KR20160113048A - 수직 자기 이방성의 강화를 위한 이중 MgO 인터페이스 및 CoFeB 층을 갖는 수직 스핀 전달 토크(STT) 메모리 셀 - Google Patents

수직 자기 이방성의 강화를 위한 이중 MgO 인터페이스 및 CoFeB 층을 갖는 수직 스핀 전달 토크(STT) 메모리 셀 Download PDF

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젱 가오
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Abstract

자기 저항식 랜덤 액세스 메모리(MRAM)에서의 사용을 위한 자기 터널 접합(MTJ)은 MgO 터널 장벽 층과 상부 MgO 캡핑 층 사이에 위치된 CoFeB 합금 자유 층 및 MgO 캡핑 층과 Ta 캡 사이의 CoFeB 합금 향상 층을 갖는다. CoFeB 합금 자유 층은 MgO 층과의 인터페이스에서 수직 자기 이방성(PMA : perpendicular magnetic anisotropy)을 도입하기 위해 높은 Fe 함유량을 갖는다. MgO 캡핑 층과의 인터페이스로 인한 향상 층에서의 불필요한 PMA의 생성을 회피하기 위해, 향상 층은 낮은 Fe 함유량을 갖는다. 기판 상에 모든 층들이 증착된 후에, MgO를 결정화하기 위해 구조체가 어닐링된다. CoFeB 합금 향상 층은 Ta 캡 층으로부터 MgO 캡핑 층으로의 Ta의 확산을 억제하고, MgO 인터페이스에 CoFeB를 제공함으로써 양호한 결정성의 MgO를 생성한다.

Description

수직 자기 이방성의 향상을 위한 더블 MgO 인터페이스 및 CoFeB 층을 갖는 수직 스핀 전달 토크(STT) 메모리 셀{PERPENDICULAR SPIN TRANSFER TORQUE (STT) MEMORY CELL WITH DOUBLE MgO INTERFACE AND CoFeB LAYER FOR ENHANCEMENT OF PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY}
본 발명은 일반적으로 수직 자기 이방성(PMA)을 갖는 스핀 전달 토크 자기 저항 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 MgO 인터페이스를 갖는 PMA STT 메모리 셀에 관한 것이다.
수직 자기 이방성(PMA)을 갖는 자기 터널 정션(MTJ) 메모리 셀을 갖는 스핀 전달 토크 자기 저항 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)는 장래 비휘발성 메모리에 대한 유망한 후보군이다. MTJ 메모리 셀은 (또한 레코딩층 또는 저장층으로 불리는) 자유 강자성 층 및 전형적으로 MgO인, 얇은 절연 터널 배리어에 의해 분리되는 (또한 피고정층으로 불리는) 기준 강자성 층을 갖는다. 자유 및 기준층은 층의 평면에 수직으로 배향되는 자화를 갖는 PMA를 갖는다. 기준층의 자화는 고정되지만, MTJ를 통해 전류를 전환하는 것은 자유층의 자화가 저항 RP 또는 RAP에 상응하여 기준층 자화에 평행(P)하거나 역평행(AP)한 2개의 배향 사이를 전환하게 한다. MTJ의 터널링 자기 저항(TMR)은 (RAP - RP)/RP로 나타내어진다. 도 1a은 MTJ의 2가지 가능한 상태를 도시하는 개략도이다. 도 1b는 널리 알려진 교차점 아키텍처로 워드 및 비트 라인에 연결되는 MTJ 메모리 셀의 어레이를 갖는 MRAM의 매우 개략적인 표현이다.
