KR20160085219A - 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20160085219A
KR20160085219A KR1020160000896A KR20160000896A KR20160085219A KR 20160085219 A KR20160085219 A KR 20160085219A KR 1020160000896 A KR1020160000896 A KR 1020160000896A KR 20160000896 A KR20160000896 A KR 20160000896A KR 20160085219 A KR20160085219 A KR 20160085219A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film
magnetic
free
layer
immobilizing
Prior art date
Application number
KR1020160000896A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102486310B1 (ko
Inventor
슈에티 탕
겐 펭
이장은
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Publication of KR20160085219A publication Critical patent/KR20160085219A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102486310B1 publication Critical patent/KR102486310B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H01L43/02—
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H01L43/08—
    • H01L43/10—
    • H01L43/12—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

자기 장치에 이용될 수 있는 자기 접합 및 자기 접합을 제공하는 방법에 제공된다. 자기 접합은 다중막을 포함하고, 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태 간에 스위칭 가능한 자유막, 비자성 스페이서막 및 고정막을 포함하되, 상기 스페이서막은 상기 고정막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 상기 쓰기 전류는 상기 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열을 생성하고, 상기 자유막은 자유막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하되, 상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하고, 상기 제1 막은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 제2 막은 자성막을 포함하고, 상기 다중막은 상온 보자력과 스위칭 온도 보자력을 갖되, 상기 스위칭 보자력이 상기 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고, 상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.

Description

열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING MAGNETIC JUNCTIONS USING THERMALLY ASSISTED SPIN TRANSFER TORQUE SWITCHING}
본 발명은 자기 접합(magnetic junction)을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 열적으로 보조(thermally assisted)되는 스핀 토크 전가(spin transfer torque) 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM)는 빠른 읽기/쓰기 속도, 탁월한 내구성, 비휘발성 및 동작 시 저소비전력으로 인해 관심이 증가되고 있다. MRAM은 자기 물질을 정보 저장 매체로 사용함으로써 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 자기 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(Spin Transfer Torque Random Access Memory; STT-MRAM)가 있다. STT-MRAM은 적어도 부분적으로 자기 접합을 통해 구동되는 전류에 의하여 기록되는 자기 접합을 이용한다. 자기 정션을 통해 스핀 편극 전류(spin polarized current)는 자기 접합의 자기 모멘트 상에 스핀 토크를 가한다. 결과적으로, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 막(layer)은 원하는 상태로 스위칭될 수 있다.
예를 들어, 도 1은 종래의 STT-MRAM에 이용될 수 있는 종래의 자기 터널링 접합(Magnetic Tunneling Juction, MTJ)(10)을 도시한다. 종래의 MTJ(10)은 기판(12) 상에 존재한다. 하부 컨택(14)과 상부 컨택(22)이 종래의 MTJ(10)을 통해 전류를 구동하는 것에 이용될 수 있다. 종래의 MTJ는 종래의 시드막(미도시)를 이용하고, 캡핑막(미도시)과 종래의 반강자성(antiferromagnetic; AFM)막(미도시)를 포함할 수 있다. 종래의 자기 접합(10)은 종래의 고정막(16), 종래의 터널링 배리어막(18) 및 종래의 자유막(20)을 포함한다. 상부 컨택(22) 또한 도시되었다. 종래의 컨택들(14, 22)는 평면 수직 전류(Current-Perpendicular-to-Plane; CPP) 방향 또는 도 1의 Z축 방향을 따라 전류를 구동하는 것에 이용된다. 일반적으로, 종래의 고정막(16)은 기판(12)의 막들(16, 18, 20)에 인접한다.
종래의 고정막(16)과 종래의 자유막(20)은 자성이다. 종래의 고정막(16)의 자화(17)는 특정한 방향으로 변하지 않거나, 고정된다. 단순한(단일의) 막으로 도시되었음에도 불구하고, 종래의 고정막(16)은 다중막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종래의 고정막(16)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 전도성막을 통해 반강자성적으로 결합된 자성막들을 포함하는 합성 반강자성(Synthetic Antiferromagnetic; SAF)막일 수 있다. 종래의 고정막(16)은 또 다른 다중막일 수 있다. 종래의 자유막(20)은 변경 가능한 자화(21)를 포함한다. 단일막으로 도시되었음에도 불구하고, 종래의 자유막(20) 또한 다중막을 포함할 수 있다. 종래의 고정막(16)과 자유막(20)은 각각 막들의 상면에 수직 방향을 향하는 자화(17, 21)를 가질 수 있다.
종래의 자유막(20)의 자화(21)를 스위칭하기 위하여, 전류가 평면에 수직 방향(Z축 방향)으로 구동된다. 상부 컨택(22)으로부터 하부 컨택(14)으로 충분한 전류가 흐르면, 종래의 자유막(20)의 자화(21)는 종래의 고정막(16)의 자화(17)에 평행하도록 스위칭될 수 있다. 하부 컨택(11)으로부터 상부 컨택(22)으로 충분한 전류가 흐르면, 자유막(20)의 자화(21)는 고정막(16)의 자화(17)에 역평행(antiparallel)하도록 스위칭될 수 있다. 자기 구성(magnetic configuration)의 차이는 서로 다른 자기저항(magnetoresistance)에 대응하고 따라서 종래의 MTJ(10)의 서로 다른 논리적 상태(논리 “0”과 논리 “1”)에 대응한다.
다양한 분야에서의 잠재적 용도로 인하여, 자기 메모리에 관한 연구가 진행중이다. STT-RAM의 성능 향상을 위한 메커니즘이 요구된다. 예를 들어, 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)와 높은 자기저항이 요구된다. 따라서, 스핀 전가 토크에 기반한 메모리의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 그러한 요구를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합은, 다중막을 포함하고, 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태(magnetic state) 간에 스위칭 가능한 자유막, 비자성 스페이서막 및 고정막을 포함하되, 상기 스페이서막은 상기 고정막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 상기 쓰기 전류는 상기 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열(joule heating)을 생성하고, 상기 자유막은 자유막의 평면 외(out-of-plane) 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하되, 상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하고, 상기 제1 막은 자기 전이 금속(magnetic transition metal)과 희토류의 합금을 포함하고, 제2 막은 자성막을 포함하고, 상기 다중막은 상온 보자력(room temperature coercivity)과 스위칭 온도 보자력(switching temperature coercivity)을 갖되, 상기 스위칭 보자력이 상기 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고, 상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자(demagnetization) 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy) 에너지를 갖는다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 온도 보자력은 상기 상온 보자력의 1/4를 넘지 않을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 상기 다중막에 인접한 (CoFe)1-yBy막 을 더 포함하되, 상기 제1 막이 CoxTb1 -x를 포함하도록 상기 자기 전이 금속은 Co이고 상기 희토류는 Tb이되, 상기 x는 적어도 0.4이고 0.5보다 크지 않고, 상기 자성막은 FeB를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 Tb 블로킹막, 및 상기 Tb블로킹막과 상기 다중막 사이의 (CoFe)1-yBy막을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 Tb 블로킹막은 Mg를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 (CoFe)1-wBw, 텅스텐(W)막, (CoFe)1-zBz 및 Fe막을 포함하는 추가적인 다중막을 더 포함하되, w는 0.5보다 크지 않고 z는 0.5보다 크지 않을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막은 결정질 MgO 터널링 배리어막일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 추가적인 비자성막 및 추가적인 고정막을 더 포함하되, 상기 자유막은 상기 비자성막과 상기 추가적인 비자성막 사이에 배치되고, 상기 추가적인 비자성막은 상기 자유막과 상기 추가적인 고정막 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 상기 기판과 상기 고정막 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, MgO 시드막은 상기 자유막과 상기 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 배치되는 자기 메모리는, 복수의 자기 스토리지 셀 및 상기 복수의 자기 스토리지 셀과 결합된 복수의 비트 라인을 포함하되, 상기 복수의 자기 스토리지 셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하되, 상기 자기 접합은 고정막, 자유막 및 상기 고정막과 상기 자유막 사이의 비자성 스페이서막을 포함하고, 상기 자유막은 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태들 