KR20120057545A - Magnetic memory including memory cells incorporating data recording layer with perpendicular magnetic anisotropy film - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기 메모리(magnetic memory)에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 각각의 메모리 셀 내의 데이터 기록층으로서 수직 자기 이방성(PMA; Perpendicular Magnetic Anisotropy)을 갖는 자성 필름(magnetic film)을 이용하는 자기 메모리에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
자기 메모리 또는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 고속 동작 및 무한 재기록 내성을 달성하는 비휘발성 메모리이다. 이것은 특정한 응용에서 MRAM의 실용적 사용을 촉진하며, MRAM의 다기능성을 확장하기 위한 개발을 촉진한다. 자기 메모리는 메모리 소자로서 자성 필름을 이용하며, 데이터를 자성 필름의 자화 방향으로서 저장한다. 원하는 데이터를 자성 필름에 기록할 때, 자성 필름의 자화는 그 데이터에 대응하는 방향으로 전환된다. 자화 방향의 전환을 위한 다양한 방법들이 제안되었지만, 제안된 방법들 모두는 전류(또는 기록 전류)가 사용된다는 점에서 동일하다. MRAM의 실용적 사용을 구현하는데 있어서 기록 전류를 감소시키는 것은 매우 중요하다. 기록 전류 감소의 중요성은, 예를 들어, N.Sakimura 등에 의한 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 상태 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에서 논의되고 있다.Magnetic memory or magnetic random access memory (MRAM) is a nonvolatile memory that achieves high speed operation and infinite rewrite immunity. This facilitates the practical use of MRAM in certain applications and facilitates development to expand the versatility of MRAM. The magnetic memory uses a magnetic film as a memory element, and stores data as the magnetization direction of the magnetic film. When recording desired data on the magnetic film, the magnetization of the magnetic film is switched in the direction corresponding to that data. Although various methods for switching the magnetization direction have been proposed, all of the proposed methods are identical in that a current (or write current) is used. It is very important to reduce the write current in realizing the practical use of MRAM. The importance of reducing the write current is discussed, for example, in “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC” by N. Sakimura et al., IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 42, No. 4, pages 830-838, 2007 It is becoming.
기록 전류를 감소시키기 위한 한 접근법은, 데이터 기록시 "전류 구동된 도메인 벽 이동(domain wall motion)"을 이용하는 것이다. A. Yamaguchi 등의 “Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”, 물리적 리뷰 레터, 제92권, 제7호, 077205, 2004에서 개시된 바와 같이, 도메인 벽을 관통하는 방향으로 전류가 흐를 때, 도메인 벽은 전도 전자들의 방향으로 움직인다. 따라서, 데이터 기록층을 통해 기록 전류를 흘림으로써, 도메인 벽은 그 전류 방향에 대응하는 방향으로 움직이고, 이로써 원하는 데이터를 기록한다. 전류 구동된 도메인 벽 이동에 기초한 MRAM이, 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2005-191032 A호에 개시되어 있다.One approach to reducing write current is to use "current driven domain wall motion" in writing data. A. As described in Yamaguchi et al., “Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires,” Physical Review Letter, Vol. 92, No. 7, 077205, 2004. When current flows, the domain wall moves in the direction of the conduction electrons. Thus, by flowing a recording current through the data recording layer, the domain wall moves in the direction corresponding to that current direction, thereby recording the desired data. MRAM based on current driven domain wall movement is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 A.
나아가, 스핀 주입(spin injection)에 기초한 자기 시프트 레지스터가 미국 특허 제6,834,005호에 개시되어 있다. 이 자기 시프트 레지스터는 자성체(magnetic body)에 형성된 도메인 벽을 이용함으로써 데이터를 기록한다. 많은 수의 영역(또는 자기 도메인)으로 분할된 자성체의 도메인 벽을 통해 전류가 주입될 때, 도메인 벽들은 전류에 의해 움직인다. 각 영역의 자화 방향은, 기록 데이터로서 정의된다. 이와 같은 자기 시프트 레지스터는, 예를 들어, 많은 양의 직렬 데이터를 기록하기 위해 사용된다.Furthermore, magnetic shift registers based on spin injection are disclosed in US Pat. No. 6,834,005. This magnetic shift register records data by using domain walls formed in a magnetic body. When current is injected through the domain walls of a magnetic body divided into a large number of regions (or magnetic domains), the domain walls are driven by the current. The magnetization direction of each area is defined as recording data. Such a magnetic shift register is used to write a large amount of serial data, for example.
전류 구동된 도메인 벽 이동에 기초하여 데이터 기록을 달성하는 자기 메모리에서 데이터 기록층으로서 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름을 이용함으로써 기록 전류가 더욱 감소될 수 있다는 것이 본 분야에 알려져 있다. 이와 같은 기술은, 예를 들어, S. Fukami 등의 “Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”, 응용 물리학 저널 제103권, 07E718, (2008)에 개시되어 있다.It is known in the art that by using a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy as the data recording layer in a magnetic memory which achieves data recording based on current driven domain wall movement, the recording current can be further reduced. Such techniques are disclosed, for example, in "Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy" by S. Fukami et al., Journal of Applied Physics, Vol. 103, 07E718, (2008).
또한, 국제 공개 WO2009/001706 A1호는, 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름이 데이터 기록층으로서 사용되고 데이터 기록은 전류 구동된 도메인 벽 이동에 의해 달성되는 자기 메모리를 개시하고 있다. 도 1은 개시된 자기 메모리에 통합된 자기저항 효과 소자(Magnetoresistance Effect Element, 200)를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 자기저항 효과 소자(200)는, 데이터 기록층(110), 스페이서층(120), 및 참조층(130)을 포함한다. 데이터 기록층(110)은 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름으로 형성된다. 스페이서층(120)은 비자성 유전체층으로 형성된다. 참조층(130)은 고정된 자화를 갖는 자성층으로 형성된다.In addition, WO2009 / 001706 A1 discloses a magnetic memory in which a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy is used as a data recording layer and data recording is achieved by current driven domain wall movement. 1 is a schematic cross-sectional view of a
데이터 기록층(110)은, 한쌍의 자화 고정 영역(111a 및 111b), 및 자화 자유 영역(113)을 포함한다. 자화 고정 영역(111a 및 111b)은 자화 자유 영역(113) 양단에 배치된다. 자화 고정 영역(111a 및 111b)의 자화는, 각각, 자화 고정층(115a 및 115b)에 의해 서로 반대 방향으로(또는 반평행(antiparallel)으로) 고정된다. 더 구체적으로, 자화 고정 영역(111a)의 자화 방향은, 자화 고정층(115a)과의 자기 결합에 의해 +z 방향으로 고정되고, 자화 고정 영역(111b)의 자화 방향은, 자화 고정층(115b)과의 자기 결합에 의해 -z 방향으로 고정된다. 한편, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향은, 자화 고정 영역들(111a 및 111b) 중 하나에서 다른 하나로 흐르는 기록 전류에 의해 +z 방향과 -z 방향 사이에서 역전가능하다. 그 결과, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향에 따라 데이터 기록층(110)에 도메인 벽(112a 또는 112b)이 형성된다. 데이터는 자화 자유 영역(113)의 자화 방향으로서 저장된다. 데이터는 (참조번호 112a 또는 112b로 표시된) 도메인 벽의 위치로서 저장된다고 생각할 수 있다.The
데이터 기록층(110)의 참조층(130), 스페이서층(120) 및 자화 자유층(113)은 자기 터널 접합(MTJ; Magnetic Tunnel Junction)을 형성한다. MTJ의 저항은, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향, 즉 데이터 기록층(110) 내에 기록된 데이터에 따라 변한다. 데이터는 MTJ의 저항의 크기로서 판독된다.The
수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 이용하는 자기 메모리의 하나의 중요한 문제는, 데이터 기록층의 수직 자기 이방성을 강화하는 것이다. Co/Ni 필름 스택(얇은 Co 필름과 Ni 필름이 교대로 라미네이트되어 있는 스택)이 데이터 기록층으로서 사용될 때, 예를 들어, 높은 fcc (111) 배향을 보이도록 Co/Ni 필름 스택을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성이 달성될 수 있다; 그러나, 충분히 높은 fcc (111) 배향을 갖는 Co/Ni 필름 스택을 형성하는 것은 그렇게 용이하지 않다.One important problem of a magnetic memory using a data recording layer having perpendicular magnetic anisotropy is to enhance the vertical magnetic anisotropy of the data recording layer. When a Co / Ni film stack (a stack in which thin Co films and Ni films are alternately laminated) is used as the data recording layer, for example, by forming a Co / Ni film stack to show a high fcc (111) orientation, Perpendicular magnetic anisotropy can be achieved; However, forming a Co / Ni film stack with a sufficiently high fcc (111) orientation is not so easy.
일본 특허 출원 공개 제2006-114162 A호는, 기판 위에 직렬로 라미네이트된, 점착 층, 연자성 하층, 중간층, 및 수직 기록층을 포함한 수직 자기 기록 매체를 개시한다. 이 특허 문헌은, 연자성 하층의 표면 평탄성과 자기 특성을 개선하고, 기판과의 접착을 더욱 강화하기 위한 기술을 개시하고 있다. 구체적으로, 점착층은 제1 및 제2 하층으로 구성된다. 제1 하층은, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 크롬(Cr), 및 코발트(Co)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 2개 원소의 합금으로 형성되고, 제2 하층은, Ni, Al, Ti, Cr, 및 Zr로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 도핑된 Ta를 포함하는 아몰퍼스 합금 또는 금속 탄탈룸으로 형성된다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-114162 A discloses a vertical magnetic recording medium including an adhesive layer, a soft magnetic underlayer, an intermediate layer, and a vertical recording layer, laminated in series on a substrate. This patent document discloses a technique for improving the surface flatness and magnetic properties of a soft magnetic underlayer, and for further enhancing adhesion to a substrate. Specifically, the pressure-sensitive adhesive layer is composed of first and second lower layers. The first lower layer is formed of an alloy of at least two elements selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), chromium (Cr), and cobalt (Co), The second lower layer is formed of an amorphous alloy or metal tantalum comprising Ta doped with at least one element selected from the group consisting of Ni, Al, Ti, Cr, and Zr.
F.J.A. den Broeder 등의 "Co/Ni 다층의 수직 자기 이방성과 보자력", 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션, 제28권, 제5호, 페이지 2760-2765, (1992)는, 어떠한 하층도 없는 유리 기판 상의 필름 피착 결과 면내(in-plane) 방향으로 강한 이방성을 보이며, 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 하층이 필요하다고 논의하고 있다. 이 비-특허 문헌은 (111) 배향을 갖는 금(Au) 필름이 양호한 하층이라고 개시한다. 이 비-특허 문헌에 개시된 하층은 비자성 재료로 형성되고 20 nm 이상의 두께를 갖는다는 점에 주목해야 한다.F.J.A. "Vertical Magnetic Anisotropy and Coercivity of Co / Ni Multilayers" by den Broeder et al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 28, No. 5, pages 2760-2765, (1992), deposited films on glass substrates without any underlying layers. The results show strong anisotropy in the in-plane direction, and a lower layer is needed to achieve perpendicular magnetic anisotropy. This non-patent document discloses that a gold (Au) film having a (111) orientation is a good underlayer. It should be noted that the underlayer disclosed in this non-patent document is formed of a nonmagnetic material and has a thickness of 20 nm or more.
이 비-특허 문헌에 개시된 바와 같이 하층으로서 두꺼운 비자성층의 사용은, 데이터 기록층의 자화 고정 영역의 자화가 데이터 기록층 아래에 형성된 자화 고정층에 의해 고정되는 도 1에 도시된 자기 메모리에 대해서는 바람직하지 않다. 예를 들어, 하층이 도 1에 도시된 자기 메모리에서 사용될 때, 그 하층은 데이터 기록층(110)과 자화 고정층들(115a, 115b) 사이에 삽입된다. 이 경우, 데이터 기록층(110)과 자화 고정층(115a 및 115b) 사이의 자기 결합은, 하층으로서의 두꺼운 비자성층의 삽입에 의해 깨져, 결과적으로 자화 고정 영역들(111a 및 111b)의 자화가 느슨해진다. 이것은 자기 메모리를 정상적으로 동작시키기 위해서 바람직하지 못하다.The use of a thick nonmagnetic layer as a lower layer as disclosed in this non-patent document is preferable for the magnetic memory shown in Fig. 1 in which the magnetization of the magnetization pinning area of the data recording layer is fixed by a magnetization pinning layer formed below the data recording layer. Not. For example, when a lower layer is used in the magnetic memory shown in Fig. 1, the lower layer is inserted between the
따라서, 본 발명의 목적은, 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한 자기 메모리를 제공하는 것으로, 데이터 기록층은, 충분히 강한 수직 자기 이방성을 가지며, 데이터 기록층과, 데이터 기록층 아래에 배치된 자화 고정층 사이의 자기 결합은 충분히 강화된다.It is therefore an object of the present invention to provide a magnetic memory including a data recording layer having perpendicular magnetic anisotropy, wherein the data recording layer has a sufficiently strong perpendicular magnetic anisotropy and is disposed below the data recording layer and the data recording layer. Magnetic coupling between the magnetized pinned layers is sufficiently strengthened.
본 발명의 한 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖고, 자화 고정층의 자화 방향이 고정된 자화 고정층; 층간 유전체(interlayer dielectric); 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층(underlayer); 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층(data recording layer)을 포함한다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 층간 유전체 상에 형성된 제1 자성 하층의 일부에서 제1 자성 하층이 면내(in-plane) 자기 이방성을 보이지 않도록 하는 두께로 형성된다.In one aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetizing pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction of the magnetized pinned layer; Interlayer dielectrics; An underlayer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having vertical magnetic anisotropy. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer is formed to a thickness such that the first magnetic underlayer does not exhibit in-plane magnetic anisotropy in a portion of the first magnetic underlayer formed on the interlayer dielectric.
본 발명의 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖는 자화 고정층; 층간 유전체; 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한다. 자화 고정층은 고정된 자화 방향을 가진다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 주성분(major constitution)으로서 NiFe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있다.In another aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy; Interlayer dielectric; A lower layer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy. The magnetization pinned layer has a fixed magnetization direction. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer contains NiFe as a major constitution and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. The thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
본 발명의 역시 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖고, 자화 고정층의 자화 방향이 고정된 자화 고정층; 층간 유전체; 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 주성분으로서 Co 또는 Fe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있다.In still another aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetizing pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction of the magnetized pinned layer; Interlayer dielectric; A lower layer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer contains Co or Fe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. The thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
본 발명의 역시 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 자성 재료로 형성된 강자성 하층; 상기 하층 상에 배치된 비자성 중간층; 상기 중간층 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 데이터 기록층; 비자성층을 통해 상기 데이터 기록층에 접속된 참조층; 및 상기 하층의 하부면과 접촉하도록 배치된 제1 및 제2 자화 고정층을 포함한다. 데이터 기록층은, 반전 가능한 자화를 가지며 참조층과 대향하는 자화 자유 영역; 자화 자유 영역의 제1 경계에 결합되고 제1 방향으로 고정된 자화를 갖는 제1 자화 고정 영역; 및 자화 자유 영역의 제2 경계에 결합되고 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 고정된 자화를 갖는 제2 자화 고정 영역을 포함한다. 중간층은, 0.1 내지 2.0 nm의 두께를 갖는 Ta 필름으로 형성된다.In yet another aspect of the invention, a magnetic memory includes: a ferromagnetic underlayer formed of a magnetic material; A nonmagnetic intermediate layer disposed on the lower layer; A ferromagnetic data recording layer formed on the intermediate layer and having perpendicular magnetic anisotropy; A reference layer connected to the data recording layer through a nonmagnetic layer; And first and second magnetized pinned layers disposed to contact the lower surface of the lower layer. The data recording layer includes: a magnetization free region having invertible magnetization and opposing the reference layer; A first magnetization fixing region coupled to the first boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in the first direction; And a second magnetization fixing region coupled to the second boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in a second direction opposite to the first direction. The intermediate layer is formed of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm.