CoFeB/MgO/CoFeB PMA MTJ에서, PMA는 CoFeB와 MgO 사이의 인터페이스에서 비롯되고 Fe 3d 및 O 2p 오비탈의 혼성에 기인하였다. 이러한 PMA가 인터페이스에서 비롯되므로, 더 두꺼운 층이 평면 내 이방성을 나타낼 것이기 때문에, 자유층의 두께 제한이 있다. 단일 CoFeB/MgO 인터페이스를 갖는 PMA MTJ의 자유층이 내고열성에 충분한 PMA를 제공하지 않을 수 있으므로, 이중 CoFeB/MgO 인터페이스 구조체를 갖는 PMA MTJ가 제안되었다. ["11 ㎚의 정션 직경까지의 MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO 레코딩 구조체를 갖는 자기 터널 정션들의 특성들(Properties of magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure down to junction diameter of 11 ㎚)", H. Sato 외, 응용 물리학 문서 105, 062403 (2014)]. 이러한 구조체에서, CoFeB 자유층은 MgO 터널 배리어와 상부 MgO 캡핑층 사이에 끼워 넣어지며, Ta 캡이 MgO 캡핑층 상에 형성된다. 그러나, 이러한 타입의 구조체는 어닐링(annealing) 공정 동안 MgO 층으로 Ta의 확산을 방지하면서, MgO 층의 정밀한 성장을 필요로 한다.
요구되는 것은 개선된 PMA 및 어닐링 동안 Ta 확산의 방지를 갖는 이중 인터페이스 PMA MTJ 메모리 셀이다.
본 발명의 실시예들은 MgO 터널 배리어층과 상부 MgO 캡핑층 사이에 위치되는 CoFeB 합금 자유층, 및 MgO 캡핑층과 전형적으로 탄탈룸(Ta)인 비자기 캡 사이의 CoFeB 합금 강화층을 갖는 자기 저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)에서의 사용을 위한 자기 터널 정션(MTJ)에 관한 것이다. 수직 자기 이방성(PMA)이 CoFeB 자유층과 2개의 MgO 층 사이의 인터페이스들에서 비롯되고 Fe 3d 및 O 2p 오비탈들의 혼성에 기인하였으므로, 자유층의 CoFeB 합금은 많은 Fe 함유량 즉, 바람직하게는 50 원자 퍼센트 초과의 Fe 함유량을 가질 것이다. CoFeB 합금 강화층은 CoFeB 자유층의 조성과 실질적으로 상이한 특정 조성을 갖고 Ta 캡층의 증착 전에 MgO 캡핑층 상에 증착된다. 강화층의 MgO 캡핑층과의 인터페이스로 인해 강화층에서 불필요한 PMA를 생성하는 것을 피하기 위해, 강화층은 적은 Fe 함유량, 바람직하게는 20 원자 퍼센트 미만의 Fe 함유량을 가져야 한다. 층들 모두가 기판 상에 전체 막들로서 증착된 후에, 구조체는 어닐링된다. 이는 MgO를 결정화하고 높은 터널링 자기 저항(TMR)을 생성한다. 적은 Fe 함유량을 갖는 CoFeB 합금 강화층은 Ta 캡층에서 MgO 캡핑층으로의 Ta의 확산을 억제하고 또한 MgO 인터페이스로 CoFeB를 제공함으로써 MgO의 양호한 결정도를 생성한다.
본 발명의 본질 및 이점들의 보다 충분한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 주어지는 이하의 상세한 설명에 참조가 행해질 것이다.
도 1a는 수직 자기 이방성(PMA) 자기 터널 정션(MTJ) 메모리 셀의 2가지 가능한 상태를 도시하는 개략도이다.
도 1b는 널리 알려진 교차점 아키텍처로 워드 및 비트 라인들에 연결되는 MTJ 메모리 셀들의 어레이를 갖는 자기 저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 매우 개략적인 표현이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MTJ를 구성하는 층들의 단면도이다.
도 3은 종래 기술 MTJ 구조체 및 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 MTJ 구조체에 대한 수직 자화-적용 필드(M-H) 루프들의 부분들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MTJ를 구성하는 층들의 단면도이다. MTJ는 MgO 캡핑층과 Ta 캡층 사이에 CoFeB 합금 강화층의 예외를 갖는 이전에 인용된 Sato 외 발행에 설명한 MTJ와 실질적으로 동일하다.