간에 스위칭될 수 있고, 상기 쓰기 전류는 자유막의 상기 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열을 생성하고, 상기 자유막은 자유막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 자유막은 다중막을 포함하되, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하되, 상기 제1 막은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제2 막은 자성막을 포함하고, 상기 다중막은 상온 보자력과 스위칭 온도 보자력을 갖되, 상기 다중막의 스위칭 보자력이 상기 다중막의 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고, 상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 상기 다중막에 인접한 (CoFe)1-wBw막, Mg막 및 추가적인 다중막을 더 포함하되, 상기 (CoFe)1-wBw는 상기 Mg막과 상기 다중막 사이에 배치되고, 상기 추가적인 다중막은 (CoFe)1-yBy, W막, (CoFe)1- zBz막 및 Fe막을 포함하고, w, y, z는 0.5보다 크지 않고, 상기 제1 막이 CoxTb1 -x를 포함하도록 상기 자기 전이 금속은 Co이고 상기 희토류는 Tb이되, 상기 x는 적어도 0.4이고 0.5보다 크지 않고, 상기 자성막은 FeB를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 배치되고 자기 장치에 이용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법은, 자유막을 제공하고, 비자성 스페이서막을 제공하고, 고정막을 제공하는 것을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 상기 고정막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 흐를 때 상기 자유막은 복수의 안정된 자기 상태들 간에 스위칭 될 수 있고, 상기 쓰기 전류는 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열을 생성하고, 상기 자유막은 자유막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고, 상기 자유막은 다중막을 포함하되, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하되, 상기 제1 막은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제2 막은 자성막을 포함하고, 상기 다중막은 상온 보자력과 스위칭 온도 보자력을 포함하되, 상기 스위칭 온도 보자력은 상기 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고, 상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막을 제공한 후 및 상기 고정막을 제공하기 전에 어닐링을 수행하는 것을 더 포함하되, 상기 어닐링은 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 고정막을 제공하는 것은, 상기 비자성 스페이서막과 인접하여 분극 향상막(polarization enhancement layer)을 제공하고, 상기 분극 향상막을 제공한 후 추가적인 어닐링을 수행하는 것을 더 포함하되, 상기 추가적인 어닐링은 300℃ 초과 450℃ 미만의 어닐링 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막을 제공하는 것은, 상기 비자성 스페이서막 상에 비정질 자성막을 증착하되, 상기 비정질 자성막은 붕소(B)를 포함하고, 상기 비정질 자성막 상에 희생 B 싱크막(sink layer)을 증착하고, 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도에서 어닐링을 수행하고, 상기 어닐링을 수행한 후에 상기 희생 B 싱크막을 제거하고, 상기 희생 B 싱크막을 제거한 후에 상기 다중막을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 자기 접합을 도시한다.
도 2는 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 스토리지 셀(들)의 메모리 소자(들) 내에서 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 활용하는 메모리의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 일 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 9는 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 실시예를 설명하는 순서도이다.
도 10은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리에 이용될 수 있는, 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법의 다른 실시예를 설명하는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
예시적인 실시예는 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합과, 그러한 자기 접합을 사용하는 장치들과 관련된다. 자기 메모리는 스핀 토크 전가 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)을 포함할 수 있고 비휘발성 메모리를 채용하는 전자 장치에 사용될 수 있다. 그러한 전자 장치는 셀룰러 폰, 스마트폰, 테블릿, 랩탑 및 기타 휴대용 또는 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예는 특정한 방법, 특정한 구성 요소를 갖는 자기 접합과 자기 메모리의 관점에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 다른 및/또는 추가적인 구성 요소 및/또는 본 발명과 일관되지 않는 다른 특성들을 갖는 자기 접합과 자기 메모리의 사용과 일관된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템은 스핀 전가 현상(spin transfer phenonmenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및 기타 물리적 현상들에 대한 현재 이해의 관점에서 설명된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 스핀 전가, 자기 이방성 및 기타 물리적 현상에 기반하여 이론적으로 설명된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존적이지 않다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 관점에서 설명된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 다른 구조와 일관될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 합성 및/또는 단일의 특정 막(layer)들의 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 막들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 뿐만 아니라, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정한 막을 갖는 자기 접합 및/또는 하부 구조(substructure)들의 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템과 일관되지 않는 추가적인 및/또는 다른 막을 갖는 자기 접합 및/또는 하부 구조를 갖는 것을 쉽게 이해할 것이다. 게다가, 특정한 구성 요소는 자성, 강자성(ferromagnetic), 페리 자성(ferromagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에 사용된 것과 같이 자성(magnetic)은 강자성, 페리 자성 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 것과 같이, “자성” 또는 “강자성”의 용어는 강자성체(ferromagnet) 및 페리 자성체(ferrimagnet)을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, “평면 내(in-plane)”는 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 막들의 평면 내부에 있거나 평면과 평행한 것이다. 반대로, “수직(perpendicular)” 및 “평면에 수직(perpendicular-to-plane)”은 자기 접합의 하나 이상의 막에 실질적으로 수직인 방향에 해당한다.
도 2는 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 접합(100)은 스핀 토크 전가를 이용하는 프로그램 가능한 자기 메모리에 이용될 수 있다. 명확성을 위하여, 도 2는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100)은 STT-MRAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 자기 접합(100)은 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110), 비자성 스페이서막(120) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130)을 포함한다. 트랜지스터와 같은 장치가 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않는 하부 기판(101) 또한 도시된다. 하부 컨택(102), 상부 컨택(108), 선택적인 시드막(104) 및 선택적인 캡핑막(106) 또한 도시된다. 예를 들어, 시드막(104)은 얇은 산화마그네슘(MgO) 시드막을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 고정막(130)은 자유막(110)보다 자기 접합(100)의 상부(기판(101)으로부터 가장 먼)에 가깝다. 자유막(110) 다음에 고정막(130) 또한 증착된다. 따라서 자기 접합(100)은, 상부 고정 접합(top pinned junction)이다. 다른 실시예에서, 자기 접합(100)은 이중 자기 접합 또는 하부 고정 접합이 될 수 있다. 이중 자기 접합에서, 적어도 하나의 추가적인 (하부) 비자성(nonmagnetic) 스페이서막(미도시) 및 추가적인 (하부) 고정막(미도시)이 자유막(110) 및 선택적인 시드막(104)/하부 컨택(102) 사이에 존재할 수 있다. 선택적인 고정막(미도시)는 고정막(130)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 선택적인 고정막은 교환 바이어스(exchange-bias) 작용에 의하여 고정막(130)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM막 또는 다중막일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 선택적인 고정막은 제거되거나 다른 구조가 이용될 수 있다. 높은 스핀 분극을 갖는 분극 향상막(Polarization Enhancement Layer; PEL), 자성 또는 비자성 삽입막(insertion layer) 및/또는 다른막들을 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 막들이, 자기 접합(100)의 막들에 포함될 수 있거나 자기 접합(100)에 사용될 수 있는 분리막으로 고려될 수 있다. 그러나 이러한 막들은 단순함을 위해 도시되지 않았다.
비자성 스페이서막(120)은 산화마그네슘(MgO) 터널링 배리어막일 수 있다. MgO막은 결정질(crystalline)일 수 있고, 향상된 터널링 자기저항성(Tunneling Magnetoresistance; TMR)을 위한 지향성을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 비자성 스페이서막은 다른 터널링 배리어막을 가질 수 있고, 도전성막 또는 다른 구조를 가질 수도 있다.
