KR102624484B1 - 자기 기억 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

자기 기억 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 기억 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 자성 패턴, 제2 자성 패턴, 및 이들 사이의 제1 터널 배리어 패턴을 포함하는 자기터널접합을 포함한다. 상기 제2 자성 패턴은, 상기 제1 터널 배리어 패턴 상에서 상기 제1 터널 배리어 패턴과 직접 접촉하고, 상기 제2 자성 패턴은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함하며, 상기 제2 자성 패턴의 베릴륨(Be)의 함량은 2 at% 내지 15 at%이다.

Description

자기 기억 소자 및 이의 제조 방법{Magnetic memory device and method for manufacturing the same}
본 발명은 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 기억 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자들은 그것들의 소형화, 다기능화 및/또는 낮은 제조 단가 등으로 인하여 전자 산업에서 널리 사용되고 있다. 반도체 소자들 중에서 반도체 기억 소자들은 논리 데이터를 저장할 수 있다. 반도체 기억 소자들 중에서 자기 기억 소자는 고속 동작 및/또는 비휘발성 등의 특성들을 가질 수 있어 차세대 반도체 기억 소자로 각광 받고 있다.
일반적으로, 자기 기억 소자는 자기 터널 접합 패턴(Magnetic tunnel junction pattern; MTJ)을 포함할 수 있다. 자기 터널 접합 패턴은 두개의 자성체들과 그들 사이에 개재된 절연막을 포함할 수 있다. 두 자성체들의 자화 방향들에 따라 자기터널접합 패턴의 저항값이 달라질 수 있다. 예를 들면, 두 자성체들의 자화 방향이 반평행한 경우에 자기터널접합 패턴은 큰 저항값을 가질 수 있으며, 두 자성체들의 자화 방향이 평행한 경우에 자기터널접합 패턴은 작은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값들의 차이를 이용하여 데이터를 기입/판독할 수 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 다음의 문헌들에 개시되어 있다:
1. 일본 등록특허공보 JP 5104753호 (2012.12.19.)
2. 미국 공개특허공보 US 6028786 A (2000.02.22.)
3. 미국 등록특허공보 US 6816347 B2 (2004.11.09.)
4. 미국 등록특허공보 US 7596015 B2 (2009.09.29.)
5. 미국 공개특허공보 US 2015/0123223 A1 (2015.05.07.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우수한 신뢰성을 가지고 낮은 스위칭 전류를 갖는 자기 기억 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 우수한 신뢰성을 가지고 낮은 스위칭 전류를 갖는 자기 기억 소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 개념에 따른, 자기 기억 소자는, 제1 자성 패턴, 제2 자성 패턴, 및 이들 사이의 제1 터널 배리어 패턴을 포함하는 자기터널접합을 포함할 수 있다. 상기 제1 자성 패턴은 상기 제1 터널 배리어 패턴과 직접 접촉하고, 상기 제1 자성 패턴은 (CoxFe100 -x)100- zBez을 포함하며, 상기 x는 40 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따른, 자기 기억 소자는, 제1 자성 패턴, 제2 자성 패턴, 및 이들 사이의 제1 터널 배리어 패턴을 포함하는 자기터널접합을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 자성 패턴들은 상기 제1 터널 배리어 패턴의 바닥면 및 상면과 각각 직접 접촉하고, 상기 제1 및 제2 자성 패턴들 각각은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함하며, 상기 제1 자성 패턴의 코발트와 철의 함량비는 상기 제2 자성 패턴의 코발트와 철의 함량비와 다를 수 있다.
본 발명의 또 다른 개념에 따른, 자기 기억 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에서, 자유 자성 패턴, 고정 자성 패턴, 및 이들 사이의 터널 배리어 패턴을 포함하는 자기터널접합을 포함할 수 있다. 상기 자유 자성 패턴은 상기 기판과 상기 터널 배리어 패턴 사이에 개재되고, 상기 터널 배리어 패턴의 바닥면과 직접 접촉하며, 상기 고정 자성 패턴은 상기 터널 배리어 패턴의 상면과 직접 접촉하고, 상기 자유 및 고정 자성 패턴들 각각은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 기억 소자는, 터널 배리어 패턴 상에 CoFeBe를 함유하는 자성 패턴을 포함할 수 있다. 상기 자성 패턴은 저온의 열처리 공정에서도 결정화 특성이 우수하여, 높은 터널자기저항비를 가질 수 있고 낮은 스위칭 전류를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 2a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4의 제1 고정 자성 패턴의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고정층 내 금속 성분들의 확산이 방지됨을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 자기터널접합들의 터널자기저항비(TMR ratio)를 각각 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 자기터널접합들의 이방성자계(Hk)를 각각 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 14은 본 발명의 실시예들에 따른 CoFeBe를 함유하는 자유층의 터널자기저항비를 측정하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 단위 메모리 셀(UMC)은 서로 교차하는 제1 배선(L1) 및 제2 배선(L2) 사이에서 이들을 연결한다. 상기 단위 메모리 셀(UMC)은 선택 소자(SW) 및 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 선택 소자(SW) 및 상기 자기터널접합(MTJ)은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 배선들(L1, L2) 중의 하나는 워드라인으로 사용되고 다른 하나는 비트라인으로 사용될 수 있다.
