KR20070048657A - 스핀 민감성을 갖는 묽은 반도체를 포함하는 터널 접합배리어층 - Google Patents

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KR20070048657A
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Abstract

본 발명은 터널링 배리어층을 갖는 자기 터널 접합부를 제공하며, 여기서, 터널링 배리어층은 스핀 민감성을 갖는 반자성 반도체를 포함한다. 본 발명에 따른 자기 터널 접합부는 반자성 반도체에 결합되는 하부 전극에 결합된 하부 리드을 포함할 수 있고, 상기 반자성 반도체는 상부 리드에 결합된 상부 전극에 결합되며, 여기서 상기 하부 전극은 비자성이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 자기 터널 접합부를 활용하는 다양한 컴포넌트들 및 컴퓨터를 더 제공한다.

Description

스핀 민감성을 갖는 묽은 반도체를 포함하는 터널 접합 배리어층{TUNNEL JUNCTION BARRIER LAYER COMPRISING A DILUTED SEMICONDUCTOR WITH SPIN SENSITIVITY}
본 발명은 스핀-민감성 전자 및 광학 애프리케이션들을 위한 자기 터널 접합(MTJ: magnetic tunnel junction) 소자들에 관한 것이다. 이러한 애플리케이션들은 비-휘발성 자기 메모리(MRAM: magnetic random access memory)들, 자기 디스크 드라이브용 자기 저항 읽기 헤드들, 스핀-밸브/자기-터널 트랜지스터들, 초고속 광학 스위치들 및 분극 변조 출력을 갖는 발광 이미터들을 포함한다. 본 발명이 서브-시스템으로서 통합될 수 있는 다른 애플리케이션들은 다양한 논리 함수 및 양자 컴퓨터들을 갖는 논리 소자들이다. 특히, 본 발명은 MTJ들의 특성 및 성능을 개선하기 위하여 스핀-필터 기능을 갖는 터널 배리어를 사용한다.
자기 터널 접합(MTS)들은 전기 전도성을 변조시키기 위하여 자기 저항 효과를 활용하는 소자들이다. MTJ 소자는 전하 캐리어들의 양자-역학적 터널링이 전극들(도 1(a)) 사이에 발생하도록 충분히 얇게 만들어진 절연 배리어층에 의하여 분리된 두 개의 강자성 전극들을 포함한다. 상기 전극들 내에서, 전하 캐리어들은 자기 특성들로 인하여 스핀-분극된다. 상기 스핀들의 대부분은 전극들 각각의 자 화 방향으로 각각 정렬한다. 터널링 프로세스는 스핀과 관계되기 때문에, 터널 전류의 크기는 상기 두 개의 전극들 사이의 자화의 상대적인 배향과 관련된다. 자기장들에 상이한 응답을 갖는 전극들을 사용함으로써, 자화의 상대적인 배향은 적당한 강도의 외부 자기장에 의하여 제어될 수 있다. 일반적으로, 터널 전류는 전극들의 병렬적인 배열에 대하여 정점에 달하는데 반하여, 비-병렬적 배열에 대해서는 최소값에 이른다. MTJ는 특히 MRAM과 같은 비휘발성 메모리 어레이(array)에서 메모리 셀(memory cell)로서, 예를 들어, 디스크 드라이브의 자기 기록(magnetic recording)을 위한 자기 저항 읽기 헤드들에서 자기장 센서로서 사용된다.
신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)는 MTJ 소자 애플리케이션들의 성능에 있어 중요한 요인이다. 신호 크기는 첫째로 상기 소자에 의해 나타나는 자기 저항(MR)비(ΔR/R)에 의해 결정되고, 여기서 ΔR은 두 개의 자기적 구성들 간의 저항차이다. 상기 신호를 전압 출력으로서 정의한다면, 상기 신호의 크기는 Ib×ΔR로 주어지고, 여기서 Ib는 상기 소자를 관통하는 일정한 바이어스 터널링 전류이다. 잡음을 고려하여, 상기 잡음 수준은 증가된 소자 저항(R)과 함께 증가한다. 그 결과, MTJ 소자들의 최적화된 성능을 달성하기 위하여, 작은 소자 저항과 함께 큰 MR비가 필수적이다. 하기에서는 전자(former)의 양(quantity)이 강자성 전극들의 스핀-분극에 어떻게 관련되는지와 후자(latter)의 양이 절연 배리어의 특성과 어떻게 관련되는지를 설명할 것이다.
