: 자기 스토리지 셀
212: 자기접합 214: 선택소자
101: 기판 102: 임의적인 시드층
104: 임의적인 캡핑층 110, 110': 기준층
111, 111': 기준층 자기모멘트 120, 120': 메인 배리어층
130, 130': 자유층 131, 131': 자유층 자기모멘트
140, 140': 보조 배리어층 142: 복수의 영역들
150, 150': 기준층 151, 151': 기준층 자기모멘트
200: 자기메모리
202, 206: 독출/기입 컬럼 선택기/드라이버
204: 워드라인 선택기/드라이버 210: 자기 스토리지 셀
212: 자기접합 214: 선택소자
Claims (10)
- 기판 상에 위치하고 자기장치에서 이용 가능한 자기접합에 있어서,
상기 자기접합은,
제1 기준층;
제1 두께를 갖는 메인 배리어층;
기입전류가 상기 자기접합을 통해 흐를 때, 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능한 자유층;
상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 가공된(engineered) 보조 배리어층; 및
제2 기준층을 포함하되,
상기 메인 배리어층은 상기 제1 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 가공된 보조 배리어층의 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 갖고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 위치하고, 상기 자유층, 상기 제1 기준층 및 상기 제2 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지를 갖고,
상기 복수의 영역들은 각각 상기 제2 두께보다 얇은 감소된 두께를 갖는, 자기접합. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기준층 및 상기 제2 기준층은 이중 상태에 있는, 자기접합. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 가공된 보조 배리어층은 적어도 하나의 금속 도펀트를 5 원자퍼센트 이하로 포함하고,
상기 복수의 영역들에는 도펀트가 풍부한, 자기접합. - 제4항에 있어서,
상기 도펀트는 Fe, Ni, Cr, Ti 및 Mg 중 적어도 하나를 포함하는, 자기접합. - 제1항에 있어서,
상기 가공된 보조 배리어층은 적어도 하나의 도전체와 혼합된 절연체를 포함하고,
상기 복수의 영역들에는 상기 적어도 하나의 도전체가 풍부한, 자기접합. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 도전체는 Fe, Ni, Cr, Ti 및 Mg 중 적어도 하나를 포함하는, 자기접합. - 제1항에 있어서,
상기 메인 배리어층 및 상기 보조 배리어층은 각각 산화마그네슘, 산화마그네슘알루미늄, 산화마그네슘타이타늄 및 산화마그네슘철 중 적어도 하나를 포함하는, 자기접합. - 기판 상에 위치하는 자기메모리에 있어서,
복수의 자기 스토리지 셀들; 및
상기 복수의 자기 스토리지 셀들과 결합된 복수의 비트 라인들을 포함하되,
상기 복수의 자기 스토리지 셀들은 각각 적어도 하나의 자기접합을 포함하고,
상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 제1 기준층, 제1 두께를 갖는 메인 배리어층, 자유층, 가공된(engineered) 보조 배리어층 및 제2 기준층을 포함하고,
상기 자유층은 기입전류가 상기 자기접합을 통해 흐를 때, 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능하고, 상기 메인 배리어층은 상기 제1 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 가공된 보조 배리어층의 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 갖고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 위치하고, 상기 자유층, 상기 제1 기준층 및 상기 제2 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지를 갖고,
상기 복수의 영역들은 각각 상기 제2 두께보다 얇은 감소된 두께를 갖는, 자기메모리. - 자기장치에서 이용 가능한 자기접합을 제공하는 방법에 있어서,
제1 기준층을 제공하고;
제1 두께를 갖는 메인 배리어층을 제공하고;
자유층을 제공하고;
상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 가공된(engineered) 보조 배리어층을 제공하고; 및
제2 기준층을 제공하는 것을 포함하되,
상기 자유층은 기입전류가 상기 자기접합을 통해 흐를 때, 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능하고, 상기 메인 배리어층은 상기 제1 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 가공된 보조 배리어층의 저항보다 작은 감소된 저항을 갖는 복수의 영역들을 갖고, 상기 가공된 보조 배리어층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 위치하고, 상기 자유층, 상기 제1 기준층 및 상기 제2 기준층은 각각 수직 자기 이방성 에너지 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지를 갖고,
상기 복수의 영역들은 각각 상기 제2 두께보다 얇은 감소된 두께를 갖는, 방법.
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