본 발명은, 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한 자기 메모리를 제공하며, 데이터 기록층은, 충분히 강한 수직 자기 이방성을 가지며, 데이터 기록층과, 데이터 기록층 아래에 배치된 자화 고정층 사이의 자기 결합은 충분히 강화된다.The present invention provides a magnetic memory including a data recording layer having vertical magnetic anisotropy, wherein the data recording layer has a sufficiently strong vertical magnetic anisotropy, and a magnetic field between the data recording layer and the magnetization pinning layer disposed below the data recording layer. The bond is sufficiently strengthened.
본 발명의 상기 및 기타의 목적, 이점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연계하여 취해지는 소정의 양호한 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은, 종래의 자기저항 효과 소자(magnetoresistance effect element)의 예시적 구성을 나타내는 단면도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3a는, 데이터 "0"이 기록되는 자기저항 효과 소자의 상태를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3b는, 데이터 "1"이 기록되는 자기저항 효과 소자의 상태를 개략적으로 나타내는 도면.
도 4a는, 필름 두께에 대한 NiFeW 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 4b는, 필름 두께에 대한 NiFeZr 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 4c는, 필름 두께에 대한 NiFeTa 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 5a는, 비자성 하층에 대응하는 Pt 필름을 통해 작용하는 결합장의 Pt 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 5b는, 비자성 하층에 대응하는 Pd 필름을 통해 작용하는 결합장의 Pd 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 5c는, 비자성 하층에 대응하는 Ir 필름을 통해 작용하는 결합장의 Ir 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 6a는, 제2 자성 하층이 제공되지 않는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6b는, 하나의 Co 필름과 하나의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6c는, 2개의 Co 필름과 2개의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6d는, 3개의 Co 필름과 3개의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6e는, 비자성 하층에 대응하는 Pt 필름 상에 형성된 Co/Pt 필름 스택의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 7은, 포화장 Hs의 정의를 나타내는 그래프.
도 8은, 제1 실시예의 구현예 1의 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 포화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프.
도 9는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수, 포화장 Hs 및 기록 전류간의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은, 제1 실시예의 비교예 1의 구조를 나타내는 단면도.
도 11a는, NiFeW 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고, Pt 필름이 비자성 하층으로서 사용되고 있는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 11b는, NiFeV 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고, Au 필름이 비자성 하층으로서 사용되고 있는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는, 본 발명의 제2 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 13a는, 제1 자성 하층의 재료에 대한 자기 터널 접합의 의존성을 나타내는 그래프.
도 13b는, 제1 자성 하층이 NiFeZr 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13c는, 제1 자성 하층이 NiFeZr 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13d는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13e는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 14a는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 제1 자성 하층의 두께에 대한 자화장 곡선의 변화를 나타내는 도면.
도 14b는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 제1 자성 하층의 두께에 대한 자화장 곡선의 변화를 나타내는 도면.
도 15a는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층이 제공되지 않는 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 15b는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 하나인 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 15c는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 2개인 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 16은, 제2 실시예에서 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 포화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프.
도 17은, 제2 실시예에서 제2 자성 하층에서의 Co 및 Pt 필름의 갯수, 포화장 Hs 및 기록 전류간의 관계를 나타내는 그래프.
도 18은, CoTa 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고 있는 제2 실시예에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 19a 및 19b는, 본 발명의 제3 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 20a 및 20b는, 비교예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 21a는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 21b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22a는, 데이터 기록층이 열처리(thermal annealing)된 후에 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22b는, 데이터 기록층이 열처리된 후에 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 23a 및 23b는, 구현예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 24a는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 24b는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 25는, 중간층의 두께, 열처리의 온도, 및 포화장간의 관계를 나타내는 그래프.
도 26은, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 27은, 본 발명의 한 실시예에서 자기 메모리의 예시적 구성을 나타내는 블록도.
도 28은, 본 발명의 한 실시예에서 메모리 셀의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 회로도.These and other objects, advantages, and features of the present invention will become more apparent from the following description of certain preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
1 is a cross-sectional view showing an exemplary configuration of a conventional magnetoresistance effect element.
Fig. 2 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element of the first embodiment of the present invention.
3A is a diagram schematically showing a state of a magnetoresistive element in which data "0" is recorded.
Fig. 3B is a diagram schematically showing the state of the magnetoresistive element in which data " 1 " is recorded.
4A is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeW film with respect to film thickness.
4B is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeZr film with respect to film thickness.
4C is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeTa film with respect to film thickness.
FIG. 5A is a table showing the change in Pt film thickness of the bonding field acting through the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
FIG. 5B is a table showing the change in Pd film thickness of the bonding field acting through the Pd film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
Fig. 5C is a table showing the change in the Ir film thickness of the bonding field acting through the Ir film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
Fig. 6A is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of
Fig. 6B is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of
Fig. 6C is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of
Fig. 6D is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of
FIG. 6E is a graph showing a magnetization curve of a Co / Pt film stack formed on a Pt film corresponding to a nonmagnetic underlayer.
7 is a graph showing the definition of a saturated field H s .
FIG. 8 is a graph showing a change in saturation field H s with respect to the number of Co and Pt films of the second magnetic underlayer of
9 is a graph that shows a relation between the first embodiment in the
10 is a cross-sectional view showing a structure of Comparative Example 1 of the first embodiment.
FIG. 11A shows the thickness ratio and saturation field H s of the Co and Pt films of the second magnetic underlayer in
FIG. 11B shows the thickness ratio and saturation field H s of the Co and Pt films of the second magnetic underlayer in
Fig. 12 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element of the second embodiment of the present invention.
13A is a graph showing the dependence of the magnetic tunnel junction on the material of the first magnetic underlayer.
FIG. 13B is a graph showing a magnetic field curve showing a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a NiFeZr film. FIG.
FIG. 13C is a graph showing a magnetic field curve showing a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a NiFeZr film. FIG.
FIG. 13D is a graph showing a magnetic field curve indicating a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film; FIG.
Fig. 13E is a graph showing a magnetic field curve indicating a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
14A is a diagram showing a change in the magnetic field curve with respect to the thickness of the first magnetic underlayer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
14B is a view showing a change in the magnetic field curve with respect to the thickness of the first magnetic underlayer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
Fig. 15A is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer when the second magnetic underlayer is not provided in the second embodiment.
Fig. 15B is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer for the case where the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer is one in the second embodiment.
Fig. 15C is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer when the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer is two in the second embodiment.
16 is the graph showing the change in the make-up
17 is the graph showing the relation between the second embodiment in a second number of magnetic Co and Pt loaded on the lower layer, bubble cosmetic H s and the recording current.
Figure 18, the first magnetic film CoTa in the second embodiment that is used as a lower layer, the second graph showing a relationship between thickness ratios and fabric makeup H s of the lower layer of magnetic Co and Pt film.
19A and 19B are sectional views schematically showing the exemplary structure of a magnetoresistive element of the third embodiment of the present invention.
20A and 20B are cross-sectional views schematically showing an exemplary structure of the magnetoresistive element of Comparative Example 1. FIG.
21A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 20A and 20B.
21B is a graph showing an example magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 20A and 20B.
Fig. 22A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 20A and 20B after the data recording layer is thermally annealed.
Fig. 22B is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 20A and 20B after the data recording layer is heat-treated.
23A and 23B are sectional views schematically showing the exemplary structure of the magnetoresistive effect element of
24A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 23A and 23B.
FIG. 24B is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 23A and 23B.
25 is a graph showing the relationship between the thickness of an intermediate layer, the temperature of heat treatment, and the saturation field.
Fig. 26 is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 23A and 23B.
Fig. 27 is a block diagram showing an exemplary configuration of a magnetic memory in one embodiment of the present invention.
Fig. 28 is a circuit diagram schematically showing an exemplary configuration of a memory cell in one embodiment of the present invention.
이제 여기서 본 발명이 실시예들을 참조하여 설명될 것이다. 당업자라면, 본 발명의 교시를 이용하여 많은 대안적 실시예들이 달성될 수 있고, 본 발명은 설명을 위해 예시된 실시예들만으로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.The invention will now be described with reference to embodiments. Those skilled in the art will recognize that many alternative embodiments may be achieved using the teachings of the present invention and that the present invention is not limited to the embodiments illustrated for explanatory purposes.
이하에서, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 기술된다.In the following, embodiments of the present invention are described with reference to the accompanying drawings.
제1 First 실시예Example
도 2는 본 발명의 제1 실시예에서 자기저항 효과 소자(100)의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 자기저항 효과 소자(100)는, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20), 참조층(30), 하층(40) 및 자화 고정층(50a 및 50b)을 포함한다.2 is a cross-sectional view schematically showing an exemplary configuration of the
데이터 기록층(10)은 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성된다. 데이터 기록층(10)은 자화 방향이 가역적이고 그 자화 상태로서 데이터를 저장한다. 상세하게는, 데이터 기록층(10)은, 한쌍의 자화 고정 영역(11a 및 11b), 및 자화 자유 영역(13)을 포함한다.The
자화 고정 영역(11a 및 11b)은 자화 자유 영역(13)에 인접하게 배치된다. 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 서로 반대 방향으로(또는 반평행) 고정된다. 도 2에 도시된 예에서, 자화 고정 영역(11a)의 자화 방향은 +z 방향으로 고정되어 있고 자화 고정 영역(11b)의 자화 방향은 -z 방향으로 고정되어 있다.The
자화 자유 영역(13)의 자화는 +z 방향과 -z 방향 사이에서 가역적이다. 따라서, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 따라 데이터 기록층(10)에 도메인 벽이 형성된다. 상세하게는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 +z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11b) 사이에는 도메인 벽(12)이 형성된다. 반면, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 -z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11a) 사이에 도메인 벽(12)이 형성된다. 즉, 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)을 포함하고, 도메인 벽(12)의 위치는 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 의존한다.The magnetization of the magnetization
스페이서층(20)은 데이터 기록층(10)에 인접하게 배치된다. 스페이서층(20)은, 데이터 기록층(10)의 적어도 자화 자유 영역(13)의 상부면에 접촉하게 배치된다. 스페이서층(20)은 비자성 유전체 재료로 형성된다.The
참조층(30)은 스페이서 층(20)의 상부면에 접촉하게 배치된다. 즉, 참조층(30)은, 스페이서 층(20)을 통해 데이터 기록층(10)(자화 자유 영역(13))에 결합된다. 데이터 기록층(10)의 경우에서와 같이, 참조층(30)은 또한, 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성되며, 그 자화 방향은 +z 또는 -z 방향으로 고정된다. 도 2의 예에서, 참조층(30)의 자화 방향은 +z 방향으로 고정된다. The
전술된 데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13), 스페이서층(20), 및 참조층(30)은 자기 터널 접합(MTJ)을 형성한다. 즉, 데이터 기록층(10)(자화 자유 영역(13)), 스페이서층(20), 및 참조층(30)은, MTJ에서 각각, 자유층, 장벽층 및 고정층(pinned layer)으로서 기능한다. The magnetization
하층(40)은 (기판과 대향하는) 데이터 기록층(10)의 하부면에 배치된다. 하층(40)은, 데이터 기록층(10)에서 강한 수직 자기 이방성을 달성하도록 데이터 기록층(10)의 결정 배향을 개선하기 위해 사용된다. 하층(40)의 구조와 기능은 나중에 상세히 논의될 것이다.The
자화 고정층(50a 및 50b)은, 수직 자기 이방성을 갖는 자기적으로-강한 강자성 재료로 형성되며, 자화 고정층(50a 및 50b)의 자화 방향은 각각 +z 및 -z 방향으로 고정된다. 자화 고정층(50a 및 50b)은, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화를 고정시키는데 사용된다. 자화 고정 영역(11a)의 자화는, 자화 고정층(50a)과의 자기 결합에 의해 고정되고, 자화 고정 영역(11b)의 자화는, 자화 고정층(50b)과의 자기 결합에 의해 고정된다. 이 실시예에서, 자화 고정층(50a 및 50b)은 층간 유전체(60) 상에 형성된 그루브(groove)에 임베딩되어 있다. 이 실시예에서, CoPt 합금 필름 또는 Co/Pt 필름 스택(얇은 Co 필름 및 Pt 필름이 교대로 라미네이트되어 있는 필름 스택)이 자화 고정층(50a 및 50b)으로서 사용된다. 이들 강한 자성 재료는 강한 수직 자기 이방성을 보인다. The magnetized pinned
층간 유전체(60)는, 대체로 반도체 집적 회로에서 사용되는 층간 분리를 위한 유전체 필름이다. SiOx 필름, SiN 필름, 또는 이들 필름들의 필름 스택이 층간 유전체(60)로서 사용된다.