높은 MR비는 고도로 스핀-분극된 전극층들을 필요로 한다. MR과 상기 전극들의 스핀-분극(P) 사이의 관계는 자주 사용되는 하기의 근사식[1]에 의해 설명될 수 있다.
ΔR/R=2P1P2/(1-P1P2) (1)
여기서 P1 및 P2는 각각 MTJ 소자에서 상부 및 하부 전극의 스핀 분극이다. 강자성 전이 금속들 Fe, Co 및 Ni 및 이들의 합금들은 종래의 MTJ에서 스핀-분극된 전극층들로 사용되는 일반적인 재료들을 대표한다. 이러한 재료들로 달성 가능한 최대 스핀-분극화는 약 50%이다[2]. 따라서, 스핀-분극(P=50%)을 갖는 두 개의 전극에 대하여, 최대로 획득 가능한 MR은 식(1)에 따라 67%이다. 이것은 종래의 MTJ 소자들에서 MR에 대한 근본적인 제한으로 간주될 수 있으며, 지금까지 보고된 것과 분별있게 잘 비교할 수 있다. 전술한 전극 재료들을 사용한 실온에서의 MTJ에 대하여 달성되는 일반적인 MR 값들은 20~40%이고, 비록 드물기는 하나, 최상으로는 60%까지 달한다. 높은 MR 효과에 대하여 끊임없이 발생하는 요구 때문에, 이러한 제한을 뛰어넘기 위한 많은 노력들이 행해지고 있다. 예를 들어, 100%에 가깝게 예측되는 스핀-분극을 갖는 이른바 반-금속 강자성 자석과 같은 대안적인 전극 재료들이 시도되고 있으나, 실제 반 금속들은 실질적으로 [4]를 실현하기가 극도로 어렵다는 것이 입증되었다.
전기 리드(lead)들의 강자성 전극 및 저항은 저항에 거의 기여하지 않기 때문에, MTJ 소자의 저항은 주로 절연 터널 배리어의 저항에 의하여 결정된다. 따라서, 배리어층 저항은 또한 MTJ 소자에서 잡음의 주요 원인이다. 또한, 전류가 층 평면에 수직하게 통과하기 때문에, 상기 저항은 소자의 측방 영역에 반비례하게 설 정된다. 이는 MRAM 어레이들과 같은 고 밀도 애플리케이션들에 있어서, 신호 대 잡음비가 MTJ 셀들의 영역들이 감소되어 악화됨에 따라 중요시되고 있다. MTJ 저항은 저항(R)과 면적 A(RA)의 곱으로서 기재되는 것이 일반적이다. 절연 배리어를 위한 RA 곱은 다음과 같이 간단한 방식으로 표현될 수 있다.