고정막(130)은 자성이다. 고정막(130)은 SAF와 같은 고정 구조의 일부일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정막(130)은 비자성막과 교차되는 강자성막들 중 하나일 수 있다. 고정막(130)은 다중막일 수 있다. 그러므로, 고정막(130)은 다중 강자성막들을 포함하는 하부막(sublayer)을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 높은 스핀 분극을 갖는 분극 향상막(PEL)이 비자성 스페이서막(120)에 최인접한 고정막(130)의 일부에 제공될 수 있다. 고정막(130)의 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy; PMA) 에너지는 그것의 평면 외(out-of-plane) 소자(demagnetization) 에너지를 초과한다. 고정막(130)은 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 높은 PMA는 PMA 에너지가 평면 외 소자 에너지보다 큰 PMA를 의미한다. 고정막(130)이 높은 PMA를 갖기 때문에, 고정막(130)의 자기 모멘트(131)는 평면에 수직일 수 있다. 그러한 실시예에서, 고착막(pinning layer)은 일반적으로 사용되지 않는다. 예를 들어, 고정막(130)은 Co/Pt 이중막, CoPt 합금, CoTb 합금 및/또는 Co/Tb 이중막의 다중 반복을 포함하는 다중막을 포함할 수 있다. 그러한 조합은 높은 PMA를 가질 수 있다. 유사하게, 고정막(130)은 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi 및 MnAl중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 이들은 높은 PMA를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 것과 같이 CoFeB, FeB, CoB 및 MnAl는 화학량론(stoichiometry)이 표시되지 않은 합금들을 지칭하는 것에 주목한다. 예를 들어, CoFeB는 (CoFe)1-xBx를 포함할 수 있고, 여기서 x는 0이상 0.5이하이다. 예를 들어, x는 적어도 0.2이고 0.4보다 크지 않을 수 있다. 유사하게, FeB는 Fe1 - xBx일 수 있고, 여기서 x는 0 이상 0.5이하이다. 다른 물질 및/또는 구조들은 고정막(130)이 될 수 있는 높은 PMA를 갖는다.
자유막(110)은 자성이고 평면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다. 자유막(110)의 자기 모멘트(111)는 따라서 도 2에 도시된 것과 같이 평면에 수직방향일 수 있다. 자유막(110)의 자기 모멘트(111)가 자기 접합을 통해 흐르는 쓰기 전류(예를 들어 스핀 전가를 이용하는)를 이용하여 스위칭될 수 있도록 자기 접합이 또한 구성될 수 있다.
비록 자유막(110)이 금속일 수 있으나, 자기 접합(100)을 통해 흐르는 쓰기 전류는 자유막(110) 내에 줄 발열(joule heating)을 유발할 수 있다. 결과적으로, 자유막(110)은 스위칭 도중에 자유막이 정지하거나 읽혀질 때보다 고온이다. 따라서, 자유막(110)의 스위칭 온도는 상온보다 높다. 몇몇 실시예에서, 자유막(110)의 스위칭 온도는 적어도 100℃이고 200℃를 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 자유막(110)의 스위칭 온도는 적어도 130℃이고 180℃를 넘지 않는다. 예를 들어, 자유막의 스위칭 온도는 150℃ 정도일 수 있다. 자유막(110)의 스위칭 온도는 그러나, 일반적으로 아래 설명되는 자기 접합(100)의 제조 과정에서 이용되는 어닐링 온도보다 적은 것이 바람직하다.
자유막(110)은 온도에 민감한 다중막(112)을 포함한다. 다중막(112)은 적어도 하나의 이중막을 포함한다. 이중막의 제1 막은 희토류(RE)와 자기 전이 금속(magnetic transition metal, TM)의 합금이다. 이 합금은 RE-TM 합금으로 지칭될 수 있다. 제2 막은 자성막(도 2의 X로 표시됨)이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자성막은 증착된(as-deposited) 비정질이다. 본 명세서에서 기재된 것과 같이, 비정질 자성막은 증착된 비정질이나, 만약 B가 비정질 자성막으로부터 확산될 수 있다면 제조 과정에서 부분적 또는 전체적으로 결정화될 수 있다. 예를 들어, 비정질 자성막은 FeB막이 될 수 있다. 비정질 자성막은 자기 전이 금속 합금막일 수 있다. 따라서, 다중막(112)은 RE-TM합금막에 비정질 자기 합금막이 삽입된 막들을 포함한다. 예를 들어, 다중막(112)은 CoTb(RE-TM막)막에 FeB막 또는 CoFeB막(비정질 자기 합금막)이 삽입된 막들을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 [RE-TM/X]n 다중막은 CoTb/FeB 이중막의 n 반복을 포함할 수 있고, 여기서 n은 1 이상의 정수이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, n은 7을 초과하지 않는다. CoTb는 CoxTb1 - x일 수 있고, 몇몇 실시예에서 x는 0.4-0.5이다. FeB막은 Fe: 80-60 원자 퍼센트 및 B: 20-40 원자 퍼센트를 가질 수 있다. 몇몇의 경우에서, 다중막(112)에서 RE-TM 합금막에서의 화학 총량의 증감(gradient)이 있을 수 있고/있거나 비정질 자기 합금은 변화가 있을 수 있다. 예를 들어, RE-TM 합금막은 제1 이중막에 있어 40 원자 퍼센트 Co로부터, n번째 반복되는 이중막에 있어 50 원자 퍼센트 Co로 변화할 수 있다. 그러한 실시예에서, 비정질 자기 합금의 화학 총량은 실질적으로 일정하거나 또는 변화할 수 있다. 유사하게, 비정질 자기 합금은 다중막(112)에 걸쳐 변화하는 화학 총량을 가질 수 있다. 그러한 실시예에서, RE-TM 합금의 화학 총량은 실질적으로 일정하거나 또는 변화할 수 있다. CoTb 및/또는 FeB막의 두께 또한 다중막(112)에 걸쳐 변화할 수 있다.
이중막의 막들은 얇을 수도 있다. 예를 들어, 비정질 자기 합금막의 두께는 적어도 2 Å에서 5 Å을 넘지 않을 수 있다. RE-TM 합금막은 비정질 자기 합금막과 동일한 두께를 같거나 또는 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 다중막에서 RE-TM 합금막 및/또는 비정질 자기 합금막의 두께의 변화(gradient)가 있을 수 있다. 예를 들어, 다중막은 공칭(nominally) 두께 3 Å의 CoTb와 공칭 두께 4 Å의 FeB를 포함하는 n 반복의 이중막을 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, RE-TM 합금(예를 들어 CoTb)막과 비정질 자기 합금(FeB)막의 두께는 변화하지 않는다. 다른 실시예에서, CoTb막 및/또는 FeB 또는 CoFeB막의 두께는 이중막의 반복에 걸쳐 변할 수 있다. 예를 들어 이중막의 세번 반복의 경우, 제1, 제2 및 제3 반복에서 각각 3, 4, 5 Å의 CoTb를 포함할 수 있다. 이러한 두께 변화 및/또는 화학 총량의 변화는 다중막(112)의 자기 특성에 있어 필요한 온도 의존성을 제공하기 위해 구성될 수 있다.
RE-TM 합금 및 비정질 합금막의 이중막에 더하여, 자유막(110)은 다른 막들을 포함할 수 있다. 예를 들어 다중막은 인터페이스막(interfacial layer), 결합막(coupling layer) 및/또는 삽입막을 포함할 수 있다. 자유막(110)은 다중막에 더하여 분극 향상막(PEL)을 포함할 수 있다. PEL은 CoFeB 또는 FeB와 같은 물질을 포함할 수 있고 상술한 화학 총량을 가질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예서 자유막(110)은 RE 블로킹막을 포함할 수 있다. 예를 들어, RE-TM막이 Tb를 포함하는 경우, Tb 블로킹막이 이용될 수 있다. Tb 블로킹막은 자유막(110)에 Tb가 확산되는 것을 방지하거나 감소시키는 것을 돕는다. 그러한 Tb 블로킹막은 Mg를 포함할 수 있다. 자유막은 CoFeB막, W막, 다른 CoFeB막과 Fe막을 포함하는 추가적인 다중막을 더 포함할 수 있고, 여기서 CoFeB는 상술한 화학 총량을 가질 수 있다. 그러한 실시예에서, W막은 자기 접합(100)의 제조 과정에서 붕소(B)를 끌어들이는데 이용되는 삽입막일 수 있다.
다중막(112)의 상온 보자력(coercivity)는 다중막(112)의 스위칭 온도 보자력보다 크다. 스위칭 온도 보자력은 상온 보자력의 1/2 이상을 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 다중막의 스위칭 온도 보자력은 다중막의 상온 보자력의 1/4를 넘지 않는다. 다중막(112)의 자기 특성이 온도 의존적이기 때문에, 자유막(110)의 특성 또한 온도 의존적이다. 예를 들어, 다중막의 보자력 감소로 인하여 자유막(110)의 보자력은 스위칭 동안에 현저히 감소할 수 있다.
