KR20070001912A

KR20070001912A - Ｍｒａｍ 기술의 ｍｔｊｓ에 사용하는 합성 반강자성체구조

Info

Publication number: KR20070001912A
Application number: KR1020067011933A
Authority: KR
Inventors: 스리니바스 브이. 피에탐바람; 레누 더블유. 데이브; 존 엠. 슬러터; 지준 선
Original assignee: 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2007-01-04
Also published as: EP1697996A2; JP2007515075A; US20050133840A1; CN1894801A; CN100495723C; US6946697B2; TWI370545B; JP4908227B2; WO2005067472A2; US20050247964A1; US7226796B2; TW200532914A; KR101122970B1; WO2005067472A3

Abstract

MRAMS(magnetoresistive random access memories)에서 유용한 MTJ(magnetic tunnel junction;10)는 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조인 프리층(free layer;14)을 갖는다. 이 SAF(14)는 결합층(28)에 의해 분리되는 2개의 강자성층(26, 30)으로 구성된다. 결합층(28)은 비자성적인 베이스 재료와, 또한 열 내구성, SAF(14)의 결합 강도의 제어, 및 MR(magnetoresistance ratio)을 향상시키는 다른 재료들을 갖는다. 베이스 재료로는 루테늄이 바람직하고, 다른 재료로는 탄탈이 바람직하다. 이들 이득을 더하기 위해, 탄탈과 강자성층들 중의 하나 사이의 경계면에 코발트-철이 첨가된다. 또한, 결합층(28)은 더 많은 층(38, 40)도 가질 수 있고, 사용되는 재료들은 달라질 수 있다. 또한, 결합층(28) 자체가 합금일 수 있다.

MRAMs, MTJ, SAF, MR, 강자성층, 결합층, 고정층, 터널 배리어, 베이스 재료

Description

ＭＲＡＭ 기술의 ＭＴＪＳ에 사용하는 합성 반강자성체 구조{SYNTHETIC ANTIFERROMAGNET STRUCTURES FOR USE IN MTJS IN MRAM TECHNOLOGY}

본 발명은 MTJs(magnetic tunnel junctions)에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 프리층(free layer)에 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조들을 사용하는 MTJs에 관한 것이다.

MRAMs(magnetoresistive random access memories)는 빠르고, 비휘발성이고, 고밀도인 것과 같은 다수의 이점들을 갖는 것으로서 공지되었다. 그러나, 제조가능한 방식으로 MRAMs을 만드는 데에 어려움이 있다. 제시된 어려운 문제들 중의 하나는 신뢰성 있게 MRAM 셀들을 기록하는 것에의 어려움이다. 이것은 이전에 사용된 것에 비해 프리층의 기록 방식 및 구조를 모두 변경하는 토글 비트(toggle bit)로 효과적으로 해결되었다. 통상적으로 이 특정한 해결책은 프리층을 위해 SAF 구조를 사용한다. 그 때, 프리층을 위한 SAF 구조를 사용하여 기록 문제를 해결하면 MRAM 비트 셀, 더 구체적으로는 MRAM 비트 셀의 MTJ 부분을 향상시키기 위해 요구되는 고려사항들이 변경되었다. MRAM에 대해 계속되는 바램들 중의 하나는, 2개의 논리 상태 사이의 저항 변화와 저 저항 상태의 변화의 비율인, MR(magnetoresistance) 비율을 향상시키는 것이다. 한 개의 프리층을 SAF 프리층 으로 교체하는 것은 MR을 감소시킬 수 있다. 센스 회로(sense circuitry)에 이용가능한 신호가 MR에 비례하므로, SAF 프리층을 갖는 MTJ의 MR을 증가시키는 향상은 센싱 속도를 향상시키는 결과를 가져올 것이다. 다른 쟁점은 프리층 SAF의 반강자성적 결합 강도를 제어하기 위한 능력이다. 이 결합은 기록을 위한 전류가 수용할 만한 범위 내에서 유지되도록 제어될 필요가 있다. 다른 쟁점은, 특히 열 내구성과 같은, 내구성이다. MTJ 재료들은 일부 반도체 공정에서 사용되는 재료들보다 증가된 온도에 더 민감성을 갖는 경향이 있다. 더 구체적으로, SAF 재료들은 반강자성적 결합 강도의 열화를 초래하는 증가된 온도에서 실패 양상을 보인다.