전극층들(미도시)은, 각각 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)에 전기적으로 접속된다는 것에 주목해야 한다. 이들 전극층들은 데이터 기록층(10) 내에 기록 전류를 도입하기 위해 사용된다. 한 실시예에서, 전극층들은 전술된 자화 고정층(50a 및 50b)을 통해 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)에 접속될 수 있다. 또한, 또 다른 전극층(미도시)은 참조층(30)에 전기적으로 접속된다.It should be noted that the electrode layers (not shown) are electrically connected to the
자기저항 효과 소자(100)에서, 데이터 기록층(10)의 2개의 자화 상태, 즉, 데이터 기록층(10)의 도메인 벽의 2개의 허용된 위치에 대응하는 2개의 메모리 상태가 허용된다. 데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 도 3a에 도시된 바와 같이 +z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11b) 사이의 경계에 도메인 벽(12)이 형성된다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 서로 평행하다. 따라서, MTJ의 저항은 상대적으로 감소된다. 이와 같은 자화 상태는, 예를 들어, 데이터 "0"의 메모리 상태와 상관되어 있다.In the
데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 도 3b에 도시된 바와 같이 -z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11a) 사이의 경계에 도메인 벽이 형성된다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 서로 반평행(anti-parallel)이다. 따라서, MTJ의 저항은 상대적으로 증가된다. 이와 같은 자화 상태는, 예를 들어, 데이터 "1"의 메모리 상태와 상관되어 있다.When the magnetization direction of the magnetization
데이터 기록층(10)의 자화 상태와 2개의 메모리 상태간의 상관관계는 전술된 것으로만 제한되는 것이 아님에 주목해야 한다. 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)을 포함하고, 도메인 벽(12)의 위치는 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 대응한다. 그 결과, 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)의 위치로서 데이터를 저장한다.It should be noted that the correlation between the magnetization state of the
이 실시예의 자기저항 효과 소자(100)에서, 데이터 기록은 전류 구동된 도메인 벽 이동을 이용함으로써 달성된다. 자기저항 효과 소자(100)가 앞서 데이터 "0"을 저장(이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 평행임)하고 있을 때 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "1"을 기록하기 위해, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11a)으로부터 자화 고정 영역(11b)으로 기록 전류가 흐른다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11b)으로부터 자화 고정 영역(11a)으로 전도 전자들이 이동한다. 그 결과, 자화 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계에 위치한 도메인 벽(12) 상에는 스핀 전달 토크(STT; Spin Transfer Torque)가 가해지고, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11a) 쪽으로 이동한다. 즉, 전류 구동된 도메인 벽 이동이 발생한다. 기록 전류가 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계를 통과할 때, 자화 고정 영역(11a)에서 기록 전류의 전류 밀도가 감소한다. 따라서 도메인 벽(12)의 이동은 경계 부근에서 중지된다. 이런 식으로, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계 부근으로 이동하여 데이터 "1"의 데이터 기록을 달성한다.In the
반면, 자기저항 효과 소자(100)가 앞서 데이터 "1"을 저장(이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 반평행임)하고 있을 때 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "0"을 기록하기 위해, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11b)으로부터 자화 고정 영역(11a)으로 기록 전류가 흐른다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11a)으로부터 자화 고정 영역(11b)으로 전도 전자들이 이동한다. 그 결과, 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계에 위치한 도메인 벽(12) 상에는 스핀 전달 토크가 가해지고, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11b) 쪽으로 이동한다. 즉, 전류 구동된 도메인 벽 이동이 발생한다. 기록 전류가 자화 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계를 통과할 때, 자화 고정 영역(11b)에서 기록 전류의 전류 밀도가 감소한다. 따라서 도메인 벽(12)의 이동은 경계 부근에서 중지된다. 이런 식으로, 도메인 벽(12)은 자기 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계 부근으로 이동하여 데이터 "0"의 데이터 기록을 달성한다.On the other hand, when the
이전에 데이터 "0"이 저장된 상태에서 데이터 "0"이 기록될 때, 또는 이전에 데이터 "1"이 저장된 상태에서 데이터 "1"이 기록될 때, 자화 상태에서는 어떠한 변화도 발생하지 않는다는 점에 주목해야 한다. 이것은, 자기저항 효과 소자(100)가 오버라이팅에 적합화된다는 것을 의미한다. When data "0" is recorded with data "0" previously stored, or when data "1" is recorded with data "1" previously stored, no change occurs in the magnetization state. It should be noted. This means that the
데이터 판독은 터널링 자기저항(TMR; Tunneling MagnetoResistive) 효과를 이용함으로써 달성된다. 구체적으로, 데이터 판독시 (데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13), 스페이서층(20), 및 참조층(30)으로 구성된) MTJ를 통해 판독 전류가 흐른다. 판독 전류의 방향은 역전될 수 있다. 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "0"이 저장될 때 MTJ의 저항은 상대적으로 감소된다. 반면, 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "1"이 저장될 때 MTJ의 저항은 상대적으로 증가된다. 따라서, MTJ의 저항을 검출함으로써 데이터가 식별될 수 있다. Data reading is achieved by using the Tunneling MagnetoResistive (TMR) effect. Specifically, in reading data, a read current flows through the MTJ (composed of the magnetization
그 다음, 데이터 기록층(10)의 양호한 구조에 대해 설명될 것이다. 데이터 기록층(10)의 원하는 특성은 작은 포화 자화(saturation magnetization) 및 큰 스핀 분극률(spin polarizability)을 포함한다. A. Thiaville 등의 “Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic study”, 응용 물리학 저널, 제95권, 제11호, 페이지 7049-7051, 2004에 개시된 바와 같이, 전류 구동된 도메인 벽 이동은, 파라미터 gμBP/2eMs가 클수록 쉽게 발생하며, 여기서 g는 Lande g 계수이고; μB는 Bohr 마그네톤이고; P는 스핀 분극률이고; e는 기본 전하이고; Ms는 포화 자화이다. g, μB 및 e는 물리 상수이기 때문에, 기록 전류를 감소시키기 위해서는 데이터 기록층(10)의 포화 자화 Ms를 감소시키고, 스핀 분극률 P를 증가시키는 것이 효과적이다.Next, a preferable structure of the
먼저, Co/Ni, Co/Pt, Co/Pd, CoFe/Ni, CoFe/Pt 및 CoFe/Pd와 같은 천이 금속(transition metal)의 교대하는 필름 스택들이, 포화 자화의 관점에서 데이터 기록층(10)을 위해 사용되는 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름으로서 유망하다. 이들 재료의 포화 자화는 비교적 작다는 것이 공지되어 있다. 더 일반적으로, 데이터 기록층(10)은, 제1 및 제2층이 적층되는 필름 스택으로서 구성될 수 있다. 제1층은, Fe 필름, Co 필름, Ni 필름, 또는 Fe, Co, 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 재료로 형성된 합금 필름 중 임의의 것을 포함한다. 제2층은, Pt 필름, Pd 필름, Au 필름, Ag 필름, Ni 필름, 및 Cu 필름, 또는 Pt, Pd, Au, Ag, Ni 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 재료로 형성된 합금 필름 중 임의의 것을 포함한다.First, alternating film stacks of transition metals, such as Co / Ni, Co / Pt, Co / Pd, CoFe / Ni, CoFe / Pt, and CoFe / Pd, form the
전술된 필름 스택 중에서, Co/Ni 필름 스택은 특히 높은 스핀 분극률을 가진다. 따라서, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 필름 스택이 특히 바람직하다. 실제로, 발명자들은, Co/Ni 필름 스택의 사용이, 높은 제어력과 더불어 도메인 벽 이동을 가능케한다는 것을 실험에 의해 확인하였다.Among the film stacks described above, Co / Ni film stacks have particularly high spin polarization rates. Therefore, a Co / Ni film stack is particularly preferable as the
천이 금속으로 된 교대 필름 스택(예를 들어, Co/Ni 필름 스택)은, 필름 스택이 fcc 구조를 가지며 (111) 면이 기판의 수직 방향으로 적층되는 fcc (111)-배향의 결정 구조로 구조화될 때 수직 자기 이방성을 보인다. G. H. O. Daalderop등의 “Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 제68권, 제5호, 페이지 682-685, 1992에 따르면, 전술된 필름 스택의 수직 자기 이방성은, 그 계면에서의 계면 자기 이방성으로부터 발생한다. 개선된 수직 자기 이방성을 데이터 기록층(10)에 제공하기 위하여, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 천이 금속들의 교대 필름 스택의 성장을 가능케하는 "하층(underlayer)"을 배치하는 것이 바람직하다.Alternating film stacks (e.g. Co / Ni film stacks) of transition metals are structured in an fcc (111) -oriented crystal structure in which the film stack has an fcc structure and the (111) plane is stacked in the vertical direction of the substrate. When it looks perpendicular magnetic anisotropy. According to GHO Daalderop et al., “Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co / Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 68, No. 5, pages 682-685, 1992, the perpendicular magnetic anisotropy of the film stack described above, It arises from the interface magnetic anisotropy at the interface. In order to provide improved perpendicular magnetic anisotropy to the
이 실시예의 자기저항 효과 소자(100)는, 개선된 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 데이터 기록층(10)의 성장을 가능케하는 하층(40)을 포함한다.The
이 실시예에서, 하층(40)은 3개의 층: 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)을 포함한다. 제1 자성 하층(41)은, 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면과, 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에 위치한 층간 유전체(60) 부분의 상부면을 피복하도록 형성된다. 비자성 하층(42)은 제1 자성 하층(41)의 상부면을 피복하도록 형성되고, 제2 자성 하층(43)은 비자성 하층(42)의 상부면을 피복하도록 형성된다.In this embodiment, the
자성 하층(41)은, 본질적으로 강자성 속성을 보이는 재료로 형성되지만, 자성 하층(41)이 층간 유전체(60)와 같은 아몰퍼스 필름 상에 형성될 때 강자성을 보이지 않도록 하는 감소된 두께로 형성된다. 이 실시예에서, 자성 하층(41)은 주성분으로서 NiFe를 포함하고 Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑되며, 여기서, 자성 하층(41)의 비자성 요소(들)의 농도는 10 내지 25 원자 %이고, 자성 하층(41)의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위이다. 비자성 하층(42)은, fcc 구조를 가지며 강한 (111) 배향을 보이는 비자성 필름으로 형성된다. 이 실시예에서, 비자성 하층(42)은, Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 두께 0.3 내지 4.0 nm로 형성된다. 제2 자성 하층(43)은, 제1 및 제2 층이 적어도 한번 교대로 적층되는 자성 필름 스택으로 형성되고, 여기서 제1 층은 Pt 또는 Pd로 형성되고 제2 층은 Fe, Co, 또는 Ni로 형성된다.The
제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 이와 같은 조합은, 데이터 기록층(10)이 강한 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 한편, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화한다. 개략적으로, 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)의 속성은, 층간 유전체(60) 상에 위치한 부분과 자화 고정층(50a 및 50b) 상에 위치한 부분간에 상이하다. 일반적으로, 아몰퍼스 필름 상에 형성된 필름은 불량한 배향을 보인다. 따라서, 주요 문제는, SiOx 및 SiN 필름과 같은 아몰퍼스 필름으로 형성된 층간 유전체 필름(60) 위에 위치한 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)의 부분들에 대해, 개선된 수직 자기 이방성을 보이도록 fcc (111)-배향의 구조로 데이터 기록층(10)을 형성하는 것이다. 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 놓인 부분들에 대해, 주요 문제는, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화시키는 것이다; 하층(40)의 구조가 부적당할 때(예를 들어, 전술된 종래 기술의 경우에서와 같이 두꺼운 비자성 필름이 하층(40)으로서 사용될 때), 이것은 바람직하지 않게도 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 약화시킨다. 이 실시예에서 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 조합은 동시에 이들 2개 요건을 충족한다.This combination of the first magnetic
먼저, 층간 유전체 필름(60) 위에 놓인 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 부분들이 논의된다. 아몰퍼스 필름인 층간 유전체(60) 상에 형성될 때, 제1 자성 하층(41)은 0.5 내지 3.0 nm의 얇은 필름 두께로 인해 아몰퍼스로서 성장되어, 그 표면 에너지를 확대한다. 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41)의 부분은, 아몰퍼스 성장 프로세스로 인해 실질적으로 자화가 없는 상태로 형성된다. 이렇게 구성된 제1 자성 하층(41)은, 그 표면 상에 형성된 결정의 최밀집 배향(closest packed orientation)(최소한의 표면 에너지면을 갖는 배향)을 촉진한다. 또한, 제1 자성 하층(41) 상에 형성된 비자성 하층(42)은, 그 최밀집 면이 fcc (111) 면을 향하도록 배향되는데, 이것은 비자성 하층(42)이 Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 형성되고, 이들 재료중 임의의 것으로 형성된 필름은 본질적으로 fcc 구조를 가지기 때문이다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42) 위에 자성 필름을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성되며, 여기서 자성 필름은 fcc 구조를 가지며, (111) 배향에 대해 강한 수직 자기 이방성을 보인다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42)이 얇은 필름 두께를 갖는 경우에도, 제1 자성 하층(41)의 제공으로 인해 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성된다는 점에 주목해야 한다.First, portions of the first
반면, 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 놓인 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 부분은, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 효율적으로 강화한다. 일반적으로-사용되는 자화 고정층의 경우에서와 같이, 자화 고정층(50a 및 50b)이 Co/Pt 필름 스택 및 Co-Pt 합금 필름과 같은 강한 자성 재료로 형성되는 경우에 대해, 제1 자성 하층(41)의 부분들의 자화는, 제1 하층(41)과 비자성 하층(42)이 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 후속해서 적층될 때 자화 고정층(50a 및 50b)으로부터의 자기적 상호작용으로 인해, 각각 자화 고정층(50a 및 50b)의 방향과 동일한 방향인 수직 방향으로 향한다. 이와 같은 자기적 상호작용은, 비자성 하층(42)을 통해 데이터 기록층(10)의 부분들의 자화를 고정시키고, 그 결과 자화 고정 영역(11a 및 11b)이 데이터 기록층(10)에 형성된다. 비자성 하층(42)의 얇은 필름 두께(0.5 내지 4.0 nm)로 인해, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에서 강한 자기 결합이 달성된다는 점에 주목해야 한다.On the other hand, the portions of the first magnetic
층간 유전체(60) 상에서의 제1 자성 하층(41)의 직접적 피착이 수직 자기 이방성을 열화시키는 바람직하지 못한 자기적 영향을 유발할 가능성이 있다는 것을 생각해 볼 수 있다. 즉, 아몰퍼스 층간 유전체(60) 상에서의 제1 자성 하층(41)의 형성은 제1 자성 하층(41)이 면내 자기 이방성을 보이도록 하여, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시킬 수 있다는 점을 생각해 볼 수 있다; 그러나, 제1 자성 하층(41)은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시키는 바람직하지 못한 자기적 영향을 실제로는 유발하지 않는데, 이것은 제1 자성 하층(41)이, 층간 유전체(60) 상에 배치된 부분에서 제1 자성 하층(41)이 실질적으로 자화되지 않도록 형성되기 때문이다. 따라서, 데이터 기록층(10)에서 개선된 수직 자기 이방성이 또한 달성된다.It is contemplated that the direct deposition of the first