MTJ(100)는 반도체 등급 실리콘, 산화 실리콘 또는 알루미늄-티타늄-탄화물과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있는 기판, 기준층의 평면에 수직인 고정된 자화(103)를 갖는 강자성 기준층(102), 기준층의 자화(103)에 평행과 역평행 사이에서 전환될 수 있는 자화(105)를 갖는 강자성 자유층(104), 및 기준층(102)과 자유층(104) 사이에서의 전형적으로 MgO인 절연 산화물 배리어층(106)을 포함한다.
이러한 예에서, 기준층(102)은 역평행(AP)-피고정 구조체의 AP2 층 부분이다. AP-피고정 구조체는 널리 알려져 있고 비자기 역평행 결합(APC) 층에 의해 분리되는 제1(AP1) 및 제2(AP2) 강자성 층들을 포함한다. APC 층은 AP1 및 AP2 층들의 자화가 AP2 층의 자화(103) 및 AP1 층의 자화(107)에 의해 도시된 바와 같이 실질적으로 역평행으로 배향되도록 AP1 및 AP2 층들을 반강자성으로 함께 결합한다. 이러한 예에서, APC 층은 8 Å Ru 층이고 AP1 층은 널리 알려진 [Co/Pt]n 다층이며, 여기서 "n"은 Co/Pt 쌍의 수를 지칭한다. AP2 층(기준층(102))은 하부 [Co/Pt]n 다층(110), 상부 CoFeB 층(112) 및 층(110)과 층(112) 사이의 Ta 브레이킹층(114)이다. [Co/Pt]n 다층들은 수직 자기 이방성을 갖는 것으로 널리 알려져 있다. 시드(seed)층, 이러한 예에서 Ta/Pt 2중층은 AP1 다층의 증착 이전에 기판 상에 형성된다.
본 발명의 실시예를 AP-피고정 구조체의 일부로서 기준층을 갖는 MTJ에 대해 설명했지만, 본 발명은 다른 타입들의 기준층들과 함께 충분히 적용 가능하다. 예를 들어, 기준층은 자화가 반강자성 층에 의해 고정되는 단일 CoFeB 합금층과 같은 "단순한" 피고정 구조체일 수 있다.
MTJ(100)는 CoFeB 합금 자유층(104)이 MgO 터널 배리어층(106)과 상부 MgO 캡핑층(130) 사이에 위치되는 점에서 이중 MgO 층 MTJ이다. 강한 PMA는 CoFeB와 MgO 사이의 인터페이스에서 비롯된다. 이방성이 본질적으로 순전히 두 면간이므로, 더 두꺼운 CoFeB 층이 평면 내 이방성을 나타낼 것이기 때문에, CoFeB 합금 자유층은 PMA를 유지하기 위해 얇아야, 통상적으로 대략 12 Å 미만이어야 한다. 따라서, 더 두꺼운 CoFeB 층으로 높은 강PMA를 갖기 위해, 제2 MgO 층(MgO 캡핑층)은 제2 인터페이스를 제공한다. 자유층(104)은 이러한 예에서, Ta와 같은 비자기 분리막(124)에 의해 분리되는 2개의 CoFeB 막(120, 122)이며, 각각의 CoFeB 막은 바람직하게는 5 내지 15 Å의 범위에서의 두께를 갖는다. Ta 분리막(124)은 각각이 PMA를 생성하기 위해 MgO 층과의 인터페이스를 갖는 2개의 더 얇은 CoFeB 막을 생성한다. PMA가 CoFeB와 MgO 사이의 인터페이스에서 비롯되고 Fe 3d 및 O 2p 오비탈들의 혼성에 기인하였으므로, 자유층의 CoFeB 합금은 많은 Fe 함유량을 가질 것이다. 자유층(104)의 CoFeB 합금의 조성은 따라서 바람직하게는 조성 (Co(100-x)Fex)(100-y)By를 가질 것이며, 여기서 x는 원자 퍼센트이고 25 이상이고 (바람직하게는 50 초과이고) 95 이하이고 y는 원자 퍼센트이고 10 이상이고 30 이하이다.