그러므로, 열 내구성, MR 비율, 및 기록 전류의 제어 중의 한 개 이상을 향상시키기 위해 MRAM을 계속 개발할 필요성이 있다.

본 발명은 예를 통해 설명되고, 유사 참조부호들이 유사한 소자들을 지시하는 동반된 도면들에 의해 제한되지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MRAM에서 사용하기 위한 MTJ(magnetic tunnel junction)의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 MTJ의 일부의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 부분의 다른 실시예에 따른 도 1의 MTJ의 일부의 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 부분의 다른 실시예에 따른 도 1의 MTJ의 일부의 단면도이다.

당업자라면 도면들의 소자들이 단순성과 명료성을 위해 도시되었고 스케일링하기 위해 그려지지는 않았슴을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면의 소자들의 일부의 크기는 본 발명의 실시예들에 대한 이해를 돕기 위해 다른 소자들과 비교하여 과장되었을 것이다.

일 양태에서, MRAMs에서 유용한, MTJ(magnetic tunnel junction)는 합성 반강자성체(SAF) 구조인 프리층을 갖는다. 이 SAF는 결합층에 의해 분리되는 2개의 강자성층으로 구성된다. 결합층은 비자성인 베이스 재료와, 또한, 열 내구성, SAF의 결합 강도의 제어, 및 MR을 향상시키는 다른 재료들을 갖는다. 양호한 베이스 재료는 루테늄이고, 양호한 다른 재료들은 탄탈과 코발트-철 합금이다. 이것은 도면들과 다음 설명을 참조하여 더 잘 이해된다.

도 1에는, 상부 전극(12), 상부 전극(12) 바로 아래의 프리 SAF(14), SAF(14) 바로 아래의 터널 배리어(16), 터널 배리어(16) 바로 아래에 고정(fixed) SAF(18), 고정 SAF(18) 바로 아래의 피닝층(pinning layer)(20), 피닝층(20)의 바로 아래의 시드층(seed layer)(22), 및 시드층(22) 바로 아래 베이스 전극(24)을 포함하는 MTJ(10)가 도시된다. 프리 SAF(14)는 상부 전극(12) 바로 아래의 강자성층(26), 강자성층(26) 바로 아래의 결합층(28), 및 결합층(28) 바로 아래의 강자성층(30)을 포함한다. 고정 SAF(18)는 터널 배리어(16) 바로 아래의 강자성층(32), 강자성층(32) 바로 아래의 결합층(34), 및 결합층(34) 바로 아래의 강자성층(36)을 포함한다. 강자성층(32, 36)은 코발트와 철을 포함하는 함금으로 구성되는 것이 바람직하다. 결합층(28)이, 바람직하게는, 루테늄과 탄탈과 같은 재료들의 조합을 포함하며, 강자성층(30)이 결합층(28)과의 경계면에 코발트와 철을 포함하는 것을 제외하면, MTJ(10)는 당업자에게 공지된 것이다. 고정층(32)의 자기 모멘트 벡터가 프리층을 스위치하기 위해 사용되는 인가된 필드에서 실질적으로 이동하지 않도록, 한 개의 핀드(pinned) 강자성층과 같은, 터널 배리어(16)와 접촉하는 자기적인 고정층(32)을 제공하는 다른 구조들에 의해 고정 SAF(18)가 교체될 수 있슴은 당업자들에게 공지된 것이다.