제2 자성 하층(43)은, 데이터 기록층(10)의 fcc (111) 배향을 개선시켜 수직 자기 이방성을 강화하는, 데이터 기록층(10)의 결정 배향의 템플릿으로서 기능한다. 이 실시예에서, 제2 자성 하층(43)은, 제1 및 제2 층이 적어도 한번 적층되는 필름 스택으로 형성되고, 여기서 제1 층은 Pt 또는 Pd로 형성되고 제2 층은 Fe, Co, 또는 Ni로 형성된다. 이렇게 구성된 제2 자성 하층(43)은, Co/Ni 필름 스택으로 형성된 데이터 기록층(10)의 fcc 배향(111)을 효과적으로 개선하여, 그 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 또한, 이렇게 구성된 제2 자성 하층(43)은, 제2 자성 하층(43)에서 적층되는 제1 및 제2 층들의 갯수를 조정함으로써, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 조정을 허용한다. 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성은 적절한 범위 내로 조정되는 것이 바람직한데, 이것은 만일 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성이 과도하게 강할 경우 기록 전류가 증가되기 때문이다.The second magnetic
fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 자성 필름이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 제2 자성 하층(43)은 불필요할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들어, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, Pt, Au, Pd, 또는 Ir로 형성된 비자성 하층(42) 상에서의 데이터 기록층(10)의 직접적 피착은 강한 수직 자기 이방성으로 이어지지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해, fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 않는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 제2 자성 하층(43)의 이용은 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 반면, fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 자성 필름(예를 들어, Pt 또는 Pd로 구성된 적어도 하나의 제1 층과, Fe, Co, 또는 Ni로 구성된 적어도 하나의 제2 층을 포함하는 자성 필름 스택)이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)은 비자성 하층(42) 상에 직접 형성될 수 있다.It should be noted that the second
앞서 논의된 바와 같이, 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)과 제2 자성 하층(43)으로 구성된 필름 스택으로 구성된 필름 스택으로서 형성된 하층(40)의 사용은, 데이터 기록층(10)이 강한 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 한편, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화한다. 발명자들은 전술된 사실들을 실험을 통해 확인하였다. 그 실험 결과는 아래에서 설명된다.As discussed above, the use of the
(실험 1: 제1 자성 하층(41)의 자기 속성)(Experiment 1: magnetic property of the first magnetic lower layer 41)
먼저, 제1 자성 하층(41)의 자기 속성과 양호한 두께 범위에 대해 설명될 것이다. 일반적으로, 제1 자성 하층(41)의 속성은, 전술된 바와 같이, (SiN 또는 SiOx 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 부분과, 자화 고정층(50a 및 50b)과 접촉하는 부분 사이에서 상이하다.First, the magnetic properties and the good thickness range of the first
(SiN 또는 SiO2 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41)의 부분을 연구하기 위하여, Si 기판 상에 형성된 SiN 필름 또는 SiOx 필름을 각각 포함하는 기판들 상에 NiFeW 필름이 피착되었고, NiFeW의 자화가 측정되었다. 피착된 NiFeW 필름의 두께는 1 내지 10 nm 범위에 있었다. NiFeW 필름은, 12.5 원자 %의 텅스텐(W)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속(base metal)이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. 모든 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다. 각 샘플의 자화의 측정시에 필름 표면에 수직한 방향으로 자기장이 인가되었다. 1 내지 10 nm 범위의 두께에 대하여, NiFeW 필름은 직사각형 형상의 M-H 히스테리시스 루프를 보이지 않으며, 이것은 이와 같은 NiFeW 필름이 비-강자성 필름이거나 면내 자화 필름이라는 것을 확인시킨다.To study the portion of the first
도 4a는 필름 두께에 대한 NiFeW 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, SiN 및 SiOx 필름 중 어느 것이 NiFeW 필름 바로 아래에 배치되는지에 관계없이, 자화는 필름 두께 4 nm 이상에 대하여 필름 두께가 증가함에 따라 단조 증가하는 경향이 있다. 한편, 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께에 대하여, 특히 2 nm보다 작은 필름 두께에 대하여, SiN 필름 SiOx 필름 양자 모두의 경우에서, 4 nm 이상의 필름 두께의 NiFeW 필름의 경우에 비해, 상당히 감소된 자화가 관찰되었다. 이 결과는, NiFeW 필름이 층간 유전체(60) 상에 피착될 때, NiFeW 필름은 얇은 필름 두께에서 자화를 보이지 않는다는 것을 나타낸다.4A is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeW film versus film thickness. As shown in FIG. 4A, magnetization tends to monotonically increase as the film thickness increases for
이와 같이 논의된 것처럼, 제1 자성 하층(41)으로서 0.5 내지 3 nm의 두께의 NiFeW 필름의 이용은, 비자성 하층(42)을 통해 제2 자성 하층(43) 상에 미치는 자기 영향을 제거함으로써, 제2 자성 하층(34)의 수직 자기 이방성에서의 교란을 피하고, Co/Ni 필름 스택으로서 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 이것은, 개선된 fcc (111) 배향을, Co/Ni 필름 스택으로서 형성된 데이터 기록층(10)에 제공하는 것을 허용한다.As discussed above, the use of a NiFeW film with a thickness of 0.5 to 3 nm as the first
반면, 제1 자성 하층(41)으로서 3 nm보다 큰 필름 두께를 갖는 NiFeW의 이용은 바람직하지 못한데, 이것은, 이와 같은 NiFeW 필름의 이용은, 바람직하지 못하게도, 비자성 하층(42)을 통한 제2 자성 하층(43) 및 데이터 기록층(10)에 미치는 자기 영향으로 인해, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 약화시키기 때문이다.On the other hand, the use of NiFeW having a film thickness greater than 3 nm as the first
또한, 제1 자성 하층(41)으로서 0.5 nm보다 작은 필름 두께를 갖는 NiFeW 필름의 이용은, 바람직하지 못하게도, 데이터 기록층(10)의 fcc (111) 배향을 열화시키는데, 이것은 층간 유전체(60)의 표면 불균일성이 제1 자성 하층(41)을 통해 비자성 하층(42)에 영향을 미치기 때문이다. 전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 자성 하층(41)에 대한 NiFeW 필름의 양호한 두께 범위는 0.5 내지 3 nm이다.In addition, the use of a NiFeW film having a film thickness smaller than 0.5 nm as the first
Zr, Ta, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소가 W를 대신하여 NiFe 비천 금속에 도핑되는 경우에도 마찬가지로 적용된다. 예를 들어, 도 4b는 필름 두께에 대한 NiFeZr 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4c는 필름 두께에 대한 NiFeTa 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4b 및 4c는, Si 기판 상에 형성된 SiN 필름을 포함하는 기판들 상에 NiFeZr 필름과 NiFeTa 필름을 피착하고, NiFeZr 필름 및 NiFeTa 필름의 자화를 측정함으로써 얻어졌다는 점에 주목해야 한다. NiFeZr 및 NiFeTa 필름에 대해서도, 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께, 특히 2 nm보다 작은 필름 두께에서 상당히 감소된 자화가 관찰되었다. 이 결과는, NiFeZr 및 NiFeTa 필름이 층간 유전체(60) 상에 피착될 때, NiFeZr 및 NiFeTa 필름은 얇은 필름 두께에서 자화를 보이지 않는다는 것을 나타낸다.The same applies to the case where at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, Hf and V is doped in place of W to the NiFe base metal. For example, FIG. 4B is a graph showing the size change of the magnetization of the NiFeZr film with respect to the film thickness, and FIG. 4C is a graph showing the size change of the magnetization of the NiFeTa film with respect to the film thickness. It should be noted that FIGS. 4B and 4C were obtained by depositing a NiFeZr film and a NiFeTa film on substrates including a SiN film formed on a Si substrate and measuring the magnetization of the NiFeZr film and the NiFeTa film. Even for NiFeZr and NiFeTa films, significantly reduced magnetization was observed at film thicknesses of 0.5 nm to 3 nm, especially at film thicknesses less than 2 nm. This result indicates that when the NiFeZr and NiFeTa films are deposited on the
전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 자성 하층(41)은, 양호하게는 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께, 더욱 양호하게는 2 nm보다 작은 필름 두께를 가진다.As can be appreciated from the foregoing discussion, the first
(실험 2: 제1 자성 하층(41)의 결정 구조)(Experiment 2: Crystal structure of the first magnetic lower layer 41)
다음으로, 주성분으로서의 NiFe와, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 제1 자성 하층(41)의 결정 구조와 비자성 도펀트(dopant) 농도간의 관계에 관한 실험 결과에 대해 설명할 것이다. 이 실험에서, Zr, Ta, W, Hf 및 V 중 임의의 것으로 도핑된 NiFe 비천 금속으로 구성된 필름들이 형성되었다. 형성된 필름들의 결정 구조가 X-선 회절계(diffractometer)를 이용하여 분석되었다. 주요 성분이 되는 NiFe 비천 금속의 구성은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. 형성된 필름의 두께는 15 nm였다.Next, between the crystal structure and the nonmagnetic dopant concentration of the first
결과는, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑된 NiFeX 필름(X: Zr, Ta, W, Hf 또는 V)은, 10 내지 25 원자 %의 비자성 도펀트 농도에 대해 넓은 피크를 갖는 회절 프로파일을 보였다; 이것은 NiFeX 필름은 아몰퍼스 구조를 가진다는 것을 나타낸다. 10 원자 %보다 낮은 비자성 도펀트 농도에 대해, NiFe로부터 생긴 결정 구조가 관찰되었다. 25 원자 %보다 높은 비자성 도펀트 농도에 대해, NiFe와 비자성 원소의 합성물 및 혼합물의 회절 피크가 관찰되었다. 이것은, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑된 NiFeX(X: Zr, Ta, W, Hf 및 V)가 제1 자성 하층(41)으로서 사용될 때, 비자성 원소의 양호한 농도는 10 내지 25 원자 %라는 것을 암시한다.The result is that a NiFeX film (X: Zr, Ta, W, Hf or V) doped with at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V has a ratio of 10-25 atomic% Showed a diffraction profile with broad peaks for the sexual dopant concentration; This indicates that the NiFeX film has an amorphous structure. For nonmagnetic dopant concentrations lower than 10 atomic%, a crystal structure resulting from NiFe was observed. For nonmagnetic dopant concentrations higher than 25 atomic%, diffraction peaks of compounds and mixtures of NiFe and nonmagnetic elements were observed. This is because when NiFeX (X: Zr, Ta, W, Hf and V) doped with at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V is used as the first
전술된 바와 같이, Zr, Ta, W, Hf 및 V 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소와 주성분으로서 NiFe를 포함하는 제1 자성 하층(41)은, 제1 자성 하층(41)의 필름 두께가 0.5 내지 3 nm로 조정될 때, 실질적으로 어떠한 자화도 보이지 않는다. 비자성 원소(Zr, Ta, W, Hf 또는 V)의 도펀트 농도는, 양호하게는, 10 내지 25 원자 % 범위이다.As described above, the first
(실험 3: 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b)간의 자기 결합)(Experiment 3: magnetic coupling between the
다음으로, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b)간의 자기 결합의 크기와 비자성 하층(42)의 두께간의 관계에 관한 실험 결과에 대해 설명한다. 이 실험에서, 자화 고정층(50a 및 50b), 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 제2 자성 하층(43), 및 데이터 기록층(10)에 대응하는 필름을 각각 포함하는 필름 스택들이 형성되었다. Co와 Pt 필름이 교대로 적층되는 Co/Pt 필름 스택이 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름으로서 사용되었다. 두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름이 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 사용되었고, Pt 필름이 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 Co/Pt 필름 스택이, 제2 자성 하층(43)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 마지막으로, 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름들이 0.3 내지 5 nm 범위의 상이한 두께를 갖고 있는 전술된 구조의 샘플들이 준비되었고, 그 자기 속성이 측정되었다. 준비된 모든 샘플들은 앞서 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.Next, an experimental result regarding the relationship between the magnitude of the magnetic coupling between the
도 5a는, Pt 필름의 필름 두께에 대한 (비자성 하층(42)에 대응하는) Pt 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께 범위에서 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 가로질러 1900 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 발명자들은, 이 결과가 다음과 같은 이유로 발생되었다고 생각한다: 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택은 제1 자성 하층(41)에 대응하는 NiFeZr의 하층으로서 기능하기 때문에, 얇은 NiFeZr 필름은 Co/Pt 필름 스택의 자화의 영향으로 인해 수직 자기 이방성을 보인다. 또한, Co/Pt 필름 스택과 NiFeZr 필름의 수직 자화는 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 제2 자성 하층(43)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택에 영향을 미쳐, 결과적으로 Pt 필름의 감소된 두께에 대해 자기 결합을 초래한다. 또한, 제2 자성 하층(43)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택은, 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택에 자기적으로 결합된다. 그 결과, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 약 1900 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 생성된다. 이것은, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합에 의해 고정될 수 있다는 것을 암시한다.FIG. 5A is a table showing the combined magnetic field change exerted through the Pt film (corresponding to the nonmagnetic underlayer 42) relative to the film thickness of the Pt film. As shown in FIG. 5A, a combined magnetic field of 1900 to 1975 (Oe) was observed across the Pt film corresponding to the
한편, 4.5 nm 이상의 필름 두께에 대하여, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 가해지는 결합 자기장은 제로였다. 이것은, 비자성 하층(42)으로서 4.5 nm 이상의 두께의 Pt 필름의 이용 결과, 자화 고정층(50a 및 50b) 및 데이터 기록층(10)의 자화가 자기적으로 결합되지 않는다, 즉, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 고정되지 않는다는 것을 암시한다.On the other hand, for a film thickness of 4.5 nm or more, the combined magnetic field applied through the Pt film corresponding to the
자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택에 자기적으로 결합되더라도, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름의 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때 결합 자기장은 비교적 작다는 점에 주목해야 한다. 이것은, Pt 필름이 충분한 fcc (111) 배향을 보이지 않고, 따라서 그 상에 피착된 Co/Ni 필름 스택이 불량한 fcc (111) 배향을 보이기 때문이다. 전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 비자성 하층(42)으로서 Pt 필름이 사용될 때, Pt 필름은 양호하게는 0.5 내지 4.0 nm의 두께를 가진다.Although the Co / Pt film stacks corresponding to the magnetization pinned