RA ∝
Figure 112006096518177-PCT00001
(2)
여기서, d는 배리어의 두께이고, φ는 터널 배리어 높이이다(도 1(b)). 명쾌한 해석을 위하여, 상수
Figure 112006096518177-PCT00002
는 상기 지수항으로부터 제거된다. 따라서, 저항은 d 및 φ와 함께, 그리고 MTJ 저항을 감소시키기 위하여, 배리어 두께 및/또는 배리어 높이는 보다 작아야 한다. MRAM 애플리케이션에 있어서, 소자의 두 개의 신호 상태가 검출될 필요가 있으며, 500-1000 Ω㎛2의 RA 값들은 받아들일 수 있는 신호 대 잡음비를 산출한다. 이에 반하여, 자기 저항적 읽기 헤드 애플리케이션들에 있어서, 신호 상태의 연속적인 범위는 검출가능해야만 하고, 오늘날의 금속성 거대 자기 저항 헤드들과 경쟁적인 수 있도록 10 Ω㎛2 이하 정도의 RA 값들이 요구된다. 종래 기술 분야에서, MTJ들의 절연 배리어층은 알루미나(Al2O3)로 구성된다. 알루미나는 고도의 층 연속성이 유지하여 매우 얇게 만들어질 수 있는 안정된 산화물 절연체이다. RA 범위를 만족시키기 위하여, 알루미나 배리어 두께는 MRAM에 대해 약 1nm 및 읽기 헤드들에 대해 0.6-0.7 nm로 극도로 얇게 만들어질 필요가 있는 것으로 드러났다. 이러한 두께의 조건하에서, 이러한 매우 낮은 RA 값 들을 획득하기 위해 필요한 극도로 얇은 터널 배리어층에서의 초소형 핀 홀들 및/또는 양자 포인트 결함들의 형성으로 인하여, MR은 일반적으로 악화된다. 알루미나 배리어 두께를 이러한 극도로 얇게 하는 주된 요인은 종래의 강자성 전극 재료들로 형성되는 2.3-3 eV의 큰 배리어 높이(φ)이다.
따라서, MTJ 소자들의 추가적인 개선을 위하여, 스핀-분극을 증가시키고 MR이 저하되지 않는 배리어 저항의 감소를 위한 방법들이 발견되어야 한다. 상기 기재된 제한들을 고려하여, 본 명세서는 적절한 방침으로서 종래의 MTJ 구조물로부터의 새로운 시도를 제안한다.
본 발명은 종래 기술 분야의 알루미나 터널링 배리어층이 낮은 배리어 높이와 스핀 필터 기능을 갖는 강자성 반도체로 구성되는 터널링 배리어층에 의해 교체되는 자기 터널 접합에 관한 것이다. 스핀 민감성이 배리어층에 도입됨으로써, 종래 기술 분야의 비-자성 전극의 강자성 전극들 중 하나의 교체가 허용된다. 낮은 유효 배리어 높이를 갖는 이러한 스핀 필터 배리어를 포함하는 MTJ 소자는 조정 가능한 저항 및 보다 간단한 MTJ 소자 구조고 MR 효과의 개선이 달성될 것으로 여겨진다. 본 발명은 상기와 같이 요약되었지만, 본 발명은 첨부되는 청구항 제1항 내지 제10항에 의하여 한정된다.
상기 언급된 특징들 및 본 발명의 부가적인 특징들의 완전한 이해를 위하여, 첨부되는 도면들과 함께 다음의 상세한 설명들이 참조되어야 할 것이다.
도 1a는 종래의 MTJ 소자의 횡단면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a에 도시된 MTJ 소자의 터널링 배리어에 대한 대응 에너지 도표를 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 스핀 필터 배리어 MTJ 소자의 횡단면도를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 스핀-필터 배리어 MTJ 소자의 대응 에너지 도표를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 상기 제안된 MTJ 소자에서 스핀-필터 배리어의 에너지 분열(energy splitting) 기능에 따른 계산된 분극화 효율을 도시한다. 본 계산에서, 고정된 배리어 높이(φ=1 eV)가 사용되고, 분극화 효율은 세 개의 상이한 배리어 두께들(d=1, 2 및 3 nm)에 대하여 각각 계산된다.
도 4는 도 2에 도시된 상기 제안된 MTJ 소자에서 스핀-필터 배리어의 에너지 분열기능에 따른 계산된 분극화 효율을 도시한다. 본 계산에서, 고정된 배리어 두께(d=2)가 사용되고, 분극화 효율은 세 개의 상이한 배리어 높이들(φ=0.5, 1 및 1.5 eV)에 대하여 각각 계산된다.