본 발명에서, CoFeB 자유층(104)의 조성과 실질적으로 상이한 특정 조성을 갖는 CoFeB 합금 강화층(140)이 Ta 캡층(150)의 증착 전에 MgO 캡핑층(130) 상에 증착된다. 강화층(140)의 MgO 캡핑층(130)과의 인터페이스로 인해 강화층(140)에서 불필요한 PMA를 생성하는 것을 피하기 위해, 강화층(140)은 적은 Fe 함유량을 가져야 한다. 강화층(140)의 CoFeB 합금의 조성은 따라서 바람직하게는 조성 (Co(100-x)Fex)(100-y)By를 가질 것이며, 여기서 x는 원자 퍼센트이고 4 이상이고 20 이하이고 y는 원자 퍼센트이고 15 이상이고 25 이하이다. 강화층(140)은 바람직하게는 3 내지 10 Å의 범위에서의 두께를 갖는다.
층들 모두가 기판 상에 전체 막들로서 증착된 후에, 구조체는 대략 30 내지 60 분 사이의 기간 동안 전형적으로 대략 350 내지 400 ℃ 사이의 온도로 어닐링된다. 이는 MgO를 결정화하고 높은 TMR을 생성한다. 그러나, 본 발명에 따른 강화층 없는 종래 기술 MTJ에서, 어닐링은 MgO 층으로 Ta의 확산을 야기할 수 있으며, 이는 MgO의 결정도를 바꾸고 CoFeB 합금 자유층의 PMA를 감소시킬 것이다. 그러나 본 발명에서, 적은 Fe 함유량을 갖는 CoFeB 합금 강화층(140)은 Ta 캡층(150)에서 MgO 캡핑층(130)으로의 Ta의 확산을 억제하고 또한 MgO 인터페이스로 CoFeB를 제공함으로써 MgO의 양호한 결정도를 생성한다.
도 3은 3개의 상이한 MTJ 구조체에 대한 3개의 자화-필드(M-H) 루프의 부분들을 도시한다. 루프(200)는 CoFeB 합금 강화층이 없고 따라서 Ta 캡(150)이 MgO 캡핑층과 접촉하는 종래 기술 MTJ 구조체에 대한 것이다. 루프(210)는 Ta 캡(150)과 MgO 캡핑층(130) 사이에 3 Å Co76Fe4B20 합금 강화층(140)을 갖는 MTJ 구조체에 대한 것이다. 루프(220)는 Ta 캡(150)과 MgO 캡핑층(130) 사이에 5 Å Co76Fe4B20 합금 강화층(140)을 갖는 MTJ 구조체에 대한 것이다. M-H 루프(200)의 기울기는 매우 얕아, 낮은 PMA 그리고 따라서 낮은 TMR을 나타낸다. 그러나, 루프들(210 및 220)은 실질적으로 더 가파르고, 강화층 두께를 3 Å에서 5 Å로 증가시킴에 따라 증가한다.
본 발명이 특히 바람직한 실시예들을 참조하여 나타내어지고 설명되었지만, 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 행해질 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로 고려되고 첨부된 청구항들에서 지정되는 범위로만 제한되어야 한다.