상기 선택 소자(SW)는 상기 자기터널접합(MTJ)을 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 소자(SW)는 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과트랜지스터 및 피모스 전계효과트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 상기 선택 소자(SW)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(미도시)이 상기 선택 소자(SW)에 연결될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)은 제1 자성 구조체(MS1), 제2 자성 구조체(MS2) 및 이들 사이의 터널 배리어 패턴(TBR)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 각각은 자성 물질로 형성되는 적어도 하나의 자성층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 단위 메모리 셀(UMC)은 상기 제1 자성 구조체(MS1)와 상기 선택 소자(SW) 사이에 개재되는 제1 도전 구조체(130) 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)와 상기 제2 배선(L2) 사이에 개재되는 제2 도전 구조체(135)를 더 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a 내지 도 3b를 참조하면, 상기 제1 자성 구조체(MS1)의 자성층 및 제2 자성 구조체(MS2)의 자성층 중의 하나의 자화 방향은, 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된다. 이하에서, 이러한 고정된 자화 특성을 갖는 자성층은 고정 자성 패턴(PL)으로 정의된다. 상기 제1 자성 구조체(MS1)의 자성층 및 제2 자성 구조체(MS2)의 자성층 중 다른 하나의 자화 방향은 그것에 인가되는 프로그램 자계 또는 프로그램 전류에 의해 스위치될 수 있다. 이하에서, 이러한 가변적인 자화 특성을 갖는 자성층은 자유 자성 패턴(FL)으로 정의된다. 상기 자기터널접합(MTJ)는 상기 터널 배리어 패턴(TBR)에 의해 분리된 적어도 하나의 상기 자유 자성 패턴(FL) 및 적어도 하나의 상기 고정 자성 패턴(PL)을 구비할 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 패턴(FL) 및 상기 고정 자성 패턴(PL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 일 예로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 패턴(FL) 및 상기 고정 자성 패턴(PL)의 자화 방향들이 평행한 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 패턴(FL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)을 구성하는 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)은, 도 2a 내지 도 3b에 도시된 것처럼, 기판(100) 상에 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)은, 그것을 구성하는 자유 자성 패턴(FL)과 상기 기판(100) 사이의 상대적 배치, 자유 자성 패턴(FL)과 고정 자성 패턴(PL)의 형성 순서, 및/또는 자유 자성 패턴(FL)과 고정 자성 패턴(PL)의 자화 방향에 따라, 다양한 유형으로 구분될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)은 각각 상기 기판(100)의 상면에 실질적으로 수직한 자화 방향을 갖는 자성층들을 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 고정 자성 패턴(PL) 및 상기 자유 자성 패턴(FL)을 포함하도록 구성되는 제1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나, 도 2b에 도시된 것처럼, 상기 제1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 자유 자성 패턴(FL) 및 상기 고정 자성 패턴(PL)을 포함하도록 구성되는 제2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다.
다른 예로, 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)은 각각 상기 기판(100)의 상면에 평행한 자화 방향을 갖는 자성층들을 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 고정 자성 패턴(PL) 및 상기 자유 자성 패턴(FL)을 포함하도록 구성되는 제4 유형의 자기터널접합(MTJ4)이거나, 도 3b에 도시된 것처럼, 상기 제1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 자유 자성 패턴(FL) 및 상기 고정 자성 패턴(PL)을 포함하도록 구성되는 제5 유형의 자기터널접합(MTJ5)일 수 있다.
한편, 도 2c를 참조하면, 제1 내지 제3 자성 구조체들(MS1, MS2, MS3)을 포함하는 제3 유형의 자기터널접합(MTJ3)이 제공될 수 있다. 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)은 제1 터널 배리어 패턴(TBR1)에 의해 분리될 수 있고, 상기 제2 및 제3 자성 구조체들(MS2, MS3)은 제2 터널 배리어 패턴(TBR2)에 의해 분리될 수 있다. 여기서, 각각의 상기 제1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제3 자성 구조체(MS3)는 적어도 하나의 상기 고정 자성 패턴(PL)을 구비할 수 있으며, 상기 제2 자성 구조체(MS2)는 적어도 하나의 상기 자유 자성 패턴(FL)을 구비할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 및 제3 자성 구조체들(MS1, MS3)의 자화 방향들은 서로 반평행할 수 있다. 즉, 이중 상태에 있을 수 있다. 그러나, 다른 예로, 상기 제1 및 제3 자성 구조체들(MS1, MS3)의 자화 방향들은 서로 평행할 수 있다. 즉, 역이중 상태에 있을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다. 도 5a 내지 도 5b는 도 4의 제1 고정 자성 패턴의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 도 2b의 제2 유형의 자기터널접합 패턴(MTJ2)에 해당하는 자기터널접합 패턴(MTJ)이 제공될 수 있다. 기판(100) 상에 제1 유전막(110)이 배치될 수 있고, 하부 콘택 플러그(120)가 상기 제1 유전막(110)을 관통할 수 있다. 상기 하부 콘택 플러그(120)의 하부면은 선택 소자의 일 단자에 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 기판(100)은 반도체 특성을 갖는 물질들, 절연성 물질들, 절연성 물질에 의해 덮인 반도체 또는 도전체 중의 하나일 수 있다. 일 예로, 상기 기판(100)은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
상기 제1 유전막(110)은 산화물, 질화물, 및/또는 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 하부 콘택 플러그(120)는 도전 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도전 물질은, 도펀트로 도핑된 반도체(예를 들어, 도프트 실리콘, 도프트 게르마늄, 도프트 실리콘-게르마늄 등), 금속(예를 들어, 티타늄, 탄탈늄, 텅스텐 등) 및 도전성 금속질화물(예를 들어, 질화티타늄, 질화탄탈늄 등) 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제1 유전막(110) 상에 제1 도전 구조체(130), 비자성 금속 패턴(165), 제1 자성 구조체(MS1), 터널 배리어 패턴(TBR), 제2 자성 구조체(MS2), 캡핑 패턴(160) 및 제2 도전 구조체(135)가 차례로 적층될 수 있다. 상기 제1 도전 구조체(130)는 상기 하부 콘택 플러그(120)의 상부면에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 제1 자성 구조체(MS1), 상기 터널 배리어 패턴(TBR), 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)는 자기터널접합(magnetic tunnel junction, MTJ)을 구성할 수 있다. 상기 제1 도전 구조체(130), 상기 자기터널접합(MTJ), 및 상기 제2 도전 구조체(135)는 서로 정렬된 측벽들을 가질 수 있다. 도시되진 않았지만, 상기 제1 도전 구조체(130), 상기 자기터널접합(MTJ), 및 상기 제2 도전 구조체(135)의 측벽들은 경사진 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제1 자성 구조체(MS1)는, 상기 비자성 금속 패턴(165) 상의 제1 자유 자성 패턴(FL1)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 상기 비자성 금속 패턴(165)과 상기 터널 배리어 패턴(TBR) 사이에 배치될 수 있다.