자기 접합(100)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유막(110)과 고정막(130)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있고, 이는 향상된 성능을 위해 바람직할 수 있다. 이러한 방향은 RE-TM 합금과 비정질 자기 합금의 이중막에 기인한 것일 수 있다. 자유막(110)의 스위칭은 또한 낮은 전류에서 달성될 수 있다. 다중막(112)은 보자력이 강한 온도 의존성을 갖도록 구성된다. 다중막(112)의 PMA는 이와 유사한 강한 온도 의존성을 갖는다. 스위칭 온도에서의 보자력과 PMA의 감소로 인하여, 자유막(110)의 자기 모멘트(111)를 스위칭하기 위하여 낮은 쓰기 전류가 이용될 수 있다. 자기 접합(100)은 좀더 빠르고 쉽게 프로그램될 수 있다. 또한, 자유막(110)의 다른 막들은 TMR과, 따라서 읽기 신호(read signal)을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100)의 성능은 향상될 수 있다.
도 3은 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합(100’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 3은 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(100’)은 자기 접합(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100’)은, 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110), 비자성 스페이서막(120) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130)을 포함하고, 이는 자기 접합(100)에 포함된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110), 비자성 스페이서막(120) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130)과 각각 유사하다. 도2의 선택적인 시드막(104) 및 캡핑막(106)과 각각 유사한 선택적인 시드막(104)과 캡핑막(106) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택은 자기 접합(100)에서의 기판(101), 하부 기판(102) 및 상부 컨택(108)과 유사할 수 있다.
도 3의 자유막(100’)은 다중막(도 2의 112)과 유사한 다중막(112)을 포함한다. 따라서, 다중막(112)은 이중막의 하나 또는 그 이상의 반복을 포함한다. 이중막은 자기 합금막이 삽입된 RE-TM 합금막을 포함한다. 예를 들어, 이중막은 상술한 CoTb/FeB 이중막을 포함할 수 있다. 다중막(112)는 따라서 온도에 민감하다. 특히, 보자력과, 따라서 PMA는 스위칭 도중의 자유막(110’)의 줄 발열로 인하여 증가할 수 있다. 스위칭 온도에서의 보자력은 상온에서의 다중막(112)의 보자력의 1/2을 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 다중막(112)의 스위칭 온도 보자력은 상온 보자력의 1/4를 넘지 않는다. 자유막(110’)의 PMA 및 보자력 전체는 유사한 방식으로 감소된다. 자유막(110’)의 스위칭 온도는 상술한 자유막(110)의 스위칭 온도와 유사할 수 있다.
자유막(110’)은 또한 추가적인 비정질 자성막(113)을 포함한다. 비정질 자성막(113)은 CoFeB막일 수 있다. 상술한 것과 같이, 비정질 자성막(113)은 비정질로 증착되나, 제조 과정에서 부분적으로 또는 전체적으로 결정화될 수 있다. CoFeB막(113)은 PMA 및 향상된 TMR을 가질 수 있다. 따라서, 자유막(110’)의 자기 모멘트(111)는 평면에 수직으로 유지될 수 있다.
도시된 실시예에서, 자기 접합(100’)은 이중 자기 접합일 수 있다. 따라서, 추가적인 비자성 스페이서막(140) 및 높은 PMA를 갖는 추가적인 고정막(142)이 자기 접합(100’)에 포함될 수 있다. 추가적인 비자성 스페이서막(142)는 비자성 스페이서막(120)과 유사할 수 있다. 예를 들어, 추가적인 스페이서막(142)는 터널링 배리어막일 수 있다. 추가적인 고정막(142)은 높은 PMA를 갖고, 따라서 실질적으로 평면에 수직인 자기 모멘트(143)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 자기 모멘트(143)는 자기 모멘트(131)에 반대 방향이다. 따라서 자기 접합(100’)은 이중 상태이다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트(131, 143)는 정렬될 수 있다. 그 대신에, 막들(140, 142)은 제거될 수 있다. 그러한 실시예에서, 자기 접합(100’)은 상부 고정 자기 접합이다.
자기 접합(100’)은 자기 접합(100)의 이점을 공유할 수 있다. 예를 들어 자유막(110’)과 고정막(130)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 자유막(110’)의 스위칭은 또한 낮은 전류에서 달성될 수 있다. 자기 접합(100’)은 다중막(112)으로 인해 좀더 빠르고 쉽게 프로그램될 수 있다. 또한, 자유막(110’) 내의 비정질막(113)과 같은 다른 막들이 TMR과, 따라서 읽기 신호를 유지하기 위해 이용될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100’)의 성능은 향상될 수 있다.
도 4는 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자기 접합(150)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 4는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(150)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(150)은 자기 접합(100) 및/또는 자기 접합(100’)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(150)은 평면 수직인 자기 모멘트(미도시)를 갖는 자유막(160), 비자성 스페이서막(170), 선택적인 PEL(182) 및 평면 수직인 자기 모멘트(명시적으로 도시되지 않음)를 갖는 고정막(180)을 포함하고, 이는 자기 접합(100/100’)에 포함된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110/110’), 비자성 스페이서막(120) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130)과 각각 유사하다. 선택적인 시드막(도 2의 104)과 캡핑막(도 2의 106)과 각각 유사한 선택적인 시드막(154)과 캡핑막(156) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택은 자기 접합(100/100’)에서의 기판(101), 하부 기판(102) 및 상부 컨택(108)과 각각 유사할 수 있다. 또한, 자기 접합(150)은, 막들(140, 142)과 각각 유사한 추가적인 비자성 스페이서막과 추가적인 고정막이 포함된다면 이중 자기 접합일 수 있다. PEL(182)는 고정막(180)과 자기 결합되고 고정막(180)의 일부로 생각될 수 있다. PEL(182)은 예를 들어, Fe 또는 다른 높은 스핀 분극을 갖는 막을 포함할 수 있다.
자기 접합(150)은 상부 고정 자기 접합이다. 특히, 고정막(180)은 자유막(160)보다 기판(미도시)으로부터 멀다. 따라서, 도 4의 시드막(154)은 도 2 또는 도 3의 시드막들과 동일하거나 다를 수 있다.
도 4의 자유막(160)은 도 2 또는 도 3의 다중막(112)과 유사한 다중막(162)을 포함한다. 따라서, 다중막(162)은 이중막의 하나 이상의 반복을 포함한다. 이중막은 자기 합금이 삽입된 RE-TM/자기 합금막을 포함한다. 예를 들어, 이중막은 상술한 CoTb/FeB 이중막을 포함할 수 있다. 다중막(162)은 온도에 민감하다. 특히, 다중막(162)의 보자력과, 따라서 PMA는 스위칭 도중의 자유막(160)의 줄 발열로 인하여 감소할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 온도에서의 보자력은 상온에서의 다중막(162)의 보자력의 1/2을 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 다중막(162)의 스위칭 온도 보자력은 상온 보자력의 1/4를 넘지 않는다. 자유막(160)의 스위칭 온도는 대략 자유막(110 및/또는 110’)의 스위칭 온도일 수 있다. 자유막(160)의 PMA와 보자력은 전체로서 유사한 방식으로 감소된다.
자유막(160)은 비정질 자성막(113)과 유사한 추가적인 비정질 자성막(163)을 포함한다. 비정질 자성막(163)은 상술한 화학 총량을 갖는 CoFeB일 수 있다. 그러한 CoFeB막(163)은 PMA와 향상된 TMR을 가질 수 있다. 따라서, 자유막(160)의 자기 모멘트는 평면에 수직으로 유지될 수 있다.
상술한 것과 같이, 비정질 자성막은 비정질로 증착되지만, 제조 과정에서 부분적으로 또는 전체적으로 결정화될 수 있다. 제조 과정에서 비자성 삽입막(166)은 붕소(B)를 위한 싱크(sink)로 이용할 수 있다. 비자성 삽입막(166)은 스위칭과 자기 저항에 기반한 스핀 전가를 향상시킴으로써 비정질 자성막들(165, 167)의 특성을 향상시킬 수 있다. 선택적인 자성막(168)은 예를 들어, Fe막을 포함할 수 있다. 선택적인 자성막(168)은 PEL로 간주될 수 있다.