도 2에는, 강자성층(26, 30), 삽입층(41), 그리고 강자성층(26) 바로 아래의 베이스층(38)과 베이스층(38) 바로 아래의 삽입층(40)으로 구성되는 결합층(28)을 포함하는 SAF(14)가 도시된다. 삽입층(41)은 강자성층(30)과 삽입층(40) 사이에 있다. 철과 코발트의 강자성 재료들을 갖는 삽입층(41)은 강자성층(30)의 일부로서 자기적으로 기능한다. 삽입층(41)은 코발트 철 합금이 바람직하지만, 그 대신에 코발트 또는 철과 같은, 다른 재료들일 수도 있다. 베이스층(38)은 루테늄을 포함하는 것이 바람직하지만, 또한 로듐, 이리듐, 및 오스뮴과 같은 다른 베이스 재료를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 베이스 재료는, 그 자체가 SAF의 2개의 강자성 재료 사이에 필요한 반강자성 결합을 제공하기에 충분할 수 있는 재료를 의미한다. 삽입층(40)은 탄탈이 바람직하고, SAF(14)의 특성들을 향상시키기 위해 삽입된다. 삽입층(41)은 코발트-철이 바람직하고, 또한 SAF(14)의 특성들을 향상시키기 위해 삽입된다. 강자성층(26, 30)은 16 내지 20 원자 퍼센트 철을 함유한 니켈-철 합금이 바람직하고, 약 18 원자 퍼센트 철이 더욱 바람직하다.

삽입층(41)은 코바트-철 타겟을 사용하는 이온 빔 증착(ion beam deposition)에 의해 증착되는 것이 바람직하지만, 다른 공정이 사용될 수도 있다. 다른 일례로는 전자관 스퍼터링(magnetron sputtering)이 있다. 이 삽입층(41)은 강자성층(30)에 직접 증착되는 것이 바람직하다. 그 때, 삽입층(40)은 탄탈 타겟을 사용한 이온 빔 증착에 의해 삽입층(41)에 직접 증착되지만, 또한 전자관 스퍼터링과 같은, 다른 공정이 사용될 수도 있다. 오차는 가능한 작게 유지되지만, 결합층(28)의 두께 범위는 6 내지 10 옹스트롬(angstroms)일 수 있다. 베이스층(38)은 6.0 내지 6.5 옹스트롬이 바람직하고, 삽입층(40)은 2.5 옹스트롬의 두께에 증착되는 것이 바람직하다. 삽입층(41)은 가능한 작게 유지되는 2.5 옹스트롬의 두께에 바람직하게 증착되지만, 그 범위는 1.5 내지 5 옹스트롬일 수 있다. 이들 크기는 7 내지 8 옹스트롬 근방에 중심이 있는 결합 피크(peak)를 갖는 베이스 재료로서 루테늄을 사용하는 것에 기초한다. 이들 크기에 크게 영향을 미치는 다른 피크가 사용될 수 있다. 삽입층(40, 41)이 하위-원자(sub-atomic) 두께로 증착되면, 삽입층(40, 41)은 한 개의 합금층으로 보여질 것이다. 그러므로, MTJ(10)와 같은 완성된 MTJ에서 층(40, 41)을 실제로 구분하는 것은 어려울 것이다.

베이스층(38)은 반강자성 정렬을 이루기 위해 강자성층(26, 30) 사이의 충분한 결합을 제공하고, 삽입층(40, 41)의 추가는 결과적 SAF(14)의 특정한 특성들을 향상시킨다. 예를 들어, 일 개선점은 열 내구성이다. 루테늄 단독으로 사용되는 것보다 SAF(14)의 실패가 발생하는 온도가 더 높다. 다른 개선점은 강자성층(26, 30) 사이에 결합 강도의 제어이다. 베이스층(38)의 두께는 공정 변경에 따라 변경 되기 쉽다. 결합 강도는 이 두께에 따라 변경된다. 삽입층(40, 41)이 추가됨과 함께, 결합 강도의 변경 비율은 베이스층 두께의 변경들에 따라 덜 변경되어, 결과적으로 결합 강도의 증가된 제어를 가져온다. 또 다른 개선점은 MTJ(10)의 MR 비율에서의 개선이다. 예를 들어, 삽입층(40, 41)의 추가 전의 MR비율이 약 30 퍼센트이면, 삽입층(40, 41)의 삽입 때문에 3 퍼센트 포인트만큼 증가하는 것으로서 관찰되고, 이것은 약 10 퍼센트의 개선이다. 추가되는 층(40, 41) 중의 하나만 추가되는 것이 이득이 되는 상황들이 있을 것이다.

