KR20150054695A - 스핀 전달 토크 자기 램의 응용 분야들에서 사용할 수 있는 이중 수직 자기 이방성 자기 접합 - Google Patents
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Abstract
자기 장치에 사용할 수 있는 이중 자기 접합을 제공하는 방법 및 이러한 이중 자기 접합이 설명된다. 제 1 및 제 2 비자성 스페이서층들, 자유층, 및 제1 및 제2 피고정층들이 제공된다. 상기 제1 피고정층, 상기 자유층 및 상기 비자성 스페이서층은 적어도 350 ℃의 어닐링 온도에서 제2 피고정층이 제공되기 전에 어닐링될 수 있다. 상기 제2 피고정층은 Co, Fe 및 Tb를 포함할 수 있다. 상기 자기 접합은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때, 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다.
Description
본 발명은 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합들에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 램(MRAM)들은 높은 읽기/기록 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모에 대한 잠재력 때문에 점점 더 주목 받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크 램(STT-MRAM)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부가 기록되는 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 그 결과, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 스위칭될 수 있다.
일 예로, 도 1은 일반적인 STT-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기 터널링 접합(MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 기판(12) 상에 배치된다. 하부 컨택(14) 및 상부 컨택(22)은 일반적인 MTJ(10)를 통해 전류가 흐르도록 하기 위해 사용될 수 있다. 일반적인 시드층(seed layer)들(미도시)을 사용하는 일반적인 MTJ는 캐핑(capping)층들(미도시)을 포함할 수 있고, 일반적인 반강자성(AFM)층(미도시)을 포함할 수 있다. 일반적인 자기 접합(10)은 일반적인 피고정층(16), 일반적인 터널링 장벽층(18), 및 일반적인 자유층(20)을 포함한다. 상부 컨택(22) 또한 도시되어 있다. 일반적인 컨택들(14 및 22)은 면 수직 전류(CPP) 방향, 또는 도 1에 도시된 z축으로 전류를 구동하기 위해 사용된다. 보통, 일반적인 피고정층(16)은 층들(16, 18, 20) 중에서 기판(12)에 가장 가깝다.
일반적인 피고정층(16)과 일반적인 자유층(20)은 자성을 띤다. 일반적인 피고정층(16)의 자화(17)는 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝된다(pinned). 비록 단일층으로 도시되었으나, 일반적인 피고정층(16)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정층(16)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전층들을 통하여 반강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성 반강자성(SAF)층일 수 있다. 이와 같은 SAF층에서, Ru 박막이 삽입된 복수의 자성층들이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, Ru층들을 통한 결합은 강자성적일 수 있다.
일반적인 자유층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일층으로 도시되었으나, 일반적인 자유층(20) 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 자유층(20)은 Ru와 같은 도전성 박막층들을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성층일 수 있다. 비록 면에 수직하게 도시되어 있지만, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 면 내에 있을 수 있다. 따라서, 피고정층(16) 및 자유층(20)은 각층의 면에 수직인 방향의 자기 모멘트들(17, 21)을 각각 가질 수 있다.
일반적인 자기 접합(10)을 제조하기 위해, 층들(16, 18, 20)이 증착된다.층들(16, 18, 20)이 제공된 후, 자기 접합(10)이 어닐링(annealing)된다. 이러한 어닐링은 증착 시 비정질일 수 있는 일반적인 터널링 장벽(18)의 결정화를 돕는다. 일반적인 자기 접합(10)의 층들은 그 후 일반적인 자기 접합(10)의 가장자리들(edges)을 한정하기 위해 연마된다.
일반적인 자유층(20)의 자화(21)를 스위치하기 위하여, 면에 수직인 방향(z축 방향)으로 전류가 인가된다. 충분한 전류가 상부 컨택(22)으로부터 하부 컨택(14)으로 흐를 때, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치(switch)될 수 있다. 충분한 전류가 하부 컨택(14)에서 상부 컨택(22)으로 흐를 때, 자유층(20)의 자화(21)는 피고정층(16)의 자화(17)에 역평행하게 스위치 될 수 있다. 자기적 구성들에서의 차이들은 다른 자기저항들에 대응하고, 이에 따라 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0과 논리 1)에 대응한다.
다양한 응용에 사용 가능한 잠재력 때문에, 자기 메모리들에 대한 연구가 진행 중이다. 예를 들어, STT-RAM의 성능을 향상시키기 위한 메커니즘들이 요구된다. 이에 따라, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자기 장치에서 사용할 수 있는 자기 접합을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자기 장치에서 사용할 수 있는 자기 접합의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 자기 접합을 사용한 자기 메모리를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
자기 장치에서 사용 가능한 이중 자기 접합을 제공하는 방법 및 그러한 이중 자기 접합이 설명된다. 제 1 및 제 2 비자성 스페이서층들, 자유층, 및 제1 및 제2 피고정층들이 제공된다. 제 2 피고정층이 제공되기 전에, 제 1 피고정층, 자유층, 및 비자성 스페이서층은 적어도 350 ℃의 어닐링 온도에서 선택적으로 어닐링될 수 있다. 제 2 피고정층은 Co, Fe, 및 Tb를 선택적으로 포함할 수 있다. 비자성 스페이서층들은 피고정층들과 자유층 사이에 있다. 자기 접합은 기록 전류가 자기 접합을 통하여 흐를 때, 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 자기 접합에 따르면, 성능이 향상된 자기 접합이 제공된다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
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도 6은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 될 수 있는 자기 메모리에서 사용될 수 있는 이중 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리들은 스핀 전달 토크 자기 램(STT-MRAM)들을 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 이용하는 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 이러한 전기적 장치들은 핸드폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북 및 다른 휴대용/비휴대용 컴퓨터 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며, 특허 출원 및 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들에 대한 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현들에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 관점에서 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현에서도 유효하게 동작할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시예들을 언급하는 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 상기 시스템들 및/또는 상기 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 구성 요소들의 배치 및 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 일정한 단계들을 갖는 특정한 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖는 다른 방법들 및 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
이중 자기 접합을 이용하는 자기 메모리뿐만 아니라 이중 자기 접합을 제공하는 방법들 및 시스템들이 설명된다. 제1 비자성 스페이서층들 및 제2 비자성 스페이서층들, 자유층, 및 제1 및 제2 피고정층들이 제공된다. 제2 피고정층이 제공되기 전에, 제1 피고정층, 자유층 및 비자성 스페이서층은 적어도 350℃의 어닐링 온도에서 선택적으로 어닐링될 수 있다. 제 2 피고정층은 Co, Fe, 및 Tb를 선택적으로 포함할 수 있다. 비자성 스페이서층들은 피고정층들과 자유층 사이에 있다. 자기 접합은 기록 전류가 자기 접합을 흐를 때, 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다.
예시적인 실시예들은 일정한 구성요소들을 갖는 특정한 방법들, 자기 접합들 및 자기 메모리들의 맥락에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명에 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 구성요소들 및/또는 다른 특징들을 갖는 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용과 일관성이 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 스핀 전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 그 결과, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 동작에 대한 이론적 설명들은 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상들에 대한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 하지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템은 또한 다른 구조들과도 일관성을 가짐을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법과 시스템은 합성된 및/또는 단일의 일정층들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 방법 및 시스템은 특정한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 구성들은 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 자성이란 용어는 강자성, 페리자성 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 “자성” 또는 “강자성”이라는 용어는 강자성체들 및 페리자성체들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 대로, “면 내(in-plane)”는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, “수직(perpendicular)” 및 “면 수직(perpendicular-to-plane)”은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합의 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및, 다양한 전기 장치들에 이용될 수 있는 자기접합의 제조방법 100의 예시적인 실시예이다. 설명의 간결함을 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 단계에서 수행되거나, 또는 결합될 수 있다. 나아가, 제조방법 100은 자기 메모리를 제조하는 다른 단계들이 수행된 이후에 시작될 수 있다.