상기 제2 자성 구조체(MS2)는, 터널 배리어 패턴(TBR) 상의 제1 고정 자성 패턴(PL1), 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1) 상의 제2 고정 자성 패턴(PL2), 및 상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2) 사이의 교환결합 패턴(140)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 상기 터널 배리어 패턴(TBR)과 상기 교환결합 패턴(140) 사이에 배치될 수 있고, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 상기 교환결합 패턴(140)과 상기 캡핑 패턴(160) 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2)은 상기 기판(100)의 상면에 실질적으로 수직한 자화 방향을 가질 수 있다. 마찬가지로, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 자화 방향도 상기 기판(100)이 상면에 실질적으로 수직할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 상기 기판(100)의 상면에 실질적으로 수직한 자화 용이축을 가질 수 있다. 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 자화 방향은 일 방향으로 고정될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)도 상기 기판(100)의 상면에 실질적으로 수직한 자화 용이축을 가질 수 있다. 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)의 자화 방향은 상기 교환결합 패턴(140)에 의해 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 자화 방향에 반평행하게 고정될 수 있다.
상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 자화 방향은 프로그램 동작에 의하여 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 고정된 자화 방향에 평행한 방향 또는 반평행한 방향으로 변환될 수 있다. 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 자화 방향은 스핀 토크 전송(spin torque transfer (STT)) 프로그램 동작에 의해 변화될 수 있다. 즉, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 자화 방향은 프로그램 전류 내 전자들의 스핀 토크를 이용하여 변화될 수 있다.
상기 제1 도전 구조체(130)는 선택 소자와 상기 자기터널접합(MTJ)을 전기적으로 연결하는 전극으로 기능할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 도전 구조체(130)는 차례로 적층된 제1 도전막(미도시) 및 제2 도전막(미도시)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전막은 Ta 또는 CoHf를 포함할 수 있고, 상기 제2 도전막은 Ru을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전 구조체(135)는 상기 캡핑 패턴(160)과 접촉할 수 있으며, 상기 자기터널접합(MTJ)과 배선(180)을 전기적으로 연결하는 전극으로 기능할 수 있다. 상기 제2 도전 구조체(135)는 귀금속막들, 자성 합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 일 예로, 상기 귀금속막은 Ru, Pt, Pd, Rh, 또는 Ir 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 자성 합금막은 Co, Fe, 또는 Ni 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속막은 Ta 또는 Ti 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 수직 자성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나로 이루어진 합금을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조일 수 있다. 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는, 일 예로, (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다.
상기 교환결합 패턴(140)은, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 자화 방향과 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)의 자화 방향을 서로 반평행하게 결합시킬 수 있다. 일 예로, 상기 교환결합 패턴(140)은 RKKY 상호작용(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interaction)에 의하여 상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2)을 서로 결합시킬 수 있다. 이로써, 상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2)의 자화 방향들에 의해 생성된 자장들이 서로 상쇄되어, 상기 제2 자성 구조체(MS2)의 순 자장(net magnetic field)이 최소화될 수 있다. 그 결과, 상기 제2 자성 구조체(MS2)에 의해 생성된 자장이 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)에 주는 영향력을 최소화할 수 있다. 상기 교환결합 패턴(140)은, 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 일 예로 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 제1 층(210)을 포함하는 단일층일 수 있다. 상기 제1 층(210)은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 층(210) 내의 베릴륨(Be)의 함량은 약 2 at% 내지 약 15 at%일 수 있다. 상기 제1 층(210)은 (CoxFe100 -x)100- zBez 합금을 포함할 수 있고, 여기서 상기 x는 1 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 x는 15 내지 35이며, 상기 z는 5 내지 15일 수 있다. 코발트의 함량이 철의 함량보다 더 낮을 경우, 상기 제1 층(210)은 상대적으로 높은 터널자기저항(TMR) 특성을 가질 수 있다. 앞서 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 베릴륨(Be)을 함유하지 않을 수 있기 때문에, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 베릴륨(Be)의 함량은 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)보다 더 높을 수 있다.
상기 제1 층(210)은 상기 터널 배리어 패턴(TBR) 상에 직접 형성됨으로써, 체심 입방 결정 구조(BCC)를 가질 수 있다. 나아가, 상기 제1 층(210)의 두께는 7Å 내지 13Å일 수 있으며, 이 경우 우수한 터널자기저항(TMR) 특성을 보일 수 있다.
상기 제1 층(210)은 보론(B)을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 층(210)은 코발트-철-베릴륨-보론(CoFeBeB) 합금을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 층(210) 내 상기 베릴륨의 함량은 약 2 at% 내지 약 15 at%일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 다른 예로 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 상기 제1 층(210) 및 상기 제1 층(210) 상의 제2 층(220)을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 상기 제2 층(220)은 비자성층일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 층(220)은 pt, pd 또는 Ta를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제2 층(220)은 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 층(220)은 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n, (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수) 또는 이들의 조합을 포함하는 적층 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실험예에 따르면, 순차적으로 적층된 자유층(CoFeB), 터널 배리어층(MgO), 고정층을 포함하는 자기터널접합을 준비하였다. 상기 고정층은 앞서 도 5b에 나타난 바와 같이 제1 층(210) 및 제2 층(220)을 갖는다. 이때, 상기 제1 층(210)은 (Co25Fe75)80B20를 포함하고, 상기 제2 층(220)은 Co/Pt 및 (Co/Pd)n을 포함하는 비교예를 준비하였다. 한편, 상기 제1 층(210)은 (Co25Fe75)95Be5를 포함하고, 상기 제2 층(220)은 Co/Pt 및 (Co/Pd)n을 포함하는 제1 실시예를 준비하였다. 상기 제1 층(210)은 (Co25Fe75)90Be10을 포함하고, 상기 제2 층(220)은 Co/Pt 및 (Co/Pd)n을 포함하는 제2 실시예를 준비하였다. 상기 제1 층(210)은 (Co40Fe60)90Be10를 포함하고, 상기 제2 층(220)은 Co/Pt 및 (Co/Pd)n을 포함하는 제3 실시예를 준비하였다.