도 3에는 도 1의 SAF(14)를 교체한 다른 SAF(42)가 도시된다. SAF(42)는 상부 전극(12) 바로 아래에 강자성층(46), 강자성층(46) 바로 아래에 결합층(48), 결합층(48) 바로 아래에 강자성층(50)을 포함한다. 이 경우, 결합층(48)은 베이스 재료 그리고, 열 내구성과 결합 강도의 제어를 개선하는 다른 재료의 합금이다. 베이스 재료의 예들로는 루테늄, 로듐, 이리듐, 및 오스뮴이 있다. 합금을 형성하기 위해 첨가된 첨가 재료들은 붕소, 알루미늄, 탄소, 탄탈, 니오브, 몰리브덴, 지르코늄, 및 하프늄으로부터 선택된다. 루테늄 단독으로 이루어지고 동일한 결합 강도를 갖는 SAF와 비교하여, 루테늄과 붕소의 조합이 고온 어닐링(annealing) 하에서 더 나은 내구성을 나타내므로 바람직한 조합이다. 결합층(48)은 6 내지 10 옹스트롬의 범위에 있는 것이 바람직하다. 부연하면, 이들 크기는 7 내지 8 옹스트롬 근방에 중심이 있는 결합 피크를 갖는 베이스 재료로서 루테늄의 사용에 기초된다. 이들 크기에 크게 영향을 미칠 다른 피크가 사용될 수 있다.

도 4에는, 도 1의 SAF(14)를 교체한 다른 SAF(60)가 도시된다. SAF(60)는 상부 전극(12) 바로 아래의 강자성층(64), 강자성층(64) 바로 아래에 결합층(62), 및 결합층(62) 바로 아래에 강자성층(66)을 포함한다. 이 경우, 결합층(62)은 강자성층(66) 위의 층(78), 층(78) 위의 층(76), 층(76) 위의 층(74), 층(74) 위의 층(72), 층(72) 위의 층(70), 및 층(70) 위의 층(68)을 포함하는 복수층으로 구성된다. 이 복수층 구성은 베이스 재료와 첨가된 재료들을 교대로 하여 SAF(60)의 특성을 향상시키고, 그러므로 MTJ의 특성도 향상시킨다. 이들 층에서, 층(68, 72, 76)은 베이스 재료이고, 층(70, 74, 78)은 첨가된 재료들이다. 이것은 6층의 예이지만, 더 많거나 더 적을 수도 있다. 첨가된 재료들은 니켈-철, 코발트-철, 탄탈, 및 알루미늄 중의 하나일 수 있다. 이들은 결합 강도 제어의 이득을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 결합층(62)의 총 두께는 6 내지 10 옹스트롬의 범위에 있어야 한다. 이 6층의 예에서, 층(68 내지 78)의 각각은 결합층(62)에 대한 원하는 두께를 얻기 위해 1 내지 1.7 옹스트롬의 범위에 있어야 한다. 이들 작은 크기에서, 개별 층들을 구별하는 것은 어려울 것이다. 이 복수층 접근법은 결합 강도의 선택에서 더 많은 제어를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 재료들로는, 베이스 재료로서 루테늄과 첨가된 재료로서 탄탈이 바람직하다.

전술된 명세서에서, 본 발명은 특정한 실시예들을 참조하여 기재되었다. 그러나, 당업자라면, 아래 청구범위에 기재된 것처럼 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정과 변경이 만들어질 수 있슴을 이해할 것이다. 따라서, 명세서와 도면들은 제한적 관점에서보다는 설명적 관점에서 고려되어야 하고, 모든 그런 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되려고 의도된다.