전극들의 제한된 스핀-분극 및 알루미나 배리어의 높은 RA로 인하여 종래의 MTJ 소자들에 보다 나은 개선 방안을 제공한다. 특히, 알루미나 배리어 두께를 배리어 균일성을 유지시키면서 극도로 얇은 상태로 감소시키기 위한 효과적인 방법들을 개발하려는 많은 노력들이 계속되고 있다. 이것은 매우 어렵다는 것이 증명되었다. 본 발명은 종래 MTJ 소자들에 비하여 감소된 RA 값들에서 높은 스핀-분극을 제공할 가능성을 가지는 MTJ 소자 구조의 대안적인 형태를 포함한다.
도 1(a)는 종래 기술 분야의 MTJ 소자 구조의 횡단면도를 도시한다. 하부 강자성 전극층("고정"층)은, 대부분의 경우 Co에서, 일반적으로 CoO와 같은 반-강자성(antiferromagnetic)층(미도시)상에 성장되어, 비아 교환 바이어스가 하부 강자성 전극의 영구적인 자화 방향을 설립한다. 이것의 목적은 하부 전극을 외부적으로 인가된 필드들에 영향을 받지 않도록 하는 것이다. 이에 반하여, 상부 전극("프리"층)은 퍼멀로이(NiFe)와 같은 연성 자기 재료로 만들어져, 그것의 자화 방향이 외부 자기장에 의하여 쉽게 변경될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 두 층들 사이의 자화의 상대적인 배향은 조정될 수 있다. 상기 배리어는 비결정형 알루미나의 얇은 층의 대부분의 경우에 있다. 전기 리드들은 하부 및 상부 전극층에 접속되고 전류는 상기 층들에 수직으로 흐른다. 이러한 소자의 MR 효과는 상부 "프리"층과 하부 "고정"층 사이에 자화의 상대적인 배향에 따른 저항의 변화로서 그 자신을 나타낸다.
도 2(a)는 본 발명의 MTJ 소자 구조의 횡단면도를 도시한다. 소자는 하부 비-자성 전극과 상부 강자성 전극 사이에 샌드위칭된 스핀-필터 터널링 배리어로 구성된다. 비-자성 전극은 임의의 전도성 재료로 구성되고 금속으로 제한되지 않는다. 상부 강자성 "프리"층 전극은 외부 필드에 의하여 자화가 쉽게 조작될 수 있는 연성 자기 재료로 구성된다. 스핀 필터 배리어 재료는 본질적으로 비-자성인 반도체 모결정(host crystal)에 강자성을 야기하는 금속성 원소로 도핑된 와이드 밴드-갭(wide band-gap) 반도체로 구성될 수 있다. 이러한 종류의 재료들은 반자 성(dilute magnetic) 반도체들로 참조된다. 종래의 MTJ 소자와 다르게, "고정"층은 스핀 필터 배리어에 의해 나타나고 MR 효과는 상부 "프리"층과 배리어 사이에 자화의 상대적인 배향에 따른 저항의 변화로서 그 자신을 나타낸다. 아래에 강자성 반도체 배리어 특성들의 보다 상세한 설명이 뒤따른다.
반도체 결정에서의 강자성은 금속성 불순물들 사이에 스핀-분극된 전하 캐리어들에 의해 조정된다. 이것은 전도대(conduction band)의 스핀-의존적 에너지 분열을 야기한다. 바꾸어 말하면, 전도대 에지는 하나의 스핀 배향에 대하여, 반대편 스핀 배향보다 낮다. 이러한 상황은 강자성 반도체가 MTJ 소자에서 배리어층으로서 포함되는 도 2(b)의 에너지 도표에 의해 나타난다. 상기 도표에서, 평균 높이의 배리어(φ)는 에너지(2δ)에 의해 분리된 두 개의 스핀-의존적 서브-밴드들로 분열된다. 하나의 전극에서 다른 하나의 전극으로 터널링하려는 전하 캐리어들은, 하나는 핀업(spin up)을 위한 것이고, 다른 하나는 스핀다운(spin down)을 위한 것인, 2개의 상이한 배리어 높이들을 직면할 것이다. 터널링 프로세스가 배리어 높이에 민감하게 좌우되기 때문에, 전도대의 분열은 스핀업 전자들에 대한 터널링의 가능성을 현저히 증가시킨다. 분극되지 않은 배리어를 위한 식(2)에 주어진 배리어 저항과는 현저히 다르게, 스핀-필터 배리어 저항은 두 개의 스핀 컴포넌트로 나눠진다.