단계(102)를 통해, 제1 피고정층이 기판 상에 제공된다. 단계(102)는 시드(seed), 컨택, 및/또는 다른 구조들이 제공된 후에 수행될 수 있다. 시드층(들)은 자유층의 요구되는 결정 구조, 자유층의 자기 이방성 및/또는 자기 감쇠를 포함하나 이에 한정되지는 않는 다양한 목적들을 위해 선택될 수 있다. 자유층의 가장자리들을 포함하는 자기 접합의 가장자리들은 증착 직후 한정될 수도 있고, 나중에 한정될 수도 있다. 예를 들어, 일단 자기 접합의 나머지층들이 증착된 후, 자기 접합이 한정될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이온 연마(ion mill)가 수행될 수 있다. 따라서, 단계(102)의 과정들은 전과정에 걸쳐 실시될 수 있다. 제1 피고정층은 자성을 띠고, 이중 자기 접합의 동작 과정 중의 적어도 하나에서 특정 방향으로 고정(fix)되거나, 피닝(pinning)된 자화를 가질 수 있다. 따라서, 제1 피고정층은 동작 온도에서 열적으로 안정할 수 있다. 단계(102)는 비자성 물질들뿐 아니라 Co, Ni, 및 Fe과 같은 자성 물질(들)을 적층하는 것을 포함할 수 있다.
단계(102)를 통해 형성된 제1 피고정층은 단일층이거나, 또는 복수층을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 피고정층은 Ru와 같은 비자성층들이 삽입되는 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic, SAF)층 일 수 있다. 각각의 강자성층들은 다중층일 수 있다. 나아가, 다른 다중층들이 단계(102)에서 제공될 수 있다. 단계(102)에서 형성된 제1 피고정층은 면을 벗어나는 방향의 자기소거 에너지(out of plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 피고정층은 면에 수직한 자기모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 단계(102)에서 제공된 제1 피고정층은 Co/Pd 다중층(들), Co/Pt 다중층(들), CoPt 합금(들?), Fe/Pt 다중층(들), Tb/CoFe 다중층(들), TbCoFe 합금(들), TbCo/Fe 다중층(들), TbCo/FeB 다중층(들), Co/Ni 다중층(들), CoFeB 및/또는 높은 수직 이방성을 갖는 다른 물질들을 포함할 수 있다. 다른 방향의 피고정층의 자화도 가능하다. 나아가, 분극 강화층(PEL) 또는 결합층(들)과 같은 다른층들이 제1 피고정층과 제1 비자성 스페이서층 사이에 삽입될 수 있음을 유의한다.
단계(104)를 통해, 제1 비자성 스페이서층이 제공된다. 단계(104)는 터널링 장벽층을 형성하는 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 단계(104)는 라디오 주파수(Radio Frequency, RF) 스퍼터링을 이용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 단계(104)에서 금속성 Mg가 증착 후, 산화될 수 있다. 앞서 단계(102)와 관련하여 설명한 바와 같이, 제1 비자성 스페이서층의 가장자리들은 나중에(예를 들어 자기 접합의 나머지층들의 증착 후에) 한정될 수 있다.
단계(106)을 통해 자유층이 기판 상에 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 단계(106)은 단계(104)에서 제공된 비자성 스페이서층 상에 자유층의 물질(들)을 증착하는 것을 포함한다. 앞서 단계(102)와 관련하여 설명한 바와 같이, 자유층의 가장자리들은 나중에(예를 들어 자기 접합의 나머지층들의 증착 후에) 한정될 수 있다.
단계(106)에서 제공되는 자유층은 자성을 띠고, 동작 온도들에서 열적으로 안정하다. 몇몇 실시예들에서, 단계(106)에서 제공되는 자유층은 다중층이다. 예를 들어, 자유층은 합성 반강자성체(SAF)이거나/이고, 교환되거나 그렇지 않으면 자기적으로 결합되는 복수의 인접하는 강자성층들 포함할 수 있다. 게다가, 몇몇 실시예들에서, 단계(106)에서 제공되는 자유층은 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자유층의 자기 모멘트는 면을 벗어나는 방향일 수 있으며, 면에 수직한 방향을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 자유층은 결합층들이 삽입된 높은 계면 이방성 물질들과 같은 다중층들을 포함할 수 있다. 그 외에, 분극 강화층(PEL)이 자유층의 일부로 또는 자유층에 추가로 제공될 수 있다. 분극 강화층은 높은 스핀 분극 물질들을 포함한다. 단계(106)에서 증착된 물질들은 Fe, Co, Ni, Ru, W 및/또는 다른 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(106)는 W/CoFeB 이중층(들), Ta/CoFeB 이중층(들), CoFeB/W/CoFeB 삼중층(들)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 다중층들은 또한 반복될 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유층은 하나 또는 그 이상의 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층을 포함할 수 있다. 따라서, 자유층은 높은 계면 수직 자기 이방성(I-PMA)을 갖는 CoFeB와 같은 물질을 포함할 수 있다. 단계(106)에서 제공된 자유층은 또한 높은 벌크 수직 자기 이방성(B-PMA)을 갖는 Ge, Gd 및/또는 Tb 다중층들과 합금들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층은 높은 I-PMA 물질들 및 높은 B-PMA 물질들을 모두 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, B-PMA 물질(들)은 증착시 비정질일 수 있다. 이는 아래에서 설명하는 결정질 MgO와 같은 제2 비자성 스페이서층의 성장을 용이하게 할 수 있다. Fe 또는 W와 같은 삽입층이 또한 자유층의 일부로 또는 자유층에 추가하여 제공될 수 있다. 단계(106)에서 제공되는 자유층은 또한 기록 전류가 자기 접합을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성된다. 따라서, 자유층은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
단계(108)를 통해, 제2 비자성 스페이서층이 제공된다. 단계(108)은 터널링 장벽층을 형성하는 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 단계(108)는 RF 스퍼터링을 이용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 금속성 Mg는 단계(108)에서 증착된 후, 산화될 수 있다. 앞서 단계(102)와 관련하여 설명한 바와 같이, 비자성 스페이서층의 가장자리들은 나중에(예를 들어, 자기 접합의 나머지층들의 증착 후에) 한정될 수 있다.
단계(110)를 통해 분극 강화층이 선택적으로 제공될 수 있다. 분극 강화층은 높은 스핀 분극을 가질 것이 요구된다. 예를 들어, 단계(110)는 CoFeB, FeB, Fe층과 CoFeB층을 포함하는 이중층, Fe/FeB 이중층, CoFeBTa/CoFeB 이중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, 반 금속성(half metallic) 물질 및/또는 호이슬러(Heusler) 합금을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 앞서 단계(102)와 관련하여 설명한 바와 같이, 분극 강화층의 가장자리들은 나중에(예를 들어, 이중 자기 접합의 나머지층들의 증착 후에) 한정될 수 있다.