특정한 실시예들에 대하여 이득들, 다른 이점들, 및 문제점들의 해결책이 상술되었다. 그러나, 임의의 이득, 이점, 또는 해결책이 발생하거나 또는 더 표명되도록 하는 이득, 이점, 문제의 해결책, 및 임의의 소자(들)은 임의의 또는 모든 청구항들의 중요하거나, 요구되거나, 또는 기본 특징이나 소자로서 해석되어서는 안된다. 소자들의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 제품, 또는 장치가 단지 이들 소자들만을 포함하는 것이 아니라 그런 프로세스, 방법, 제품, 또는 장치에 명백히 리스트되거나 고유하지 않은 다른 소자들을 포함할 수 있도록, 본 명세서에 사용되는 것처럼, "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", 또는 그것들의 임의의 다른 변형은 비배타적 포함관계를 망라하려고 의도된다.

Claims

MTJ(magnetic tunnel junction)로서,

제1 전극과 제2 전극;

상기 제1과 제2 전극들 사이의 터널 배리어;

상기 제1 전극과 상기 터널 배리어 사이에 프리(free) SAF(synthetic antiferromagnet); 및

상기 터널 배리어와 상기 제2 전극 사이의 고정층(fixed layer)을 포함하고, 상기 프리 SAF는,

강자성(ferromagnetic)인 제1 층과 제2 층;

상기 제1과 제2 층들 사이에서 베이스 재료(base material)를 포함하는 제3 층; 및

상기 제3 층과 상기 제2 층 사이에서 탄탈을 포함하는 제4 층

을 포함하는 MTJ.
제1항에 있어서, 상기 제4와 상기 제2 층 사이에 제5 층을 더 포함하고, 상기 제5 층은 상기 제2 층을 형성하기 위해 사용되는 것과는 상이한 강자성 재료를 포함하는 MTJ.
제2항에 있어서, 상기 제5 층은 코발트 및 철 중의 적어도 하나를 포함하는 MTJ.
제3항에 있어서, 상기 제4 층과 상기 제5 층은 실질적으로 합병되는 MTJ.
제1항에 있어서, 상기 베이스 재료는 루테늄을 포함하는 MTJ.
MTJ로서,

제1 전극과 제2 전극;

상기 제1과 제2 전극들 사이의 터널 배리어;

상기 제1 전극과 상기 터널 배리어 사이에 프리 SAF;

상기 터널 배리어와 상기 제2 전극 사이의 고정층을 포함하고, 상기 프리 SAF는,

강자성인 제1 층과 제2 층; 및

상기 제1과 제2 층들 사이의 제3 층 -상기 제3 층은 제1 재료와 제2 재료를 포함하고, 상기 제1 재료는 루테늄, 로듐, 이리듐, 및 오스뮴 중의 하나이고, 상기 제2 재료는 붕소, 알루미늄, 탄소, 탄탈, 니오브, 몰리브덴, 지르코늄, 및 하프늄 중의 하나임-

을 포함하는 MTJ.
제6항에 있어서, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료는 합금을 형성하는 MTJ.
제7항에 있어서, 상기 제1 재료는 루테늄을 포함하고, 상기 제2 재료는 탄탈과 붕소 중의 하나를 포함하는 MTJ.
제8항에 있어서, 상기 제2 재료는 붕소인 MTJ.
제6항에 있어서, 상기 제3 층은 상기 제1 재료의 제4 층과 상기 제2 재료의 제5 층을 포함하는 MTJ.
제10항에 있어서, 상기 제4 층은 루테늄을 포함하고, 상기 제5 층은 탄탈을 포함하는 MTJ.
제11항에 있어서, 상기 제5 층은 코발트와 철 중의 적어도 하나를 더 포함하는 MTJ.
제11항에 있어서, 상기 제4 층은 상기 제5 층과 상기 제1 층 사이에 있고, 상기 제5 층과 상기 제2 층 사이에 상기 제1 재료의 제6 층을 더 포함하는 MTJ.
제13항에 있어서, 상기 제6 층과 상기 제2 층 사이에 상기 제2 재료의 제7 층을 더 포함하는 MTJ.
MTJ로서,