RA↑ ∝
Figure 112006096518177-PCT00003
(3)
RA↓ ∝
Figure 112006096518177-PCT00004
유사한 방법에서, 강자성체에 대한 스핀-분극(P)이 [1]로 한정되는 것과 유사하게, 스핀 필터 배리어에 대한 분극 효율(PB)은 다음과 같이 쓰여질 수 있다.
PB=(RA↓-RA↑)/(RA↓+RA↑) (4)
분극 효율을 평가하기 위하여, 스핀 필터 배리어는 ZnO를 포함하는 강자성 반도체에 의하여, 와이드 밴드-갭(Eg=3.2 eV) 반도체 호스트(host) 및 강자성을 유도하는 금속성 원소(ME)로서 예시될 것이다. 이러한 강자성 반도체는 이하 ZnMEO로서 참조될 것이다. 다른 자기 반도체 재료들 또한 사용될 수 있다.
도 3-4는 에너지 분열(2δ)의 함수로써 다양한 배리어 파라미터들에 대하여 식 4를 이용하여 계산된 분극 효율(PB)를 나타낸다. 도 3에서, 배리어 높이는 1 eV에서 고정되고, 이것은 금속 접촉부 및 와이드 밴드갭 반도체들 사이에 일반적인 배리어 높이를 나타내며, 배리어 두께(d)는 1 내지 3 nm 사이에서 가변한다. 도 4에서, 배리어 두께(d)는 2 nm에서 고정되고, 배리어 높이(φ)는 0.5 내지 1.5 사이에서 가변한다. 도 3 및 4의 결과를 간략히 결론지으면, 배리어 두께가 증가하고 배리어 높이가 감소함에 따라 분극 효율은 증가한다. ZnMEO에서 에너지 분열의 실제 값은 사용되는 ME의 종류의 도핑 레벨에 의존한다. 이러한 종류의 재료들의 실온에서의 강자성에 대한 최근의 연구로 인하여, 기록된 값들은 오늘날 이용 불가능하다. 그러나, 광범위하게 연구된 절연체(EuS)는 낮은 온도에서 강자성이 되어, ZnMEO와 유사한 재료 클래스를 나타낸다. EuS에서, 전도대의 스핀 의존적 에너지 분열은 360 meV이다[5]. ZnMEO에서의 에너지 분열이 EuS의 에너지 분열의 단지 절반, 즉 180 eV이고 1 eV의 배리어 높이를 사용하는 것으로 가정하면, 2 nm 두께 ZnMEO 스핀 필터 배리어의 분극 효율은 도 3에 따라 약 73%이다. 도 1에 구체화된, 본 발명에 의해 제시된 MR을 판단하기 위하여, 식 1이 참조된다. 종래의 MTJ와 대조적으로, 본 발명은 비자성 하부 전극을 사용하고, 배리어층에 스핀 민감성이 도입된다. 따라서, 식 1의 용어 P2는 스핀 필터 효율(PB)로 대체된다. 전술한 판단에 따라, PB=73% 및 높은 스핀-분극된 상부 전극에 대한 P1=50%를 이용하여, 115%의 MR 비가 획득된다.
