KR20150042025A - 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 mtj 구조 - Google Patents
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Abstract
강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조를 제공한다. 강자성 다층박막 은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다. 따라서, 강자성 다층박막에 삽입층을 포함시킴으로써 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막의 임계 두께를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 강자성 다층박막의 부피가 증가하여 열적안정성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조에 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.
스핀전달토크형 기록방식은 외부 자기장이 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 방식을 말한다. 이러한 STT 기록방식은 별도의 외부 도선이 필요없어 고집적화에 유리한 특징이 있다.
이러한 수직자기이방성을 이용한 자기터널접합에 사용되는 물질로써 CoFeB를 들 수 있는데, 이는 종래에는 수평자기이방성 물질로 연구되었으나, 매우 얇은 두께(약 1.5 nm 이하)에서 수직자기이방성을 발현하는 특성이 발견되어 활발히 연구되고 있다.
현재까지 알려진 바로는 이러한 CoFeB에서 수직자기이방성을 발현시키기 위해서는 Ta/CoFeB/MgO의 구조를 가지는 접합이 필요한데, 이러한 구조에서 CoFeB가 수직자기이방성을 가지려면 상기 기재한 것과 같이 매우 얇은 두께가 필요하다. 그에 따라 박막의 부피에 비례하는 열적안정성은 매우 낮을 수 밖에 없는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열적 안정성을 향상 시킬 수 있는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 다층박막 및 이를 포함하는 MTJ 구조를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 강자성 다층박막을 제공한다. 이러한 강자성 다층박막은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다.
이때의 강자성층은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질을 포함할 수 있다.
또한, 이때의 강자성층은 CoFeB을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때의 삽입층은 WB 또는 CrB를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때의 삽입층은 초박막층인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 이러한 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 제2 강자성층은, 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다.
또한, 이때의 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때의 제2 강자성층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 강자성층 상에 위치하는 MgO층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 강자성 다층박막에 삽입층을 포함시킴으로써 수직자기이방성을 갖는 강자성 다층박막의 임계 두께를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 강자성 다층박막의 부피가 증가하여 열적안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 강자성 다층박막을 이용하여 열적 안정성이 향상된 MTJ 구조를 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.
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 다층박막을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막(10)을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 강자성 다층박막(10)은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2 이상의 강자성층들(11) 및 이러한 강자성층들(11A, 11B) 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층(12)을 포함할 수 있다.
이 때의 강자성층들(11)은 제1 강자성 물질을 주 원소로 한다. 이러한 제1 강자성 물질은 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질이 가능할 것이다.
따라서, 이러한 강자성층들(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 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질일 수 있다. 즉, 강자성층들(11)은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 강자성층들(11)은 CoFeB를 포함할 수 있다.
이때의 삽입층(12)은 이러한 강자성층들(11A, 11B) 사이에 위치한다. 따라서, 이러한 삽입층(12)에 의해 강자성 다층박막(10)이 수직자기이방성을 갖을 수 있는 임계 두께를 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 강자서 다층박막(10)의 부피가 증가됨으로써 열적안정성을 향상시킬 수 있다.
이러한 삽입층(12)은 B 계열 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 이러한, 삽입층(12)은 WB 또는 CrB를 포함할 수 있다.
예를 들어, 강자성층들(11)이 B를 포함하는 강자성 물질을 포함하는 경우, 열처리과정에서 이러한 강자성층들(11)의 B가 삽입층으로 확산하여 자성특성이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, B 계열 물질인 WB 또는 CrB를 삽입층(12) 물질로 사용할 경우, 열처리과정에서 강자성층(11) 내에 포함되어있는 B가 삽입층(12)으로 확산하는 것을 최소화하여 자성특성이 감소하는 것을 막아줄 수 있다.
또한, 삽입층(12) 물질로 Ta 물질을 사용할 경우, Ta가 강자성층으로 확산되어 자성특성이 감소하는 문제점이 있는데, 이러한 Ta 물질 대신에 B 계열 물질인 WB 또는 CrB를 삽입층(12) 물질로 사용함으로써, 이러한 문제점 역시 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, B 계열 물질인 WB 또는 CrB 을 삽입층(12)의 경우 열적 안정성도 향상되는 효과가 있다.
한편, 이러한 삽입층(12)은 초박막층인 것을 특징으로 한다. 따라서, 삽입층(12)을 초박막층으로 형성함으로써, 강자성 다층박막(10)에 삽입층(12)이 포함됨으로써 발생되는 수직자기이방성 특성의 감소를 최소화할 수 있다.