단계(104) 및 단계(108)에서 제공되는 비자성 스페이서층들은 증착시 비정질일 수 있다. 다만, 비자성 스페이서층은 결정질일 것이 요구된다. 예를 들어, (100) 결정방향을 갖는 결정질 MgO는 자기 접합의 강화된 터널 자기 저항(TMR)을 위해 요구된다. 그 결과, 이미 형성된 자기 접합 부분은 이하 설명될 단계(114)에서 제2 피고정층이 제공되기 전에 적어도 350 ℃의 온도에서 선택적으로 어닐링(annealing)될 수 있다. 따라서, 단계(112)를 통해 적어도 제1 피고정층, 자유층, 및 비자성 스페이서층들이 어닐링 될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계(112)는 급속 열 처리(rapid thermal anneal, RTA)를 수행하는 것을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 자기 접합의 이미 형성된 부분은 수 분 또는 그 이하의 시간 동안 어닐링 온도에 도달할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 어닐링은 블록 히팅(block heating)을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 방법으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계(112)에서 자기 접합의 일부는 1시간 내지 10시간 동안 어닐링될 수 있다. 나아가, 몇몇 실시예들에서, 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있다. 다만, 이러한 실시예들에서, 단계(102)에서 제공된 제1 피고정층은 열적으로 강할(robust) 것이 요구된다. 다르게 말하면, 자성 및 단계(102)에서 형성된 제1 피고정층에 요구되는 다른 특성들이 어닐링에 의해서 불변하거나 적어도 과도하게 변하지 않는 것이 요구될 수 있다. 어닐링 온도는 600 ℃를 넘지 않을 것이 요구될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 어닐링은 적어도 400 ℃의 온도에서 수행된다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 어닐링 온도는 적어도 450 ℃이다. 몇몇 실시예들에서, 어닐링 온도는 500 ℃를 넘지 않을 것이 요구될 수 있다. 다만, 다른 실시예들에서, 더 낮은 어닐링 온도들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 어닐링 온도는 300℃ 내지 400 ℃일 수 있다. 그러한 낮은 온도들은 단계(102)에서 제공된 제1 피고정층이 열적으로 강하지 못한 경우 및/또는 단계(112)의 어닐링이 단계(114) 이후에 수행되고, 제2 피고정층이 열적으로 강하지 못한 경우 사용될 수 있다. 나아가, 단계(112)에서 행하여진 어닐링은 여러 차례의 어닐링 과정들로 분리될 수 있다. 예를 들어, 첫번째 어닐링 과정은 분극 강화층이 단계(110)에서 선택적으로 제공되기 전에 수행될 수 있다. 두번째 어닐링 과정은 분극 강화층이 제공된 후, 제2 피고정층이 단계(114)에서 제공되기 전에 수행될 수 있다.
제2 피고정층이 단계(114)를 통해(선택적으로 어닐링 과정 이후에) 제공된다. 단계(114)는 비자성 물질들뿐만 아니라 Co, Ni, 및 Fe와 같은 자성 물질(들)을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 단계(114)의 과정들은 시간적으로 분리될 수 있다. 따라서, 제2 비자성 스페이서층은 제2 피고정층과 자유층 사이에 있다. 앞서 단계(102)와 관련하여 설명한 바와 같이, 제2 피고정층의 가장자리들은 나중에(예를 들어, 자기 접합의 나머지층들의 증착 후에) 한정될 수 있다. 제2 피고정층은 자성을 띠고, 자기 접합의 동작 중의 적어도 하나에서 어느 특정 방향으로 고정(fix)되거나, 피닝(pinning)되는 제2 피고정층의 자화를 가질 수 있다. 따라서, 제2 피고정층은 동작 온도에서 열적으로 안정할 수 있다. 단계(114)에서 형성된 제2 피고정층은 단일층일 수 있거나, 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(114)에서 형성되는 제2 피고정층은 Ru와 같은 얇은 비자성층(들)을 통해 반강자성적 또는 강자성적으로 결합되는 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF 내에서, 각 자성층은 또한 다중층들을 포함할 수 있다. 제2 피고정층은 또한 다른 다중층일 수 있다. 제2 피고정층은 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 제2 피고정층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 그러한 실시예들에서, Co/Pd 다중층(들), Co/Pt 다중층(들), CoPt 합금들, Fe/Pt 다중층(들), Tb/CoFe 다중층(들), TbCoFe 합금(들), Co/Ni 다중층(들), CoFeB 및/또는 다른 물질들이 단계(114)에서 제공될 수 있다. 제2 피고정층의 자화가 다른 방향들을 갖는 것도 가능하다. 상기 설명된 분극 강화층 또는 결합층(들)과 같은 다른층들이 제2 피고정층과 제2 비자성 스페이서층 사이에 삽입될 수 있음에 유의한다.
도 3은 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 100을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(200)은 자기 모멘트(211)를 갖는 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)를 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적 분극 강화층(250), 및 자기모멘트(261)를 갖는 제2 피고정층(260)을 포함한다. 또한, 트랜지스터를 포함하나 이에 한정되지는 않는 장치들이 형성될 수 있는 하부 기판(201)이 도시되어 있다. 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)이 또한 도시된다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 제2 피고정층(260)은 자기 접합(200)의 최상부에 더 가깝고(기판(201)에서 가장 멀다), 어닐링 후에 형성될 수 있다. 나아가, 제2 피고정층(260)은 Co, Fe, 및 Tb를 포함할 수 있다. 선택적인 고정층(미도시)이 피고정층(210) 및/또는 피고정층(260)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정층은 교환-바이어스(exchange-bias) 상호 작용을 통해 피고정층(210) 및/또는 피고정층(260)의 자화(미도시)를 고정하는 반강자성(AFM)층 또는 다중층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 도시된 것과 같은 선택적인 고정층은 생략되거나, 또 다른 구조가 사용될 수 있다. 분극 강화층(250)은 하나 또는 그 이상의 CoFeB, FeB, Fe층과 CoFeB층을 포함하는 이중층, Fe/FeB 이중층, CoFeBTa/CoFeB 이중층, 및 CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, 반 금속성(half metallic) 물질 및 호이슬러(Heusler) 합금을 포함할 수 있다. 추가적으로, 또 다른 분극 강화층 및/또는 결합층(들)(미도시)은 제1 피고정층(210)과 제1 비자성 스페이서층(220) 사이에 삽입될 수 있다.
피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 수직 자기 이방성 에너지들은 피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 각각 초과한다. 그 결과, 자기 모멘트들(211, 231 및 261)은 면에 수직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(230)은 비정질 B-PMA 물질(들) 및/또는 I-PMA 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유층은 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 기록 전류가 자기 접합(200)을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(230)이 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(230)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다. 피고정층(들)(210 및 260)은 또한 CoFeTb, CoFe/Tb 이중층(들), Co/Pt 이중층(들), CoPd 이중층(들), CoFeB 및 유사한 높은 수직 자기 이방성 구조와 같은 물질들을 포함할 수 있다. 층들(210, 230 및/또는 260) 중의 하나 또는 그 이상은 또한 SAF들을 포함하나, 이에 한정되지 않는 다중층들일 수 있다.
자기 접합(200) 및 자유층(230)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 단계(114)에서 제2 피고정층이 제공되기 전, 단계(112)에서 어닐링이 수행될 수 있기 때문에, 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층들(220 및 240)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 요구되는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 예를 들어, 향상된 결정질 MgO 비자성 스페이서층(220 및/또는 240)은 (200) 방향을 향하는 막들을 더 많이 갖는다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 나아가, 피고정층(260) 물질들의 선택의 범위가 넓어질 수 있다. 따라서, 더 높은 온도의 어닐링에 의해 역으로 영향을 받을 받을 수 있는 물질들이 제2 피고정층(260)에 사용될 수 있다. 다시, 터널링 자기 저항(TMR)이 강화될 수 있다. 제2 피고정층(230)의 구조, 구성 및 막 품질이 또한 향상될 수 있다. 예를 들어, 확산 및 상 변화의 발생과 같은 원하지 않는 격자 재구성(lattice restructuring) 및 구성 변화(compositional change)들이 감소되거나 방지될 수 있다. Co, Fe 및 Tb는 또한 피고정층(260)에 사용될 수 있다. 따라서, 피고정층(260)으로부터 발생한 작은 누설 장(stray field)들은 자유층(230)에 더 작은 장을 형성할 수 있다. 게다가, 이중 자기 접합(200)은 도 3에 나타난 바와 같은 이중 상태(역평행)의 자기 모멘트들(211, 261)을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(200)을 프로그램 하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 4는 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 100을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(200’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 4는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(200’)은 자기 접합(200)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(200’)은 상기 자기 접합(200)에 도시된 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 자기 모멘트(261)을 갖는 제2 피고정층(260)과 각각 유사한 제1 피고정층(210’), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 자기 모멘트(261)을 갖는 제2 피고정층(260)을 포함한다. 또한 자기 접합(200)의 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)에 각각 유사한 하부 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)이 도시되어 있다. 선택적인 고정층(들)(미도시)은 피고정층(들)(210 및/또는 260)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정층은 교환-바이어스 상호 작용을 통해 피고정층(210 및/또는 260)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM층 또는 다중층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 선택적인 고정층(미도시)은 생략되거나, 다른 구조가 사용될 수 있다.