본 발명의 스핀 필터 소자에 대한 100% 이상의 예측된 MR 비는 종래의 MTJ 소자들에 대해 보고된 가장 높은 MR 비(60%까지의)를 능가한다. 또한, 도 2에서 구체화된 터널링 배리어가 3.2 eV의 밴드 갭을 갖는 ZnMEO에 의해 예시된 와이드 밴드-갭 반도체로 구성되기 때문에, 이러한 소자의 저항-면적(RA) 곱은 종래 기술 분야에서 사용된 알루미나 절연체에 대한 것보다 본래 낮다. 이러한 방식으로, 극도로 얇은 배리어 두께는 피해진다. ZnMEO 배리어가 알루미나 배리어 두께의 두 배 이상에서 알루미나를 매칭하는 RA 값들을 나타낼 것으로 판단된다. 이러한 추정은 ZnSe의 배리어층, 2.8 eV의 밴드-갭을 갖는, ZnO와 유사한 와이드 밴드-갭 반도체에 대한 최근의 연구에 의해 뒷받침된다. 따라서, 도 3-4를 참조하여 전술한 전문에서 기재된 특징들과 함께, 도 2에서 구체화된 본 발명은 MRAM 어레이 및 자기 저항 읽기 헤드들과 같은 MTJ 소자 애플리케이션들에서의 개선된 신호 대 잡음비를 위한 요구사항들을 만족시킨다. 본 발명의 다른 공동 작용 효과들은 아래에 기재될 것이다.
ZnMEO와 같은 강자성 반도체들에서의 자화 방향(보자력)을 역전시키기 위하여 요구되는 자기장 세기는 일반적으로 MTJ들에서 상부 전극 "프리"층으로 사용되는 퍼멀로이에 대한 것보다 실질적으로 대략 크기의 2배 정도 크다. 이것은 종래의 MTJ소자들에 하부 전극 "고정"층을 위해 흔히 그렇듯이, 본 발명에서의 스핀 필터 배리어층이 밑에 놓인 반강자성층에 의하여 자기적으로 바이어스될 필요가 없음을 암시한다. 이것은 MTJ 소자 구조를 매우 간단하게 한다. 또한, 종래 기술 분야의 강자성 하부 전극에 반하여 비-자성 하부 전극의 사용은 전도성 재료들의 폭넓은 선택을 제공한다. 이것은 Cu, Al 또는 Au와 같은 금속성 도체들을 포함하나, 반도체들을 변질시킨다(degenerate). 예를 들어, 하부 전극으로서의 n-타입 Si의 사용은 직접적으로 Si-프로세스들 및 CMOS 기술과의 중요한 양립성을 제공한다. 많은 연구들이 Si 웨이퍼 기판들상에 다양한 증착 기술들에 의한 우수한 품질의 연속성 ZnO 박막의 달성을 증명해왔다. 또 다른 실시예는 하부 전극 층으로서 변질된 ZnAlO의 사용을 통해 에피택셜(epitaxial) ZnMEO 배리어층들에 대한 흥미의 가능성을 제공한다. ZnAlO는 태양 전지 애플리케이션에서 도체로 사용되고 ZnMEO와 결정학적으로 완벽하게 매칭되는 반-금속이다.
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Claims (10)

  1. 터널링 배리어층을 갖는 자기 터널 접합부로서,
    상기 터널링 배리어층은 스핀 민감성을 갖는 반-자성 반도체를 포함하는 자기 터널 접합부.
  2. 제1항에 있어서,
    반자성 반도체에 결합되는 하부 전극에 결합된 하부 리드을 포함하고, 상기 반자성 반도체는 상부 리드에 결합된 상부 전극에 결합되며, 상기 하부 전극은 비자성인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부 전극은 N-타입 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 하부 전극은 변질된 ZnAlO를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  5. 제항에 있어서,
    상기 터널 접합부는 60%를 초과하는 자기 저항(MR) 비를 갖는 스핀 필터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반자성 반도체는 2.7 eV를 초과하는 와이드 밴드-갭 반도체인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반자성 반도체는 ZnMEO를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합부.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 자기 터널 접합부를 포함하는 컴포넌트.
  9. 제8항에 있어서,
    비휘발성 자기 메모리(MRAM), 자기 디스크 드라이브용 자기 저항 읽기 헤드, 스핀-벨브/자기-터널링 트랜지스터, 초고속 광학 스위치, 분극 변조 출력을 갖는 발광 이미터, 논리 프로세스(logic processing) 소자 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 자기 터널 접합부 및/또는 제8항 또는 제9항에 따른 컴포넌트를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터.
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