Pt 필름을 대신해 Au 필름, Pd 필름, 및 Ir 필름 중 임의의 것이 사용되는 경우에 대해 유사한 결과가 얻어졌다. 예를 들어, 도 5b는, 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 두께 1.5 nm의 NiFeTa 필름이 사용되고, 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 Pd 필름이 사용될 때, Pd 필름의 필름 두께에 대한, Pd 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께에 대해 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름을 통해 1910 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름의 필름 두께가 4.5 nm 이상일 때, 결합 자기장은 제로 또는 제로에 가까운 값이었다. 또한, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름의 필름 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때, 1630 (Oe)의 비교적 감소된 결합 자기장이 관찰되었다.Similar results were obtained for the case where any of Au films, Pd films, and Ir films were used in place of Pt films. For example, FIG. 5B shows a film of a Pd film when a NiFeTa film having a thickness of 1.5 nm is used as the film corresponding to the first magnetic
또한, 도 5c는, 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 두께 1.5 nm의 NiFeTa 필름이 사용되고, 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 Ir 필름이 사용될 때, Ir 필름의 필름 두께에 대한, Ir 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께에 대하여 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름을 통해 1930 내지 1965 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름의 필름 두께가 4.5 nm 이상일 때, 결합 자기장은 제로였다. 또한, 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름의 필름 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때, 1700 (Oe)의 비교적 감소된 결합 자기장이 관찰되었다.5C shows the film thickness of the Ir film when a NiFeTa film having a thickness of 1.5 nm is used as the film corresponding to the first magnetic
전술된 결과는, 비자성 하층(42)은 양호하게는 0.5 내지 4.0 nm의 두께를 가진다는 것을 나타낸다.The above-described results indicate that the
(실험 4: 자기저항 효과 소자(100)의 자기 속성)(Experiment 4: magnetic property of magnetoresistive effect element 100)
이하에서, 전술된 하층(40)이 적용되는 자기저항 효과 소자(100)의 자기 속성에 관한 실험 결과에 대해 설명한다. 이 실험에서, 전술된 하층(40)이 적용되는 자기저항 효과 소자(100)가 실제로 제조되었고, 데이터 기록층(10)의 자기 속성이 측정되었다.Hereinafter, the experimental results regarding the magnetic properties of the
다음과 같은 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 구현예 1로서 준비되었다. 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 각각의 자기저항 효과 소자(100)의 하층(40)으로서 이 순서대로 순차적으로 적층되었다. 제1 자성 하층(41)으로서 두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 전술된 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 준비되었고, 여기서, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 자기저항 효과 소자(100)의 폭은 100 nm였다. 이들 자기저항 효과 소자(100)는, 하층(40)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.A
도 6a 내지 6d는, 제2 자성 하층(43) 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 0 내지 3인 경우에 대해 데이터 기록층(10)의 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로인 경우에 대해(즉, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않은 경우), 도 6a에 도시된 바와 같이, 데이터 기록층(10)은 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였고, 면내 자화 성분을 포함했다. 도 6b 내지 6d에 도시된 바와 같이, M-H 루프가 더욱 직사각형이 되었고, 적층된 Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되는 경향이 있었다. 이것은, 제2 자성 하층(43)의 이용은, 2시간 동안 350°C에서의 열처리 후에도, fcc (111) 배향을 달성하기가 비교적 어려운 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되는 경우에 대하여 강한 수직 자기 이방성의 달성을 가능케한다는 것을 암시한다.6A to 6D are diagrams showing magnetic field curves of the
각각 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)으로서 1.5 nm 두께의 NiFeZr 필름과 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되고, 0.4 nm 두께의 Co 필름과 0.8 nm 두께의 Pt 필름이 적층된 Co/Pt 자성 필름 스택이 비자성 하층(42) 상에 피착된 경우에 대하여, 비슷한 측정이 이루어졌다. Co/Pt 자성 필름 스택에서 Co 필름과 Pt 필름의 갯수는 1이었다. 도 6e는 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. 도 6e에 도시된 바와 같이, fcc (111) 배향이 비교적 용이하게 형성되는 Co/Pt 자성 필름 스택에 대하여, 개선된 직사각형 형상을 갖는 자화장 곡선이 얻어졌다.As the first
이 사실은 2가지 기술적 의미를 가진다. 첫째, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 데이터 기록층(10)에 대해 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 두번째, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 제2 자성 하층(43)의 형성을 가능케하고, (예를 들어, Co/Ni 자성 필름 스택으로 형성된) 그 표면 상에 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 개선한다.This fact has two technical meanings. First, the use of the Co / Pt magnetic film stack as the
또한, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용되고 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 포화장 Hs가 측정되었다. 도 7은, 본 출원에서의 포화장 Hs의 정의를 나타낸다. 본 출원에서, 포화장 Hs는, 외부 자기장이 데이터 기록층(10)의 면내 방향으로 인가될 때 데이터 기록층(10)의 자화가 외부 자기장의 방향으로 완전하게 향해지는 외부 자기장의 크기로서 정의된다. 도 7에서, 예를 들어, Hs1은, 샘플(1)의 포화장을 나타내고, Hs2는 샘플(2)의 포화장을 나타낸다. 큰 포화장은 수직 자기 이방성이 크다는 것을 암시한다. 도 7에서, 예를 들어, 샘플(1)의 포화장 Hs(즉, 그 자신의 방향으로 완전하게 자화를 지시하는 자기장)는 샘플(2)의 포화장보다 크고, 이것은 샘플(1)의 수직 자기 이방성이 샘플(2)의 수직 자기 이방성보다 크다는 것을 암시한다.In addition, the second
도 8은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs의 변화를 나타내며, 여기서, Co 및 Pt의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 도 8로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 따라 증가하였다; 이것은 Co 및 Pt 필름의 개수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되었다는 것을 암시한다.Figure 8 shows a second port change makeup H s of the
도 9는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한, 포화장 Hs 및 기록 전류에서의 변화를 나타낸다. 기록 전류의 크기는, 데이터 기록층(10)에서 도메인 벽 이동을 유발하기 위해 필요한 최소한의 기록 전류로서 정의된다. 실험 절차의 세부사항은, 본 명세서에서 참조용으로 인용하는 T. Suzuki 등의 “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”, 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션 제45권, 제10호, 페이지 3776-3779, (2009)에 개시되어 있다.9 shows a variation in the second magnetic from the lower layer (43) of the number of Co and Pt film, bubble cosmetic H s and the recording current. The magnitude of the write current is defined as the minimum write current required to cause domain wall movement in the
제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로였던(이것은 제2 자성 하층(43)이 피착되지 않았다는 것을 의미) 샘플들에 대해, 전류에 의한 도메인 벽 이동은 명확히 관찰되지 않았고, 그 결과 기록 전류의 측정이 성공적이지 못하였다. 이것은, 데이터 기록층(10)이 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였으며 도 6a에 도시된 바와 같이 면내 자화 성분을 포함하였다는 사실로부터 발생한 것으로 생각할 수 있다.For samples where the number of Co and Pt films in the second
제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로가 아닌 경우에 대하여, 기록 전류는, Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 점진적으로 증가하였다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 4인 경우에 대하여, 포화장 Hs는 약 10000 (Oe)까지 증가하였고, 기록 전류는 가파르게 증가하여 0.5 mA를 초과하였다. N. Sakimura 등의 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에 따르면, 기록 전류를 0.5 mA 아래로 감소시킴으로써, 기존의 임베딩형 SRAM의 레벨로 셀 영역을 감소시킬 수 있다.For the case where the number of Co and Pt films in the second
이와 같이 기술된 것처럼, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 필름 스택의 이용은, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 강화한다. 또한, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수의 조정은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 제어를 가능케하였고, 도메인 벽 이동을 유발하는데 필요한 기록 전류(또는 도메인 벽 이동 전류)를 충분히 감소시켰다. 수직 자기 이방성을 적절한 값으로 조정하기 위해 바람직한 포화장 Hs의 범위는, 3000 (Oe) ≤ HS ≤ 10000 (Oe)였고, 이 범위에서 포화장 Hs를 달성하기 위한 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 1 내지 3이었다.As described above, the use of the Co / Pt film stack as the second
비교예 1로서, 자기저항 효과 소자(300)가 도 10에 도시된 바와 같이 추가로 준비되었고, 여기서 하층(70)은 제1 자성 하층(71) 및 비자성 하층(72)으로 구성되었고, 두께 2 nm의 NiFeB 필름이 제1 자성 하층(71)으로서 사용되었고, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(72)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택으로서 하층(70) 상에 데이터 기록층(10)이 형성되었다. 자기저항 효과 소자(300)는, 구현예 1의 경우에서와 같이, 하층(70)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.As Comparative Example 1, a
자기저항 효과 소자(300)의 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs는 약 1050 (Oe)로서 측정되었다. 또한, 필름 표면의 수직 방향으로 자기장을 인가함으로써 측정된 자화장 루프로부터 자기저항 효과 소자(300)의 데이터 기록층(10)은 면내 자화 성분을 포함하고 매우 약한 수직 자기 이방성을 보인다는 것이 판정되었다. NiFeB 필름은 필름 두께에 관계없이 면내 자기 이방성을 보이며, 그 자화는 열처리에 의해 증가된다. 이것은, 제1 자성 하층(71)이 비자성 하층(72)을 통해 면내 방향으로 데이터 기록층(10)(Co/Ni 필름 스택)의 자화를 지시하는 효과를 유발했기 때문이며, 그 결과, 데이터 기록층(10)은 약한 수직 자기 이방성을 보인 면내 자화 필름으로서 형성되었다.Four magnetic makeup H s of the
또한, 구현예 2로서, 두께 1.5 nm의 NiFeW 필름이 제1 자성 하층(41)으로서 사용된 자기저항 효과 소자(100)가 추가로 준비되었다. 이 양태를 제외하고, 구현예 2의 자기저항 효과 소자(100)의 구성은 구현예 1의 경우와 동일하였다. 상세하게는, 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 하층(40)으로서 이 순서대로 순차적으로 형성되었다. 제1 자성 하층(41)으로서 두께 1.5 nm의 NiFeW 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 복수의 Co 필름과 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 구현예 2의 자기저항 효과 소자(100)는 또한 진공에서 2시간 동안 350˚C에서 열처리되었다. 이렇게 구성된 자기저항 효과 소자(100)에 대해, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화가 검사되었다. 도 11a는, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 11a로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, Co 필름과 Pt 필름의 갯수가 1 내지 3 일 때 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.In addition, as
또한, 예 3으로서, 두께 1.5 nm의 NiFeV 필름이 제1 자성 하층(41)으로 사용되고 두께 2 nm의 Au 필름이 사용된 자기저항 효과 소자(100)가 추가적으로 준비되었다. 이 양태를 제외하고, 예 3의 자기저항 효과 소자(100)의 구성은 구현예 1 및 2의 경우와 동일하였다. 이렇게 구성된 자기저항 효과 소자(100)에 대해, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한, 자화장 Hs의 변화가 검사되었다. 도 11b는, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한, 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 또한 도 11b에서와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.Further, as Example 3, a
전술된 결과는, 제2 자성 하층(43)에서 Co 필름과 Pt 필름의 양호한 필름 두께 비율은 1.0 내지 5.0임을 나타낸다.The above result indicates that the good film thickness ratio of the Co film and the Pt film in the second
전술된 예들이, NiFeZr 필름 또는 NiFeW 필름이 제1 자성 하층(41)으로서 사용되고, Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되고, Co 및 Pt 필름으로 구성된 필름 스택이 제2 비자성 하층(43)으로 사용된 경우에 관한 것이지만, 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42) 및 제2 자성 하층(43)의 재료는 전술된 것으로만 제한되는 것은 아니다. 발명자들은, (Zr 및 W를 대신하여) Ta, Hf 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 재료로 NiFe 비천 금속을 도핑함으로써 얻어진 얇은 필름 재료를 이용하여 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 발명자들은, Pt 필름을 대신하여 비자성 하층(42)으로서 Au 필름, Pd 필름 또는 Ir 필름을 이용함으로써 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것도 확인하였다. 또한, 발명자들은, Co 필름과 Pt 필름의 조합을 대신하여, 제2 자성 하층(43)으로서 Fe, Co 및 Ni 중 임의의 것으로 형성된 층들과, Pt 및 Pd 중 임의의 것으로 형성된 층들의 조합을 이용하여, 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것을 확인하였다.In the above-described examples, a NiFeZr film or NiFeW film is used as the first
제2 2nd 실시예Example
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 자기저항 효과 소자(100A)의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 제2 실시예의 자기저항 효과 소자(100A)는 제1 실시예의 자기저항 효과 소자(100)와 유사하게 구성된다. 차이점은 하층의 구조에 있다. 제1 실시예에서, 전술된 바와 같이, 하층(40)의 제1 자성 하층(41)은, 제1 자성 하층(41)이 강자성을 보이지 않도록 하는 얇은 두께를 갖는 본질적으로 강자성의 재료로 형성된다. 반면, 제2 실시예에서, 하층(40A)의 제1 자성 하층(41A)은, 제1 자성 하층(41A)이 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 얇은 두께로(구체적으로, 0.5 내지 3 nm), 본질적으로 면내 자기 이방성을 보이는 재료로 형성된다. 제1 자성 하층(41A)은, 주성분으로서의 Co 또는 Fe와, Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 아몰퍼스 자성 재료로 형성된다.12 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a
비자성 하층(42), 제2 자성 하층(43), 및 데이터 기록층(10)의 구조는 제1 실시예에서와 동일하다. 비자성 하층(42)은, fcc 구조를 가지며 강한 (111) 배향을 보이는 비자성 필름으로 형성된다. 이 실시예에서, 비자성 하층(42)은, Pt, Au, Pd, 또는 Ir로 형성되며, 두께 0.3 내지 4.0 nm를 가진다. 제2 자성 하층(43)은, 적어도 하나의 제1 층과 적어도 하나의 제2 층이 교대로 적층되는 자성 필름 스택으로 형성되며, 여기서, 제1 층은 Pt 및 Pd 중 임의의 하나로 형성되고, 제2 층은 Fe, Co, 및 Ni 중 임의의 하나로 형성된다. 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름인 데이터 기록층(10)은 양호하게는, Co/Ni, Co/Pt, Co/Pd, CoFe/Ni, CoFe/Pt 및 CoFe/Pd와 같은 천이 금속들의 교대로-적층되는 필름 스택으로 형성된다. 이들 재료의 포화 자화는 비교적 작다는 것이 공지되어 있다. 더 일반적으로 말하면, 데이터 기록층(10)은, 제1 및 제2층이 적층되는 필름 스택으로서 구성된다. 제1 층은, Fe, Co Ni, 또는 Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수 재료로 된 합금을 포함한다. 제2 층은, Pt, Pd, Au, Ag, Ni, Cu, 또는 Pt, Pd, Au, Ag, Ni, 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수 재료로 된 합금을 포함한다. 전술된 필름 스택 중에서, Co/Ni 필름 스택은 높은 스핀 분극률을 보인다. 따라서, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 필름 스택이 특히 바람직하다.The structures of the nonmagnetic
제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)의 잇점이 이하에서 논의된다. 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)의 경우에서와 같이, 층간 유전체(60)와 같은 아몰퍼스 필름 상에 형성될 때, 제1 자성 하층(41A)은, 0.5 내지 3.0 nm의 얇은 필름 두께 범위로 아몰퍼스가 되도록 성장되어, 그 표면 에너지를 확대한다. 이렇게 구성된 제1 자성 하층(41A)은, 그 표면 상에 형성된 결정의 최밀집 배향(최소한의 표면 에너지면을 갖는 배향)을 촉진한다. 또한, 제1 자성 하층(41A) 상에 형성된 비자성 하층(42)은, 그 최밀집 면이 fcc (111) 면을 향하도록 성장되는데, 이것은 비자성 하층(42)이 Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 형성되고, 이들 재료중 임의의 것으로 형성된 필름은 원래로 fcc 구조를 가지기 때문이다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42) 위에 자성 필름을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성될 수 있으며, 여기서 자성 필름은 fcc 구조를 가지며, (111) 배향에 대해 강한 수직 자기 이방성을 보인다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42)이 얇은 필름 두께를 갖는 경우에도, 제1 자성 하층(41A)의 제공으로 인해 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성된다는 점에 주목해야 한다.The advantages of the first
여기서, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은, 주성분으로서의 Co 또는 Fe와, Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 재료로 형성되며, 이와 같은 재료는 본질적으로 면내 자기 이방성을 보인다. 이것은, 바람직하지 못하게, 데이터 기록층의 수직 자기 이방성의 열화를 초래한다고 생각할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이와 같은 재료의 제1 자성 하층(41A)은 실제로, 제1 자성 하층(41A)의 두께가 0.5 내지 3 nm 정도로 얇을 때 약한 수직 자기 이방성을 갖는 아몰퍼스 자성체로서 형성된다. 실질적으로 자화를 보이지 않도록 형성된 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)의 경우에서와 같이, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시키지 않는다. 따라서, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 또한, 데이터 기록층(10)의 강한 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 바람직하다.Here, the first magnetic
반면, 자화 고정층(50a 및 50b) 상에 놓인 제1 자성 하층(41A) 부분은, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 효율적으로 강화한다. 제1 자성 하층(41A)과 비자성 하층(42)이 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 후속해서 적층될 때, Co/Pt 필름 스택과 Co-Pt 합금 필름과 같은 강한 자성 재료로 자화 고정층(50a 및 50b)가 형성된 경우에 대하여, 자화 고정층(50a 및 50b) 상의 제1 자성 하층(41A)의 부분들의 자화는, 자화 고정층(50a 및 50b)으로부터의 자기적 상호작용으로 인해, 각각, 자화 고정층(50a 및 50b)의 방향과 동일한 방향인 수직 방향으로 향한다. 이와 같은 자기적 상호작용은, 비자성 하층(42)을 통해 데이터 기록층(10)의 부분들의 자화를 고정시키고, 그 결과 자화 고정 영역(11a 및 11b)이 데이터 기록층(10)에 형성된다. 비자성 하층(42)의 얇은 필름 두께(0.5 내지 4.0 nm)로 인해, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에서 강한 자기 결합이 달성된다는 점에 주목해야 한다.On the other hand, the portion of the first magnetic
전술된 실험 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화시켜, 자기저항 효과 소자의 MR 비율 증가를 달성한다. 또한, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은, 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합을 강화한다. 실험 결과는 이하에서 설명된다.As can be understood from the above experimental results, the first magnetic
(실험 1: 자기 터널 접합의 MR 비율의 하층 재료 의존성)(Experiment 1: Underlying Material Dependence of MR Ratio of Magnetic Tunnel Junction)
먼저, 제1 자성 하층(41 또는 41A)의 재료에 대한, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20) 및 참조층(30)으로 구성된 자기 터널 접합의 MR 비율의 의존성이 검사되었다. 각각의 자기저항 효과 소자에 대해, 층간 유전체(60)에 대응하는 유전체 필름이 기판 및 하층(40 또는 40A) 상에 형성되었고, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20), 및 참조층(30)이 형성되었다. 하층(40 또는 40A), 제1 자성 하층(41 또는 41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 이 순서대로 순차적으로 형성되었다.First, the dependence of the MR ratio of the magnetic tunnel junction composed of the
두께 1.5 nm를 갖는 NiFeZr 필름, CoTa 필름, CoZr 필름 또는 FeZr 필름이 제1 자성 하층(41 또는 41A)으로서 사용되었다. NiFeW 필름은, 12.5 원자 %의 텅스텐(W)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. CoZr 필름은, 20 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. FeZr 필름은, 20 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 Fe 비천 금속이었다. NiFeZr 필름은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하고, CoTa 필름, CoZr 필름 및 FeZr 필름은 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응한다.NiFeZr films, CoTa films, CoZr films or FeZr films with a thickness of 1.5 nm were used as the first
또한, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되었고, 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 이렇게 준비된 샘플들은 100 nm의 폭을 가졌다. 이들 샘플들은, 하층(40)(또는 40A), 데이터 기록층(10), 스페이서층(20) 및 참조층(30)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 300 내지 350°C에서 열처리되었다.In addition, a 2 nm thick Pt film was used as the
도 13a는 제1 자성 하층(41 또는 41A)의 재료에 대한 MR 비율의 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 13a에 도시된 바와 같이, (제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하는) NiFeZr 필름의 이용 결과, 자기 터널 접합은 약 23 내지 42의 MR 비율을 보였다(주목할 점은, 이 범위의 MR 비율은 실제 구현에 대해 충분하다는 것이다). 반면, (제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응하는) CoTa 필름, CoZr 필름, 또는 FeZr 필름의 이용 결과, 자기 터널 접합은 약 53 내지 65의 MR 비율을 보였고, NiFeZr 필름의 이용에 의해 달성되는 MR 비율보다 높은 MR 비율을 달성했다. MR 비율 개선의 영향은, 열처리 온도가 낮은 경우(특히 300 °C의 열처리 온도에 대해)에 대해 특히 의미있었다. 이 결과는, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화시켜, 자기저항 효과 소자의 MR 비율을 효과적으로 증가시킨다는 것을 암시한다.13A is a graph showing the dependence of the MR ratio on the material of the first magnetic
(실험 2: 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 결합 상태의 평가)(Experiment 2: Evaluation of the bonding state between the magnetized pinned
또한, 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 결합 상태가 평가되었다. 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름이 기판 상에 형성되었고, 하층(40 또는 40A) 및 데이터 기록층(10)이 이 자성 필름 상에 형성되었다. 하층(40 또는 40A), 제1 자성 하층(41 또는 41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 이 순서대로 순차적으로 형성되었다.In addition, the bonding state between the magnetized pinned
두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름 또는 CoTa 필름이 제1 자성 하층(41 또는 41A)으로서 사용되었다. NiFeZr 필름은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하고, CoTa 필름은 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응한다. NiFeZr 필름은, 12.5 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다.A NiFeZr film or CoTa film with a thickness of 1.5 nm was used as the first
또한, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되었고, 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 샘플들의 폭은 100 nm였다. 이들 샘플들은, 하층(40)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 300 내지 350°C에서 열처리되었다.In addition, a 2 nm thick Pt film was used as the
도 13b 내지 13e는 이렇게 얻어진 샘플들의 자화장 곡선을 도시한다. 상세하게는, 도 13b 및 13c는 NiFeZr 필름에 기초한 제1 자성 하층(41)을 포함하는 샘플들의 히스테리시스 루프를 도시하며, 도 13d 및 13e는 CoTa 필름에 기초한 제1 자성 하층(41A)을 포함하는 샘플들의 히스테리시스 루프를 도시한다. 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이에 충분히 큰 자기 결합이 있을 때, 한 유닛으로서 자기적으로 결합된 Co/Ni 필름 스택과 자성 필름에서는 자화 역전이 발생하여, 그 결과, 어떠한 계단도 없는 전형적인 히스테리시스 루프가 자화장 곡선으로서 관찰된다. 반면, 자기 결합이 약할 때, 자성 필름과 Co/Ni 필름 스택에서는 개별적으로 자화 역전이 발생하여, 그 결과, 계단식 히스테리시스 루프가 자화장 곡선으로서 관찰된다.13B-13E show the magnetic field curves of the samples thus obtained. Specifically, FIGS. 13B and 13C show a hysteresis loop of samples comprising a first
도 13b 및 13c에 도시된 바와 같이, NiFeZr 필름에 기초한 제1 자성 하층(41)은 350°C의 열처리 온도에 대해 어떠한 계단도 없는 히스테리시스 루프를 달성했다; 그러나, 300°C의 열처리 온도에 대해서는 계단식 히스테리시스 루프가 관찰되었다. 이것은, 300°C의 열처리 온도에서 제1 자성 하층(41)으로서 NiFeZr 필름의 이용은, 바람직하지 못하게, 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이의 자기 결합을 약화시킨다는 것을 암시한다.As shown in FIGS. 13B and 13C, the first
반면, 도 13d 및 13e에 도시된 바와 같이, CoTa 필름에 기초한 제1 자성 하층(41A)은 300 및 350°C의 열처리 온도에 양자 모두에 대해 어떠한 계단도 없는 히스테리시스 루프를 달성했다. 이것은, 제1 자성 하층(41A)으로서 CoTa 필름의 이용은, 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이에 충분히 강한 자기 결합을 달성한다는 것을 암시한다.On the other hand, as shown in FIGS. 13D and 13E, the first
(실험 3: 제1 자성 하층(41A)의 자기 속성)(Experiment 3: magnetic property of the first magnetic
다음으로, 제1 자성 하층(41A)의 자기 속성과 양호한 두께 범위에 대해 설명될 것이다. (SiN 또는 SiO2 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41A)의 부분을 연구하기 위하여, Si 기판 상에 20 nm의 SiN 필름이 피착된 기판들 상에서 CoTa 필름이 형성되었고, CoTa 필름의 자화가 측정되었다. 형성된 CoTa 필름의 두께는 0.5 내지 5 nm 범위에 있었다. 형성된 CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.Next, the magnetic properties and the good thickness range of the first magnetic
도 14a는, 자화 측정시 필름 표면의 수직 방향으로 자기장이 인가될 때의 CoTa 필름의 자화장 곡선을 나타내며, 도 14b는 CoTa 필름 두께에 대한 자화의 크기 변화를 나타낸다. 이와 같은 측정은 샘플들의 수직 자기 이방성의 측정과 같다. 도 14a에 도시된 바와 같이, CoTa 필름은 0.5 nm의 두께에 대하여 자화를 보이지 않았다. (면내 자기 이방성을 보이지 않는) 이와 같은 CoTa 필름은, 제1 자성 하층(41A)으로서 적합하기 때문에, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 발생에 어떠한 자기적 영향도 미치지 않는다.FIG. 14A shows the magnetic field curve of the CoTa film when the magnetic field is applied in the vertical direction of the film surface during the magnetization measurement, and FIG. 14B shows the change in size of magnetization with respect to the CoTa film thickness. This measurement is equivalent to the measurement of the perpendicular magnetic anisotropy of the samples. As shown in FIG. 14A, the CoTa film showed no magnetization for a thickness of 0.5 nm. Such a CoTa film (not showing in-plane magnetic anisotropy) is suitable as the first magnetic
1.0 내지 3.0 nm의 필름 두께 범위에서, 자화장 곡선으로서 히스테리시스 루프가 얻어졌다. 주목해야 할 점은, 필름 표면의 수직 방향으로의 CoTa 필름의 자화는, 도 14b에 도시된 바와 같이 1.0 내지 3.0 nm 범위의 필름 두께에서 작았다는 것이다. 필름 표면의 수직 방향 자화는, 필름 두께 증가에 대해 작은 증가를 보였다. 이것은, CoTa 필름은 1.0 내지 3 nm의 필름 두께 범위에서 작은 수직 자기 이방성을 보인다는 것을 암시한다. (면내 자기 이방성을 보이지 않는) 이와 같은 CoTa 필름은, 제1 자성 하층(41A)으로서 적합하기 때문에, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 발생에 어떠한 자기적 영향도 미치지 않는다.In the film thickness range of 1.0 to 3.0 nm, hysteresis loops were obtained as magnetization curves. It should be noted that the magnetization of the CoTa film in the vertical direction of the film surface was small at a film thickness in the range of 1.0 to 3.0 nm, as shown in FIG. 14B. Vertical magnetization of the film surface showed a small increase with increasing film thickness. This suggests that the CoTa film exhibits small perpendicular magnetic anisotropy in the film thickness range of 1.0 to 3 nm. Such a CoTa film (not showing in-plane magnetic anisotropy) is suitable as the first magnetic
주목해야 할 점은, 제1 자성 하층(41A)은 0.5 nm 아래의 필름 두께에서 결정 성장을 강화시키는 원래-의도한 기능을 제공하지 않는다는 것이다. 따라서, CoTa 필름이 제1 자성 하층(41A)으로서 사용될 때, CoTa 필름의 두께는 바람직하게는 0.5 nm 내지 3.0 nm의 범위에 있다.It should be noted that the first
반면 필름 두께가 4.0 nm 일 때, 필름 표면의 수직 방향 자화는 도 14a에 도시된 바와 같이 감소하였다. 이것은, CoTa 필름에서 면내 방향으로 큰 자화가 발생, 즉, 큰 면내 이방성이 발생되었다는 사실로부터 나온 것이다. 필름 두께 4.0 nm 이상에 대하여 CoTa 필름에서 큰 면내 자기 이방성이 생성되기 때문에, 이와 같은 CoTa 필름은 제1 자성 하층(41A)으로서 적절하지 않다.On the other hand, when the film thickness was 4.0 nm, the vertical magnetization of the film surface was reduced as shown in FIG. 14A. This is derived from the fact that large magnetization occurred in the in-plane direction in the CoTa film, that is, large in-plane anisotropy occurred. Such a CoTa film is not suitable as the first
전술된 결과는, 제1 자성층(41A)으로서의 CoTa 필름의 양호한 필름 두께 범위는 0.5nm 내지 3.0 nm라는 것을 나타낸다.The above results indicate that the preferred film thickness range of the CoTa film as the first
발명자들은, 전술된 CoTa 필름 뿐만 아니라 CoZr 필름, FeTa 필름 및 FeZr 필름에도 마찬가지라는 것을 확인하였다.The inventors confirmed that not only the CoTa film described above but also the CoZr film, the FeTa film, and the FeZr film.