상기 비교예 및 상기 제1 내지 제3 실시예들에 따른 자기터널접합들에 대해 각각 275℃에서 1시간동안 어닐링 공정을 진행하였다. 어닐링 공정 이후, 상기 자기터널접합들에 대해 HR-TEM 및 STEM 이미지 분석을 수행하여, 결정화도를 확인하였다. 또한, 이들의 터널자기저항비(TMR ratio)를 측정하였다. 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
고정층 TMR (%) 결정 구조
(Co25Fe75)80B20 73% Amorphous
(Co25Fe75)95Be5 103% (110) bcc
(Co25Fe75)90Be10 69% (110) bcc
(Co40Fe60)90Be10 73% (110) bcc
표 1을 참조하면, 상기 비교예의 상기 제1 층(210, CoFeB)은 275℃의 어닐링에서는 제대로 결정화가 되지 않음을 확인하였다. 반면, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들의 상기 제1 층(210, CoFeBe)은 275℃의 어닐링에서도 완전히 결정화가 됨을 확인하였다. 이는, 제1 내지 제3 실시예들의 상기 제1 층(210, CoFeBe)이 상기 터널 배리어층(MgO) 상에 증착될 때, 이미 상기 터널 배리어층(MgO)을 시드로 하여 체심 입방 결정 구조(BCC)로 증착되었기 때문이다. 결과적으로, 본 발명에 따른 상기 실시예들의 경우, CoFeBe를 이용해 상기 터널 배리어층(MgO) 상에 자성층을 형성할 경우, 우수한 결정성을 갖게 됨을 확인하였다. 한편, 일반적으로 상기 비교예의 CoFeB층을 완전히 결정화 시키기 위해서는, 어닐링 공정을 350℃ 내지 450℃의 고온에서 수행하여야 한다.
상기 비교예의 제1 층((Co25Fe75)80B20)의 터널자기저항비는 약 73%로 나타났다. 반면, 제1 실시예의 제1 층((Co25Fe75)95Be5), 제2 실시예의 제1 층((Co25Fe75)90Be10) 및 제3 실시예의 제1 층((Co40Fe60)90Be10)은 각각 약 103%, 69% 및 73%로 나타났다. 제1 층 내 베릴륨 함량이 약 2 at% 내지 약 15 at%인 본 발명의 실시예들은, 터널자기저항 특성이 비교예의 터널자기저항 특성과 적어도 유사하거나 더 우수할 수 있음을 확인하였다. 코발트의 함량이 철의 함량보다 더 낮은 경우, 예를 들어 (CoxFe100 -x)100- zBez에 있어서 x가 15내지 35의 범위에서는 터널자기저항비가 상대적으로 우수함을 확인하였다 (제1 실시예의 터널자기저항비는 약 103%).
나아가, 상기 비교예 및 상기 제1 내지 제3 실시예들에 따른 자기터널접합들에 대해 각각 어닐링 공정을 진행한 뒤 EELS(Electron energy loss spectroscopy) 분석을 진행하였다.
상기 비교예의 경우, 상기 제2 층(220) 내의 Pt와 같은 금속 성분이 어닐링에 의해 상기 터널 배리어층(MgO)과 상기 제1 층(210, CoFeB) 사이의 계면으로 확산됨을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 제1 층(210, CoFeB) 내의 Fe 성분이 어닐링에 의해 상기 터널 배리어층(MgO)과 상기 제2 층(220) 내로 확산됨을 확인할 수 있었다.
한편, 도 6은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들에 따른 고정층 내 금속 성분들의 확산이 방지됨을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 6을 참조하면, 상기 제1 내지 제3 실시예들의 경우, 상기 제2 층(220) 내의 Pt와 같은 금속 성분이 어닐링에 의해 상기 터널 배리어층(MgO)과 상기 제1 층(210, CoFeBe) 사이의 계면으로 거의 확산되지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 제1 층(210, CoFeBe) 내의 Fe 성분 역시 주변 막들로 거의 확산되지 않음을 확인할 수 있었다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 상기 제1 내지 제3 실시예들은 상기 제1 층(210, CoFeBe)의 결정성이 뛰어나 매우 안정적이므로, 확산 방지막의 역할을 수행할 수 있다.
상기 비교예 및 상기 제1 실시예에 따른 자기터널접합들에 대해 각각 어닐링 공정을 진행한 뒤, 이들의 두께를 변화시켜가며 터널자기저항비(TMR ratio)를 각각 측정하여 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 상기 제1 층(210, CoFeB)의 두께가 약 9Å인 비교예의 경우, 터널자기저항비가 70% 이하로 측정되었다. 반면, 제1 실시예의 경우 상기 제1 층(CoFeBe)의 두께가 약 7Å 내지 약 11Å의 범위에서, 70% 이상의 높은 터널자기저항비를 나타내었다. 즉, 본 발명에 따른 상기 제1 실시예는 다른 자성 물질들에 비해 우수한 터널자기저항(TMR) 특성을 보일 수 있음을 확인하였다.
도시되진 않았지만, 다른 예로, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2) 및 상기 교환결합 패턴(140)은 생략될 수 있다. 즉, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 일 면은 상기 터널 배리어 패턴(TBR)과 접하고, 상기 일 면과 대향하는 다른 면은 상기 캡핑 패턴(160)과 접할 수 있다.
상기 터널 배리어 패턴(TBR)은 유전 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 터널 배리어 패턴(TBR)은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(AlO), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 코발트-철-보론(CoFeB)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1) 내의 보론(B)의 함량은 약 10 at% 내지 약 20 at%일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 후술할 열처리 공정에 의해 결정화되어, 상기 자기터널접합(MTJ)의 터널자기저항(Tunneling Magnetic Resistance, TMR) 특성을 나타낼 수 있다. 일 예로, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 체심 입방 결정 구조(BCC)를 갖도록 결정화될 수 있다.
다른 예로, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함할 수 있다. 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)과 달리 상기 터널 배리어 패턴(TBR) 상에 직접 형성되지 않는다. 그러나, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)이 상기 비자성 금속 패턴(165) 상에서 직접 형성될 경우, 앞서 제1 고정 자성 패턴(PL1)과 유사하게 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 체심 입방 결정 구조(BCC)를 가질 수 있다. 이때, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1) 내의 베릴륨(Be)의 함량은 약 2 at% 내지 약 15 at%일 수 있다. 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 (CoxFe100 -x)100- zBez 합금을 포함할 수 있고, 여기서 상기 x는 1 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 x는 40 내지 60이며, 상기 z는 5 내지 15일 수 있다. 코발트의 함량과 철의 함량이 서로 유사할 경우, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 상기 비자성 금속 패턴(165) 상에 형성될 지라도 상대적으로 높은 수직 자성 이방성을 가질 수 있다.