이하, 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 제1 강자성층(100), 제1 강자성층(100) 상에 위치하는 터널링 배리어층(200) 및 터널링 배리어층(200) 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(300)을 포함한다.
제1 강자성층(100)은 수직자기이방성을 나타내는 여러 가지 강자성 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 제1 강자성층(100)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.
이러한 제1 강자성층(100)은 고정층 또는 자유층일 수 있다.
고정층은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다. 한편, 이러한 고정층은 필요에 따라 반강자성층을 더 포함할 수 있다. 이러한 반강자성층은 고정층의 자화방향을 고정하는 역할을 한다.
예를 들어, 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 또는 Pd)]m/Ru/[Co/(Pt 또는 Pd)]m 구조일 수 있다.
자유층은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
터널링 배리어층(200)은 이러한 제1 강자성층(100) 상에 위치할 수 있다. 즉, 터널링 배리어층(200)은 제1 강자성층(100)과 후술하는 제2 강자성층(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.
제2 강자성층(300)은 터널링 배리어층(200) 상에 위치한다. 만일, 제1 강자성층(100)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(300)은 자유층이고, 제1 강자성층(100)이 자유층인 경우, 제2 강자성층(300)은 고정층일 것이다.
이러한 제2 강자성층(300)은 도 1과 관련하여 상술한 강자성 다층박막(10)을 이용할 수 있다.
즉, 제2 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들(도 1의 11) 및 상기 강자성층들(도 1의 11) 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층(도 1의 12)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 강자성층(300)은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조의 강자성 다층박막일 수 있다.
한편, 이러한 강자성 다층박막(도 1의 10)에 대하여 이미 상술한 바, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 제2 강자성층(300) 상에 MgO층(400)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 MgO층(400)은 MgO층(400)에 인접한 제2 강자성층(300)에 수직자기이방성을 유도할 수 있다.
도 1의 강자성 다층박막(도 1의 10)을 제2 강자성층(300)으로 예를 들어 설명하면, MgO층(400)은 삽입층(도 1의 12) 상부에 있는 강자성층(도 1의 11B)에 수직자기이방성을 유도할 수 있다.
한편, 제2 강자성층(300)뿐만 아니라 제1 강자성층(100)도 도 1에서 상술한 강자성 다층박막(도 1의 10)을 이용할 수 있음은 물론이다.
따라서, 열적안정성이 향상된 MTJ 소자를 제공할 수 있다.
이하, 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 포함할 수 있다.
이 때의 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함할 수 있다. 즉, 고정층 또는 자유층으로 도 1에서 상술한 강자성 다층박막을 이용할 수 있다.
예를 들어, 고정층 및 자유층 중 적어도 어느 하나의 층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조의 강자성 다층박막일 수 있다. 이러한 강자성 다층박막에 대하여 이미 상술한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
또한, 이러한 강자성 다층박막이 포함된 고정층 또는 자유층의 터널링 배리어층이 접하는 면의 반대측면에 MgO층이 더 포함될 수 있다.
따라서, 열적 안정성이 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, 11A, 11B: 강자성층
12: 삽입층 100: 제1 강자성층
200: 터널링 배리어층 300: 제2 강자성층
400: MgO층
12: 삽입층 100: 제1 강자성층
200: 터널링 배리어층 300: 제2 강자성층
400: MgO층
Claims (9)
- 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들; 및
상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함하는 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 강자성층은 Co, Fe 및 B 중 적어도 2개를 포함하는 자성물질을 포함하는 강자성 다층박막. - 제2항에 있어서,
상기 강자성층은 CoFeB를 포함하는 것을 특징으로 하는 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 WB 또는 CrB를 포함하는 것을 특징으로 하는 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 초박막층인 것을 특징으로 하는 강자성 다층박막. - 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
상기 제1 강자성 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하되,
상기 제2 강자성층은, 수직자기이방성을 갖는 적어도 2이상의 강자성층들 및 상기 강자성층들 사이에 위치하고, B 계열 물질을 포함하는 삽입층을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조. - 제6항에 있어서,
상기 터널링 배리어층은 MgO를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조. - 제6항에 있어서,
상기 제2 강자성층은 [CoFeB/(WB 또는 CrB)/CoFeB] 구조인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조. - 제6항에 있어서,
상기 제2 강자성층 상에 위치하는 MgO층을 더 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
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- 2013-10-10 KR KR1020130120728A patent/KR102137815B1/ko active IP Right Grant
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