(실험 4: 제2 자성 하층(43)의 구조의 영향)(Experiment 4: Influence of the structure of the second magnetic lower layer 43)
또한, 제2 실시예의 전술된 제1 자성 하층(41A)이 적용되는 경우 자기저항 효과 소자의 제2 자성 하층(43)의 층 갯수의 영향이 검사되었다. 구체적으로, 다음과 같은 구조의 샘플들이 준비되었다: 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 각각의 자기저항 효과 소자의 하층(40A)으로서 이 순서대로 순차적으로 적층되었다. 제1 자성 하층(41A)으로서 두께 1.5 nm의 CoTa 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. 두께 0.4 nm의 하나 이상의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 하나 이상의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 전술된 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 준비되었고, 여기서, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 샘플들의 폭은 100 nm였다. 이들 샘플들은, 하층(40A)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.In addition, when the above-described first magnetic
도 15a 내지 15c는, 제2 자성 하층(43) 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 0 내지 2인 경우에 대해 데이터 기록층(10)의 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로인 경우에 대해(즉, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않은 경우), 도 15a에 도시된 바와 같이, 데이터 기록층(10)은 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였고, 면내 자화 성분을 포함했다. 도 15b 내지 15c에 도시된 바와 같이, M-H 루프가 더욱 직사각형이 되고, 적층된 Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되는 경향이 있었다. 이것은, 제2 자성 하층(43)의 이용은, 2시간 동안 350°C에서의 열처리 후에도, fcc (111) 배향을 달성하기가 비교적 어려운 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되는 경우에 대하여 강한 수직 자기 이방성을 가능케한다는 것을 암시한다.15A to 15C are diagrams showing the magnetic field curve of the
이 사실은 2가지 기술적 의미를 가진다: 첫째, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 데이터 기록층(10)에 대해 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 둘째, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 제2 자성 하층(43)의 형성을 가능케하고, (예를 들어, Co/Ni 자성 필름 스택으로 형성된) 그 상에 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 개선한다.This fact has two technical meanings: First, the use of a Co / Pt magnetic film stack as the
또한, 제1 자성 하층(41A)으로서 CoTa 필름이 사용되고, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용되고, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 포화장 Hs가 측정되었다. 도 16은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs의 변화를 나타내며, 여기서, Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4까지 가변적이다. 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 따라 증가하였다; 이것은 Co 및 Pt 필름의 개수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되었다는 것을 암시한다.Further, when a CoTa film is used as the first
도 17은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한, 포화장 Hs 및 기록 전류에서의 변화를 나타낸다. 기록 전류의 크기는, 데이터 기록층(10)에서 도메인 벽 이동을 유발하기 위해 필요한 최소한의 기록 전류로서 정의된다. 실험 절차의 세부사항은, 본 명세서에서 참조용으로 인용하는 T. Suzuki 등의 “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”, 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션, 제45권, 제10호, 페이지 3776-3779, (2009)에 개시되어 있다.Figure 17 shows the changes in the second magnetic from the lower layer (43) of the number of Co and Pt film, bubble cosmetic H s and the recording current. The magnitude of the write current is defined as the minimum write current required to cause domain wall movement in the
제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt의 갯수가 제로였던(이것은 제2 자성 하층(43)이 피착되지 않았다는 것을 의미) 샘플들에 대해, 전류에 의한 도메인 벽 이동은 명확히 관찰되지 않았고, 그 결과, 기록 전류의 측정이 성공적이지 못하였다. 이것은, 데이터 기록층(10)이 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였으며 도 15a에 도시된 바와 같이 면내 자화 성분을 포함하였다는 사실로부터 발생한 것으로 생각할 수 있다.For samples where the number of Co and Pt in the second
제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로가 아닌 경우에 대하여, 기록 전류는, Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 점진적으로 증가하였다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 4인 경우에 대하여, 포화장 Hs는 약 10000 (Oe)까지 증가하였고, 기록 전류는 가파르게 증가하여 0.5 mA를 초과하였다. N. Sakimura 등의 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에 따르면, 기록 전류를 0.5 mA 아래로 감소시킴으로써 기존의 임베딩형 SRAM의 레벨로 셀 영역을 감소시킬 수 있다.For the case where the number of Co and Pt films in the second
이와 같이 기술된 것처럼, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 필름 스택의 이용은, CoTa 필름이 제1 자성 하층(41A)으로서 사용되고, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 강화하였다. 또한, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수의 조정은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 제어를 가능케하였고, 도메인 벽 이동을 유발하는데 필요한 기록 전류(또는 도메인 벽 이동 전류)를 충분히 감소시켰다. 수직 자기 이방성을 적절한 값으로 조정하기 위해 바람직한 포화장 Hs의 범위는, 3000 (Oe) ≤ HS ≤ 10000 (Oe)였고, 이 범위에서 포화장 Hs를 달성하기 위한 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 1 내지 3이었다.As described above, the use of the Co / Pt film stack as the second
또한, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율의 영향이 검사되었다. 상세하게는, 제1 자성 하층(41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 하층(40A)으로서 이 순서대로 순차적으로 형성되었다. 제1 자성 하층(41A)으로서 두께 1.5 nm의 CoTa 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 복수의 Co 필름과 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다. 이렇게 구성된 샘플들에 대해, 제2 자성 하층(43) 내의 Pt 및 Co 필름의 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화가 검사되었다.Moreover, the influence of the film thickness ratio of the Pt and Co film of the 2nd magnetic
도 18은, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 18로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, Co 필름과 Pt 필름의 갯수가 1 내지 3 일 때 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.FIG. 18 is a graph showing the change in the magnetic field H s versus the number of Pt and Co films in the second
제3 The third 실시예Example
도 19a는 본 발명의 제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)의 예시적 구성을 나타내는 단면도이고, 도 19b는 제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)의 자기 기록층의 예시적 구성을 나타내는 단면도이다. 도 19b는 도 19a의 SS' 섹션의 단면도임에 주목해야 한다.19A is a cross-sectional view showing an exemplary configuration of a
제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)는 제1 실시예의 자기저항 효과 소자(100)와 유사하게 구성된다. 차이점은 하층의 구조에 있다. 제1 실시예에서, 하층(40)은 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42) 및 제2 자성 하층(43)을 포함한다. 반면, 제3 실시예에서, 하층(40B)은 제1 실시예의 제2 자성 하층(43)에 대응하는 요소를 포함하지 못하는 반면, 자성 하층(41) 및 (비자성 하층에 대응하는) 중간층(42B)을 포함한다. 데이터 기록층(10)은 중간층(42B) 상에 형성된다. 제1 실시예에서, 제2 자성 하층(43)은 필수적인 요소가 아니라는 것을 이미 논의하였다; 이 실시예에서, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않는 경우에 대해 양호한 구조가 제시될 것이다.The
자화 고정층(50a 및 50b)은 층간 유전체(60) 상에 형성된 그루브에 임베딩되어 있다. (SiO2 및 SiNx와 같은) 층간 유전체(60) 아래에는 (선택 트랜지스터 Tra 및 Trb와 같은) 요소들과 (워드 라인 WL 및 비트 라인 BL 및 /BL과 같은) 상호접속이 임베딩되어 있다.The magnetized pinned
자성 하층(41)은, 층간 유전체(60)와 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면 상에 형성된다. 자성 하층(41)은, (x 방향의) 끝부분의 하부면(-z 측)에서 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면과 접촉한다. 자성 하층(41)은 자성 재료로 형성된다. 전술된 바와 같이, 자성 하층(41)의 강자성은 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합을 강화한다.The magnetic
자성 하층(41)은 아몰퍼스이거나 마이크로결정 구조를 갖는 것이 바람직한데, 이것은, 이와 같은 구조가 자성 하층(41)의 표면 평탄성을 개선하기 때문이다. 자성 하층(41)의 마이크로결정 구조는, 예를 들어, 수 나노 내지 20 nm의 입자 크기(grain size)를 갖는 결정으로 형성된 결정 상(crystalline phase)으로 있을 수 있다. 대안으로서, 자성 하층(41A)은 결정상 및 아몰퍼스상의 혼합으로서 형성될 수 있다. 데이터 기록층(10)이 원하는 결정도(crystallinity)를 갖도록, 중간층(42B)을 통해 자성 하층(41) 위에 피착되는 데이터 기록층(10)의 형성을 위해 자성 하층(41)의 평활한 표면이 바람직하다. 예를 들어, 데이터 기록층(10)이 [Co/Ni]n/Pt 필름일 때, [Co/Ni] 필름 스택이 높은 수직 자기 이방성을 유발하는 fcc (111) 배향을 보이도록 하기 위해 자성 하층(41)의 평활한 표면이 바람직하다.The
자성 하층(41)은, 주성분으로서 Ni, Fe 및 Co 중 적어도 하나와, Zr, Hf, Ti, V, Nb, Ta, W, B 및 N으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. "주성분"이란 자성 하층(41)에서 가장 많이 존재하는 구성을 의미한다는 점에 주목해야 한다. 자성 하층(41)은, 예를 들어, NiFeZr, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 또는 CoTi로 형성될 수 있다.The magnetic
중간층(42B)은 자성 하층(41)을 피복하도록 형성된 비자성체이다. 중간층(42B) 상에 형성되는 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화하기 위하여, 중간층(42B)은, 결정 배향을 개선하도록 양호하게는 작은 표면 에너지를 갖는 재료로 형성된다. 한 예에서, 중간층(42B)은 Ta 필름으로 형성된다. 중간층(42B)이 Ta 필름으로 형성될 때, 중간층(42B)은 양호하게는 후술되는 바와 같이 0.1 내지 2.0 nm의 두께를 가진다. 중간층(42B)의 두께가 0.1 nm보다 작을 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 강화 효과는 상당히 열화된다. 중간층(42B)의 두께가 2.0 nm보다 클 때, 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합이 소실된다.The
데이터 기록층(10)은, 중간층(42B)을 피복하도록 형성된 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체이다. 자화 고정층(11a, 11b) 및 자화 자유 영역(13)은 데이터 기록층(10) 내에 형성된다. 즉, 데이터 기록층(10)은, 도메인 벽이 형성되고 데이터가 자화 자유 영역(13)의 자화 방향으로서 저장되거나 도메인 벽의 위치로서 저장되는 영역이다. 기록층(10)은, 제1 및 제2 실시예에서 기술된 바와 같은, 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성될 수 있다.The
이하에서, 제3 실시예의 자기저항 효과 소자의 예가 비교예들과의 비교와 함께 설명된다. 포화장은 수직 자기 이방성의 크기의 인덱스로서 사용된다. 포화장의 정의는 도 7을 참조하여 정의된 바와 같다.In the following, an example of the magnetoresistive effect element of the third embodiment is described together with the comparison with the comparative examples. The saturation field is used as an index of the magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy. The definition of the saturation field is as defined with reference to FIG. 7.
[비교예 1]Comparative Example 1
도 20a 및 20b는 비교예 1의 자기저항 효과 소자(300B)의 구성을 나타내는 단면도이다. 주목해야 할 점은, 스페이서층(20) 및 참조층(30)은 도시되어 있지 않다는 것이다. 한 예에서, SiO2 필름이 층간 유전체(60)로서 사용되었다. Pt 필름(10b)과 Co/Ni 필름 스택(10a)이 적층된 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었고, 여기서, Co/Ni 필름 스택(10a)은, 적층된 Co 필름과 Ni 필름으로 형성되었다; [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보이며 도메인 벽 이동에 적합하다. Pt 필름(10c)은 추가적으로 캡 층으로서 피착되었다.20A and 20B are sectional views showing the configuration of the
[Co/Ni]n/Pt 필름은, 그 내부에 포함된 Co/Ni 필름 스택이 fcc (111) 배향을 가질 때 수직 자기 이방성을 보인다. 그러나, Co/Ni 필름 스택의 결정 배향은, 하층의 재료와 구조에 의존하며; 수직 자기 이방성의 크기는 또한, 하층의 재료 및 구조에 의존한다. 비교예 1에서, 데이터 기록층(10)은 중간층(42B)을 이용하지 않고 자성 하층(41)에 직접 피착되었다. 두께 2.0 nm의 NiFeZr 필름이 자성 하층(41)으로서 사용되었다. 이 실험에서, 샘플들은 고유 자기 속성을 평가하기 위해 패터닝되지 않았다. 즉, 데이터 기록층(10)의 자기 속성은 피착된 그대로의 상태로(피착된 Pt/[Co/Ni]n/Pt/NiFeZr 필름 스택의 상태로) 평가되었다. 자기 속성의 평가를 위해 진동 샘플 자력계(VSM; Vibrating Sample Magnetometer)가 사용되었다(이하에서도 마찬가지로 적용된다).[Co / Ni] n / Pt films exhibit perpendicular magnetic anisotropy when the Co / Ni film stack contained therein has an fcc (111) orientation. However, the crystal orientation of the Co / Ni film stack depends on the material and structure of the underlying layer; The magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy also depends on the material and structure of the underlying layer. In Comparative Example 1, the
우선, 피착후 열처리 되기 이전에 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다. 도 21a 및 21b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 21a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 21b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다는 것이다. 수직 자기장의 자화 곡선(도 21a에 도시된 수직 루프)은 가파른 형상을 보인 반면, 면내 자기장의 자화 곡선(도 21b에 도시된 면내 루프)은 비스듬한 형상을 보였다. 이것은 데이터 기록층(10)이 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 암시한다. 즉, NiFeZr 필름 상의 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보였고, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 도메인 벽 이동에 대해 적합할 가능성이 있었다.First, the magnetic property of the
다음으로, 2시간 동안 300 °C에서 불활성 개스에서 열처리된 후에 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다. 도 22a 및 22b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)이 열처리된 후에 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 22a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 22b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다. 도 21a 및 21b에 비해, 수직 루프는 도 22a에 도시된 바와 같이 더 비스듬한 형상으로 변형된 반면, 면내 루프는 도 22b에 도시된 바와 같이, 더 가파른 형상으로 수정되었다. 이것은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성이 300°C에서의 열처리 의해 열화되었다는 것을 암시한다. 또한, 도 21a 및 22a간의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화 자화와 두께의 곱(Ms x t)은 도 22a에 도시된 바와 같이 열처리 후에 증가하였다. 이것은, 본질적으로 면내 자기 이방성을 갖는 NiFeZr 필름은, 300°C에서의 열처리에 의해 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택에 자기적으로 결합되어, 자화 증가를 유발하였다는 사실로부터 비롯된 것이다. NiFeZr 필름과 [Co/Ni]n/Pt 필름간의 자기 결합은, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 수직 자기 이방성을 열화시킨다.Next, the magnetic properties of the
[비교예 2]Comparative Example 2
비교예 2에서, 데이터 기록층(10)의 구조는, Ta 필름이 자성 하층(41)을 대신하여 사용되었다는 점을 제외하고는, (NiFeZr 필름이 자성 하층(41)으로서 사용된) 비교예 1의 경우와 동일하였다. Ta 필름이 사용될 때, Ta 필름의 두께는 Co/Ni 필름 스택의 fcc (111) 배향을 달성하기 위하여, 4.0 nm 이상일 것이 요구되었다. 이 두께는, 비교예 1에서의 NiFeZr 필름의 필름 두께(2.0 nm)의 2배 정도로 매우 크다. 비자성 재료인 Ta 필름의 큰 두께로 인해, 비교예 2에서 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 간의 자기 결합을 달성하는 것이 어려웠다. 이것은 잠재적으로, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 고정되지 않고 데이터가 데이터 기록층(10)에 저장될 수 없는 결과를 초래한다.In Comparative Example 2, the structure of the
비교예 1 및 2로부터, 발명자들은, 열처리 후 NiFeZr 필름과 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택간의 불필요한 자기 결합을 피하고, 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합의 분리를 피하는 것을 고려하여, 다음과 같은 구현예를 생성했다.From Comparative Examples 1 and 2, the inventors avoided unnecessary magnetic coupling between the NiFeZr film and the [Co / Ni] n / Pt film stack after heat treatment, and the magnetic coupling between the magnetized pinned
[구현예 1][Example 1]
도 23a 및 23b는 구현예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 스페이서(20) 및 참조층(30)은 도시되어 있지 않다는 것이다. 한 예에서, SiO2 필름이 층간 유전체(60)로서 사용되었다. 비교예 1의 경우에서와 같이, Pt 필름(10b)과 Co/Ni 필름 스택(10a)이 적층된 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었고, 여기서, Co/Ni 필름 스택(10a)은, 교대로 적층된 Co 필름과 Ni 필름으로 형성되었다; [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보이며 도메인 벽 이동에 적합하다. Pt 필름(10c)이 또한 추가적으로 캡 층으로서 피착되었다.23A and 23B show an exemplary structure of the magnetoresistive effect element of
구현예 1은 비교예 1로부터 수정되어, 자성 하층(41)(NiFeZr 필름)과 데이터 기록층(10)([Co/Ni]n/Pt 필름 스택) 사이에 중간층(42B)이 삽입되어, 이들이 자기적으로 결합되지 않도록 하였다. 두께 2.0 nm의 Ta 필름이 중간층(42B)으로서 사용되었다. 샘플들은, Pt/[Co/Ni]n/Pt/Ta/NiFeZr 필름 스택으로 형성된 후에, 불활성 개스에서 2시간 동안 300 °C에서 열처리되었다.