Claims (13)

  1. 자기 터널 정션 메모리 셀로서:
    기판;
    상기 기판 상의 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 기준층으로서, 상기 기준층의 평면에 실질적으로 수직인 고정된 자화를 갖는 기준층;
    Co, Fe 및 B를 함유하고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 자유층으로서, 상기 자유층의 평면에 실질적으로 수직인 자화를 갖고 상기 기준층의 자화에 실질적으로 평행과 실질적으로 역평행 사이에서 전환될 수 있는 자유층;
    상기 기준층과 상기 자유층 사이의 절연 산화물 터널 배리어층;
    상기 자유층 상에 있고 상기 자유층과 접촉하는 절연 산화물 캡핑층;
    상기 절연 산화물 캡핑층 상에 있고 상기 절연 산화물 캡핑층과 접촉하고 Co, Fe 및 B를 함유하는 강자성 강화층; 및
    상기 강화층 상의 비자기 캡층을 포함하는, 메모리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 산화물 터널 배리어층 및 상기 절연 산화물 캡핑층은 각각 MgO로 이루어지는, 메모리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비자기 캡층은 Ta로 이루어지는, 메모리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자유층은 제1 및 제2 CoFeB 합금막들 및 상기 제1 CoFeB 합금막과 상기 제2 CoFeB 합금막 사이에 비자기 분리막을 포함하는, 메모리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 CoFeB 합금막들 각각은 5 Å 이상이고 15 Å 이하의 두께를 갖는, 메모리 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자유층은 형태 (Co(100-x)Fex)(100-y)By의 조성을 갖는 CoFeB 합금으로 이루어지며, 여기서 x는 원자 퍼센트이고 25 이상이고 95 이하이고 y는 원자 퍼센트이고 15 이상이고 25 이하인, 메모리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강화층은 형태 (Co(100-x)Fex)(100-y)By의 조성을 가지며, 여기서 x는 원자 퍼센트이고 4 이상이고 20 이하이고 y는 원자 퍼센트이고 15 이상이고 25 이하인, 메모리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 강화층은 3 Å 이상이고 10 Å 이하의 두께를 갖는, 메모리 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메모리 셀은 평면에 수직인 자화를 갖는 제1 AP-피고정(AP1) 강자성 층, 상기 AP1 층의 자화에 실질적으로 역평행하고 평면에 수직인 자화를 갖는 제2 AP-피고정(AP2) 강자성 층, 및 상기 AP1 층과 상기 AP2 층 사이에 있고 상기 AP1 및 AP2 층들과 접촉하는 AP 결합(APC) 층을 포함하는 역평행(AP) 피고정 구조체를 포함하며, 상기 AP2 층은 상기 기준층을 포함하는, 메모리 셀.
  10. 복수의 비트 라인이 상기 메모리 셀들에 연결되고, 복수의 워드 라인이 상기 메모리 셀들에 연결되는 제1항에 따른 메모리 셀들의 어레이를 포함하는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM).
  11. 자기 터널 정션 메모리 셀로서:
    기판;
    상기 기판 상의 CoFeB 합금을 함유하고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 기준층으로서, 상기 기준층의 평면에 실질적으로 수직인 고정된 자화를 갖는 기준층;
    수직 자기 이방성을 갖는 강자성 자유층으로서, 상기 자유층의 평면에 실질적으로 수직인 자화를 갖고 상기 기준층의 자화에 실질적으로 평행과 실질적으로 역평행 사이에서 전환될 수 있으며, 제1 및 제2 CoFeB 합금막들 및 상기 제1 CoFeB 합금막과 상기 제2 CoFeB 합금막 사이에 비자기 분리막을 포함하는 자유층;
    상기 기준층과 상기 자유층 사이의 절연 MgO 터널 배리어층;
    상기 자유층 상에 있고 상기 자유층과 접촉하는 절연 MgO 캡핑층;
    상기 절연 MgO 캡핑층 상에 있고 상기 절연 MgO 캡핑층과 접촉하는 강자성 강화층으로서, 형태 (Co(100-x)Fex)(100-y)By의 조성을 가지며, 여기서 x는 원자 퍼센트이고 4 이상이고 20 이하이고 y는 원자 퍼센트이고 15 이상이고 25 이하인 강화층; 및
    상기 강화층 상의 Ta 캡층을 포함하는, 메모리 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 강화층은 3 Å 이상이고 10 Å 이하의 두께를 갖는, 메모리 셀.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 메모리 셀은 평면에 수직인 자화를 갖는 제1 AP-피고정(AP1) 강자성 층, 상기 AP1 층의 자화에 실질적으로 역평행하고 평면에 수직인 자화를 갖는 제2 AP-피고정(AP2) 강자성 층, 및 상기 AP1 층과 상기 AP2 층 사이에 있고 상기 AP1 및 AP2 층들과 접촉하는 AP 결합(APC) 층을 포함하는 역평행(AP) 피고정 구조체를 포함하며, 상기 AP2 층은 상기 기준층을 포함하는, 메모리 셀.
KR1020160032879A 2015-03-20 2016-03-18 수직 자기 이방성의 강화를 위한 이중 MgO 인터페이스 및 CoFeB 층을 갖는 수직 스핀 전달 토크(STT) 메모리 셀 KR20160113048A (ko)

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