KR20150009665A - 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 mtj 구조 및 자성소자 - Google Patents

수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 mtj 구조 및 자성소자 Download PDF

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강태성
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안광국
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 MTJ 구조 및 자성소자를 제공한다. 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층 및 상기 강자성층 상에 위치하는 전도성 산화물층을 포함하되, 상기 강자성층 및 상기 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막인 것을 특징으로 한다. 따라서, 따라서, 전도성 산화물층에 의하여 수직자기이방성을 유도하여 열적 안정성을 향상시키면서 동시에 자기저항비를 높일 수 있다.

Description

수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 MTJ 구조 및 자성소자{Ferromagnetic multilayer thin film having perpendicular magnetic anisotropy and magnetic tunnel junction structure and magnetic device including the same}
본 발명은 자성소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 MTJ 구조 및 자성소자에 관한 것이다.
새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.
GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층의 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.
한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 자기터널접합Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자가 알려져 있다.
이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.
이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀드층(Pinned layer)이라 한다.
다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이때의 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.
MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.
한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.
특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
스핀전달크형 기록방식은 외부 자기장이 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 방식을 말한다. 이러한 STT 기록방식은 별도의 외부 도선이 필요없어 고집적화에 유리한 특징이 있다.
이 때, 수직자기이방성을 유도하기 위해 본래 Pt, Pd 또는 희토류(Rare-Earth) 물질 등을 사용하였다.
최근에는 MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO 구조를 이용하여 양쪽에서 표면작용을 주고 가운데서 교환작용을 통해 열정안정성을 높힌 연구가 보고 되었다.
그러나, 이는 두 개의 배리어(MgO)를 사용한다는 점에서 자기저항비 (magnetoresistance ratio, MR ratio)가 낮아지는 단점이 있다.
또한, CoFeB/MgO 구조가 아닌 경우 Pd, Pt가 들어가야 수직자기이방성의 특성이 나오는 것이기 때문에 단가가 비싸진다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열적 안정성과 자기 저항 변화비 두 가지를 동시에 향상 시킬 수 있는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막, 이를 포함하는 MTJ 구조 및 자성소자를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막을 제공한다. 이러한 강자성 다층박막은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층 및 상기 강자성층 상에 위치하는 전도성 산화물층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 강자성층 및 상기 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막인 것을 특징으로 한다.
이 때의 제1 강자성 물질은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금인 것을 특징으로 한다.
이 때의 전도성 산화물층은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaZnO, 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 이러한 MTJ 구조는 수직자기이방성을 갖는 고정층, 상기 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막인 것을 특징으로 한다.
이러한 강자성 다층박막은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금을 포함하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때의 전도성 산화물층은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaO3(ZnO), 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 자기 터널 접합을 포함할 수 있다.
이 때의 자기 터널 접합은 수직자기이방성을 갖는 고정층, 상기 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함하되, 상기 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막은 전도성 산화물층이 인접하는 강자성층에 표면작용을 주게 되어, 수직자기이방성을 유도하여 열적 안정성을 향상시키면서 동시에 자기저항비를 높일 수 있다.
또한, 이러한 강자성 다층박막을 이용하여 열적 안정성과 자기저항비가 동시에 향상된 MTJ 구조 및 자성소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "A/B/C 다층구조"는 A층 상에 B층 및 C층이 차례도 위치하는 구조를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "[A/B]m 다층박막"은 A와 B를 교대로 반복적으로 m번 적층한 다층박막을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막(10)을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막(10)을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막(10)은 강자성층(11) 및 전도성 산화물층(12)을 포함하되, 강자성층(11) 및 전도성 산화물층(12)이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막인 것을 특징으로 한다.
이 때의 강자성층(11)은 제1 강자성 물질을 주 원소로 한다. 이러한 제1 강자성 물질은 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질이 가능할 것이다.
따라서, 이러한 강자성층(11)이 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제1 강자성 물질은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금일 수 있다.
전도성 산화물층(12)은 인접하는 강자성층(11)의 수직자기이방성을 유도시키는 전도성 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물층(12)은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaZnO, 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
따라서, 전도성 산화물층(12)이 강자성층(11)의 양쪽에 인접한 형태인 바, 이러한 전도성 산화물층(12)이 강자성층의 양쪽(11)에서 표면작용을 주게 되어, 수직자기이방성을 유도하여 열적 안정성을 향상시키면서 동시에 자기저항비를 높일 수 있다.