제1 전극과 제2 전극;

상기 제1과 제2 전극들 사이의 터널 배리어;

상기 제1 전극과 상기 터널 배리어 사이의 프리 SAF;

상기 터널 배리어와 상기 제2 전극 사이의 고정층을 포함하고, 상기 프리 SAF는,

강자성인 제1 층과 제2 층;

상기 제1과 제2 층들 사이에서 베이스 재료인 제1 재료의 제3 층 ;

상기 제3 층과 상기 제2 층 사이에 제2 재료의 제4 층 -상기 제2 재료는 니켈-철, 코발트-철, 탄탈, 및 알루미늄으로부터 선택됨-; 및

상기 제4 층과 상기 제2 층 사이의 상기 제1 재료의 제5 층

을 포함하는 MTJ.
제15항에 있어서,

상기 제5 층과 상기 제2 층 사이에 상기 제2 재료의 제6 층; 및

상기 제6 층과 상기 제2 층 사이에 상기 제1 재료의 제7 층

을 더 포함하는 MTJ.
제15항에 있어서, 상기 제2 재료는 니켈과 철 중의 적어도 하나를 포함하는 MTJ.
제15항에 있어서, 상기 제2 재료는 코발트와 철 중의 적어도 하나를 포함하는 MTJ.
제15항에 있어서, 상기 제1 층은 니켈-철 합금을 포함하는 MTJ.
제19항에 있어서, 상기 니켈-철 합금은 약 16 내지 20 원자 퍼센트 철인 MTJ.
제20항에 있어서, 상기 제2 강자성층은 약 18 원자 퍼센트 철인 니켈 철을 포함하는 MTJ.
제1 전극과 제2 전극, 상기 제1과 제2 전극들 사이의 터널 배리어, 상기 제1 전극과 상기 터널 배리어 사이의 프리 SAF, 및 상기 터널 배리어와 상기 제2 전극 사이의 고정층을 포함하는 MTJ에서, 상기 프리 SAF를 형성하는 방법은,

상기 터널 배리어 위에 제1 강자성층을 형성하는 단계;

상기 제1 강자성층 위에 탄탈을 증착(deposit)하는 단계;

상기 탄탈 위에 베이스 재료를 증착하는 단계; 및

상기 베이스 재료 위에 제2 강자성층을 형성하는 단계

를 포함하는 프리 SAF를 형성하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 제1 강자성층 위에 상기 탄탈을 증착하는 단계 전에 상기 제1 강자성층 위에 제3 강자성층을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 강자성층은 코발트와 철 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 베이스 재료는 로듐과 루테늄 중의 하나를 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 제1 강자성층은 니켈-철 합금을 포함하는 방법.
제25항에 있어서, 상기 니켈-철 합금은 약 16 내지 20 원자 퍼센트 철을 포함하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 니켈-철 합금은 약 18 원자 퍼센트 철인 방법.
MTJ로서,

제1 전극과 제2 전극;

상기 제1과 제2 전극들 사이의 터널 배리어;

상기 제1 전극과 상기 터널 배리어 사이의 프리 SAF;

상기 터널 배리어와 상기 제2 전극 사이의 고정층을 포함하고, 상기 프리 SAF는,

강자성인 제1 층과 제2 층;

상기 제1과 제2 층들 사이에서 베이스 재료를 포함하는 제3 층;

상기 제3 층과 상기 제2 층 사이에 전도성의 제4 층; 및

상기 제4 층과 상기 제2 층 사이에서 코발트와 철 중의 적어도 하나를 포함하는 제5 층

을 포함하는 MTJ.