자기 접합(150)은 자기 접합(100 및/또는 100’)의 이점을 공유할 수 있다. 예를 들어, 자유막(160)과 고정막(180)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 자유막(160)의 스위칭은 또한 낮은 전류에서 달성될 수 있다. 자기 접합(150)은 다중막(162)의 자기 성질에 대한 온도 의존성으로 인하여 좀더 빠르고 쉽게 프로그램될 수 있다. 또한, 비정질막(163), 블로킹막(164) 및 자유막(160) 내의 막들(165, 166, 167)과 같은 다른 막들은 TMR 및/또는 스위칭에 기반한 스핀 전가를 유지하기 위하여 이용될 수 있다. 따라서 쓰기 전류가 감소된 채로 읽기 신호는 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(150)의 성능은 향상될 수 있다.
도 5는 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자기 접합(150’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 5는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(150’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(150')은 자기 접합(100, 100’) 및/또는 자기 접합(150)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(150’)은 평면 수직인 자기 모멘트(미도시)를 갖는 자유막(160’), 비자성 스페이서막(170) 및 평면 수직인 자기 모멘트(명시적으로 도시되지 않음)를 갖는 고정막(180)을 포함하고, 이는 자기 접합(100/100’/150)에 포함된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110/110’/160), 비자성 스페이서막(120/170) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130/180)과 각각 유사하다. 선택적인 시드막(도 2의 104)과 캡핑막(도 2의 106)과 각각 유사한 선택적인 시드막(154’)과 캡핑막(156) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택은 자기 접합(100/100’)에서의 기판(101), 하부 기판(102) 및 상부 컨택(108)과 각각 유사할 수 있다. 또한, 자기 접합(150’)은, 막들(140, 142)과 각각 유사한 추가적인 비자성 스페이서막과 추가적인 고정막이 포함된다면 이중 자기 접합일 수 있다. 자기 접합(150’)은 상부 고정 자기 접합이다. 특히, 고정막(180)은 자유막(160’)보다 기판(미도시)로부터 멀다.
도 5에 도시된 자유막(160’)은 도 2 내지 4에 도시된 다중막(112/162)과 유사한 다중막(162)를 포함한다. 따라서 다중막(162)은 이중막의 하나 이상의 반복을 포함한다. 이중막은 자기 합금이 합입된 RE-TM/자기 합금막을 포함한다. 예를 들어, 이중막은 상술한 CoTb/FeB 이중막을 포함할 수 있다. 다중막(162)은 온도에 민감하다. 특히, 다중막(162)의 보자력과, PMA는 스위칭 도중의 자유막(160’)의 줄 발열로 인하여 감소할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 온도에서의 보자력은 상온에서의 다중막(162)의 보자력의 1/2을 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 다중막(162)의 스위칭 온도 보자력은 상온 보자력의 1/4를 넘지 않는다. 자유막(160’)의 PMA와 보자력은 전체로서 유사한 방식으로 감소된다.
또한, 자유막(160’)은 추가적인 비정질 자성막(163), 블로킹막(164), 비정질 자성막(165), 비자성 삽입막(166) 및 비정질 자성막(167)을 포함하며 이는 막들(113/163, 164, 165, 166, 167)과 각각 유사하다.
또한, 시드막(165’)은 MgO 시드막(154B)과 추가적인 금속 시드막(들)(154A)을 포함한다. MgO 시드막(154B)는 자유막(160’)에서 높은 TMR을 야기할 수 있다.
자기 접합(150’)은 자기 접합(100, 100’ 및/또는 150)의 이점을 공유할 수 있다. 예를 들어, 자유막(160’)과 고정막(180)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 자유막(160’)의 스위칭은 또한 낮은 전류에서 달성될 수 있다. 자기 접합(150’)은 다중막(162)의 자기 성질에 대한 온도 의존성으로 인하여 좀더 빠르고 쉽게 프로그램될 수 있다. 또한, 시드막(154’), 비정질막(163), 블로킹막(164)과 자유막(160’) 내의 막들(165, 166, 167)과 같은 다른 막들은 TMR 및/또는 스위칭에 기반한 스핀 전가를 유지하기 위하여 이용될 수 있다. 따라서 쓰기 전류가 감소된 채로 읽기 신호는 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(150’)의 성능은 향상될 수 있다.
도 6은 높은 수직 자기 이방성을 갖고 열적으로 민감한 자기 접합(150’’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 6는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(150’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합(150’’)은 자기 접합(100, 100’) 및/또는 자기 접합(150’)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(150’’)은 평면 수직인 자기 모멘트(미도시)를 갖는 자유막(160’’), 비자성 스페이서막(170) 및 평면 수직인 자기 모멘트(명시적으로 도시되지 않음)를 갖는 고정막(180)을 포함하고, 이는 자기 접합(100/100’/150/150’)에 포함된 자기 모멘트(111)를 갖는 자유막(110/110’/160/160’), 비자성 스페이서막(120/170) 및 자기 모멘트(131)를 갖는 고정막(130/180)과 각각 유사하다. 선택적인 시드막(도 2의 104)과 캡핑막(도 2의 106)과 각각 유사한 선택적인 시드막(154’)과 캡핑막(156) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택은 자기 접합(100/100’)에서의 기판(101), 하부 기판(102) 및 상부 컨택(108)과 각각 유사할 수 있다. 또한, 자기 접합(150’)은, 막들(140, 142)과 각각 유사한 추가적인 비자성 스페이서막과 추가적인 고정막이 포함된다면 이중 자기 접합일 수 있다. 자기 접합(150’’)은 하부 고정 자기 접합이다. 특히, 고정막(180)은 자유막(160’)보다 기판(미도시)으로부터 가깝다.
도 6에 도시된 자유막(160’’)은 도 2 내지 5에 도시된 다중막(112/162)과 유사한 다중막(162)를 포함한다. 따라서 다중막(162)은 이중막의 하나 이상의 반복을 포함한다. 이중막은 자기 합금이 합입된 RE-TM/자기 합금막을 포함한다. 예를 들어, 이중막은 상술한 CoTb/FeB 이중막을 포함할 수 있다. 다중막(162)은 온도에 민감하다. 특히, 다중막(162)의 보자력과, 따라서 PMA는 스위칭 도중의 자유막(160’’)의 줄 발열로 인하여 증가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 온도에서의 보자력은 상온에서의 다중막(162)의 보자력의 1/2을 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 다중막(162)의 스위칭 온도 보자력은 상온 보자력의 1/4를 넘지 않는다. 자유막(160’’)의 PMA와 보자력은 전체로서 유사한 방식으로 감소된다.
또한, 자유막(160’’)은 추가적인 비정질 자성막(163), 블로킹막(164), 비정질 자성막(165)을 포함하며 이는 막들(113/163, 164, 165)과 각각 유사하다. 막들(도 5의 166, 167)이 본 실시예에서 제거된 것에 주목한다.
자기 접합(150’’)은 자기 접합(100, 100’, 150 및/또는 150’)의 이점을 공유할 수 있다. 예를 들어, 자유막(160’’)과 고정막(180)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 자유막(160’’)의 스위칭은 또한 낮은 전류에서 달성될 수 있다. 자기 접합(150’’)은 다중막(162)의 자기 성질에 대한 온도 의존성으로 인하여 좀더 빠르고 쉽게 프로그램될 수 있다. 또한, 시드막(154), 비정질막(163), 블로킹막(164)과 자유막(160’’) 내의 비정질 자성막(165)이 스위칭에 기반한 스핀 전가를 유지 또는 향상시키기 위하여 이용될 수 있다. 따라서, 쓰기 전류가 감소된 채로 읽기 신호는 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(150’’)의 성능은 향상될 수 있다.
다양한 특징을 갖는 다양한 자기 접합들(100, 100’, 150, 150’, 150’’) 이 설명되었다. 자기 접합들(100, 100’, 150, 150’, 150’’)의 특성들은 본 명세서에서 명시적으로 설명되지 않은 방식으로 자기 접합들과 결합될 수 있다. 따라서 자기 접합들(100, 100’, 150, 150’, 150’’)의 하나 이상의 특성들과 이점들을 갖는 자기 접합이 제공될 수 있다.