다음으로, 2시간 동안 300 °C에서 불활성 개스에서 열처리된 후 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다.Next, the magnetic properties of the
도 24a 및 24b는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 24a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 24b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다는 것이다. 도 21a, 21b, 22a, 및 22b와의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 구현예 1의 데이터 기록층(10)은 더 비스듬한 면내 루프를 보였으며, 이것은, 350°C에서의 열처리 후에도 더 큰 수직 자기 이방성이 달성된다는 것을 의미한다. 또한, 도 22b와의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs(도 7 참조)는, 도 24b에 도시된 바와 같이 구현예 1에서 증가되었다. 즉, 구현예 1의 데이터 기록층(10)은, 도 24b에 도시된 바와 같은 외부 자기장의 방향으로 자화를 지시하기 위해 필요한 큰 외부 자기장을 보였다. 이와 같이 기술된 것처럼, 도 23a 및 23b에 도시된 바와 같은 중간층(42B)으로서 Ta 필름이 삽입된 데이터 기록층(10)은, 중간층(42B)이 배제된 도 20a 및 20b에 도시된 데이터 기록층(10)보다 큰 수직 자기 이방성을 보였다.24A and 24B are graphs showing exemplary magnetization curves when an external magnetic field is applied to the
이하에서, 열처리 온도와 중간층(42B)의 두께에 대한 포화장 Hs의 변화에 대해 설명한다. 도 25는, 중간층(42B)의 두께와 열처리 온도에 대한 포화장 Hs의 변화의 한 예를 나타내는 그래프이다. 수직축은 포화장 Hs(Oe)를 나타내고, 수평축은 중간층(42B)으로서 사용된 Ta 필름의 두께를 나타낸다. 원형 점들은 200°C에서의 열처리 후에 얻어진 포화장 Hs를 나타내고, 삼각형 마크는 350°C에서의 열처리 후에 얻어진 포화장 Hs를 나타낸다. 200°C 및 350°C에서의 열처리 양자 모두에 대해, 두께 0.1 nm 이상의 Ta 필름이 제공된 데이터 기록층(10)은, Ta 필름이 제공되지 않은 데이터 기록층(10)에 비해 더 높은 포화장 Hs를 보였고, 더 높은 수직 자기 이방성을 보였다. 포화장 Hs는 Ta 필름의 두께가 2.0 nm 이상인 구성에 대해 포화되었다. 이것은, Ta 필름의 두께를 2.0 nm보다 두껍게 증가시키는 것이 불필요하다는 것을 암시한다. 오히려, 만일 비자성의 Ta 필름의 두께가 과도하게 증가하면, 자화 고정층(50a 및 50b)은 데이터 기록층(10)에 자기적으로 결합될 수 없다. 이것은 잠재적으로, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 고정되지 않고 데이터가 데이터 기록층(10)에 저장될 수 없는 결과를 초래한다. 또한, 자성 하층(41)과 중간층(42B)의 두께 증가는, 데이터 기록층(10)을 포함한 기록 전류의 경로의 단면적을 증가시키며, 이것은 제조 편차로 인해 기록 전류의 제어시에 어려움을 유발할 수 있다. 따라서, Ta 필름은 양호하게는 0.1 내지 2.0 nm의 두께, 더 양호하게는 0.2 nm 내지 1.0 nm의 두께를 가진다.Hereinafter, a description will be given of a change in the port make-up H s on the thickness of the heat treatment temperature and the intermediate layer (42B). 25 is a graph showing an example of a change in the port make-up H s on the thickness and heat treatment temperature of the intermediate layer (42B). The vertical axis represents the PO makeup s H (Oe), the horizontal axis represents the thickness of the Ta film used as the intermediate layer (42B). Circular dots indicate the saturated field H s obtained after the heat treatment at 200 ° C., and the triangle mark indicates the saturated field H s obtained after the heat treatment at 350 ° C. For both heat treatment at 200 ° C. and 350 ° C., the
전술된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 중간층(42B)(예를 들어, Ta 필름)의 삽입은, 도 23a 및 23b의 데이터 기록층(10)이, 350°C에서의 고온의 열처리 후에도, 중간층(42B)이 삽입되지 않은(즉, Ta 필름의 두께가 제로) 데이터 기록층(10)에 비해, 높은 수직 자기 이방성을 나타내는 것을 허용했다. 이것은, 면내 자기 이방성을 갖는 NiFeZr 필름(자성 하층(41))과, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택(데이터 기록층(10)) 사이의 자기 결합이, Ta 필름(중간층(42B))에 의해 억제되었다는 사실로부터 비롯된 것으로 생각할 수 있다.As can be seen from the above-described results, the insertion of the
또한, 중간층(42B)과 자성 하층(41)의 두께의 합이 4.0 nm 정도로 큰 경우에도 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이에서 자기 결합이 유지되었다는 것이 확인되었다. 즉, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 자화 고정층(50a 및 50b)에 의해 고정되었다. 이것은, 4.0 nm에 이르는 총 두께의 증가가 비자성 Ta 필름과 자성 NiFeZr 필름 양자 모두의 두께 증가의 결과이지, 비자성 Ta 필름 단독의 두께 증가의 결과는 아니기 때문인 것이다. 자성 NiFeZr 필름은 아마도, 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합에 어느 정도 기여를 한다.It was also confirmed that magnetic coupling was maintained between the magnetized pinned
전술된 바와 같이, 자성 하층(41)과 데이터 기록층(10) 사이에 중간층(42B)으로서의 두께 0.1 내지 2.0 nm의 Ta 필름의 삽입은, 수직 자기 이방성과, 데이터 기록층(10)의 도메인 벽 이동에 대한 적합성을 효과적으로 개선시킨다. Ta 필름의 삽입은 또한, 데이터 기록층(10)에 열 저항을 제공하여, 자화 고정층과 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역 사이의 자기 결합에 미치는 바람직하지 못한 영향을 피한다. 그 결과, 자기 메모리의 제조 프로세스의 완료 후에 데이터 기록층이 강한 수직 자기 이방성을 보이는 자기 메모리가 얻어질 수 있다.As described above, the insertion of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm as the
[구현예 2][Example 2]
구현예 2의 데이터 기록층(10)의 구조는, 구현예 1의 구조와 유사하다; 중간층(42B)이 Ta 필름으로 형성된 구현예 1로부터의 구현예 2의 차이점은, Ru 필름 또는 Mg 필름이 중간층(42B)으로서 사용되었다는 것이다. 도 26은, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가된 경우에 대해 자화 곡선의 예를 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 26은, 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선인 면내 루프를 도시한다는 것이다. 도 26에서, 자화 곡선 E는 Ta 필름이 중간층(42B)으로서 사용되는 경우(구현예 1)를 나타낸다. 자화 곡선 F는 Ru 필름이 중간층(42B)으로서 사용되는 경우를 나타내고, 자화 곡선 G는 Mg 필름이 사용되는 경우를 나타낸다. Ru 필름, Mg 필름, 및 Ta 필름의 두께는 1.0 nm였고, 샘플들은 열처리되지 않았다.The structure of the
도 26에 도시된 바와 같이, Ta 필름에 대한 면내 루프(자화 곡선 E)는 가장 작은 경사 각도와 높은 포화장 Hs를 보였다. Ru 필름 및 Mg 필름의 Ta 필름과의 자기 속성에서의 차이는, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 fcc (111) 배향에서의 차이로부터 비롯된 것으로 생각할 수 있다. 전술된 결과는, Ta 필름은, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 수직 자기 이방성과 강하게 관련되어 있는 fcc (111) 배향을 향상시키기 위한 중간층(42B)으로서 상당히 적절하다는 것을 보여준다. 결과는 또한, Ru 필름과 Mg 필름이 적어도 이들이 개별적으로 사용될 때, 중간층(42B)으로서 반드시 적절하지는 않다는 것을 보여주었다. Ru 필름 또는 Mg 필름은, Ta 필름을 포함하는 필름 스택의 형태로 사용가능할 수 있다.As shown in FIG. 26, the in-plane loop (magnetization curve E) for the Ta film showed the smallest tilt angle and high saturation field H s . The difference in the magnetic properties of the Ru film and the Mg film with the Ta film can be considered to be derived from the difference in the fcc (111) orientation of the [Co / Ni] n / Pt film stack. The above results show that Ta films are quite suitable as
자기 메모리 및 메모리 셀의 구성Configuration of Magnetic Memory and Memory Cells
전술된 실시예들의 자기저항 효과 소자(100, 100A 및 100B)는 자기 메모리의 메모리 셀로서 사용될 수 있다. 이하에서, 한 실시예에서 자기 메모리 및 메모리 셀의 예시적 구조에 대해 설명할 것이다.The
도 27은, 본 발명의 한 실시예에서 자기 메모리(90)의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다. 자기 메모리(90)는, 메모리 셀 어레이, X 구동기(92), Y 구동기(93) 및 제어기(94)를 포함한다. 메모리 셀 어레이(91)는, 어레이로 배열된 복수의 메모리 셀(80), 복수의 워드 라인(WL), 복수의 비트라인쌍(BLa, BLb), 복수의 접지 라인(GL)을 포함한다. 각각의 메모리 셀(80)은, 대응하는 워드 라인(WL), 대응하는 접지 라인(GL) 및 대응하는 비트라인쌍(BLa, BLb)에 접속된다. X 구동기(92)는, 액세스될 메모리 셀(80)에 접속된 워드 라인을 구동하고, 이 워드 라인은 복수의 워드 라인(WL)으로부터 선택된다. Y 구동기(93)는 비트라인쌍(BLa 및 BLb)에 접속되고, 각각의 비트 라인을 기록 동작 및 판독 동작에 따라 원하는 상태로 구동한다. 제어기(94)는, 기록 동작 및 판독 동작에 따라 X 구동기(92) 및 Y 구동기(93)를 제어한다.27 is a block diagram illustrating an exemplary configuration of the
도 28은 본 발명의 한 실시예에서 메모리 셀(80)의 예시적 구성을 나타내는 개략적 회로도이다. 2T-1MTJ 구조(2개의 트랜지스터 - 하나의 자기 터널 접합)로서 구성된 각각의 메모리 셀은, 전술된 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B) 및 한쌍의 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 포함한다. 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B)는 3개의 단자를 포함한다. 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B)의 참조층(30)에 접속된 단자는 대응하는 접지 라인(GL)에 접속된다. 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a)에 접속된 단자는 트랜지스터(TRa)를 통해 대응하는 비트 라인(BLa)에 접속되고, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11b)에 접속된 단자는 트랜지스터(TRb)를 통해 대응하는 비트 라인(BLb)에 접속된다. 트랜지스터(TRa 및 TRb)의 게이트들은 워드라인(WL)에 공통 접속된다.28 is a schematic circuit diagram illustrating an exemplary configuration of a
메모리 셀(80)로의 액세스는 다음과 같이 달성된다: 기록 동작에서, 워드 라인(WL)은 하이 레벨로 설정되어 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 턴온한다. 또한, 비트 라인들(BLa 및 BLb) 중 하나는 하이 레벨로 설정되고 다른 하나는 로우 레벨(접지 레벨)로 설정된다. 그 결과, 트랜지스터들(TRa, TRb)과 데이터 기록층(10)을 통해 비트 라인들(BLa 및 BLb) 사이에는 기록 전류가 흐른다. 이것은 데이터 기록층(10) 내에 원하는 데이터를 기록하는 것을 달성한다.Access to the
반면, 판독 동작에서, 워드 라인(WL)은 하이 레벨로 설정되어 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 턴온한다. 비트 라인(BLa)은 고 임피던스 상태(high impedance state)로 설정되고, 비트 라인(BLb)은 하이 레벨로 설정된다. 그 결과, 자기저항 효과 소자(100, 100A, 또는 100B)의 MTJ를 통해 비트 라인(BLb)으로부터 접지 라인(GL)으로 판독 전류(Iread)가 흐른다. 자기저항 효과 소자의 데이터 기록층(10)에 저장된 데이터는 판독 전류(Iread)를 검출함으로써 식별된다.In contrast, in the read operation, the word line WL is set to a high level to turn on the transistors TRa and TRb. The bit line BLa is set to a high impedance state and the bit line BLb is set to a high level. As a result, a read current Iread flows from the bit line BLb to the ground line GL through the MTJ of the
본 발명의 실시예 및 구현예들이 앞서와 같이 구체적으로 설명되었지만, 본 발명은 전술된 실시예 및 구현예들만으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명은 당업자에게 명백한 다양한 변경 및 수정과 함께 구현될 수 있다는 것에 주목해야 한다.Although the embodiments and embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention should not be construed as being limited to only the above-described embodiments and embodiments. It should be noted that the present invention may be implemented with various changes and modifications apparent to those skilled in the art.
Claims (21)
수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층(magnetization fixed layer);
층간 유전체(interlayer dielectric);
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층(underlayer); 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층(data recording layer)
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층(non-magnetic underlayer)을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은, 상기 층간 유전체 상에 형성된 상기 제1 자성 하층의 일부에서 상기 제1 자성 하층이 면내 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 보이지 않도록 하는 두께로 형성되는, 자기 메모리.As magnetic memory,
A magnetization fixed layer having a perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectrics;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A non-magnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
And the first magnetic underlayer is formed to a thickness such that the first magnetic underlayer does not show in-plane magnetic anisotropy in a portion of the first magnetic underlayer formed on the interlayer dielectric.
수직 자기 이방성을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층;
층간 유전체;
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 NiFe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하고,
상기 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있는, 자기 메모리.As magnetic memory,
A magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectric;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on an upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
The first magnetic underlayer includes NiFe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V,
And the thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
수직 자기 이방성을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층;
층간 유전체;
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 Co 또는 Fe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하고,
상기 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있는, 자기 메모리. As magnetic memory,
A magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectric;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on an upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
The first magnetic underlayer contains Co or Fe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V,
And the thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
상기 제2 자성 하층은, Pt 또는 Pd의 층과, Fe, Co 또는 Ni의 층을 포함하는 적어도 하나의 필름 스택을 포함하는, 자기 메모리.The method of claim 1, further comprising a second magnetic lower layer disposed between the nonmagnetic lower layer and the data recording layer,
And the second magnetic underlayer comprises at least one film stack comprising a layer of Pt or Pd and a layer of Fe, Co or Ni.
자성 재료로 형성된 강자성 하층;
상기 하층 상에 배치된 비자성 중간층;
상기 중간층 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 데이터 기록층;
비자성 층을 통해 상기 데이터 기록층에 접속된 참조층; 및
상기 하층의 하부면과 접촉하도록 배치된 제1 및 제2 자화 고정층들
을 포함하고,
상기 데이터 기록층은,
반전 가능한 자화를 가지며 상기 참조층과 대향하는 자화 자유 영역;
상기 자화 자유 영역의 제1 경계에 결합되고 제1 방향으로 고정된 자화를 갖는 제1 자화 고정 영역; 및
상기 자화 자유 영역의 제2 경계에 결합되고 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 고정된 자화를 갖는 제2 자화 고정 영역을 포함하며,
상기 중간층은 두께 0.1 내지 2.0 nm를 갖는 Ta 필름으로 형성되는, 자기 메모리. As magnetic memory,
A ferromagnetic underlayer formed of a magnetic material;
A nonmagnetic intermediate layer disposed on the lower layer;
A ferromagnetic data recording layer formed on the intermediate layer and having perpendicular magnetic anisotropy;
A reference layer connected to the data recording layer through a nonmagnetic layer; And
First and second magnetized pinned layers disposed in contact with the lower surface of the lower layer
Including,
The data recording layer,
A magnetization free region having invertible magnetization and opposing the reference layer;
A first magnetization pinning region having magnetization fixed to a first direction and coupled to a first boundary of the magnetization free region; And
A second magnetization fixing region coupled to a second boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in a second direction opposite to the first direction,
And the intermediate layer is formed of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm.
상기 제1 층은 Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하며,
상기 제2 층은 상기 제1 층의 재료와는 상이한 재료로 형성되고, Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 자기 메모리.19. The apparatus of claim 18, wherein the data recording layer is formed of n film stacks, in each of the film stacks, a first layer and a second layer are stacked, n is a natural number,
The first layer comprises at least one material selected from the group consisting of Fe, Co and Ni,
And the second layer is formed of a material different from the material of the first layer and comprises at least one material selected from the group consisting of Fe, Co and Ni.
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