한편, 바람직하게 전도성 산화물층(12)은 묽은 자성 반도체 특성을 갖는 전도성 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물층(12)은 묽은 자성 반도체 특성을 갖는 ZnO계 전도성 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 ZnO계 전도성 산화물은 InZnO, GaZnO 및 InGaZnO로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 ZnO계 전도성 산화물은 다른 비자성물질과는 달리 Net magnetic moment(즉, Spin up과 Spin down의 숫자가 다름)를 가지고 있기는 하지만 상온에서 정렬이 되지 않아 자성특성을 보이지 않는다.
이 때, ZoO계 전도성 산화물층은 인접하는 강자성층과의 계면 효과에 의해 정렬될 수 있다. 따라서, 전도성 산화물층을 강자성층과 반복적으로 교대로 적층시킴으로써, 수직자기이방성(PMA) 특성을 보다 향상시킬 수 있는 바, 열적 안정성이 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 수직자기이방성을 갖는 고정층(100), 이러한 고정층(100) 상에 위치하는 터널링 배리어층(200) 및 이러한 터널링 배리어층(200) 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층(300)을 포함할 수 있다. 이 때의 고정층(100) 및 자유층(300) 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막(도 1 의 10)인 것을 특징으로 한다.
이 때의 강자성 다층박막(도 1의 10)에 관한 자세한 설명은 도 1에서 설명한 바와 동일한 바, 생략한다.
한편, 이 때, 고정층(100) 및 자유층(300) 중 어느 하나만 상술한 강자성 다층박막인 경우, 나머지 층은 일반적으로 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질이면 가능할 것이다. 이 경우, 나머지 층은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, CoFeB층일 수 있다.
고정층(100)은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다.
한편, 이러한 고정층(100)은 필요에 따라 반강자성층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 수직이방성을 갖는 MTJ소자(10)는 반강자성층/고정층(100)/터널링배리어층(200)/자유층(300)의 다층박막 구조일 수 있다. 이 때의 반강자성층은 고정층(100)의 자화방향을 고정하는 역할을 한다.
이러한 반강자성층은 IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2 및 NiO로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 박막으로 형성하거나, 이들 중 적어도 2개 이상의 박막이 적층되어 형성된 적층막일 수 있다.
또한, 반강자성층은 인위적 반강자성층(SyAF: Synthetic Anti-Ferromagnet)일 수 있다. 예를 들어, 인위적 반강자성층은 [Co/(Pt, Pd)]m/Ru/[Co/(Pt, Pd)]m 구조일 수 있다. 한편, 인위적 반강자성층을 이용할 경우, SyAF 구조의 결정성 향상을 위하여 고정층(100)과의 계면에 Ta 또는 Ta/Pt 등의 씨앗층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
터널링 배리어층(200)은 이러한 고정층(100) 상에 위치할 수 있다. 즉, 터널링 배리어층(200)은 고정층(100)과 후술하는 자유층(300) 사이에 개재된다.
따라서, 이러한 터널링 배리어층(200)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다.
예를 들어, 이러한 절연물질은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게 터널링 배리어층(200)은 MgO층일 수 있다.
자유층(300)은 터널링 배리어층(200) 상에 위치할 수 있다. 이러한 자유층(300) 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층(100)의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
따라서, 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막을 고정층 또는 자유층에 이용하여 열적 안정성과 자기저항비가 동시에 향상된 MTJ 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 설명한다.
이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 이러한 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 디짓 라인과 비트 라인 사이에 개재된 자기 터널 접합을 포함할 수 있다.
이 때의 자기 터널 접합은 수직자기이방성을 갖는 고정층, 이러한 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 이러한 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함하되, 이 때의 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막인 것을 특징으로 한다.
이 때의 제1 강자성 물질은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금을 포함할 수 있다. 또한, 이 때의 전도성 산화물층은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaO3(ZnO), 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이 때의 자기 터널 접합의 자세한 설명은 상술한 바와 같은 바, 생략한다.
따라서, 이 때의 자기터널접합은 MRAM에서 정보 저장을 위한 구조로 사용될 것이다.
따라서, 열적 안정성과 자기저항비가 동시에 향상된 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 강자성 다층박막 11: 강자성층
12: 전도성 산화물층 100: 고정층
200: 터널링 배리어층 300: 자유층

Claims (8)

  1. 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층; 및
    상기 강자성층 상에 위치하는 전도성 산화물층을 포함하되,
    상기 강자성층 및 상기 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성 물질은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금인 것을 특징으로 하는 강자성 다층박막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 산화물층은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaZnO, 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 강자성 다층박막.
  4. 수직자기이방성을 갖는 고정층;
    상기 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함하되,
    상기 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강자성 다층박막은 Co, Fe 또는 CoFe 기반 합금을 포함하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 산화물층은 In2O3, ITO, GaZnO, InZnO, InGaO3(ZnO), 2CdO-PbO2, AgSbO3 및 2CdO-CeO2로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  8. 복수개의 디짓 라인들;
    상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들; 및
    상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 자기 터널 접합을 포함하되,
    상기 자기 터널 접합은 수직자기이방성을 갖는 고정층, 상기 고정층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 자유층을 포함하되, 상기 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 강자성층과 전도성 산화물층이 교대로 반복적으로 적층된 강자성 다층박막인 것을 특징으로 하는 자성소자.
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