도 7은 하나 또는 그 이상의 자기 접합들(100, 100’, 150, 150’, 150’’)을 이용할 수 있는 메모리(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 메모리(200)은 워드 라인 셀렉트 드라이버(204)뿐만 아니라 읽기/쓰기 컬럼 셀렉트 드라이버(202, 206)도 포함한다. 다른 구성 요소가 제공될 수 있음에 주목한다. 각각의 자기 스토리지 셀은 적어도 하나의 자기 접합(212)와 적어도 하나의 셀렉션 장치(214)를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 셀렉션 장치(214)는 트랜지스터이다. 자기 접합(212)은 본 명세서에서 설명된 자기 접합들(100, 100’, 150, 150’, 150’’) 중 어느 하나일 수 있다. 셀(210) 당 하나의 자기 접합(212)이 존재함에도 불구하고, 다른 실시예에서, 셀당 다른 수의 자기 접합(212)이 제공될 수도 있다. 이러한 자기 메모리(200)는 상술한 이점들을 향유할 수 있다.
도 8은 STT-RAM과 같은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와, 따라서 다양한 전자 장치에 이용될 수 있는 높은 수직 자기 이방성과 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법(300)의 예시적인 실시예를 도시하는 순서도이다. 단순함을 위하여, 몇몇 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하부 단계를 포함하거나 조합될 수 있다. 또한, 방법(300)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 수행된 다음에 시작될 수 있다. 단순함을 위하여, 방법(300)은 자기 접합들(100, 100’, 150’’)의 관점에서 설명된다. 그러나, 다른 자기 접합들 또한 형성될 수 있다.
단계 302를 통해, 고정막(130/180)이 제공된다. 단계 302에서 제공되는 고정막은 높은 자기 이방성을 갖고 다중막을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 하부 고정막은 RE-TM막과 비정질 자성막의 복수의 반복을 포함한다. 삽입 및/또는 인터페이스막들 또한 존재할 수 있다. 그러나, RE-TM/비정질 자성막의 다중막은 스위칭 온도에서 자기적으로 안정적이도록 구성될 것이다. 다시 말하면, 고정막과 같은 것의 자기적 성질은 일반적으로 자유막(110/160’’)의 자기적 성질보다 덜 민감할 수 있다. 대신에, 또 다른 고정막이 제공될 수 있다. 예를 들어, Co/Pt 이중막의 복수의 반복들이 단계 602에서 증착될 수 있다. 단계 302는 또한 도 4의 PEL(182)와 같은 PEL을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 그러므로, 단계 302는 복수의 막들을 증착하는 것을 포함할 수 있다.
단계 304를 통해, 막들(120, 170)과 같은 비자성 스페이서막이 제공된다. 단계 304는 MgO막을 증착하고/증착하거나 Mg막을 증착하고 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 터널링 배리어막이 이와 같이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 비자성 스페이서막이 이용될 수 있다. 단계 304는 자기 접합(150’’)과 같은 하부 고정막 자기 접합이 제조된다면 단계 302 이후에 수행된다. 만약 자기 접합(100)과 같은 상부 고정막 자기 접합이 제조된다면, 단계 302는 단계 304 이후에 수행된다.
자유막(110, 110’, 160’’)과 같은 자유막이 단계 306을 통해 제공된다. 만약 단계들(302, 304)이 단계 306 이전에 수행된다면, 제조되는 자기 접합은 하부 고정 또는 이중 자기 접합이 될 수 있다. 대신에, 단계들(302, 304) 이전에 단계 306이 수행된다면 상부 고정 자기 접합이 형성된다. 단계 306에서 제공되는 자유막은 다중막(112) 및/또는 다중막(162)와 같은 열적으로 민감한 다중막을 포함한다. 하나 이상의 블로킹막(들), 비정질 자성막(들) 및 싱크막(들)(sink layer)이 존재할 수 있다. 자유막은 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 단계 306에서 형성되는 자유막은 평면에 수직인 자기 모멘트를 갖는다.
막(140)과 같은 비자성 스페이서막이 단계 308을 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계 308은 MgO막을 증착하고/증착하거나 Mg막을 증착하고 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 터널링 배리어막이 이와 같이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 또 다른 비자성 스페이서막이 이용될 수 있다. 만약 형성되는 자기 접합이 이중 자기 접합이라면 단계 308이 수행된다.
단계 310을 통해, 고정막이 선택적으로 제공될 수 있다. 고정막은 자기 접합(100’)에서 막(142)일 수 있다. 단계 310은 따라서 단계 302와 유사하다.
비록 단계들(302, 304, 306, 308, 310)이 특정한 막들을 제공하는 것으로 설명되었지만, 각각의 막들의 가장자리들은 통상적으로 전체 스택(stack)이 증착될 때까지 정의되지 않는다. 고정막(들), 비자성 스페이서막(들) 및 자유막의 가장자리들은 이들의 막들이 증착될 때와는 다른 시간에 정의될 수 있다. 따라서, 단계들(302, 304, 306, 308, 310)은 시간적으로 확산(spread out)될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 단계들(302, 304, 306, 308, 310) 중 하나 이상은 막을 증착하는 것뿐만 아니라 즉시 막의 가장자리를 정의하는 것을 포함할 수 있다.
방법(300)을 이용하여, 자기 접합(100, 100’, 150, 150’, 150’’)이 형성될 수 있다. 따라서 하나 또는 그 이상의 다중막들(112, 162)들을 이용하는 자기 접합(들)(100, 100’, 150, 150’, 150’’)의 이점이 얻어질 수 있다.
도 9는 STT-RAM과 같은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와, 따라서 다양한 전자 장치에 이용될 수 있는 높은 수직 자기 이방성과 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법(320)의 예시적인 실시예를 도시하는 순서도이다. 단순함을 위하여, 몇몇 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하부 단계를 포함하거나 조합될 수 있다. 또한, 방법(320)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 수행된 다음에 시작될 수 있다. 단순함을 위하여, 방법(320)은 자기 접합들(150)의 관점에서 설명된다. 그러나, 다른 자기 접합들 또한 형성될 수 있다.
단계 322를 통해 자유막(160)이 제공된다. 단계322에서 제공되는 자유막(160)은 다중막(112)와 같은 열적으로 민감한 다중막을 포함한다. 따라서, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자유막은 RE-TM막과 비정질 자성막의 복수의 반복을 포함한다. 하나 이상의 블로킹막(들), 비정질 자성막(들) 및 싱크막(들) 이 존재할 수 있다. 자유막은 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 단계 322에서 형성되는 자유막은 평면에 수직인 자기 모멘트를 갖는다.
막(140)과 같은 비자성 스페이서막이 단계 324를 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계 324는 MgO막을 증착하고/증착하거나 Mg막을 증착하고 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 터널링 배리어막이 이와 같이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 또 다른 비자성 스페이서막이 이용될 수 있다.
비자성 스페이서막(170)이 제공된 이후에, 이미 형성된 자기 접합(150)의 일부가 단계 326을 통해 어닐링된다. 어닐링은 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 어닐링 온도는 적어도 350℃에서 400℃를 넘지 않을 수 있다. 단계 326에서 수행되는 어닐링은 터널링 배리어막(170)을 향상시킬 수 있다.
PEL(182)가 단계 328을 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계 328은 이와 같이 높은 스핀 분극 물질을 이와 같이 증착할 수 있다. 단계 328에서 PEL의 증착 후 그러나 단계 330 이전에, 또 다른 어닐링이 단계 330을 통해 수행된다. 단계 330에서 수행되는 어닐링은 단계 326의 어닐링과 유사한 온도를 이용할 수 있다. PEL(182)가 제공되지 않는다면, 단계 328은 생략될 수 있다.
고정막(180)이 단계 332를 통해 제공된다. 단계 332에서 제공되는 고정막은 높은 수직 자기 이방성을 갖고 다중막을 포함할 수 있다.