피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 수직 자기 이방성 에너지들은 피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 각각 초과한다. 그 결과, 자유층(230)과 피고정층(260)의 자기 모멘트들(231 및 261)은 각각 면에 수직할 수 있다. 나아가, 제1 피고정층(210’)은 Ru와 같은 비자성층(214)에 의해 분리된 강자성층들(212 및 216)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(212 및 216)의 수직 자기 이방성 에너지들은 강자성층들(212 및 216)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 각각 초과한다. 따라서, 자기 모멘트들(213 및 217)은 면에 수직할 수 있다. 자기 접합(200’)은 또한 기록 전류가 자기 접합(200’)을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(230)이 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(230)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
이중 자기 접합(200’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 특히, 이중 자기 접합(200’)은 자기 접합(200)의 이점들을 공유할 수 있다. 단계(114)에서 피고정층이 제공되기 전에, 단계(112)에서 어닐링(들)이 수행될 수 있기 때문에, 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있고/있거나 제2 피고정층(260)에 다른 물질들이 사용될 수 있다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. Co, Fe 및 Tb는 또한 제2 피고정층(260)에 사용될 수 있다. 따라서, 제2 피고정층(260)으로부터의 작은 누설 장들은 자유층(230)에 더 작은 장을 형성할 수 있다. 이중 자기 접합(200’)은 이중 상태에 있기 때문에, 적은 기록 전류가 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200’)의 성능은 향상될 수 있다.
도 5는 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 100을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(200’’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 5는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(200’’)은 자기 접합(200 및/또는 200’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(200’’)은 자기 접합(200)에 도시된 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 자기 모멘트(261)을 갖는 제2 피고정층(260)과 각각 유사한 자기 모멘트(211)을 갖는 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 제2 피고정층(260’)을 포함한다. 또한, 자기 접합(200)의 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)에 각각 유사한 하부 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)이 도시되어 있다. 선택적인 고정층(들)(미도시)은 피고정층(들)(210 및/또는 260’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정층은 교환-바이어스 상호 작용을 통해 피고정층들(210 및/또는 260’)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM층 또는 다중층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 선택적인 고정층은 생략되거나 또 다른 구조가 사용될 수 있다.
피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 수직 자기 이방성 에너지들은 피고정층들(210 및 260) 및 자유층(230)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 각각 초과한다. 그 결과, 자유층(230) 및 제1 피고정층(210)의 자기 모멘트들(231 및 211)은 각각 면에 수직할 수 있다. 나아가, 제2 피고정층(260’)은 Ru와 같은 비자성층(264)에 의해 분리된 강자성층들(262 및 266)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(262 및 266)의 수직 자기 이방성 에너지들은 강자성층들(262 및 266)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 각각 초과한다. 따라서, 자기 모멘트들(263 및 267)은 면에 수직하게 도시된다. 자기 접합(200’’)은 또한 기록 전류가 자기 접합(200’’)을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(230)이 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(230)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
이중 자기 접합(200’’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 특히, 이중 자기 접합(200’’)은 자기 접합들(200 및/또는 200’)의 이점들을 공유할 수 있다. 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있고/있거나, 제2 피고정층(260)에 다른 물질들이 사용될 수 있다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 피고정층(260’)에 Co, Fe, 및 Tb를 사용하는 것은 자유층(230)의 누설 장들을 감소시킬 수 있다. 이중 자기 접합(200’’)은 이중 상태에 있기 때문에, 적은 기록 전류가 또한 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200’’)의 성능은 향상될 수 있다.
도 6은 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 100을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(200’’’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 6은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200’’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(200’’’)은 자기 접합(200, 200’ 및/또는 200’’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(200’’’)은 자기 접합(200)에 도시된 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 자기 모멘트(261)을 갖는 제2 피고정층(260)과 각각 유사한 제1 피고정층(210’), 제1 비자성 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 제2 비자성 스페이서층(240), 선택적인 분극 강화층(250) 및 제2 피고정층(260’)을 포함한다. 또한, 자기 접합(200)의 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)에 각각 유사한 하부 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적인 시드층(들)(204) 및 선택적인 캐핑층(들)(206)이 도시되어 있다. 선택적인 고정층(들)(미도시)은 피고정층(들)(210’ 및/또는 260’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정층은 교환-바이어스 상호 작용을 통해 피고정층(210’ 및/또는 260’)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM층 또는 다중층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 선택적인 고정층(미도시)은 생략되거나, 다른 구조가 사용될 수 있다.
피고정층들(210’ 및 260’) 모두 SAF들이다. 따라서, 제1 피고정층(210’)은 비자성층(214)에 의해 분리된 강자성층(212) 및 강자성층(216)을 포함한다. 따라서 강자성층들(212 및 216)은 역평행하게 정렬된(aligned) 자기 모멘트들(213 및 217)을 각각 가진다. 유사하게, 제2 피고정층(260’)은 비자성층(264)에 의해 분리된 강자성층들(262 및 266)을 포함한다. 따라서 강자성층들(262 및 266)은 역평행하게 정렬된 자기 모멘트들(263 및 267)을 각각 가진다.
이중 자기 접합(200’’’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 특히, 이중 자기 접합(200’’’)은 자기 접합들(200, 200’ 및/또는 200’’)의 이점들을 공유할 수 있다. 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있고/있거나, 제2 피고정층(260’)에 다른 물질들이 사용될 수 있다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 제2 피고정층(260’)에 Co, Fe, 및 Tb를 사용하는 것은 자유층(230)의 누설 장들을 감소시킬 수 있다. 이중 자기 접합(200’’’)은 이중 상태에 있기 때문에, 적은 기록 전류가 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200’’’)의 성능은 향상될 수 있다.
도 7은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있는 자기 접합 제조방법 150의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결함을 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 단계에서 수행되거나, 또는 결합될 수 있다. 나아가, 제조방법 150은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계들 이후에 시작될 수 있다. 제조방법 150의 과정들은 제조방법 100과 유사하다. 예를 들어, 제조방법 150은 시드층(들) 및 컨택(들)이 제공된 후에 수행될 수 있다. 캐핑층(들) 및 상부 컨택 또한 제공될 수 있다.
단계(152)를 통해, 제1 피고정층이 기판 상에 제공된다. 몇몇 실시예에서, 단계(152)는 제조방법 100의 단계(102)와 유사하다. 단계(152)에서 형성된 제1 피고정층은 단일층일 수 있고, 또는 복수의 층을 포함할 수 있다. 단계(154)를 통해, 제1 절연 비자성 스페이서층이 제공된다. 단계(154)는 단계(104)와 유사하다. 단계(154)는 터널링 장벽층을 형성하는 MgO를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
단계(156)을 통해 자유층이 기판 상에 제공된다. 단계(156)은 단계(106)과 유사하다. 몇몇 실시예들에서 단계(156)은 단계(154)에서 제공된 비자성 스페이서층 상에 자유층의 물질(들)을 증착하는 것을 포함한다. 단계(156)에서 제공되는 자유층의 수직 자기 이방성 에너지는 면을 벗어나는 방향의 자기소거 에너지를 초과할 수 있다. 나아가, 분극 강화층이 자유층의 일부로 또는 추가로 제공될 수 있다. 단계(156)에서 증착되는 물질들은 Fe, Co, Ni, Ru, W 및/또는 다른 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(156)는 W/CoFeB 이중층(들), Ta/CoFeB 이중층(들), CoFeB/W/CoFeB 삼중층(들)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 다중층들은 또한 반복될 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유층은 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 따라서, 자유층은 높은 계면 수직 자기 이방성(I-PMA)을 갖는 CoFeB와 같은 물질을 포함할 수 있다. 단계(156)에서 제공된 자유층은 또한 높은 벌크 수직 자기 이방성(B-PMA)을 갖는 Ge, Gd 및/또는 Tb 다중층들 및 합금들과 같은 물질들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층은 높은 I-PMA 물질들 및 높은 B-PMA 물질들을 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 높은 I-PMA층들에 B-PMA층들이 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 높은 B-PMA 물질(들)은 증착시 비정질일 수 있다. 이는 아래에서 설명되는 결정질 MgO와 같은 제2 비자성 스페이서층의 성장을 용이하게 할 수 있다. 단계(156)에서 제공되는 자유층은 또한 기록 전류가 자기 접합을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
Fe 또는 W와 같은 삽입층은 단계(158)을 통해 제공될 수 있다. 제2 비자성 스페이서층은 단계(160)을 통해 제공될 수 있다. 단계(160)은 단계(108)과 유사하다. 단계(160)은 터널링 장벽층을 형성하는 MgO를 적층하는 것을 포함할 수 있다.
이미 형성된 자기 접합의 부분은 단계(162)에서 적어도 350℃의 온도에서 선택적으로 어닐링될 수 있다. 따라서, 단계(162)는 단계(164)의 이전 또는 이후 및 단계(166)의 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 나아가, 어닐링은 여러 단계들 중에서 깨어질 수 있다. 따라서, 두 번의 어닐링들(162 및 168)이 나타난다. 단계(162)는 단계(112)와 유사할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 다른 온도들이 이용될 수 있다.
단계(164)를 통해 분극 강화층이 선택적으로 제공된다. 단계(164)는 단계(110)와 유사하다. 예를 들어, 단계(164)는 CoFeB, FeB, Fe층과 CoFeB층을 포함하는 이중층, Fe/FeB 이중층, CoFeBTa/CoFeB 이중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, 반 금속성 물질 및/또는 호이슬러(Heusler) 합금을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 결합층(예를 들어, Fe 및/또는 W를 포함하는)은 단계(166)을 통해 제공될 수 있다.
이미 형성된 자기 접합의 부분은 단계(168)에서 적어도 350℃의 온도에서 선택적으로 어닐링(annealing) 될 수 있다. 단계(168)은 단계(164) 이전 또는 이후 및 단계(166) 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 나아가, 상기 어닐링은 여러 단계들로 분리될 수 있다. 따라서, 두 번의 어닐링들(162 및 168)이 나타난다. 단계(168)은 단계(112)와 유사할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 다른 온도들이 이용될 수 있다. 또한, 단계(168)은 단계(170) 이후에 수행될 수 있다.
제2 피고정층이 단계(170)을 통해 제공되고, 선택적으로는 어닐링 과정 이후에 제공된다. 단계(170)은 단계(114)와 유사하다. 단계(114)는 비자성 물질들뿐만 아니라 Co, Ni, 및 Fe와 같은 자성 물질(들)이 적층되는 것을 포함할 수 있다. 단계(170)에서 형성된 제2 피고정층은 단일층일 수 있고, 또는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(170)에서 형성되는 제2 피고정층은 Ru와 같은 얇은 비자성층(들)을 통해 반강자성적 또는 강자성적으로 결합되는 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 상기 SAF 내에서, 각 자성층은 또한 다중층들을 포함할 수 있다. 제2 피고정층은 또한 또 다른 다중층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, Co/Pd 다중층(들), Co/Pt 다중층(들), CoPt 합금들, Fe/Pt 다중층(들), Tb/CoFe 다중층(들), TbCoFe 합금(들), Co/Ni 다중층(들), CoFeB 및/또는 다른 물질들이 단계(170)에서 제공될 수 있다.
그러면 자기 접합의 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 만약 단계들(152 내지 170)이 층들의 증착을 포함한다면, 상기 층들이 마스크(mask)될 수 있고, 자기 접합들이 한정된다. 나아가, 자기 접합이 사용되는 장치의 다른 구성요소들의 형성이 완료될 수 있다.
도 8은 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 150을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 8은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300)은 자기 접합(들)(200, 200’, 200’’ 및/또는 200’’’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300)은 자기 접합들(200, 200’, 200’’ 및 200’’’)에 도시된 제1 피고정층(210/210’), 비자성 스페이서층(220), 자유층(230), 비자성 스페이서층(240), 분극 강화층(250) 및 제2 피고정층(260 및/또는 260’)과 각각 유사한 제1 피고정층(310), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적 분극 강화층(350), 및 제2 피고정층(360)을 포함한다. 또한, 자기 접합들(200, 200’, 200’’ 및 200’’’)의 기판(201), 하부 컨택(202), 상부 컨택(208), 선택적 시드층(들)(204) 및 선택적 캐핑층(들)(206)에 각각 유사한 하부 기판(301), 하부 컨택(302), 상부 컨택(308), 선택적 시드층(들)(304) 및 선택적 캐핑층(들)(306)이 도시되어 있다. 또한, 선택적 분극 강화층(350) 및 선택적 결합층(370)과 각각 유사한 선택적 결합층(380), 선택적 분극 강화층(390)이 도시되어 있다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 제2 피고정층(360)은 자기 접합(300)의 최상부에 더 가깝고(기판(301)에서 가장 멀다), 어닐링 후에 형성될 수 있다. 나아가, 제2 피고정층(360)은 Co, Fe, 및 Tb를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 피고정층(360)은 CoFe/Tb 이중층 또는 CoFeTb 합금을 포함할 수 있다. 또한, 피고정층(들)(310 및 360)은 Co/Pt 이중층(들), CoPd 이중층(들), CoFeB 및 유사한 높은 수직 자기 이방성 구조들과 같은 물질들을 포함할 수 있다. 층들(310, 330 및/또는 360) 중의 하나 또는 그 이상은 또한 SAF들을 포함하나, 이에 한정되지 않는 다중층들일 수 있다.
분극 강화층(350 및/또는 310)은 CoFeB, FeB, Fe층과 CoFeB층을 포함하는 이중층, Fe/FeB 이중층, CoFeBTa/CoFeB 이중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, 반 금속성 물질 및 호이슬러 합금 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 자유층(330)은 비정질 B-PMA 물질(들) 및/또는 I-PMA 물질(들)을 포함할 수 있다. 자유층(330)에 벌크(bulk) PMA 물질(들)을 이용하는 것은 자유층(330)의 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 예를 들어, 자유층(330)은 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자기 접합(300)은 또한 기록 전류가 자기 접합(300)을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(330)이 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(330)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
자기 접합(300)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 단계(170)에서 제2 피고정층이 제공되기 전, 단계(168)에서 어닐링이 수행될 수 있기 때문에, 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층들(320 및 340)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 요구되는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 예를 들어, 향상된 결정질 MgO 비자성 스페이서층들(320 및/또는 340)은 (200) 방향을 향하는 막들을 더 많이 가질 수 있다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 얻어질 수 있다. 나아가, 제2 피고정층(360) 물질들의 선택의 범위가 넓어질 수 있다. 따라서, 더 높은 온도의 어닐링에 의해 역으로 영향을 받을 받을 수 있는 물질들이 제2 피고정층(360)에 사용될 수 있다. 반복하여, TMR이 강화될 수 있다. Co, Fe 및 Tb는 또한 피고정층(들)(360 및/또는 310)에 사용될 수 있다. 따라서, 피고정층(360 및/또는 310)으로부터의 작은 누설 장들이 자유층(330)에 더 작은 장을 형성할 수 있다. 게다가, 이중 자기 접합(300)은 도 8에 나타난 바와 같은 이중 상태(역평행) 내에서 자기 모멘트들(311 및 361)을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(300)을 프로그램 하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 9는 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 150을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(300’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 9는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및, 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300’)은 자기 접합(300)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300’)은 자기 접합(300)에 도시된 제1 피고정층(310), 결합층(380), 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적 분극 강화층(350), 결합층(370) 및 제2 피고정층(360)과 각각 유사한 제1 피고정층(310’), 결합층(380’), 선택적 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330’), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적인 분극 강화층(350), 결합층(370’) 및 제2 피고정층(360’)을 포함한다. 또한, 자기 접합(300)의 기판(301), 하부 컨택(302), 상부 컨택(308), 선택적인 시드층(들)(304) 및 선택적인 캐핑층(들)(306)에 각각 유사한 하부 기판(301), 하부 컨택(302), 상부 컨택(308), 선택적인 시드층(들)(304) 및 선택적인 캐핑층(들)(미도시)이 도시되어 있다. 선택적 고정층(들)(미도시)이 피고정층(310’ 및/또는 360’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.
제1 피고정층(310’)은 Co층(400), Co/Pt 또는 Co/Pd의 이중층(402), Pt층(404) 및 CoFeB층(406)을 포함한다. 예를 들어, Co층(400)은 3.5 옹스트롬, 이중층(402)은 4회 반복되는 1.8 옹스트롬의 Co 및 1.5 옹스트롬의 Pt, Pt층(404)는 2 옹스트롬 두께, CoFeB층(406)은 4 옹스트롬 두께일 수 있다. 결합층(380’)은 Fe층(384)에 의해 분리되는 W층들(382 및 386)을 포함할 수 있다. 몇몇 예들에서, Fe층(384)는 6 옹스트롬 두께일 수 있는 반면, W층들(382 및 386)은 2 옹스트롬 두께일 수 있다.
자유층(330’)은 W층(334)에 의해 분리된 CoFeB층들(332 및 336)을 포함할 수 있다. CoFeB층들(332 및 336)은 각각 12 및 5.5 옹스트롬 두께일 수 있다. W층(334)은 2 옹스트롬 두께일 수 있다.
결합층(370’)은 Fe층(374)에 의해 분리된 W층들(372 및 376)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, Fe층(374)는 6 옹스트롬 두께인 반면, W층들(372 및 376)은 2 옹스트롬 두께일 수 있다.
제2 피고정층(360’)은 CoFeB층(410), Co층(412), Pt층(414), k번 반복되는 Co/Pt 이중층 또는 j번 반복되는 Co/Pd 이중층의 층(416), 및 Co층(418)을 포함한다. 나아가, 제2 피고정층(360’)은 하부층들의 어닐링 후 제공된다. 예를 들어, Co층(412)는 3.5 옹스트롬, 이중층(416)은 4번 반복되는 2.5 옹스트롬의 Co 및 10 옹스트롬의 Pt, Pt층(414)은 10 옹스트롬 두께, CoFeB층(410)은 4 옹스트롬 두께 및 Co층(418)은 5 옹스트롬 두께일 수 있다. 피고정층들(310’ 및 360’) 및 자유층(330’)의 수직 자기 이방성 에너지들은 각각 피고정층들(310’ 및 360’) 및 자유층(330’)의 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지들을 초과한다. 자기 접합(300’)은 또한 기록 전류가 자기 접합(300’)을 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(330’)이 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(330’)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
이중 자기 접합(300’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 특히, 이중 자기 접합(300’)은 자기 접합(300)의 이점들을 공유할 수 있다. 단계(170)에서 제2 피고정층이 제공되기 전, 단계(들)(162 및/또는 168)에서 어닐링(들)이 수행되기 때문에, 더 높은 어닐링 온도가 사용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층들(320 및 340)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 요구되는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 따라서, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 나아가, 제2 피고정층(360’) 물질들의 선택의 범위가 넓어질 수 있다. 따라서, TMR이 강화될 수 있다. 게다가, 이중 자기 접합(300’)은 이중 상태(역평행)의 층들(310’ 및 360’)의 자기 모멘트들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(300’)을 프로그램 하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300’)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 10은 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 150을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(300’’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 10은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300’’)은 자기 접합(300 및/또는 300’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300’’)은 자기 접합들(300 및 300’)에 도시된 제1 피고정층(310 및/또는 310’), 결합층(380 및/또는 380’), 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330 및/또는 330’), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적 분극 강화층(350), 결합층(370 및/또는 370’) 및 제2 피고정층(360 및/또는 360’)과 각각 유사한 제1 피고정층(310’’), 결합층(380), 선택적 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자기 모멘트(331)을 갖는 자유층(330), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적인 분극 강화층(350), 결합층(370) 및 제2 피고정층(360’’)을 포함한다. 설명의 간결함을 위하여, 자기 접합(300)의 기판(301), 하부 컨택(302), 상부 컨택(308), 선택적 시드층(들)(304) 및 선택적 캐핑층(들)(306)과 각각 유사한 하부 기판, 하부 컨택, 상부 컨택, 선택적 시드층(들) 및 선택적 캐핑층(들)은 도시되지 않는다. 선택적 고정층(들)(미도시)은 피고정층(310’’ 및/또는 360’’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.
제1 피고정층(310’’)은 Ru일 수 있는 비자성층(314)에 의해 분리된 자성층들(312 및 316)을 포함하는 SAF이다. 따라서 자기 모멘트들(313 및 315)은 역평행하다. 자유층(330)은 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층과 같은 비정질 B-PMA물질(들)을 포함할 수 있다. B-PMA 물질의 사용은 높은 수직 자기 이방성의 손실 없이 더 두꺼운 자유층(330)을 이용할 수 있도록 한다. 나아가, 제2 피고정층(360’’)은 CoFeTb 합금 또는 CoFe/Tb 이중층을 포함한다. 어닐링은 제2 피고정층(360’’)의 형성 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.
이중 자기 접합(300’’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 어닐링(들)이 제2 피고정층(360’’)의 제공 전에 수행된다면, 더 높은 어닐링 온도가 이용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층(320 및 340)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 요구되는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 예를 들어, 향상된 결정질 MgO 비자성 스페이서층들(320 및/또는 340)은 (200) 방향을 향하는 막들을 더 많이 가질 수 있다. 그 결과, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 자유층(330)에 벌크(bulk) PMA 물질(들)을 이용하는 것은 자유층(330)의 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 또한, Co,Fe 및 Tb가 피고정층(360’’)에 사용될 수 있다. 따라서, 피고정층(360’’)으로부터의 작은 누설 장들은 자유층(330)에 더 작은 장을 형성할 수 있다. 상기 내용은 CoFeTb 또는 CoFe/Tb가 피고정층(310’’)에 이용되는 경우 적용될 수 있다. 게다가, 이중 자기 접합(300’’)은 도 10에 도시된 바와 같이 이중 상태(역평행)의 자기 모멘트들(361’ 또는 317)을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(300’’)을 프로그램 하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300’’)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 11은 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 150을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(300’’’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 11은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300’’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300’’’)은 자기 접합(300, 300’ 및/또는 300’’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300’’’)은 자기 접합(300, 300’ 및 300’’)에 도시된 제1 피고정층(310 및/또는 310’), 결합층(380 및/또는 380’), 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330 및/또는 330’), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적 분극 강화층(350), 결합층(370 및/또는 370’) 및 제2 피고정층(360 및/또는 360’)과 각각 유사한 제1 피고정층(310’’), 결합층(380), 선택적 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자기 모멘트(331’)을 가지는 자유층(330’’), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적인 분극 강화층(350), 결합층(370) 및 제2 피고정층(360’’)을 포함한다. 설명의 간결함을 위하여, 하부 기판, 하부 컨택, 상부 컨택, 선택적 시드층(들) 및 선택적 캐핑층(들)은 도시되지 않는다. 선택적 고정층(들)(미도시)이 피고정층(310’’ 및/또는 360’’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.
자유층(330’’)은 비정질 B-PMA 물질(들) 및 I-PMA 물질(들)을 모두 포함한다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 B-PMA층(들)은 I-PMA층들과 교대로 나타날 수 있다. 또한, 결합층은 강자성층들 사이에 제공될 수 있다. 단계(168)의 어닐링은 제2 피고정층(360’’)의 형성 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.
이중 자기 접합(300’’’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 어닐링(들)이 제2 피고정층(360’’)의 제공 전에 수행된다면, 더 높은 어닐링 온도가 이용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층들(320 및 340)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 요구되는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 따라서, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 또한, 자유층(330’’)에 B-PMA 및 I-PMA 물질(들)을 이용하는 것은 자유층(330’’)의 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 또한, Co, Fe 및 Tb가 제2 피고정층(360’’)에 사용될 수 있다. 따라서, 제2 피고정층(360’’)으로부터의 작은 누설 장들은 자유층(330’’)에 작은 장을 형성할 수 있다. 또한, 상기 내용은 CoFeTb 또는 CoFe/Tb가 제1 피고정층(310’’)에 이용되는 경우에도 적용될 수 있다. 게다가, 이중 자기 접합(300’’’)은 도 11에 도시된 바와 같이 이중 상태(역평행)의 자기 모멘트들(361’ 또는 317)을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(300’’’)을 프로그램 하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300’’’)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 12는 주변 구조들뿐만 아니라, 제조방법 150을 이용하여 제조될 수 있는 자기 접합(300’’’’)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 12는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300’’’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치, 및 다양한 전기적 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300’’’’)은 자기 접합(들)(300, 300’, 300’’ 및/또는 300’’’)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300’’’’)은 자기 접합들(300, 300’, 300’’ 및 300’’’)에 도시된 제1 피고정층(310, 310’ 및/또는 310’’), 분극 강화층(390), 제1 비자성 스페이서층(320), 자유층(330, 330’ 및/또는 330’’), 제2 비자성 스페이서층(340), 선택적 분극 강화층(350), 제2 피고정층(360, 360’ 및/또는 360’’)과 각각 유사한 제1 피고정층(310’’’), 선택적 분극 강화층(390’), 제1 비자성 스페이서층(320’), 자기 모멘트(331’’)을 갖는 자유층(330’’’) 제2 비자성 스페이서층(340’), 또 다른 선택적인 분극 강화층(350’), 선택적 결합층(370’’), 및 제2 피고정층(360’’’)을 포함한다. 선택적 고정층(들)(미도시)이 피고정층(310’’ 및/또는 360’’)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.
자기 접합(300’’’’)은 제조 방법(150) 및 자기 접합(300)의 특정한 구현으로 여겨질 수 있다. 시드층(304’)은 기판(301)에서 가장 가까운 쪽부터 제1 피고정층(310’)에 가장 가까운 쪽까지 10 옹스트롬의 Ta, 500 옹스트롬의 Ir, 10 옹스트롬의 Ta, 및 50 옹스트롬의 Ru (Ta/Ir/Ta/Ru 다중층)를 포함한다. 제1 피고정층(310’)은 2 옹스트롬의 Pt층(400’), 1.8 옹스트롬의 Co와 1.5 옹스트롬의 Pt가 4회 반복되는 이중층, 및 3.5 옹스트롬의 두께를 갖는 Co층(404’)을 포함한다. 또한, 하부 분극 강화층(390’)이 제공된다. 하부 분극 강화층(390’)은 40 원자%의 B를 갖는 CoFeB층(391), 2 옹스트롬 두께의 W층(392), 30 원자%의 B 및 4.5 옹스트롬의 두께를 갖는 FeB층(393), 2 옹스트롬의 두께를 갖는 W층(394), 20 원자%의 B 및 3 옹스트롬의 두께를 포함하는 CoFeB층(395) 및 4 옹스트롬 두께의 Fe층(396)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 층들(392, 393, 394, 395 및 396) 중의 하나 또는 그 이상이 분극 강화층(390’)으로부터 분리되는 것이 고려될 수 있다. 또한, RF 증착에 의해 형성된 MgO 스페이서층(320’)은 접합(300’’’’)에 포함된다. 몇몇 실시예들에서, 증착은 대략 5 옹스트롬 내지 8 옹스트롬의 요구되는 두께와 요구되는 RA를 제공하기 위해 625초 동안 수행된다. 다른 실시예들에서, 다른 시간 및/또는 두께들이 사용될 수 있다. 자유층(330’’’)은 다중층이다. 도시된 실시예에서, 자유층(330’’’)은 40 원자%의 B와 6 옹스트롬 두께를 갖는 CoFeB층(332’), 2 옹스트롬의 W층(334’), 및 20 원자%의 B와 8 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 두께를 갖는 CoFeB층(336’) 및 4 옹스트롬 두께의 추가적인 Fe층(337)으로 형성된다. 비자성 스페이서층(340’)은 920초 동안 MgO의 RF증착에 의해 형성되는 MgO층이다. 첫 번째 열처리는 MgO 장벽층(340’)이 형성된 이후에 수행된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 열처리는 RTA일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 RTA는 약 450℃의 온도에서 90초 동안 수행될 수 있다. 따라서, 어닐링은 터널링 장벽층(320’)의 형성 이후에, 하지만, 분극 강화층(350’) 및 제2 피고정층(360’’’)의 형성 전에 수행된다. 다른 실시예들에서, 다른 온도들 및/또는 시간들이 사용될 수 있다.
분극 강화층(350’)은 4개의 층들을 포함하는 다중층을 포함한다. 이러한 층들은 20원자%의 B를 가지는 13 옹스트롬의 CoFeB층(351), 2 옹스트롬의 W층(352), 30 원자%의 B를 가지는 6 옹스트롬의 FeB층(353) 및 2 옹스트롬의 또 다른 W층(354)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 분극 강화층(350’)들의 몇몇 부분들은 결합층을 형성하는 것이 고려될 수 있다.
또 다른 RTA는 분극 강화층(350’)의 형성 후, 그러나 제2 피고정층(360’’’)의 형성 전에 400℃의 온도에서 수행될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300’’’’)에 있어서, 복수의 어닐링이 터널링 장벽층들(320’ 및 340’)의 증착과 제2 피고정층(360’’’)의 증착 사이에 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 온도들 및/또는 다른 시간이 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 제2 피고정층(360’’’)은 RuRh층(364)에 의해 분리되는 두 개의 강자성 다중층들(362 및 366)을 포함하는 4.3 옹스트롬 두께의 SAF이다. 다른 실시예에서, Ru와 같은 다른 비자성 물질이 사용될 수 있다. 첫 번째 피고정층(362)은 40 원자%의 B를 가지는 4 옹스트롬의 CoFeB층(410’), 3.5 옹스트롬의 Co층(412’), 10 옹스트롬의 Pt층(414’), 및 3 옹스트롬의 Co(Pt층(414’)에 인접하는 층들 중의 첫 번째)와 8 옹스트롬의 Pt를 포함하는 5회 반복되는 이중층(416’)을 포함한다. 다중층(362)은 또한 5 옹스트롬 두께의 또 다른 Co층(418’) 포함한다. 제2 피고정층(364)은 5 옹스트롬의 Co층(420) 및 8 옹스트롬의 Pt(Co층(420)에 인접하는 층들 중의 첫 번째)와 3 옹스트롬의 Co가 14회 반복되는 이중층(422) 포함한다. 두 번째 피고정층(366)은 또한 8 옹스트롬의 또 다른 Pt층(424)을 포함한다. 캐핑층(426’)은 하부(피고정층(360’’’)에서 가장 가까운 부분)에서부터 상부까지 15 옹스트롬 두께의 Ru, 15 옹스트롬 두께의 Ta 및 40 옹스트롬 두께의 상부 컨택에 인접하는 또 다른 Ru를 포함하는 다중층일 수 있다. 자기 접합(300’’’’)에서 설명된 두께들은 대략적인 수치일 수 있음에 유의한다. 그러나, 다른 두께들, 이중층들의 다른 반복 횟수 및 다른 물질들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, CoPt 합금들, Co/Pd 다중층들 및/또는 다른 유사한 물질들이 층들(310’, 362 및 366)에 이용될 수 있다.
이중 자기 접합(300’’’’)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 어닐링이 제2 피고정층(360’’’)이 제공되기 전에 수행된다면, 더 높은 어닐링 온도(들)이 이용될 수 있다. 그 결과, 비자성 스페이서층(320’ 및 340’)은 결정화가 더 잘 될 수 있고, 원하는 방향으로 더 높은 방향성을 갖는 조직(texture)을 가질 수 있다. 따라서, 더 높은 자기저항이 달성될 수 있다. 또한, 자유층(330’’’)에 B-PMA 및 I-PMA 물질(들)을 이용하는 것은 자유층(330’’’)의 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 나아가, 이중 자기 접합(300’’’’)은 이중 상태(역평행)에서 자기 모멘트를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 전달 토크는 강화된다. 결과적으로, 적은 기록 전류가 이중 자기 접합(300’’’’)을 프로그램하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(300’’’’)을 사용하는 메모리의 소비전력이 줄어들 수 있다.
도 13은 자기 접합들(200, 200’, 200’’, 200’’’, 300, 300’, 300’’, 300’’’ 및/또는 300’’’’) 중의 하나 또는 그 이상을 사용할 수 있는 메모리(500)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 메모리(500)는 워드 라인 선택 구동자(word line select driver)(504)뿐만 아니라 읽기/기록 열 선택 구동자들(reading/writing column select drivers)(502 및 506)을 포함한다. 또한 비트라인들(503) 및 워드라인들(505)이 도시되어 있다. 다른 구성요소(들) 및/또는 차이가 있는 구성요소(들)도 제공될 수 있음에 유의한다. 메모리(500)의 저장 영역(storage region)은 자기 저장 셀들(510)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(512) 및 적어도 하나의 선택 소자(selection device)(514)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택 소자(514)는 트랜지스터이다. 자기 접합들(512)은 본 명세서에서 개시된 자기 접합들(200, 200’, 200’’, 200’’’, 300, 300’, 300’’, 300’’’ 및/또는 300’’’’) 중 하나일 수 있다. 비록 셀(510) 당 하나의 자기 접합(512)이 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 셀 당 또 다른 개수의 자기 접합들(512)이 제공될 수 있다. 이를 통해, 자기 메모리(500)은 위에서 설명된 효과들을 누릴 수 있다.
자기 접합 및 자기 접합을 사용하여 제조된 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 상기 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 부합되게 설명되었고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형들이 있을 수 있고, 어떤 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그러한 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 만들어 질 수 있다.
Claims (10)
- 자기장치에 사용될 수 있는 이중자기접합을 기판 상에 제공하는 방법에 있어서,
제1 피고정층을 제공하는 것;
제1 비자성 스페이서층을 제공하는 것;
자유층을 제공하는 것;
제2 비자성 스페이서층을 제공하는 것; 및
제2 피고정층을 제공하는 것을 포함하며,
상기 제1 피고정층은 상기 제1 비자성 스페이서층과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 비자성 스페이서층은 상기 자유층과 상기 제1 피고정층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 제1 비자성 스페이서층과 상기 제2 비자성 스페이서층 사이에 배치되고, 상기 제2 비자성 스페이서층은 상기 제2 피고정층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 기판과 상기 제2 피고정층 사이에 배치되고, 상기 제2 피고정층을 제공하는 단계는 Co, Fe, Pt, Pd 및 Tb를 포함하는 피고정층을 제공하는 것, 및 적어도 상기 제1 피고정층, 상기 제1 비자성 스페이서층, 상기 자유층 및 상기 제2 비자성 스페이서층을 적어도 350 ℃에서 어닐링(annealing) 후 상기 제2 피고정층을 제공하는 것 중의 적어도 하나를 포함하고,
상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때, 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성되는 이중 자기 접합의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자유층, 상기 제1 피고정층, 및 상기 제2 피고정층 중의 적어도 하나는 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
상기 제2 피고정층과 상기 제2 비자성 스페이서층 사이에 분극 강화층(PEL)을 제공하는 것을 더 포함하는 이중 자기 접합의 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 어닐링 단계는 상기 분극 강화층(PEL)을 제공하는 단계 후에 수행되는 이중 자기 접합의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 피고정층, 상기 제2 피고정층, 및 상기 자유층 중의 적어도 하나는 적어도 하나의 비자성층이 삽입된 복수의 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성체인 이중 자기 접합의 제조 방법. - 기판 상에 배치되고, 자기 장치에 사용될 수 있는 이중 자기 접합에 있어서,
제1 피고정층;
제1 비자성 스페이서층;
자유층;
제2 비자성 스페이서층; 및
제2 피고정층을 포함하며,
상기 제1 피고정층은 상기 제1 비자성 스페이서층과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 비자성 스페이서층은 상기 자유층과 상기 제1 피고정층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 제1 비자성 스페이서층과 상기 제2 비자성 스페이서층 사이에 배치되고, 상기 제2 비자성 스페이서층은 상기 제2 피고정층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 기판과 상기 제2 피고정층 사이에 배치되고, 상기 제2 피고정층은 Co, Fe, Pt, Pd 및 Tb를 포함하는 것 및 상기 제1 피고정층, 상기 제1 비자성 스페이서층, 상기 자유층 및 상기 제2 비자성 스페이서층을 적어도 350 ℃에서 어닐링한 후 제공하는 것 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 자유층, 상기 제1 피고정층 및 상기 제2 피고정층 중의 적어도 하나는 면을 벗어나는 방향의 자기 소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가지고,
상기 자기 접합은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때, 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되고,
상기 자기 접합은 25 ℃에서 적어도 200 %의 자기저항을 가지도록 구성되는 이중 자기 접합. - 제 5 항에 있어서,
상기 제2 피고정층 및 상기 제2 비자성 스페이서층 사이의 분극 강화층(PEL)을 더 포함하되,
상기 분극 강화층은 CoFeB, FeB 및 Fe층과 CoFeB층을 포함하는 이중층, Fe/FeB 이중층, CoFeBTa/CoFeB 이중층, 및 CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, 반 금속성(half metallic) 물질, 및 호이슬러(Heusler) 합금 중의 적어도 하나를 포함하는 이중 자기 접합. - 제 6 항에 있어서,
상기 분극 강화층과 상기 제2 피고정층 사이의 결합층을 더 포함하는 이중 자기 접합. - 제 5 항에 있어서,
상기 자유층은 CoFeB/W/CoFeB 다중층, CoFeB/Ta/CoFeB 다중층, CoFeB/Hf/CoFeB 다중층, CoFeB/V/CoFeB 다중층, CoFeB/W/Fe/W/CoFeB 다중층, i는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeTb)i/CoFeB 다중층, j는 1 이상의 정수인 CoFeB/(CoFeGe)j/CoFeB 다중층, 및 n은 1 이상의 정수인 Co/FeB/(CoFeGd)n/CoFeB 다중층 중의 적어도 하나를 더 포함하는 이중 자기 접합. - 제 5 항에 있어서,
상기 자유층은 적어도 하나의 비정질 벌크 수직 자기 이방성 물질 및 상기 비정질 벌크 수직 자기 이방성 물질에 인접한 적어도 하나의 계면 수직 자기 이방성 물질을 포함하는 이중 자기 접합. - 기판 상에 배치되는 자기 메모리에 있어서,
복수의 자기 저장 셀들; 및
상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합된 복수의 비트라인들을 포함하며,
각각의 상기 복수의 자기 저장 셀들은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 제1 피고정층, 제1 비자성 스페이서층, 자유층, 제2 비자성 스페이서층, 및 제2 피고정층을 포함하고, 상기 제1 피고정층은 상기 제1 비자성 스페이서층 및 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 비자성 스페이서층은 상기 자유층 및 상기 제1 피고정층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 제1 비자성 스페이서층 및 상기 제2 비자성 스페이서층 사이에 배치되고, 상기 제2 비자성 스페이서층은 상기 제2 피고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 상기 기판 및 상기 제2 피고정층 사이에 배치되고, 상기 제2 피고정층은 Co, Fe, Pd, Pt 및 Tb를 포함하는 것 및 적어도 350 ℃에서 적어도 상기 제1 피고정층, 상기 제1 비자성 스페이서층, 상기 자유층 및 상기 제2 비자성 스페이서층의 어닐링 후에 제공되는 것 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 자유층, 상기 제1 피고정층 및 상기 제2 피고정층 중의 적어도 하나는 면을 벗어나는 방향의 자기소거 에너지보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가지고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 기록 전류가 상기 적어도 하나의 자기 접합을 통하여 흐를 때 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 25 ℃에서 적어도 250 %의 자기저항을 가지도록 구성되는 자기 메모리.
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