상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 코발트와 철의 함량비는 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 상기 제1 층(210)의 코발트와 철의 함량비와 다를 수 있다. 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 상기 비자성 금속 패턴(165) 상에서 충분한 수직 자기 이방성을 확보하기 위하여, 코발트의 함량과 철의 함량이 서로 유사하도록 조절될 수 있다. 반면, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 상기 제1 층(210)은 터널자기저항비를 확보하기 위하여, 코발트의 함량이 철의 함량보다 더 낮게 조절될 수 있다. 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 베릴륨의 함량과 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 상기 제1 층(210)의 베릴륨의 함량은 서로 실질적으로 동일하거나 다를 수 있으며, 약 2 at% 내지 약 15 at% 범위에서 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 보론(B)을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은 코발트-철-베릴륨-보론(CoFeBeB) 합금을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1) 내 베릴륨의 함량은 약 2 at% 내지 약 15 at%일 수 있다.
상기 비자성 금속 패턴(165)은 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 형성을 위한 시드층일 수 있다. 상기 비자성 금속 패턴(165)은 비자성 금속 물질을 포함할 수 있다. 상기 비자성 금속 물질은, 일 예로, Hf, Zr, Ti, Ta, W, Mo, Cr, V, Ru 및 이들의 합금 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상기 비자성 금속 패턴(165)은 상기 비자성 금속 물질이 다층으로 적층된 다층 구조일 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 예에 따르면, 상기 비자성 금속 패턴(165)은 생략될 수도 있다.
상기 캡핑 패턴(160)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 캡핑 패턴(160)은, 일 예로, 탄탈륨 산화물(tantalum oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 하프늄 산화물(hafnium oxide), 및 아연 산화물(zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 캡핑 패턴(160)은, 상기 제2 자성 구조체(MS2)가 상기 기판(100)의 상부면에 수직한 자화를 갖는 것을 도울 수 있다. 상기 캡핑 패턴(160)의 저항은 상기 터널 배리어 패턴(TBR)의 저항의 약 1/3 이하의 값을 가질 수 있다.
제2 유전막(170)이 상기 기판(100)의 전면 상에 배치되어 상기 제1 도전 구조체(130), 상기 자기터널접합(MTJ), 및 상기 제2 도전 구조체(135)를 덮을 수 있다. 상부 콘택 플러그(125)가 상기 제2 유전막(170)을 관통하여 상기 제2 도전 구조체(135)에 접속될 수 있다. 상기 제2 유전막(170)은 산화물, 질화물 및/또는 산화질화물 등을 포함할 수 있으며, 상기 상부 콘택 플러그(125)는 금속(ex, 티타늄, 탄탈늄, 구리, 알루미늄 또는 텅스텐 등) 및 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 유전막(170) 상에 배선(180)이 배치될 수 있다. 상기 배선(180)은 상기 상부 콘택 플러그(125)에 접속될 수 있다. 상기 배선(180)은 금속(ex, 티타늄, 탄탈늄, 구리, 알루미늄 또는 텅스텐 등) 및 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 배선(180)은 비트 라인일 수 있다.
본 발명의 일 실험예에 따르면, 순차적으로 적층된 자유층, 터널 배리어층(MgO), 고정층(CoFeB)을 포함하는 자기터널접합을 준비하였다. 상기 자유층은 (Co25Fe75)80B20를 포함하는 제2 비교예를 준비하였다. 상기 자유층은 (Co40Fe60)95Be5를 포함하는 제4 실시예를 준비하였다. 상기 자유층은 (Co40Fe60)90Be10를 포함하는 제5 실시예를 준비하였다. 상기 자유층은 (Co40Fe60)85Be15를 포함하는 제6 실시예를 준비하였다. 상기 자유층은 (Co40Fe60)80Be20를 포함하는 제7 실시예를 준비하였다.
상기 제2 비교예 및 상기 제4 내지 제7 실시예들에 따른 자기터널접합들에 대해 각각 275℃에서 1시간동안 어닐링 공정을 진행하였다. 어닐링 공정 이후, 상기 자기터널접합들에 대해 이방성자계(hard axis anisotropy field, Hk) 값을 측정하였다. 이방성자계(Hk)는 수직 자성 이방성을 대변할 수 있다. 그 결과를 도 13에 나타내었다.
도 13을 참조하면, 제4 실시예((Co40Fe60)95Be5) 제5 실시예((Co40Fe60)90Be10) 및 제6 실시예((Co40Fe60)85Be15)는 제2 비교예((Co25Fe75)80B20)와 유사한 이방성자계(Hk) 값을 가짐을 확인하였다. 즉, 코발트의 함량과 철의 함량이 서로 유사한 범위, 예를 들어 (CoxFe100 -x)100- zBez에 있어서 x가 40내지 60의 범위에서는 수직 자성 이방성이 상대적으로 우수함을 확인하였다.
나아가, (Co25Fe25)95Be5 층, (Co40Fe60)95Be5 층, (Co40Fe60)90Be10 층, (Co40Fe60)85Be15 층, 및 (Co40Fe60)80Be20 층을 자성층(자유층 또는 고정층)으로 갖는 자기터널접합들을 준비하였다. (Co25Fe75)80B20 층을 자성층(자유층 또는 고정층)으로 갖는 자기터널접합을 준비하여 이를 기준(point of reference, POR)으로 삼았다. 이들에 대해 각각 포화자화(M), 이방성자계(Hk) 및 터널자기저항(TMR)을 측정하여 아래 표 2로 나타내었다. 표 2 내의 값들은 기준과의 상대적인 비교값으로 나타내었다.
M/MPOR Hk/HkPOR TMR/TMRPOR
자유층 고정층
(Co25Fe75)80B20
(POR)		 1 1 1 1
(Co25Fe25)95Be5 0.86 0.5 1 1.8
(Co40Fe60)95Be5 0.8 0.8 1 -
(Co40Fe60)90Be10 0.7 0.96 1.4 1.4
(Co40Fe60)85Be15 0.62 0.72 0.5 1.1
(Co40Fe60)80Be20 0.57 0.25 0.4 1
표 2를 참조하면, 앞서 표 1 및 제1 실시예에서 살펴본 바와 같이, (Co25Fe25)95Be5 층은 상대적으로 우수한 터널자기저항비를 가짐을 확인할 수 있다. 반면, (Co25Fe25)95Be5 층은 상대적으로 낮은 이방성자계(Hk)를 가짐을 확인할 수 있다. (Co40Fe60)90Be10 층은 상대적으로 우수한 터널자기저항비를 가지고, (Co25Fe75)80B20 층과 유사한 이방성자계(Hk) 값을 가짐을 확인할 수 있다. 즉 (CoxFe100-x)100-zBez 층에 있어서, x가 15 내지 35인 경우 상대적으로 높은 터널자기저항(TMR) 특성을 가질 수 있고, x가 40 내지 60인 경우 상대적으로 높은 수직 자성 이방성을 가질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 제1 유전막(110)이 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 하부 콘택 플러그(120)가 상기 제1 유전막(110)을 관통하도록 형성될 수 있다. 제1 예비 도전 구조체(130a)가 상기 제1 유전막(110) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 예비 도전 구조체(130a)는 상기 하부 콘택 플러그(120)의 상부면에 전기적으로 접속될 수 있다.
비자성 금속층(165a)이 상기 제1 예비 도전 구조체(130a) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 비자성 금속층(165a)은 PVD 공정의 일종인 스퍼터링(sputtering) 공정으로 증착될 수 있다.
제1 예비 자성 구조체(MS1a)가 상기 비자성 금속층(165a) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 예비 자성 구조체(MS1a)는 제1 자유 자성층(FL1a)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 자유 자성층(FL1a)은 상기 비자성 금속층(165a)을 시드층으로 하여 증착될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 자유 자성층(FL1a)은 상기 비자성 금속층(165a)과 동일한 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 자유 자성층(FL1a)은 앞서 도 4를 참고하여 설명한 제1 자유 자성 패턴(FL1)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 자유 자성층(FL1a)은 스퍼터링 공정으로 증착될 수 있다.
터널 배리어층(TBRa)이 상기 제1 자유 자성층(FL1a) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 터널 배리어층(TBRa)은 터널 배리어 물질을 타켓으로 사용하는 스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다. 상기 타켓은 정교하게 제어된 화학량론(stoichiometry)를 갖는 터널 배리어 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 배리어층(TBRa)은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(AlO) 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 터널 배리어층(TBRa)은 염화나트륨 결정 구조를 갖는 산화마그네슘(MgO)으로 형성될 수 있다.
제2 예비 자성 구조체(MS2a)가 상기 터널 배리어층(TBRa) 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 예비 자성 구조체(MS2a)는 제1 고정 자성층(PL1a), 교환결합층(140a) 및 제2 고정 자성층(PL2a)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 고정 자성층(PL1a)이 상기 터널 배리어층(TBRa) 상에 증착될 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(PL1a)은 상기 터널 배리어층(TBRa)을 시드로 사용하여 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 고정 자성층(PL1a)은 상기 터널 배리어층(TBRa)과 동일한 결정 구조(체심 입방 결정 구조(BCC))를 가질 수 있다. 특히, 앞서 본 발명의 실험예에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 고정 자성층(PL1a)의 CoFeBe층은 상기 터널 배리어층(TBRa) 상에 직접 형성됨으로써, 높은 결정성을 가질 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(PL1a)은 앞서 도 4를 참고하여 설명한 제1 고정 자성 패턴(PL1)과 같을 수 있다. 일 예로, 상기 제1 고정 자성층(PL1a)은 스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 고정 자성층(PL1a)의 CoFeBe층 증착을 위한 타겟 내의 베릴륨(Be) 함유량은 약 2 at% 내지 약 15 at%일 수 있다.
상기 교환결합층(140a)이 상기 제1 고정 자성층(PL1a) 상에 증착될 수 있다. 일 예로, 상기 교환결합층(140a)은 상기 제1 고정 자성층(PL1a)을 시드로 사용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 교환결합층(140a)은 조밀 육방 결정 구조를 갖는 루테늄으로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 교환결합층(140a)은 스퍼터링 공정으로 증착될 수 있다.
상기 제2 고정 자성층(PL2a)이 상기 교환결합층(140a) 상에 증착될 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(PL2a)은 스퍼터링 공정으로 증착될 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(PL2a)이 상기 CoPt 합금으로 형성되는 경우에, 상기 제2 고정 자성층(PL2a)은 아르곤(Ar) 가스를 사용하는 스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 고정 자성층(PL2a)의 포화자화를 감소시키기 위하여, 상기 상기 제2 고정 자성층(PL2a)은 보론으로 도핑된 CoPt합금으로 형성될 수 있다.
상기 제2 예비 자성 구조체(MS2a)를 형성한 후에, 열처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 열처리 공정에 의하여 상기 제1 및 제2 예비 자성 구조체들(MS1a, MS2a)은 완전히 결정화될 수 있다. 상기 열처리 공정은 200℃ 내지 400℃의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하기로, 상기 열처리 공정은 200℃ 내지 300℃의 온도에서 수행될 수 있다. 특히, 상기 제1 자유 자성층(FL1a) 및/또는 상기 제1 고정 자성층(PL1a)은 CoFeBe층을 포함할 수 있으므로, 상대적으로 낮은 온도의 열처리 공정 하에서도 높은 터널자기저항(TMR) 특성을 나타낼 수 있다.
캡핑층(160a) 및 제2 예비 도전 구조체(135a)가 상기 제2 고정 자성층(PL2a) 상에 순차적으로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 열처리 공정은 상기 제2 예비 도전 구조체(135a)를 형성한 후에 수행될 수 있다. 다른 예로, 상기 열처리 공정은 상기 제2 고정 자성층(PL2a) 형성 후 및 상기 캡핑층(160a)의 형성 전에 수행될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 열처리 공정은 상기 캡핑층(160a)의 형성 후 및 상기 제2 예비 도전 구조체(135a)의 형성 전에 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 캡핑층(160a)은 탄탈륨 산화물(tantalum oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 하프늄 산화물(hafnium oxide), 및 아연 산화물(zinc oxide) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 제2 예비 도전 구조체(135a)는 귀금속막들, 자성 합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 구체적으로 앞서 도 4를 참고하여 설명한 제2 도전 구조체(135)와 같을 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 제2 예비 도전 구조체(135a), 상기 캡핑층(160a), 상기 제2 고정 자성층(PL2a), 상기 교환결합층(140a), 상기 제1 고정 자성층(PL1a), 상기 터널 배리어층(TBRa), 상기 제1 자유 자성층(FL1a), 상기 비자성 금속층(165a), 및 상기 제1 예비 도전 구조체(130a)를 연속적으로 패터닝하여, 차례로 적층된 제1 도전 구조체(130), 비자성 금속 패턴(165), 제1 자유 자성 패턴(FL1), 터널 배리어 패턴(TBR), 제1 고정 자성 패턴(PL1), 교환결합 패턴(140), 제2 고정 자성 패턴(PL2), 캡핑 패턴(160), 및 제2 도전 구조체(135)가 형성될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 제1 도전 구조체(130), 자기터널접합(MTJ), 및 상기 제2 도전 구조체(135)를 덮는 제2 유전막(170)이 형성될 수 있다. 상기 제2 유전막(170)을 관통하여 상기 제2 도전 구조체(135)에 접속되는 상부 콘택 플러그(125)가 형성될 수 있다. 상기 제2 유전막(170) 상에 배선(180)이 형성될 수 있다. 상기 배선(180)은 상기 상부 콘택 플러그(125)에 접속될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 앞서 도 4를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 8을 참조하면, 제1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이 제공될 수 있다(도 2a 참조). 구체적으로, 제1 자성 구조체(MS1)는 제1 도전 구조체(130) 상의 제2 고정 자성 패턴(PL2), 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2) 상의 제1 고정 자성 패턴(PL1), 및 상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2) 사이의 교환결합 패턴(140)을 포함할 수 있다. 제2 자성 구조체(MS2)는 터널 배리어 패턴(TBR) 상의 제1 자유 자성 패턴(FL1)을 포함할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하여 설명한 일 실시예에 따른 자기 기억 소자와 달리, 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)이 상기 터널 배리어 패턴(TBR)과 캡핑 패턴(160) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2)이 상기 제1 도전 구조체(130) 및 상기 터널 배리어 패턴(TBR) 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은, 일 예로, CoFeB, CoFeBe, FeB, CoFeBTa, CoHf, Co, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 앞서 도 4를 참조하여 설명한 제1 고정 자성 패턴(PL1)과 유사하게 (CoxFe100 -x)100- zBez을 포함할 수 있다. 상기 x는 1 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다.
상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은, 앞서 도 4를 참조하여 설명한 제1 자유 자성 패턴(FL1)과 유사하게 (CoxFe100 -x)100- zBez 합금을 포함할 수 있다. 상기 x는 1 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다.
본 발명의 일 실험예에 따르면, 터널 배리어층(MgO) 상에 (Co25Fe75)95Be5 자유층을 포함하는 자기터널접합(제8 실시예)을 준비하였다. 터널 배리어층(MgO) 상에 (Co40Fe60)80Be20 자유층을 포함하는 자기터널접합(제9 실시예)을 준비하였다. 이의 터널자기저항비(TMR ratio)를 측정하여 도 14에 나타내었다.
도 14을 참조하면, 제8 실시예의 (Co25Fe75)95Be5층이 터널 배리어층(MgO) 상의 자유층에 사용되는 경우에도, 약 8Å 내지 약 11Å의 두께 범위에서 모두 60% 이상의 높은 터널자기저항비를 가짐을 확인하였다. 나아가, 수직 자성 이방성 특성 역시 높게 나타났다. 이로써, 본 발명에 따른 (Co25Fe75)95Be5층이 앞서 도 4와 같이 터널 배리어층(MgO) 상의 고정층에 사용되는 경우뿐만 아니라, 자유층에 사용될 경우에도 우수한 특성을 발휘할 수 있음을 확인하였다. 한편, 제9 실시예의 (Co40Fe60)80Be20층의 경우 20%보다 작은 낮은 TMR 특성을 보임을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 CoFeBe층은 베릴륨(Be)의 함량이 2 at% 에서 15 at%인 경우 가장 우수한 터널자기저항(TMR) 특성을 보이며, 15 at%가 넘어갈 경우 오히려 터널자기저항(TMR) 특성이 악화됨을 확인할 수 있었다. 이는, 베릴륨(Be)의 함량이 15 at%가 넘어갈 경우 오히려 상기 CoFeBe층의 결정성이 유지되지 못하고 비정질화 되기 때문이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 앞서 도 4를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 9를 참조하면, 제1 자성 구조체(MS1)는 제1 도전 구조체(130) 상의 제2 자유 자성 패턴(FL2), 상기 제2 자유 자성 패턴(FL2) 상의 제1 자유 자성 패턴(FL1), 및 상기 제1 및 제2 자유 자성 패턴들(FL1, FL2) 사이의 비자성 금속 패턴(165)을 포함할 수 있다.
상기 비자성 금속 패턴(165)은 비자성 금속 물질을 포함할 수 있다. 상기 비자성 금속 물질은, 일 예로, Hf, Zr, Ti, Ta, W, Mo, Cr, V, Ru 및 이들의 합금 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 비자성 금속 패턴(165)에 의해, 상기 제2 자유 자성 패턴(FL2)은 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)과 결합(couple)될 수 있고, 이에 따라, 상기 제2 자유 자성 패턴(FL2)은 상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)의 자화 방향에 평행한 수직 자화를 가질 수 있다. 상기 비자성 금속 패턴(165)은 약 10Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 도시되진 않았지만, 상기 비자성 금속 패턴(165)은 생략될 수 있다.
상기 제2 자유 자성 패턴(FL2)은, 일 예로, ⅰ) Fe, Co, Ni, 또는 이들의 합금, 및 ⅱ) 비자성 물질을 더 포함하는 Fe, Co, Ni, 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 비자성 물질은, 일 예로, Ta, Ti, Zr, Hf, B, W, Mo 및 Cr 중 적어도 하나일 수 있다. 일 예로, 상기 제2 자유 자성 패턴(FL2)은 상기 비자성 물질(예를 들어, 보론)을 포함하는 Fe, 또는 Co일 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 앞서 도 8을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 10을 참조하면, 제4 유형의 자기터널접합(MTJ4)이 제공될 수 있다(도 3a 참조). 즉, 앞서 설명한 자기 기억 소자들과는 달리, 본 예의 자기터널접합(MTJ)은 기판(100)의 상면에 평행한 자화 방향을 갖는 자성층들을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 자성 구조체(MS1)는 제1 도전 구조체(130) 상에 순차적으로 적층된 피닝 패턴(190), 제1 고정 자성 패턴(PL1), 교환결합 패턴(140), 및 제2 고정 자성 패턴(PL2)을 포함할 수 있다. 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 상기 피닝 패턴(190)과 상기 교환결합 패턴(140) 사이에 개재될 수 있고, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 상기 교환결합 패턴(140)과 터널 배리어 패턴(TBR) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 본 예에 따른 상기 제1 자성 구조체(MS1)는, 수평한 자화 방향을 갖는 제1 및 제2 고정 자성 패턴들(PL1, PL2)을 포함하는 다층의 자성 구조체일 수 있다.
상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)의 상기 자화방향은 상기 피닝 패턴(190)에 의하여 고정될(fixed) 수 있다. 상기 교환결합 패턴(140)은 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)의 상기 자화방향 및 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)의 상기 자화방향을 서로 반평행(anti-parallel)하게 결합시킬 수 있다.
상기 피닝 패턴(190)은 반강자성 물질(anti-ferromagnetic material)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 피닝 패턴(190)은 백금망간(PtMn), 이리듐망간(IrMn), 산화망간(MnO), 황화망간(MnS), 망간텔레륨(MnTe) 또는 불화망간(MnF) 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제2 고정 자성 패턴(PL2)은 CoFeB, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, 또는 CoFeNi 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 교환결합 패턴(140)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 로듐(Rh) 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 고정 자성 패턴(PL1)은 CoFeB, CoFeBe, CoFe, NiFe, CoFePt, CoFePd, CoFeCr, CoFeTb, 또는 CoFeNi 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 자성 구조체(MS2)는 상기 터널 배리어 패턴(TBR) 상의 제1 자유 자성 패턴(FL1)을 포함할 수 있다. 상기 제2 자성 구조체(MS2)는, 수평한 자화 방향을 갖는 적어도 하나의 자유 자성 패턴(FL1)을 포함할 수 있다.
상기 제1 자유 자성 패턴(FL1)은, 앞서 도 4를 참조하여 설명한 제1 자유 자성 패턴(FL1)과 유사하게 (CoxFe100 -x)100- zBez 합금을 포함할 수 있다. 상기 x는 1 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15일 수 있다.
한편, 도시되진 않았지만, 본 발명의 실시예들에 따르면 제4 유형의 자기터널접합(MTJ4)뿐만 아니라 제5 유형의 자기터널접합(MTJ5)도 제공될 수 있다. 이 경우, 앞서 도 4에서 설명한 것과 유사하게 상기 터널 배리어 패턴(TBR)을 중심으로 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 상하가 뒤바뀔 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 기억 소자를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 앞서 도 8을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 11을 참조하면, 제3 유형의 자기터널접합(MTJ3)이 제공될 수 있다(도 2c 참조). 즉, 앞서 설명한 자기 기억 소자들과는 달리, 본 예의 자기터널접합(MTJ)은 이중 자기 접합(Double MTJ)일 수 있다. 구체적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)은 제1 자성 구조체(MS1), 제2 자성 구조체(MS2), 제3 자성 구조체(MS2), 상기 제1 및 제2 자성 구조체들(MS1, MS2) 사이의 제1 터널 배리어 패턴(TBR1), 및 상기 제2 및 제3 자성 구조체들(MS2, MS3) 사이의 제2 터널 배리어 패턴(TBR2)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 자성 구조체(MS1), 상기 제1 터널 배리어 패턴(TBR1), 및 상기 제2 자성 구조체(MS2)는 앞서 도 8을 참조하여 설명한 제1 자성 구조체(MS1), 터널 배리어 패턴(TBR), 및 제2 자성 구조체(MS2)와 동일할 수 있다.
상기 제3 자성 구조체(MS3)는 상기 제2 터널 배리어 패턴(TBR2) 상의 제3 고정 자성 패턴(Pl3), 상기 제3 고정 자성 패턴(PL3) 상의 제4 고정 자성 패턴(PL4), 및 상기 제3 및 제4 고정 자성 패턴들(PL3, PL4) 사이의 제2 교환결합 패턴(145)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제3 자성 구조체(MS3)는 앞서 도 4를 참조하여 설명한 제2 자성 구조체(MS2)와 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 고정 자성 패턴(PL3)은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함할 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 자성 패턴, 제2 자성 패턴, 및 이들 사이의 제1 터널 배리어 패턴을 포함하는 자기터널접합을 포함하되,
    상기 제1 자성 패턴은 상기 제1 터널 배리어 패턴과 직접 접촉하고,
    상기 제1 자성 패턴은 (CoxFe100 -x)100- zBez을 포함하며,
    상기 x는 40 내지 60이며, 상기 z는 2 내지 15인 자기 기억 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 자성 패턴은 코발트-철-베릴륨(CoFeBe)을 포함하고,
    상기 제1 자성 패턴의 코발트와 철의 함량비는 상기 제2 자성 패턴의 코발트와 철의 함량비와 다른 자기 기억 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 자성 패턴은 (CoYFe100 -Y)100- KBeK을 포함하며,
    상기 Y는 15 내지 35이며, 상기 K는 2 내지 15인 자기 기억 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 자성 패턴은, CoFeBe를 함유하는 제1 층, 및 비자성 물질을 함유하는 제2 층을 포함하고,
    상기 비자성 물질은 pt, pd 또는 Ta를 포함하는 자기 기억 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 제1 터널 배리어 패턴과 직접 접촉하며,
    상기 제2 층은 상기 제1 층을 사이에 두고 상기 제1 터널 배리어 패턴과 이격된 자기 기억 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 제2 층으로부터 pt, pd 또는 Ta의 확산을 막는 자기 기억 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자성 패턴은, 보론(B)을 더 포함하며,
    상기 제1 자성 패턴의 베릴륨(Be)의 함량은 2 at% 내지 15 at%인 자기 기억 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자성 패턴 아래의 비자성 금속 패턴을 더 포함하되,
    상기 비자성 금속 패턴은 상기 제1 자성 패턴과 상기 제1 터널 배리어 패턴 사이에 개재되고,
    상기 비자성 금속 패턴은 Hf, Zr, Ti, Ta, W, Mo, Cr, V, Ru 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 자기 기억 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 자성 패턴을 사이에 두고 상기 제1 터널 배리어 패턴과 이격되는 캡핑 패턴을 더 포함하되,
    상기 캡핑 패턴은 금속 산화물을 포함하는 자기 기억 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자성 패턴은 스위치되는 자화 방향을 갖는 자유 자성 패턴이고,
    상기 제2 자성 패턴은 고정된 자화 방향을 갖는 고정 자성 패턴인 자기 기억 소자.
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