비록 단계들(322, 324, 328, 330)이 특정한 막들을 제공하는 것으로 설명되었지만, 각각의 막들의 가장자리들은 통상적으로 전체 스택이 증착될 때까지 정의되지 않는다. 고정막(들), 비자성 스페이서막(들) 및 자유막의 가장자리들은 이들의 막들이 증착될 때와는 다른 시간에 정의될 수 있다. 따라서, 단계들(322, 324, 328, 330)은 시간적으로 확산(spread out)될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 단계들(322, 324, 328, 330) 중 하나 이상은 막을 증착하는 것뿐만 아니라 즉시 막의 가장자리를 정의하는 것을 포함할 수 있다.
방법(320)을 이용하여, 자기 접합(100, 100’, 150, 150’, 150’’)이 형성될 수 있다. 따라서 하나 또는 그 이상의 다중막들(112, 162)들을 이용하는 자기 접합(들)(100, 100’, 150, 150’, 150’’)의 이점이 얻어질 수 있다.
도 10은 STT-RAM과 같은 스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와, 따라서 다양한 전자 장치에 이용될 수 있는 높은 수직 자기 이방성과 열적으로 민감한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법(350)의 예시적인 실시예를 도시하는 순서도이다. 단순함을 위하여, 몇몇 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하부 단계를 포함하거나 조합될 수 있다. 또한, 방법(350)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 수행된 다음에 시작될 수 있다. 단순함을 위하여, 방법(350)은 자기 접합들(150’’)의 관점에서 설명된다. 그러나, 다른 자기 접합들 또한 형성될 수 있다.
단계 352를 통해 고정막(180)이 제공된다. 단계 382에서 제공되는 고정막은 높은 자기 이방성을 갖고 다중막을 포함할 수 있다. 또한, 고정막(180)은 자유막(160)보다 먼저 제공될 수 있고 기판에 더 가깝게 존재할 수 있다.
막(170)과 같은 비자성 스페이서막이 단계 354를 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계 354는 MgO막을 증착하고/증착하거나 Mg막을 증착하고 산화시키는 것을 포함할 수 있다. 터널링 배리어막이 이와 같이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 또 다른 비자성 스페이서막이 이용될 수 있다.
단계 356을 통해 비정질 자성막(165)이 제공된다. 비정질 자성막(165)은 CoFeB일 수 있다.
단계 358을 통해 희생 싱크막(sacrificial sink layer)이 제공된다. 싱크막은 비정질 자성막(165)의 좀더 높은 확산 구성(diffusing constituent)을 위한 것이다. 따라서, 단계 358은 Ta 싱크막을 증착하는 것을 포함할 수 있다. Ta는 붕소(B)에 비하여 상대적으로 높은 친화력(affinity)을 갖기 때문에 B를 위한 싱크로 고려될 수 있다. Ta를 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 물질들 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 단계 358에서 W가 증착될 수 있다.
희생 싱크막이 제공된 이후에, 이미 형성된 자기 접합(150’’)의 일부가 단계 360을 통해 어닐링된다. 어닐링은 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 어닐링 온도는 적어도 350℃에서 400℃를 넘지 않을 수 있다. 단계 360에서 수행되는 어닐링은 비정질 자기막(165)의 결정화를 향상시킬 수 있다.
단계 360에서 어닐링이 수행된 이후에, 적어도 단계 358에서 제공된 싱크막이 단계 360에서 제거된다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 비정질 자성막(165)의 일부 또한 제거될 수 있다. 단계(360)은 플라즈마 식각을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
막들(163, 164, 165)이 단계 362를 통해 제공된다. 다중막(162) 또한 단계 366을 통해 제공될 수 있다. 따라서, 단계(356, 358, 360, 362, 364, 366)이 자유막(160’’)을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 자유막은 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서 자유막(160’’)은 평면에 수직인 자기 모멘트를 갖는다.
비록 단계 352 내지 단계 366이 특정한 막들을 제공하는 것으로 설명되었지만, 각각의 막들의 가장자리들은 통상적으로 전체 스택이 증착될 때까지 정의되지 않는다. 고정막(들), 비자성 스페이서막(들) 및 자유막의 가장자리들은 이들의 막들이 증착될 때와는 다른 시간에 정의될 수 있다. 따라서, 단계들(352~366)은 시간적으로 확산될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 단계들(352~366) 중 하나 이상은 막을 증착하는 것뿐만 아니라 즉시 막의 가장자리를 정의하는 것을 포함할 수 있다.
자기 접합과 자기 접합을 이용하여 제조되는 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 100', 150', 150'': 자기 접합
110, 160, 160', 160'': 자유막 130, 180: 고정막
120, 170: 비자성 스페이서막 200: 메모리

Claims (10)

  1. 다중막을 포함하고, 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태(magnetic state) 간에 스위칭 가능한 자유막;
    비자성 스페이서막; 및
    고정막을 포함하되,
    상기 비자성 스페이서막은 상기 고정막과 상기 자유막 사이에 배치되고,
    상기 쓰기 전류는 상기 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열(joule heating)을 생성하고,
    상기 자유막은 자유막의 평면 외(out-of-plane) 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하되, 상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하고, 상기 제1 막은 자기 전이 금속(magnetic transition metal)과 희토류의 합금을 포함하고, 제2 막은 자성막을 포함하고,
    상기 다중막은 상온 보자력(room temperature coercivity)과 스위칭 온도 보자력(switching temperature coercivity)을 갖되, 상기 스위칭 보자력이 상기 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고,
    상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자(demagnetization) 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy) 에너지를 갖는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자유막은 상기 다중막에 인접한 (CoFe)1-yBy막 을 더 포함하되,
    상기 제1 막이 CoxTb1 -x를 포함하도록 상기 자기 전이 금속은 Co이고 상기 희토류는 Tb이되, 상기 x는 적어도 0.4이고 0.5보다 크지 않고,
    상기 자성막은 FeB를 포함하는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자유막은 Tb 블로킹막, 및 상기 Tb블로킹막과 상기 다중막 사이의 (CoFe)1-yBy막을 포함하는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자유막은 (CoFe)1-wBw, 텅스텐(W)막, (CoFe)1-zBz 및 Fe막을 포함하는 추가적인 다중막을 더 포함하되, w는 0.5보다 크지 않고 z는 0.5보다 크지 않는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  5. 제 1항에 있어서,
    추가적인 비자성막 및 추가적인 고정막을 더 포함하되,
    상기 자유막은 상기 비자성막과 상기 추가적인 비자성막 사이에 배치되고,
    상기 추가적인 비자성막은 상기 자유막과 상기 추가적인 고정막 사이에 배치되는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자유막은 상기 기판과 상기 고정막 사이에 배치되는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합.
  7. 복수의 자기 스토리지 셀; 및
    상기 복수의 자기 스토리지 셀과 결합된 복수의 비트 라인을 포함하되,
    상기 복수의 자기 스토리지 셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하되, 상기 자기 접합은 고정막, 자유막 및 상기 고정막과 상기 자유막 사이의 비자성 스페이서막을 포함하고,
    상기 자유막은 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태들 간에 스위칭될 수 있고,
    상기 쓰기 전류는 자유막의 상기 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열을 생성하고,
    상기 자유막은 자유막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유막은 다중막을 포함하되, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하되, 상기 제1 막은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제2 막은 자성막을 포함하고,
    상기 다중막은 상온 보자력과 스위칭 온도 보자력을 갖되, 상기 다중막의 스위칭 보자력이 상기 다중막의 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고,
    상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖는, 기판 상에 배치되는 자기 메모리.
  8. 자유막을 제공하고,
    비자성 스페이서막을 제공하고,
    고정막을 제공하는 것을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 상기 고정막과 상기 자유막 사이에 배치되고,
    쓰기 전류가 자기 접합을 통해 흐를 때 상기 자유막은 복수의 안정된 자기 상태들 간에 스위칭 될 수 있고,
    상기 쓰기 전류는 자유막이 상온보다 높은 스위칭 온도를 갖도록 상기 자유막 내에서 줄 발열을 생성하고,
    상기 자유막은 자유막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 자유막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖고,
    상기 자유막은 다중막을 포함하되, 상기 다중막은 온도에 민감하고 적어도 하나의 이중막을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 이중막 각각은 제1 막과 제2 막을 포함하되, 상기 제1 막은 자기 전이 금속과 희토류의 합금을 포함하고, 상기 제2 막은 자성막을 포함하고,
    상기 다중막은 상온 보자력과 스위칭 온도 보자력을 포함하되, 상기 스위칭 온도 보자력은 상기 상온 보자력의 1/2보다 크지 않고,
    상기 고정막은 고정막의 평면 외 소자 에너지보다 큰 고정막의 수직 자기 이방성 에너지를 갖는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 이용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서막을 제공한 후 및 상기 고정막을 제공하기 전에 어닐링을 수행하는 것을 더 포함하되, 상기 어닐링은 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도에서 수행되는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 고정막을 제공하는 것은:
    상기 비자성 스페이서막과 인접하여 분극 향상막(polarization enhancement layer)을 제공하고,
    상기 분극 향상막을 제공한 후 추가적인 어닐링을 수행하는 것을 더 포함하되,
    상기 추가적인 어닐링은 적어도 300℃에서 450℃를 넘지 않는 어닐링 온도에서 수행되는, 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법.
KR1020160000896A 2015-01-05 2016-01-05 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 KR102486310B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562099880P 2015-01-05 2015-01-05
US62/099,880 2015-01-05
US14/981,391 2015-12-28
US14/981,391 US9818931B2 (en) 2015-01-05 2015-12-28 Method and system for providing magnetic junctions using thermally assisted spin transfer torque switching

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160085219A true KR20160085219A (ko) 2016-07-15
KR102486310B1 KR102486310B1 (ko) 2023-01-06

Family

ID=56286954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160000896A KR102486310B1 (ko) 2015-01-05 2016-01-05 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9818931B2 (ko)
KR (1) KR102486310B1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9734850B1 (en) * 2016-06-28 2017-08-15 Western Digital Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction (MTJ) free layer damping reduction
CN105957961B (zh) * 2016-07-20 2019-11-19 湖北中部慧易数据科技有限公司 一种垂直各向异性磁性元件、制备方法及磁存储器
US9972773B1 (en) * 2017-08-28 2018-05-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
US10297301B2 (en) * 2017-08-28 2019-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions utilizing high crystallization temperature-containing insertion layer(s)
WO2019108381A1 (en) * 2017-11-29 2019-06-06 Everspin Technologies, Inc. Magnetoresistive stacks
US10777248B1 (en) * 2019-06-24 2020-09-15 Western Digital Technologies, Inc. Heat assisted perpendicular spin transfer torque MRAM memory cell
DE102020114551A1 (de) * 2020-05-29 2021-12-02 Infineon Technologies Ag Magnetoresistiver Sensor und Fertigungsverfahren für einen magnetoresistiven Sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040002638A (ko) * 2002-06-28 2004-01-07 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 자기 터널 접합 디바이스 및 메모리 어레이
JP2011521391A (ja) * 2008-05-06 2011-07-21 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 熱アシスト磁気書き込み素子
JP2012064905A (ja) * 2010-09-17 2012-03-29 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
KR20130006375A (ko) * 2011-07-07 2013-01-16 삼성전자주식회사 반-금속성 강자성체들을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7351483B2 (en) 2004-11-10 2008-04-01 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junctions using amorphous materials as reference and free layers
US7859034B2 (en) 2005-09-20 2010-12-28 Grandis Inc. Magnetic devices having oxide antiferromagnetic layer next to free ferromagnetic layer
US8058696B2 (en) 2006-02-25 2011-11-15 Avalanche Technology, Inc. High capacity low cost multi-state magnetic memory
US7804668B2 (en) 2006-11-16 2010-09-28 Headway Technologies, Inc. Enhanced hard bias in thin film magnetoresistive sensors with perpendicular easy axis growth of hard bias and strong shield-hard bias coupling
US8102703B2 (en) 2009-07-14 2012-01-24 Crocus Technology Magnetic element with a fast spin transfer torque writing procedure
US9082951B2 (en) * 2011-02-16 2015-07-14 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with perpendicular enhancement layer
US8648401B2 (en) 2010-09-17 2014-02-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Domain wall assisted spin torque transfer magnetresistive random access memory structure
US8686484B2 (en) * 2011-06-10 2014-04-01 Everspin Technologies, Inc. Spin-torque magnetoresistive memory element and method of fabricating same
JP2013012676A (ja) 2011-06-30 2013-01-17 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
US9059398B2 (en) 2012-08-03 2015-06-16 Applied Materials, Inc. Methods for etching materials used in MRAM applications
US9490054B2 (en) 2012-10-11 2016-11-08 Headway Technologies, Inc. Seed layer for multilayer magnetic materials
US8932959B2 (en) 2012-12-19 2015-01-13 Applied Materials, Inc. Method and system for etching plural layers on a workpiece including a lower layer containing an advanced memory material
US9006849B2 (en) 2013-04-07 2015-04-14 Yimin Guo Hybrid method of patterning MTJ stack
US9054301B2 (en) 2013-04-15 2015-06-09 Yimin Guo Method of making an integrated device using oxygen ion implantation
KR102099879B1 (ko) 2013-05-03 2020-04-10 삼성전자 주식회사 자기 소자
US20150129996A1 (en) * 2013-11-12 2015-05-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a top pinned layer perpendicular magnetic anisotropy magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040002638A (ko) * 2002-06-28 2004-01-07 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 자기 터널 접합 디바이스 및 메모리 어레이
JP2011521391A (ja) * 2008-05-06 2011-07-21 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 熱アシスト磁気書き込み素子
JP2012064905A (ja) * 2010-09-17 2012-03-29 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
KR20130006375A (ko) * 2011-07-07 2013-01-16 삼성전자주식회사 반-금속성 강자성체들을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US20160197265A1 (en) 2016-07-07
KR102486310B1 (ko) 2023-01-06
US9818931B2 (en) 2017-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102145269B1 (ko) 스핀 전달 토크 자기 램의 응용 분야들에서 사용할 수 있는 이중 수직 자기 이방성 자기 접합
KR102078595B1 (ko) 호이슬러층들 및 비정질 삽입층을 포함하는 설계된 자성층을 제공하는 방법 및 시스템
US8796796B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions having improved polarization enhancement and reference layers
KR102486310B1 (ko) 열적으로 보조되는 스핀 토크 전가 스위칭을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템
US9508924B2 (en) Method and system for providing rare earth magnetic junctions usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
US20150129996A1 (en) Method and system for providing a top pinned layer perpendicular magnetic anisotropy magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
US9306155B2 (en) Method and system for providing a bulk perpendicular magnetic anisotropy free layer in a perpendicular magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
KR20140115246A (ko) 삽입층을 갖는 자기 접합 및 이를 이용한 자기 메모리
KR20160024350A (ko) 호이슬러 다중층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템
US9792971B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions with rare earth-transition metal layers
US9287322B2 (en) Method for controlling magnetic properties through ion diffusion in a magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
US9917249B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction usable in spin transfer torque applications and including a magnetic barrier layer
US10276225B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction usable in spin transfer or spin-orbit torque applications and including a magnetic barrier layer
KR20140082567A (ko) Mtj 스택들에서의 무확산 전이
US9472750B2 (en) Method and system for providing a bottom pinned layer in a perpendicular magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
KR102263785B1 (ko) 자기 소자에 사용하기 위한 자기 접합 및 이를 프로그래밍하는 방법 및 이를 포함하는 전자 장치
US9929339B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions including self-initializing reference layers
US9876164B1 (en) Method and system for providing a low moment free layer magnetic junction usable in spin transfer torque applications
US10438638B2 (en) Method and system for providing a magnetic layer in a magnetic junction usable in spin transfer or spin orbit torque applications using a sacrificial oxide layer
US9559143B2 (en) Method and system for providing magnetic junctions including free layers that are cobalt-free
KR20180038949A (ko) 스핀 전달 토크 응용에 이용 가능한 희석된 자유막 자기 접합을 제공하는 시스템 및 그 방법
KR20140113595A (ko) 스핀 전달 토크 메모리에 사용되는 삽입층들을 갖는 자성층들을 제공하는 방법 및 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant