KR20160134587A - 흡수 층들을 이용한 다중 단계 원소 제거 - Google Patents

Abstract

MTJ 구조 및 이를 제공하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 자유 층, 피고정 층, 및 상기 자유 층과 상기 피고정 층 사이의 비자성 스페이서 층을 제공하는 것을 포함한다. 상기 자유 층 및/또는 상기 피고정 층을 제공하는 것은 바람직한 MTJ 층의 일부를 증착하는 것, 희생 층을 증착하는 것, 상기 MTJ 층과 상기 희생 층을 어닐링하는 것, 상기 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것, 및 상기 바람직한 MTJ 층의 나머지 부분을 증착하는 것을 포함한다. 상기 희생 층을 증착하는 것, 어닐링하는 것, 및 상기 희생 층을 제거하는 것의 단계들은, MTJ 구조가 손상되는 위험을 감소시키기 위하여 각 단계마다 선택된 공정 조건들로, 복수 번 반복될 수 있다. 상기 바람직한 MTJ 층은 상기 자유 층이거나, 상기 피고정 층이거나, 혹은 둘 다일 수 있다.

Description

흡수 층들을 이용한 다중 단계 원소 제거{MULTI-STAGE ELEMENT REMOVAL USING ABSORPTION LAYERS}

본 발명은 반도체 장치 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기 터널 접합을 제공하는 방법에 관한 것이다.

자기 메모리들, 특히 자기 램(Magnetic Random Access Memory: 이하 MRAM)들은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모에 대한 잠재력 때문에 점점 더 주목 받고 있다. MRAM은 자성 물질들을 정보 저장 매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크 자기 램(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory; 이하 STT-MRAM)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부가 기록되는 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된(spin polarized) 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트들에 스핀 토크를 가한다. 그 결과, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트들을 갖는 층(들)은 소정의 상태로 스위칭 될 수 있다.

일 예로, 도 1은 일반적인 STT-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기 터널 접합(10)을 도시한다. 일반적인 자기 터널 접합(10)은 일반적으로 기판(12) 상에 배치된다. 일반적인 자기 터널 접합(10)을 통해 전류가 흐르도록 하기 위해, 하부 콘택(14) 및 상부 콘택(22)이 사용될 수 있다. 일반적인 자기 터널 접합(10)은 시드 층(seed layer)(들)(미도시)을 사용할 수 있고, 캐핑 층들(capping layers)(미도시) 및 반강자성(antiferromagnetic; 이하 AFM) 층(미도시)을 포함할 수 있다. 일반적인 자기 터널 접합(10)은 피고정 층(pinned layer, 16), 터널 배리어 층(18), 및 자유 층(20)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 면-수직 전류(current-perpendicular-to-plane; 이하 CPP) 방향 또는 z축으로 전류가 흐르도록 하기 위하여, 콘택들(14 및 22)이 사용된다. 보통, 피고정 층(16)은 층들(16, 18, 20) 중에서 기판(12)에 가장 가깝다.

피고정 층(16)과 자유 층(20)은 자성을 띤다. 피고정 층(16)의 자화(17)는 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝된다(pinned). 비록 단일 층으로 도시되었으나, 피고정 층(16)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정 층(16)은, 얇은 도전 층들(예를 들어, Ru를 포함할 수 있음)을 통해 반강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic: 이하 SAF) 층일 수 있다. 이러한 SAF 층에서, 얇은 Ru 층들이 끼워진 복수의 자성 층들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, Ru 층들을 통한 결합은 강자성적일 수 있다.

자유 층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일 층으로 도시되었으나, 자유 층(20) 또한 다중 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유 층(20)은 얇은 도전 층들(예를 들어, Ru를 포함할 수 있음)을 통해 반강자성적으로 혹은 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 층일 수 있다. 면에 수직한 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리, 자유 층(20)의 자화(21)는 면 내에 있을 수 있다. 따라서, 피고정 층(16) 및 자유 층(20)은 각 층들의 면 내 방향을 향하는 그들의 자화들(17 및 21)을 각각 가질 수 있다.

자유 층(20)의 자화(21)를 스위치하기 위하여, 면에 수직하게 (즉, z축 방향으로) 전류가 흐른다. 상부 콘택(22)에서 하부 콘택(14)으로 충분한 전류가 흐르면, 자유 층(20)의 자화(21)가 피고정 층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치될 수 있다. 하부 콘택(14)에서 상부 콘택(22)으로 충분한 전류가 흐르면, 자유 층(20)의 자화(21)는 피고정 층(16)의 자화(17)에 반평행(antiparallel)하게 스위치될 수 있다. 자기 배열 형태들에서의 차이들은 다른 자기-저항 상태들에 대응되고, 이에 따라 일반적인 자기 터널 접합(10)의 다른 로직 상태들(logical states)(예를 들어, 로직 상태 "0" 및 로직 상태 "1")에 대응된다.

다양한 응용 분야들에 사용될 수 있다는 잠재력 때문에, 자기 메모리들에 관한 연구들이 진행되고 있다. 예를 들어, STT-MRAM의 성능을 향상시키기 위한 메커니즘들이 요구된다. 보다 구체적으로, 보다 낮은 스위칭 전류 및 보다 높은 읽기 신호들을 제공하는 자기 터널 접합들이 요구된다. 이에 따라, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 요구된다. 그 중에서도, 자유 층 및/또는 피고정 층과 같은 자기 터널 접합 층들 내의 보론(B) 함량의 감소를 통하여, 향상된 터널링 자기 저항(Tunneling Magneto-Resistance; 이하 TMR), 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy; 이하 PMA), 및 스핀 웨이브 댐핑(spin wave damping) 특성들을 갖는 STT-MRAM 장치를 생산하는 방법 및 시스템을 얻는 것이 요구된다. 본 명세서에서 설명되는 방법 및 시스템은 이러한 요구에 대한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성능이 향상된 자기 터널 접합을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 성능이 향상된 자기 터널 접합의 제조 방법을 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 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; 이하 MTJ) 구조들에서 보다 낮은 스위칭 전류 및 보다 높은 읽기 신호를 얻기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 상기 MTJ 구조들의 자유 층 및/또는 피고정 층 내의 보론(B) 함량의 감소가 터널링 자기 저항, 수직 자기 이방성, 및 스핀 웨이브 댐핑(spin wave damping)에 대하여 긍정적인 영향을 갖는 것이 보여져 왔다. 특히, 희생 보론-흡수 층(이하에서, "흡수/희생 삽입 층", "흡수/희생 층", "흡수 층", "희생 층", 또는 "삽입 층"으로 언급될 수 있음)의 증착, 상기 희생-보론 흡수 층의 열 처리(어닐링), 그리고 플라즈마 식각 또는 이온 밀링을 이용한 상기 희생-보론 흡수 층의 제거는 상기 MTJ 층들 내의 보론(B) 함량을 줄이는데 효과적인 기술임이 증명되어 왔다. 하지만, 이러한 기술은 몇몇 제한들을 가질 수 있다. 상기 몇몇 제한들은, 예를 들어, 1) 상기 보론(B) 감소 공정의 유효성은 하부 층 내의 초기 보론(B) 함량뿐만 아니라 상기 희생-보론 흡수 층의 특성들에 의해서도 제한될 수 있다는 점, 2) 상기 열 처리 공정 및 상기 희생-보론 흡수 층의 제거 공정 중에 상기 하부 층 및 다른 MTJ 구조들이 손상될 수 있다는 점을 포함한다. 하지만, 이러한 문제점들은, 상기 소정의 층 내의 원소 농도를 감소시키기 위하여, 다중 단계 원소 제거 공정을 수행함으로써 완화될 수 있다.

자기 장치에서 사용될 수 있는 MTJ를 제공하는 방법 및 상기 MTJ 구조가 본 명세서에서 설명된다. 상기 방법은 자유 층, 피고정 층, 및 상기 자유 층과 상기 피고정 층 사이의 비자성 스페이서 층을 제공하는 것을 포함한다. 상기 자유 층은, 쓰기 전류가 상기 MTJ를 흐를 때, 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 상기 자유 층을 제공하는 단계는 복수의 제1 단계들을 포함할 수 있다. 상기 피고정 층을 제공하는 단계는 복수의 제2 단계들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 단계들 및 상기 복수의 제2 단계들은 (상기 자유 층 및/또는 상기 피고정 층과 같은) 층의 일부를 증착하는 것, 흡수/희생 층을 증착하는 것, 상기 흡수/희생 층 아래의 상기 MTJ 부분을 어닐링하는 것, 상기 흡수/희생 층을 제거하는 것, 및 상기 층의 나머지 부분을 증착하는 것을 포함할 수 있다.

상기 흡수/희생 층을 증착하는 것, 어닐링하는 것, 그리고 상기 흡수/희생 층을 제거하는 것은, 상기 층으로부터 적절한 양의 보론(혹은 다른 원소)를 효과적으로 제거하기 위하여, 바람직한 횟수(예를 들어, 두 번 이상)만큼 수행될 수 있다. 각 제거 단계는 상기 흡수/희생 층의 부분적인 혹은 완전한 제거를 포함할 수 있다.

상기 어닐링 공정 동안, 보론(B)이 상기 처리된 층으로부터 상기 흡수/희생 층으로 확산될 수 있다. 어닐링 후 보론(B) 농도의 평형 분포의 바람직한 수준의 달성은 상기 흡수/희생 층의 보론(B)에 대한 친화도, 상기 흡수/희생 층의 두께, 그리고 처리되고 있는 상기 층 내의 보론(B)의 초기 함량에 의존한다. 확산 유효성은 어닐링 온도가 높아질수록 증가될 수 있다. 하지만, 보다 높은 어닐링 온도는 또한 상기 MTJ 구조들의 일부를 손상시킬 수 있다. 더하여, 비록 보다 두꺼운 흡수/희생 층이 또한 제거되는 보론(B)의 양을 증가시킬 수 있다고 하더라도, 보다 두꺼운 흡수/희생 층은 보다 장기간의 혹은 보다 공격적인 제거 공정을 필요로 하며, 이는 상기 MTJ 구조가 손상될 가능성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 한 번의 상기 흡수/희생 층의 추가, 어닐링, 제거 공정에 의하여 제거될 수 있는 보론(B)의 양의 절대적 한계치가 정해져 있다.

하지만, 상술한 모든 단점들은 상기 흡수/희생 층의 증착, 열 처리, 그리고 제거 사이클을 복수 번 반복 적용함으로써 완화될 수 있다. 새로운 흡수/희생 층은 증착되고, 어닐링 공정 동안 아래의 상기 층으로부터 확산된 보론(B)에 의하여 포화되고, 그리고 각 사이클 동안 제거된다. 이러한 기술은, 보다 강한 보론(B) 제거를 가능케 하고, 요구되는 어닐링 온도 및 밀링 강도를 낮춤으로써 아래의 MTJ 구조에 대한 손상을 감소시키며, 그리고 각 사이클(혹은, 단계)에서의 조건들의 변경이 허용함으로써 특정한 요구를 위한 상기 공정 파라미터들 및 조건들의 최적화 및 맞춤에 대하여 추가적인 자유도를 제공한다. 상기 사이클은 바람직한 수준의 원소 농도가 달성될 때까지 반복될 수 있다.

따라서, 상기 복수의 제1 단계들은 상기 자유 층의 제1 부분을 증착하는 것, 제1 흡수/희생 층을 증착하는 것, 약 25℃ 이상의 제1 온도에서 상기 자유 층의 상기 제1 부분과 상기 제1 흡수/희생 층을 어닐링하는 것, 상기 제1 흡수/희생 층을 제거하는 것, 및 상기 자유 층의 제2 부분을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 단계들은, 상기 자유 층의 상기 제2 부분을 증착하기 전에, 상기 제1 흡수/희생 층의 증착, 어닐링, 및 제거 단계들을 한 번 이상 더 반복하는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 제2 단계들은 상기 피고정 층의 제1 부분을 증착하는 것, 제2 흡수/희생 층을 증착하는 것, 약 25℃ 이상의 제2 온도에서 상기 피고정 층의 상기 제1 부분과 상기 제2 흡수/희생 층을 어닐링하는 것, 상기 자유 층, 상기 비자성 스페이서 층, 및 상기 피고정 층의 상기 제1 부분을 포함하는 상기 MTJ의 일부를 정의하는 것, 상기 제2 흡수/희생 층을 제거하는 것, 및 상기 피고정 층의 제2 부분을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제2 단계들은, 상기 피고정 층의 상기 제2 부분을 증착하기 전에, 상기 제2 흡수/희생 층의 증착, 어닐링, 및 제거 단계들을 한 번 이상 더 반복하는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 성능이 향상된 자기 터널 접합이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 성능이 향상된 자기 터널 접합을 제조하는 방법이 제공될 수 있다.

도 1은 일반적인 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; 이하 MTJ) 구조를 나타내는 개략적인 블락도이다.
도 2는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조를 제공하는 방법의 일 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 예시적 실시예를 나타내는 개략적인 블락도이다.
도 4는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 다른 예시적 실시예를 나타내는 개략적인 블락도이다.
도 5는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 부분을 제공하는 방법의 일 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 예시적 실시예를 나타내는 개략적인 블락도이다.
도 7은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조를 제공하는 방법의 다른 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조들의 일 예시적 실시예를 나타내는 개략적인 블락도이다.
도 9는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조를 제공하는 방법의 다른 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 10 내지 22는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 예시적 실시예를 제조하는 공정의 여러 단계들을 나타내는 개략적인 블락도들이다.
도 23 및 24는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램될 수 있고 자기 메모리에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 다른 예시적 실시예를 제조하는 공정의 여러 단계들을 나타내는 개략적인 블락도들이다.
도 25는 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에서 MTJ 구조들을 이용하는 메모리의 일 예시적 실시예를 개략적인 회로도이다.
도 26은 반복적으로 흡수 층들을 사용하고 제거함으로써 MTJ 구조의 특정 층(즉, 자유 층) 내의 원소 농도 수준을 낮추기 위하여 다중 단계 원소 제거 공정이 사용되는 일 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 27은 반복적으로 흡수 층들을 사용하고 제거함으로써 MTJ 구조의 특정 층(즉, 피고정 층) 내의 원소 농도 수준을 낮추기 위하여 다중 단계 원소 제거 공정이 사용되는 다른 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 28은 반복적으로 흡수 층들을 사용하고 제거함으로써 MTJ 구조의 특정 층(즉, 자유 층 및 피고정 층 모두) 내의 원소 농도 수준을 낮추기 위하여 다중 단계 원소 제거 공정이 사용되는 또 다른 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 29는 다중 단계 원소 제거 공정의 여러 단계들에서의 흡수 층 및 MTJ 구조의 층 내의 원소 농도 수준과 함께 다중 단계 원소 제거 공정을 나타내는 개략적인 블락도 및 그래프이다.

예시적 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 MTJ 구조들, 및 그러한 자기 접합들을 이용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리들은 스핀 전달 토크 자기 램(spin transfer torque magnetic random access memory: 이하 STT-MRAM)들을 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 이용하는 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 이러한 전자 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 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들에 대한 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 실시예들은 주로 특정 구현에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 예시이다. 하지만, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현에서도 유효하게 작동할 수 있다.

"예시적 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들을 언급하는 것일 뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시예들을 언급하는 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이다. 하지만, 상기 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 구성들의 배치 및 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다.

예시적 실시예들은 또한 스핀 전달 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 작동에 대한 이론적 설명들은 이러한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 명세서에 기재된 본 발명의 개념은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않으며, 이에 의하여 한정되지 않는다.

예시적 실시예들은 또한 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명된다. 하지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 개념이 다른 구조들과도 일관성을 가짐을 쉽게 인식할 것이다. 더하여, 예시적 실시예들은 합성된 및/또는 단일한 특정 층들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 층들이 복합(complex) 또는 다중 층(multilayer) 구조들과 같은 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.

나아가, 예시적 실시예들은 특정한 층들을 가지는 MTJ 구조 및/또는 하부 구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, MTJ 구조 및/또는 하부 구조들이 본 발명의 개념에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 어떤 구성들은 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, "자성"이란 용어는 강자성, 페리자성, 또는 다른 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 “자성” 또는 “강자성”이라는 용어는 강자성체들 및 페리자성체들을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

더하여, 본 명세서에서 사용된 대로, “면-내(in-plane)”라는 용어는 실질적으로 MTJ의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것을 의미하기 위해 사용된다. 반대로, “수직(perpendicular)” 및 “면-수직(perpendicular-to-plane)”라는 용어들은 실질적으로 MTJ 구조의 하나 이상의 층들에 수직한 방향을 말한다.

예시적 실시예들은 또한 일정한 단계들을 갖는 특정한 방법들의 맥락에서 기술될 것이다. 하지만, 이러한 방법 및 시스템은 본 발명의 개념에 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 단계들, 및/또는 다른 순서로 수행되는 단계들에서도 유효하게 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 개념은 도시된 실시예들에 한정되도록 의도된 것이 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.

MTJ 구조를 이용하는 자기 메모리뿐만 아니라 MTJ 구조를 제공하는 방법들 및 시스템들이 이하에서 상세하게 설명된다. 예시적 실시예들은 자기 장치에서 사용될 수 있는 MTJ 구조를 제공하는 방법하며, 나아가 그러한 방법들을 이용하여 형성되는 MTJ 구조를 제공한다.

도 2는 스핀 전달 토크 램(Spin Transfer Torque Random Access Memory; 이하 STT-RAM)과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있는 MTJ 구조를 제조하는 방법(100)의 일 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다. 이러한 STT-RAM들은 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 설명의 간소화를 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 순서 수행되거나, 혹은 결합될 수 있다. 나아가, 상기 방법(100)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 이미 수행된 후에 시작될 수 있다.

도 2를 참조하면, 단계 102를 통하여 자유 층이 제공될 수 있다. 단계 102는, 예를 들어, 상기 자유 층을 위한 물질(들)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자유 층은 시드 층(들) 상에 증착될 수 있다. 상기 시드 층(들)은 상기 자유 층의 바람직한 결정 구조를 제공하는 것 및 상기 자유 층의 자기 이방성 및/또는 자성 댐핑(magnetic damping)을 제공하는 것을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다양한 목적들을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 자유 층은 상기 자유 층 내의 수직 자기 이방성을 촉진하는 결정성 MgO 층과 같은 시드 층 상에 제공될 수 있다. 이중 MTJ 구조가 제조되는 경우, 자유 층은 다른 비자성 스페이서 층 상에 형성될 수 있다. 이러한 비자성 스페이서 층은 상술한 MgO 시드 층일 수 있다. 이러한 스페이서 층 아래에 피고정 층이 형성될 수 있다.

단계 102에서 제공되는 상기 자유 층은 자기 소거 에너지(demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 자유 층의 자기 모멘트는, 따라서, 면을 벗어날 때(면-수직을 포함) 안정할 수 있다. 게다가, 분극 강화 층(Polarization Enhancement Layer; 이하 PEL)이 상기 자유 층의 일부로 혹은 상기 자유 층에 더하여 제공될 수 있다. PEL은 높은 스핀 분극 물질들을 포함할 수 있다. 단계 102에서 제공되는 상기 자유 층은 쓰기 전류가 상기 MTJ를 흐를 때 안정한 자기 상태들(stable magnetic states) 사이에서 스위치되도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 자유 층은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 상기 자유 층은 자성을 가지며, 바람직한 작동 온도 범위에서 열적으로(thermally) 안정할 수 있다. 단계 102가 자유 층을 제공하는 것과 관련하여 설명되었으나, 상기 자유 층의 가장자리들(edges)은 스택의 형성 공정에서 나중에 정의될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 단계 102에서의 상기 자유 층의 형성은 추가적인 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자유 층의 제1 부분을 제공하는 제1 강자성 층이 먼저 증착될 수 있다. 상기 자유 층의 상기 제1 부분은 코발트(Co), 철(Fe), 및/또는 보론(B)을 포함하는 자성 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 20 at%를 넘지 않는 B를 갖는 CoFeB 층이 증착될 수 있다. 이러한 경우, 단계 102는 또한, 층들이 계면을 공유하도록 상기 제1 강자성 층 상에 흡수/희생 삽입 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다.

상기 흡수/희생 삽입 층은 보론(B)에 대하여 친화도(affinity)를 가지고, 낮은 확산도를 가지며, 그리고 그 아래의 층에 대하여 비교적 좋은 격자 정합(lattice match)을 갖는 하나 이상의 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층과 그 아래의 강자성 층 사이의 격자 상수 차이는 10% 이하일 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 얇을 수 있으며, 예를 들어, 10Å보다 작은 두께를 가질 수 있다. 몇몇 이러한 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 1Å 내지 5Å의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/삽입 층은 약 4Å의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 두께(들)이 사용될 수 있다.

상기 흡수/희생 삽입 층의 추가 이후, 상기 삽입 층 및 그 아래의 층(들)은 실온 이상(예를 들어, 25℃ 이상)의 온도(들)에서 어닐될(annealed) 수 있다. 예를 들어, 약 300℃ 내지 500℃ 사이의 범위의 온도(들)에서 급속 열 처리(Rapid Thermal Anneal; 이하 RTA)가 수행될 수 있다. 예를 들어, 수행 시간이 보다 짧거나 하부 자유 층을 갖는 MTJ 구조가 제조되는 경우, 상기 RTA에서 보다 높은 온도들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 어닐링 공정은 블록 히팅(block heating)을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 방식으로 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정은 또한 다른 온도(들)에서 수행될 수 있다.

상기 어닐링 공정 후에, 상기 흡수/희생 삽입 층들은, 예를 들어 플라즈마 식각 공정을 통해, 부분적으로 혹은 완전히 제거될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층의 일부는 상기 플라즈마 식각에 의하여 그 아래의 층 내부로 밀려들어갈 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 이온 밀링(ion milling), 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization; 이하 CMP), 또는 다른 공정들과 같은 다른 방식으로 제거될 수 있다. 상기 제거 단계에서, 그 아래의 강자성 층의 일부분이 또한 제거될 수 있다.

도 26 내지 29는 대체적 실시예들에 따른 MTJ 구조의 제조 공정의 단계들을 나타내는 흐름도들 및 개략적인 블락도들이다. 도 26 내지 29를 추가적으로 참조하면, 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가 및 제거 공정들은, 보론(B) 제거 공정의 유효성을 높이고 그 아래의 층 내의 보론(B) 함량을 더욱 낮추기 위하여, 여러 번 반복하여 (즉, 복수의 단계들로) 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층을 추가하고, 어닐링하고, 그리고 상기 흡수/희생 삽입 층을 제거하는 단계들은 복수 번 (즉, 두 번 이상) 수행될 수 있다. 이 때, 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 각 세트는 다중 단계 원소 제거 공정(multi-stage element removal process)의 일 단계를 제공할 수 있다.

상기 다중 단계 원소 제거 공정의 각 단계 동안에, 상기 흡수/희생 삽입 층은 그 다음의 흡수/희생 삽입 층을 증착하기 전에 완전히 혹은 부분적으로 제거될 수 있다. 더하여, 상기 공정의 조건들이 각 단계에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 공정의 연속되는 단계들 동안에, 추가되는 상기 흡수/희생 삽입 층의 두께는 달라질 수 있으며, 어닐링 공정의 온도도 달리질 수 있다. 마찬가지로, 상기 다중 단계 제거 공정의 다른 단계들에서, 상기 공정들의 다른 파라미터들(parameters) 및 조건들도 달라질 수 있다.

어떠한 경우에서든, 상기 제거 공정 후 (상기 자유 층의 두께로 결정되는) 잔류 자성 물질의 총량은, 수직 자기 이방성이 자기 소거 에너지를 초과하도록 되어야 한다. 여러 요인들(사용되는 물질들, 구조, 및 계면들을 포함)에 따라 임계 두께는 달라질 수 있다.

특히 도 29에서 확인할 수 있듯이, 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 단계를 복수 번 수행함으로써, 그 아래의 층 내의 원소 농도가 보다 효과적으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 아래의 층에 보론(B) 흡수 층을 반복적으로 적용하고, 어닐링하고, 그리고 제거함으로써, 상기 아래의 층으로부터 원하는 만큼의 보론(B)이 제거될 수 있고, 상기 아래의 층 내에 잔존하는 보론(B)의 농도가 MTJ 구조의 보다 효과적인 작동이 가능할 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 더하여, 단일의 흡수 층만을 추가, 어닐링, 그리고 제거하는 공정을 이용하는 시스템들의 문제점들을 방지할 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 마지막 제거 공정 후에, 상기 자유 층의 나머지 부분이, 만약에 있다면, 증착될 수 있다. 예를 들어, 노출된 상기 제1 강자성 층 상에 제2 강자성 층이 증착될 수 있다. 이러한 제2 강자성 층은 또 다른 CoFeB 층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제공된 자성 물질의 총량은, 상기 자유 층이 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 단계 102이 끝난 후의 상기 제1 및 제2 자성 층들은 15Å 내지 30Å의 총 두께를 가질 수 있다. 몇몇 이러한 실시예들에서, 상기 총 두께는 25Å을 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 총 두께는 16Å 내지 20Å일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 자유 층은 다른 방식으로 형성될 수 있다.

단계 104를 통해, 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 결정성 MgO 터널링 배리어 층이 상기 MTJ에 적합할 수 있다. 단계 104는 터널링 배리어 층을 형성하는 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계 104는, 예를 들어 RF(radio frequency) 스퍼터링을 이용하여, MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 금속성의 Mg가 증착되고 그 후 산화시킴으로써, Mg의 자연산화물(natural oxide)이 제공될 수 있다. 상기 MgO 배리어 층/비자성 스페이서 층은 또한 다른 방식으로 형성될 수 있다.

단계 102와 관련하여 상술한 바와 같이, 상기 비자성 스페이서 층의 가장자리들은 나중에 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 비자성 스페이서 층의 가장자리들은 상기 MTJ의 나머지 층들이 증착된 후에 정의될 수 있다. 단계 104는 이미 형성된 상기 MTJ 부분을 어닐링하여, 상기 MTJ의 향상된 터널링 자기저항(Tunneling Magnetoresistance; 이하 TMR)을 위한 (100) 결정 방향을 갖는 결정성 MgO 터널링 배리어를 제공하는 것을 포함할 수 있다.

단계 106을 통해, 피고정 층(pinned)이 또한 제공될 수 있다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 피고정 층은 단계 102에서의 상기 자유 층의 형성이 끝난 후에 단계 106에서 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 피고정 층이 먼저 형성될 수 있다. 상기 피고정 층은 자성을 가지며, 상기 MTJ의 작동의 적어도 일부 동안에 특정 방향으로 고정된(pinned or fixed) 자화를 가질 수 있다. 따라서, 상기 피고정 층은 작동 온도들에서 열적으로 안정할 수 있다. 단계 106에서 형성되는 상기 피고정 층은 단일 층이거나, 혹은 다중 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 106에서 형성되는 상기 피고정 층은, Ru와 같은 얇은 비자성 층(들)을 통해 반강자성적으로 혹은 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF에서, 각각의 자성층은 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 상기 피고정 층은 또한 또 다른 다중 층일 수 있다. 단계 106에서 형성되는 상기 피고정 층은 면-외 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 상기 피고정 층은 면에 수직한 방향을 갖는 자기 모멘트를 가질 수 있다. 상기 피고정 층의 자화는 다른 방향들을 가질 수도 있다. 더하여, PEL 또는 결합 층(들)과 같은 다른 층들이 상기 피고정 층과 상기 비자성 스페이서 층 사이에 삽입될 수도 있다.

몇몇 실시예들에서, 단계 106은 단계 102와 관련하여 상술한 여러 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 피고정 층의 제1 부분이 먼저 증착될 수 있다. 상기 피고정 층의 상기 제1 부분은 Co, Fe, 및/또는 B를 포함하는 자성 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 20 at%를 넘지 않는 B를 갖는 CoFeB 층이 증착될 수 있다. PEL 또는 다른 구조가, 또한 상기 피고정 층과 상기 비자성 스페이서 층 사이에 증착될 수 있다.

단계 106은, 형성되어 있는 상기 피고정 층의 상기 제1 부분 상에 흡수/희생 삽입 층을 증착하는 것을 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 상기 피고정 층의 상기 제1 부분 바로 위에(directly on) 증착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 층(들)이 상기 피고정 층의 상기 제1 부분과 상기 흡수/희생 삽입 층 사이에 증착될 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 보론(B)에 대하여 친화도를 가지고, 낮은 확산도를 가지며, 그리고 그 아래의 층에 대하여 비교적 좋은 격자 정합을 갖는 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층과 그 아래의 강자성 층 사이의 격자 상수 차이는 10% 이하일 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 얇을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 상기 자유 층과 관련하여 상술한 상기 흡수/희생 삽입 층과 거의 동일한 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 두께(들)이 사용될 수 있다. 후술할 바와 같이, 상기 흡수/희생 삽입 층은 연속하여 패터닝될 수 있다.

증착 후, 상기 흡수/희생 삽입 층 및 상기 그 아래의 층(들)은 실온 이상의 온도(들)에서 어닐링될 수 있다. 예를 들어, 약 300℃ 내지 500℃ 사이의 범위 내의 온도(들)에서의 RTA가 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 어닐링 공정은 다른 방식으로 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정은 단계 102에서 상술한 바와 유사할 수 있다. 상기 어닐리 공정 후, 상기 흡수/희생 삽입 층 아래의 상기 MTJ 부분이 정의될 수 있다.

예를 들어, 포토 마스크, 및 이온 밀링(ion milling) 혹은 층들의 식각을 위한 다른 방법들을 이용하여, 상기 MTJ의 가장자리들이 정의될 수 있다. 알루미나(alumina)와 같은 비자성 절연 층이 증착되어, 상기 MTJ의 주변의 영역을 채울 수 있다. 그 후, 평탄화 공정이 또한 수행될 수 있다. 그 후, 상기 흡수/희생 삽입 층이 예를 들어 플라즈마 식각을 이용하여 제거될 수 있다. 다른 제거 방법들이 또한 사용될 수 있다. 상기 제거 단계에서, 그 아래의 강자성 층의 일부분이 제거될 수 있다.

상기 자유 층의 형성에서와 같이, 다중 단계 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정이 상기 피고정 층에 적용될 수 있다. 도 27 내지 도 29를 다시 참조하면, 몇몇 실시예들에서, 상기 피고정 층 상에 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가 및 제거 공정들이 복수 번 (즉, 복수의 단계들로) 수행되어, 보론(B) 제거 공정의 유효성을 높이고 그 아래의 층 내의 보론(B) 함량을 더욱 낮출 피고정 층수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층을 추가하고, 어닐링하고, 그리고 상기 흡수/희생 삽입 층을 제거하는 단계들은 복수 번 (즉, 두 번 이상) 수행될 수 있다. 이 때, 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 각 세트는 상기 다중 단계 원소 제거 공정의 일 단계를 구성할 수 있다.

상기 다중 단계 원소 제거 공정의 각 단계 동안에, 상기 흡수/희생 삽입 층은 그 다음 흡수/희생 삽입 층을 증착하기 전에 완전히 혹은 부분적으로 제거될 수 있다. 더하여, 상기 공정의 조건들은 각 단계에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 공정의 연속되는 단계들 동안에서 추가되는 상기 흡수/희생 삽입 층의 두께는 달라질 수 있으며, 연속되는 단계들에서 어닐링 공정의 온도 또한 달리질 수 있다. 마찬가지로, 상기 다중 단계 원소 제거 공정 내의 다른 단계들에서, 상기 공정들의 다른 파라미터들(parameters) 및 조건들도 달라질 수 있다.

특히 도 29에서 확인할 수 있듯이, 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 단계를 복수 번 수행함으로써, 그 아래의 층 내의 원소 농도가 보다 효과적으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 아래의 층에 보론(B) 흡수 층을 반복적으로 적용하고, 어닐링하고, 그리고 제거함으로써, 상기 아래의 층으로부터 원하는 만큼의 보론(B)이 제거될 수 있고, 상기 아래의 층 내에 잔존하는 보론(B)의 농도가 MTJ 구조의 보다 효과적인 작동이 가능할 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 더하여, 단일의 흡수/희생 삽입 층만을 추가, 어닐링, 그리고 제거하는 공정을 이용하는 시스템들의 문제점들을 방지할 수 있다.

마지막 흡수/희생 삽입 층의 제거 공정 후에, 상기 피고정 층의 나머지 부분이, 만약에 있다면, 증착될 수 있다. (도 7 참조) 예를 들어, 노출된 상기 피고정 층의 상기 제1 부분 바로 위에 추가적인 강자성 층(들)이 증착될 수 있다. 상기 피고정 층이 SAF인 실시예들에서, Ru와 같은 비자성 층이 증착될 수 있고, 또 다른 자성 층이 상기 비자성 층 상에 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 피고정 층은 다른 방식으로 형성될 수 있다.

도 3은 주변 구조체들 및 상기 방법(100)을 이용하여 제조될 수 있는 MTJ 구조(200)의 일 예시적 실시예를 나타내는 개략도이다. 도 3은 실제 크기 비율이 아니며, 다른 층들 및 영역들의 상대적인 크기들 및 두께들은 도시된 바와 다를 수 있다. 상기 MTJ 구조(200)는 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 상기 MTJ 구조(200)는 자기 모멘트(211)를 갖는 자유 층(210), 비자성 스페이서 층(220), 자기 모멘트(231)를 갖는 피고정 층(230)을 포함할 수 있다. 그 내부에 트랜지스터를 포함하는(이에 한정되는 것은 아님) 장치들이 형성되는 하부 기판(201)이 또한 도시되어 있다. 하부 콘택(202), 상부 콘택(208), 선택적 시드 층(들)(204), 및 선택적 캐핑 층(들)(206)이 또한 도시되어 있다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 상기 피고정 층(230)은 MTJ 구조(200)의 상부에 보다 가깝게 (즉, 기판(201)으로부터 멀게) 배치될 수 있다.

선택적 피닝 층(optional pinning layer)(미도시)이 상기 피고정 층(230)의 자화(231)을 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 선택적 피닝 층은 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 상기 피고정 층(230)의 자화(231)를 고정(pin)하는 AFM 층 또는 다중 층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 선택적 피닝 층은 생략되거나, 혹은 다른 구조가 사용될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기판(201)에 대한 상기 피고정 층(230) 및 상기 자유 층(210)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있다. 즉, 상기 자유 층(210)보다 상기 피고정 층(230)이 상기 기판(201)에 더 가깝게 배치될 수 있다.

도 3에 도시된 실시예에서, 상기 피고정 층(230)의 수직 자기 이방성 에너지는 상기 피고정 층(230)의 면-외 자기 소거 에너지를 초과할 수 있고, 상기 자유 층(210)의 수직 자기 이방성 에너지는 상기 자유 층(210)의 면-외 자기 소거 에너지를 초과할 수 있다. 결과적으로, 상기 자유 층(210)의 자기 모멘트(211) 및 상기 피고정 층(230)의 자기 모멘트(231)는 각각 면에 수직하게 배열될 수 있다. 달리 말하자면, 상기 자유 층(210)의 안정한 자기 상태들은 상기 자유 층(210)이 +z 방향 또는 -z 방향을 향하는 자기 모멘트를 가질 때일 수 있다. 도 3에서, 상기 자유 층(210) 및 상기 피고정 층(230) 각각은 별개의 공정으로 형성된, 예를 들어 MTJ 구조(200)의 완성 전에 제거되는 흡수/희생 삽입 층을 사용하여 형성된, 층들(210 및/또는 230)의 부분들을 나타내는 파선(dashed line)을 포함한다.

상기 MTJ 구조(200)는, 상기 MTJ(200)에 쓰기 전류가 흐를 때, 상기 자유 층(210)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 쓰기 전류가 상기 MTJ 구조(200)를 통하여 면-수직 전류(Current Perpendicular-to-Plane; 이하 CPP) 방향으로 흐를 때, 상기 자유 층(210)의 자기 방향은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 상기 자유 층(210)의 자화(211)의 방향, 및 이에 따라 상기 MTJ 구조(200) 내에 저장된 데이터는 상기 MTJ 구조(200)를 흐르는 읽기 전류에 의해 읽어질 수 있다. 상기 읽기 전류 또한, 상기 CPP 방향으로 상기 MTJ 구조(200)를 통과할 수 있다. 이에 따라, 상기 MTJ 구조(200)의 자기 저항은 읽기 신호를 제공한다.

본 발명의 개념의 원리들을 따라 제조된 상기 MTJ 구조(200) 및 상기 자유 층(210)은, 단계(들) 102 및/또는 106을 이용한 제조 공정 때문에, 향상된 성능을 가질 수 있다. 이하에서, 몇몇 가능성 있는 이점들이 특정한 물리적 메커니즘들과 관련하여 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에서 설명되는 방법들 및 시스템들이 이러한 특정한 물리적 메커니즘에 의존하지 않는다는 것을 이해할 것이다.

상기 자유 층(210)이 단계 102에서 제공된 바와 같은 흡수/희생 삽입 층을 이용하여 형성된다면, 상기 자유 층(210)은 보다 두껍게 형성될 수 있고, 또한 면-수직 방향에서 안정한 상태들을 갖는 자기 모멘트(211), 향상된 자기저항, 및/또는 낮아진 댐핑(damping)을 가질 수 있다. 다중 단계 제거 공정을 이용함으로써, 이러한 이점들이 커질 수 있다.

하지만, 상기 MTJ 구조(200)가 흡수/희생 삽입 층 없이 형성된다면, 면-수직 자기 모멘트를 유지하기 위하여 상기 자유 층은 일반적으로 12Å보다 두껍게 형성되지 않아야 한다. 예를 들어, 약 15Å 두께의 강자성 CoFeB 층은 면-내(in-plane) 자기 모멘트를 갖는다. 비록 보다 얇은 자유 층은 면-수직 자기 모멘트를 가질 수 있으나, 자기 저항이 감소될 수 있다. 이러한 감소는, 특히 상기 자유 층이 MgO 시드 층과 MgO 비자성 스페이서 층과 같은 두 개의 MgO 층들 사이에 배치되는 경우, 현저하게 나타날 수 있다. 터널링 자기 저항의 이러한 감소는 상기 자유 층과 상기 MgO 층들의 결정도(crystallinity)에서의 불일치 때문인 것으로 여겨진다.

그 대신에(alternatively), 두 개의 자성 층들 사이의 영구적 삽입 층이 삽입된 구조의 자유 층이 형성될 수 있다. 이러한 자유 층은 12Å 이상의 총 두께를 가질 수 있다. 상기 자성 층들은 상기 영구적 삽입 층에 의해 분리되어 있을 수 있다. 면-수직 자기 모멘트를 유지하기 위하여, 상기 자성 층들의 각각은 여전히 약 12Å 이하의 두께 수준을 가진다. 이러한 보다 얇은 자성/자유 층들은 면-수직 자기 모멘트를 가질 수 있다. 더하여, 자기 저항이 향상될 수 있다. 예를 들어, W와 같은 영구적 삽입 층은 MgO 층들과 같은 주변 층들과 상기 자유 층 사이의 결정도 불일치를 감소시킬 수 있다. 이는 보다 높은 자기저항을 가능케 한다. 하지만, 댐핑이 원하는 수준보다 높을 수 있다. 이러한 높은 댐핑은 스위칭 전류(상기 자유 층의 자기 모멘트의 상태를 스위치하기 위하여 요구되는 쓰기 전류)를 높일 수 있다. 보다 높은 스위칭 전류는 일반적으로 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 MTJ 구조의 성능이 나빠질 수 있다.

이와 달리, 본 발명의 개념의 원리들에 따른 MTJ 구조(200)는, 제조 공정에서의 상기 흡수/희생 삽입 층(도 3에 도시되지 않음)의 사용 때문에, 향상된 자기저항을 가질 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층의 사용 및 이어지는 상기 자유 층(210)의 하부의 어닐링은, 상기 비자성 스페이서 층(220)의 형성에 앞서 상기 자유 층(210)의 결정화(crystallization)를 가능케 할 수 있다. 이는, 적어도 부분적으로는, 상기 흡수/희생 삽입 층의 사용이 없었더라면 상기 자유 층(210) 내에 남아 있을, 그리고 결정의 형성을 지연시켰을 B와 O에 대하여 친화도를 갖는 상기 흡수/희생 삽입 층 때문일 수 있다. 흡수/희생 삽입 층을 추가하고 제거함으로써, 상기 자유 층(210)은 보다 두꺼운 두께를 가지며, 바람직한 결정 구조 및 수직 이방성을 유지한 채로 제조될 수 있다. 이러한 이점들은 상술한 바와 같은 다중 단계 흡수 층 추가 및 제거 공정을 통해 더욱 강화될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 개념의 원리들에 따르면, 상기 자유 층(210)은 15Å 보다 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있으나, 여전히 면-수직 자기 모멘트(231)를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자유 층(210)은 25Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 자유 층(210)의 두께는 16Å 내지 20Å일 수 있다. 상기 MTJ 구조(200)는 따라서 일반적인 MTJ 구조들보다 큰 자기저항을 가질 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층의 제거는 또한 상기 자유 층(210) 내의 댐핑을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 자유 층(210)은 보다 낮은 스위칭 전류를 보일 수 있고, 그리고 이 경우, 보다 작은 쓰기 전류가 상기 MTJ 구조(200)의 프로그래밍에 사용될 수 있다. 따라서, 성능이 향상될 수 있다.

단계 106에서의 상기 피고정 층(230)의 제조는 또한 자기 장치 내의 상기 MTJ 구조(200)의 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 하부 층들(204, 210, 220, 및 230의 일부)은 상기 피고정 층(230)의 전체가 증착되기 전에 정의되기 때문에, 상기 MTJ 구조(200)의 보다 얇은 부분은 이러한 정의 단계에서 제거될 수 있다. 이에 따라, 이러한 정의 단계 동안에 자기 장치 내의 가장 인접하는 MTJ들의 자기적 영향들(magnetic influences)로 인한 쉐도잉(shadowing)이 완화될 수 있다. 유사한 이점들이, 상기 피고정 층(230)의 나머지 부분 및 상기 캐핑 층(들)(206)과 같은 상기 MTJ 구조(200)의 나머지 부분을 정의할 때에도 달성될 수 있다. 따라서, 제조에 부정적 영향을 끼치지 않으면서, 상기 MTJ 구조(200)는 다른 MTJ(도 3에는 도시되지 않음)에 보다 가깝게 위치될 수 있다. 결과적으로, 상기 제조 공정이 향상될 수 있고, 보다 밀집하여 패킹된(packed) 메모리 장치가 달성될 수 있다. 단계 102와 단계 106 모두에서 상기 흡수/희생 삽입 층이 사용된다면, 상기 MTJ의 성능 및 상기 자기 장치의 패킹/제조와 관련하여 상술한 이점들이 모두 달성될 수 있다. 이러한 이점들은 다중 단계 흡수/희생 삽입 층 추가 및 제거 공정을 수행함으로써 강화될 수 있다.

도 4는 주변 구조체들 및 상기 방법(100)을 이용하여 제조될 수 있는 MTJ 구조(200')의 일 예시적 실시예를 나타내는 개략적인 블락도이다. 마찬가지로, 명확성을 위하여 특징들 및 영역들의 크기들 및 모양들은 과장될 수 있으며, 이에 따라 도 4는 실제 크기 비율이 아닐 수 있다. 상기 MTJ 구조(200')는 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 상기 MTJ 구조(200')은 상기 MTJ 구조(200)과 유사할 수 있다. 이에 따라, 유사한 구성들은 유사한 참조 번호들을 갖는다.

상기 MTJ 구조(200')는, 도 3의 MTJ 구조(200)의 대응하는 구성들과 각각 유사한, 자기 모멘트(211)를 갖는 자유 층(210), 제1 비자성 스페이서 층(220), 자기 모멘트(231)를 갖는 피고정 층(230)을 포함한다. 하부 기판(201), 하부 콘택(202), 상부 콘택(208), 선택적 시드 층(들)(204), 및 선택적 캐핑 층(들)(206)은 또한 도 3의 대응하는 구성들 및 특징들과 유사할 수 있다.

하지만, 도 3의 상기 MTJ 구조(200)와 달리, 도 4에 도시된 상기 MTJ 구조(200')는 이중 MTJ 구조일 수 있다. 이에 따라, 상기 MTJ 구조(200')는, 도 3의 상기 MTJ 구조(200)와 비교하여, 제2 비자성 스페이서 층(240) 및 추가적 피고정 층(250)을 더 포함할 수 있다. 상기 피고정 층(250)은 상기 피고정 층(230)과 유사할 수 있다. 따라서, 상기 피고정 층(250)은 면-수직 자기 모멘트(251)를 가질 수 있다.

도시된 실시예에서, 상기 MTJ 구조(200')는 이중 상태(dual state)에 있다. 따라서, 상기 자기 모멘트들(231 및 251)은 서로 반평행하다. 다른 실시예에서, 상기 자기 모멘트들(231 및 251)은 역이중 상태(antidual state)에 있을 수 있다(혹은, 서로 평행할 수 있다). 또 다른 실시예들에서, 상기 자기 모멘트들(231 및 251)은 작동 동안에 역이중 상태 및 이중 상태 사이에서 스위치될 수 있다. 상기 제2 비자성 스페이서 층(240)은 상기 제1 비자성 스페이서 층(220)과 유사할 수 있다. 하지만, 상기 제2 비자성 스페이서 층(240)은 상기 제1 비자성 스페이서 층(220)과는 다른 두께를 갖도록 그리고/혹은 다른 물질(들)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 비자성 스페이서 층들(220 및 240)은 둘 다 (100) MgO로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 제2 비자성 스페이서 층(240)과 같은 하나의 층은 나머지 층보다 얇을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제2 비자성 스페이서 층(240)은 상기 제1 비자성 스페이서 층(220)보다 30% 정도 더 얇을 수 있다.

상기 이중 MTJ 구조(200')는 상기 MTJ 구조(200)와 동일한 이점들을 가질 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 개념의 원리들에 따라 형성되면, 상기 이중 MTJ 구조(200')는 향상된 자기저항, 감소된 댐핑과 스위칭 전류를 가지고 그리고/또는 자기 장치 내에서 보다 밀집되어 패킹될 수 있다. 이러한 이점들은 다중 단계 흡수/희생 삽입 층 추가 및 제거 공정을 통해 강화될 수 있다.

도 5는 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 부분을 제조하는 방법(110)을 나타내는 흐름도이다. 설명의 간소화를 위하여, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 순서 수행되거나, 혹은 결합될 수 있다. 나아가, 상기 방법(110)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 이미 수행된 후에 시작될 수 있다. 상기 방법(110)은, 예를 들어, 상기 방법(100)의 단계 102를 수행하는데 이용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 방법(110)은 상기 MTJ 구조(200)의 다른 부분(예를 들어, 상기 피고정 층(230))을 제조하는데 이용되거나, 그리고/혹은 또 다른 제조 공정과 함께 관련되어 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 방법(110)은 하나 이상의 시드 층들과 같은 하나 이상의 다른 층들이 형성된 후에 시작될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 방법(110)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO 시드 층이 증착된 후에 시작될 수 있다. 만약 이중 MTJ 구조가 제조된다면, 상기 MgO 시드 층은 피고정 층 상에 형성된 또 다른 비자성 스페이서 층일 수 있다. 더하여, PEL이 상기 자유 층의 일부로 혹은 상기 자유 층에 더하여 제공될 수 있다.

단계 112를 통하여, 상기 자유 층의 제1 부분(혹은, 제1 강자성 층)이 증착될 수 있다. 상기 자유 층의 상기 제1 부분은 Co, Fe, 및/또는 B를 포함하는 자성 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 20 at%를 넘지 않는 B를 갖는 CoFeB 층이 증착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 강자성 층의 두께는 약 25Å 이하일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 강자성 층은 적어도 약 15Å 이상의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 두께들 및/또는 층들이 가능하다.

단계 114를 통하여, 흡수/희생 삽입 층이 상기 제1 강자성 층 상에 증착될 수 있으며, 상기 흡수/희생 삽입 층 및 상기 제1 강자성 층은 계면을 공유할 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 보론(B)에 대하여 친화도(affinity)를 가지고, 낮은 확산도를 가지며, 그리고 그 아래의 CoFeB 층에 대하여 비교적 좋은 격자 정합을 갖는 하나 이상의 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층과 그 아래의 강자성 층 사이의 격자 상수 차이는 10% 이하일 수 있다.

상기 흡수/희생 삽입 층은, 예를 들어, Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ta, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, Ta, K, Na, Rb, Pb, 및/또는 Zr로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 구체적으로, Ta 및/또는 W가 사용될 수 있다. Ta 및/또는 W의 흡수/희생 삽입 층들은, 예를 들어, 그 아래의 CoFeB 층에 대하여 충분한 격자 정합을 가지고, 충분히 높은 보론(B) 친화도를 가지며, 그리고 충분히 낮은 확산도를 가질 수 있다.

상기 흡수/희생 삽입 층은 얇을 수 있으며, 예를 들어 약 10Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 이러한 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 약 1Å 내지 약 5Å의 두께를 가질 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은, 예를 들어, 약 4Å의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 두께들 및/또는 물질들이 사용될 수 있다.

단계 116을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층 및 그 아래의 층(들)은 실온 이상의 온도(들)에서 어닐링될 수 있다. 예를 들어, 약 300℃ 내지 500℃ 사이의 범위 내에서의 온도(들)에서 RTA가 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 어닐링 공정은 다른 방식들 및/또는 다른 온도들에서 수행될 수 있다. 단계 116에서의 상기 어닐링 공정은 비정질(amorphous)로 증착된 하부의 CoFeB 층이 바람직한 구조 및 방향으로 결정화되도록 수행될 수 있다. 더하여, 상기 어닐링 공정 동안, 상기 CoFeB 층 내의 과잉 보론(B) 및/또는 상기 강자성 층 내의 과잉 산소(O)가 상기 흡수/희생 삽입 층 내로 흡수될 수 있다. 예를 들어, 상기 어닐링 공정 동안 상기 CoFeB 층 내의 B가 확산되어, (001) 방향을 갖는 BCC 구조를 형성한다고 여겨진다. 일반적으로, TMR을 향상시키기 위하여 이러한 결정화를 지연시키는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 CoFeB 층은 상기 어닐링 공정 전까지 비정질인 것이 바람직할 수 있다.

상기 어닐링 공정 후, 단계 118을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층이 제거된다. 예를 들어, 플라즈마 식각이 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 이온 밀링(ion milling) 공정 또는 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization; 이하 CMP) 공정을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 방식으로 제거될 수 있다. 단계 118의 상기 제거 단계에서, 그 아래의 CoFeB 층의 일부분이 제거될 수 있다.

단계 118 이후, 상기 CoFeB 층의 잔존 부분의 두께는 0 보다 크되 약 15Å보다는 작은 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계 112에서 형성된 상기 CoFeB 층의 잔존 부분은 약 12Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 단계 118 이후, 상기 CoFeB 층은 약 10Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 상기 CoFeB 층을 완전히 제거하는 것은 바람직하지 않을 수 있다.

본 발명의 개념의 추가적 원리들에 따르면, 다중 단계 흡수/희생 삽입 층의 증착, 어닐링, 및 제거 공정이 상기 흡수/희생 삽입 층의 적용 및 제거를 통하여 얻어지는 이점들을 강화하기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 26 내지 도 29에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가 및 제거 공정들은 여러 번 반복하여 (즉, 복수의 단계들로) 수행되어, 보론(B) 제거 공정의 유효성을 높이고 그 아래의 층 내의 보론(B) 함량을 더욱 낮출 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층을 추가하고, 어닐링하고, 그리고 상기 흡수/희생 삽입 층을 제거하는 단계들은 복수 번 (즉, 두 번 이상) 수행될 수 있다. 이 때, 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 각 세트는 다중 단계 원소 제거 공정의 일 단계를 구성할 수 있다.

상기 다중 단계 원소 제거 공정의 각 단계 동안에, 상기 흡수/희생 삽입 층은 그 다음 흡수/희생 삽입 층을 증착하기 전에 완전히 혹은 부분적으로 제거될 수 있다. 더하여, 상기 공정의 조건들이 각 단계에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 공정의 연속되는 단계들에서 추가되는 상기 흡수/희생 삽입 층의 두께는 달라질 수 있으며, 어닐링 공정의 온도 또한 개별 단계들 내에서 달라질 수 있다. 마찬가지로, 상기 다중 단계 원소 제거 공정 내의 다른 단계들에서, 상기 공정들의 다른 파라미터들 및 조건들 또한 달라질 수 있다.

다시 언급하자면, 특히 도 29에서 확인할 수 있듯이, 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가, 어닐링, 및 제거 공정들의 단계를 복수 번 수행함으로써, 그 아래의 층 내의 원소 농도가 보다 효과적으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 아래의 층에 보론(B) 흡수 층을 반복적으로 적용하고, 어닐링하고, 그리고 제거함으로써, 상기 아래의 층으로부터 원하는 만큼의 보론(B)이 제거될 수 있고, 상기 아래의 층 내에 잔존하는 보론(B)의 농도가 MTJ 구조의 보다 효과적인 작동이 가능할 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 더하여, 단일의 흡수/희생 삽입 층만을 추가, 어닐링, 그리고 제거하는 공정을 이용하는 시스템들을 넘어서는 개선이 이루어질 수 있다.

도 5를 다시 참조하면, 마지막 제거 공정 후에, 단계 120을 통하여, 상기 자유 층의 나머지 부분이, 만약에 있다면, 증착될 수 있다. 예를 들어, 노출된 상기 제1 강자성 층 상에 제2 CoFeB 강자성 층이 증착될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 강자성 (예를 들어, CoFeB) 층들은 계면을 공유할 수 있다. 이와는 달리, 예를 들어 다중 층을 포함하는 다른 층이 형성될 수 있다. 존재하는 자성 물질의 총량에도 불구하고, 상기 자유 층은 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가져야 한다. 예를 들어, 단계 118 이후의 상기 제1 강자성 층의 잔존 부분과 단계 120에서 제공되는 상기 제2 강자성 층은 약 15Å 보다 큰 총 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 두 층들의 총 두께는 약 30Å을 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 몇몇 이러한 실시예들에서, 상기 총 두께는 약 25Å을 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 총 두께는 약 16Å 내지 약 20Å일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 강자성 층들의 각각의 두께들은 약 15Å을 초과하지 않을 수 있다.

도 6은, 도 5의 상기 방법(110)을 이용하여 제조될 수 있는 MTJ 구조(200'')의 일 예시적 실시예의 개략적인 블락도이다. 도 6에 도시된 특징들 및 영역들의 크기들 및 모양들은 실제 크기 비율이 아니다. 상기 MTJ 구조(200'')는 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 상기 MTJ 구조(200'')은 상기 MTJ 구조(200)과 여러 면에서 유사할 수 있다. 이에 따라, 유사한 구성들은 유사한 참조 번호들을 갖는다.

도 6을 참조하면, 상기 MTJ 구조(200'')은 자기 모멘트(211)를 갖는 자유 층(210), 비자성 스페이서 층(220), 자기 모멘트들(231A/A31B)을 갖는 피고정 층(230')을 포함한다. 이러한 특징들은 상기 MTJ 구조(200)에서 설명된 대응하는 특징들과 유사할 수 있다. 상기 MTJ 구조(200)의 대응하는 층과 유사한 하부 선택적 시드 층(들)(204)이 또한 도시되어 있다. 예를 들어, 상기 시드 층(204)은 결정성 MgO 시드 층일 수 있다. 상기 MgO 시드 층(204)은 상기 자유 층(210)의 수직 자기 이방성을 강화할 수 있다.

선택적 Fe 삽입 층(260) 및 선택적 PEL(270)이 또한 도 6에 도시되어 있다. 예를 들어, 상기 PEL(270)은 CoFeB 합금 층, FeB 합금 층, Fe/CoFeB 이중 층, 하프 메탈(half metal) 층, 또는 호이슬러(Heusler) 합금 층일 수 있다. 다른 고 스핀 분극 물질들이 또한 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 PEL(270)은 또한 상기 피고정 층(230')의 수직 자기 이방성을 강화하도록 구성될 수 있다. 더하여, 상기 피고정 층(230')은 비자성 층(234)에 의해 분리된 강자성 층들(232 및 236)을 포함하는 SAF 층일 수 있다. 상기 강자성 층들(232 및 236)은 상기 비자성 층(234)를 통해 서로 반강자성적으로 결합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 강자성 층들(232 및 236) 중에서 하나 이상은 다중 층일 수 있다. 상기 피고정 층(230')은 상기 방법(100)의 단계 106을 이용하여 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 MTJ 구조(200'')의 일부는 상기 피고정 층(230')의 일부분의 형성 전에 정의될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 층들(232, 234, 및 236)은 상기 MTJ 구조(200'')의 가장자리들이 정의되기 전에 증착될 수 있다.

도 6에 도시된 상기 MTJ 구조(200'')는, 도 2의 상기 방법(100)의 단계 102를 제공하기 위한 도 5의 상기 방법(110)을 이용하여 형성될 수 있다. 도 2, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 상기 자유 층(210)은, 도 6에 점선으로 분리된 바와 같이, 둘 이상의 부분들을 포함할 수 있다. 상기 자유 층(210)의 (상기 점선 아래의) 하부는 단계 112를 통해 증착될 수 있다. 이러한 층의 일부는 단계 118에서 제거될 수 있다. 상기 자유 층(210)의 (상기 점선의 위의) 상부는 단계 120을 통해 증착될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 점선이 상기 자유 층(210)을 실질적으로 절반으로 나눈다고 하더라도, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 오히려, 단계 112 및 단계 120 동안에, 상기 자유 층(210)의 다른 부분(fraction)들이 형성될 수 있다. 상기 자유 층(210)은 두 개의 부분들 이상으로 형성될 수 있으며, 상기 자유 층(210)의 추가적인 부분들(미도시)은 추가적인 공정들을 통해 증착될 수 있다. 이에 따라, 상기 자유 층(210)이 (예를 들어, 약 15Å 이상의 총 두께를 갖는) 단일의 강자성 층을 포함하는 것으로 여겨질지라도, 이러한 강자성 층의 둘 이상의 부분들이 상기 방법(110)의 다른 단계들로 증착될 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서, 상기 자유 층(210)은 복수의 증착들을 통해 형성된 단일 강자성 층으로 이뤄질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 강자성 층은 20at% 이하의 B를 포함하는 CoFeB 층일 수 있다.

상기 자유 층(210)이, 본 발명의 개념들의 원리들에 따른 흡수/희생 삽입 층을 이용하여 형성될 때, 상기 자유 층(210)은 일반적인 장치들보다 두껍게 형성될 수 있으며, 동시에 면에 수직할 때 안정한 상태를 갖는 상기 자기 모멘트(211), 향상된 자기 저항, 및/또는 감소됨 댐핑을 가질 수 있다. 단계들 116 내지 118의 상기 흡수/희생 삽입 층의 추가 및 어닐링 공정들은, 예를 들어, 상기 자유 층의 결정성을 향상시켜 보다 높은 자기 저항을 가능케 할 수 있다. 그리고, 상기 자유 층(210)의 나머지 부분을 증착하기 전에 단계 118에서의 상기 흡수/희생 삽입 층의 제거는 상기 자유 층(210)의 댐핑을 개선할 수 있다. 이러한 공정들을 다중 단계들로 수행하는 것은 이러한 이점들을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 자유 층(210)은, 따라서, 바람직한 결정 구조 및 수직 이방성을 유지한 채로 보다 큰 두께를 가지도록 제조될 수 있다.

예를 들어, 상기 자유 층(210)은 면-수직 자기 모멘트(211)를 유지한 채, 약 15Å보다 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자유 층(210)은 약 25Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 자유 층(210)은 약 16Å 내지 약 20Å의 두께를 가질 수 있다. 보다 두꺼운 자유 층(210)은 상기 MTJ 구조(200'')이 보다 높은 자기 저항을 갖도록 할 수 있다. 그리고, 상기 흡수/희생 삽입 층의 제거는 또한 상기 자유 층(210)에서의 댐핑을 감소시켜, 상기 자유 층(210)이 보다 낮은 스위칭 전류를 나타내는 것을 가능케 할 수 있다. 그리고, 또한, 보다 작은 쓰기 전류가 상기 MTJ 구조(200'')의 프로그래밍에 사용될 수 있다. 즉, 상기 MTJ 구조(200'')의 성능이 향상될 수 있다.

상기 피고정 층(230')이 또한 자기 장치 내의 상기 MTJ 구조(200'')의 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 층들(210, 260, 220, 및 270) 및 상기 피고정 층(230')의 일부분을 포함하는 상기 MTJ 구조(200'')의 일부가 먼저 정의될 수 있다. 상기 피고정 층(230')의 나머지 부분은 나중에 정의될 수 있다. 이러한 정의 단계(들)에서의 쉐도잉(shadowing)이 완화될 수 있다. 결과적으로, 제조 공정이 향상되고 보다 밀집하여 패킹된(packed) 메모리 장치가 달성될 수 있다.

도 7은, 다른 실시예에 따른, STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있는 MTJ 구조의 일 부분을 제조하는 방법(130)을 나타내는 흐름도이다. 하지만, 이러한 단계들은 도시된 바에 한정되지 않으며, 몇몇 단계들은 생략되거나, 다른 순서 수행되거나, 혹은 결합될 수 있다. 나아가, 상기 방법(130)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 이미 수행된 후에 시작될 수 있다. 상기 방법(130)은 도 2의 상기 방법(100)의 단계 106의 일 실시예를 제공한다. 따라서, 상기 방법(130)은 상기 자유 층 및 상기 비자성 스페이서 층이 제공된 후에 시작될 수 있다.

도 7을 참조하면, 단계 132를 통하여, 상기 피고정 층의 제1 부분이 증착될 수 있다. 상기 피고정 층의 이러한 제1 부분은 단일 층 또는 다중 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 피고정 층의 상기 제1 부분은 Co, Fe, 및/또는 B를 포함하는 자성 층일 수 있다. 예를 들어, 20 at%를 넘지 않는 B를 갖는 CoFeB 층이 증착될 수 있다. PEL 또는 다른 구조가 또한 상기 피고정 층과 상기 비자성 스페이서 층 사이에 증착될 수 있다. Co/Pt 다중 층과 같은, 비자성 층들이 삽입된 자성 층들을 포함하는 다중 층이 또한 증착될 수 있다. 상기 방법(130)에서 형성되는 상기 피고정 층이 SAF라면, 단계 132는 상기 자성 (다중) 층의 일부; 상기 비자성 층의 일부 또는 전부 및 상기 자성 (다중) 층; 또는 상기 자성 (다중) 층, 상기 비자성 층, 및 상기 상부 자성 (다중) 층의 일부를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 하지만, 일반적으로, 상기 피고정 층 중에서 더 작은 부분이 단계 132에서 증착될 수 있다. 이를 통해, 보다 얇은 구조체가 아래의 단계 138에서 정의될 수 있다.

단계 134를 통하여, 이미 형성되어 있는 상기 피고정 층의 일부 상에 상기 흡수/희생 삽입 층이 증착될 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 보론(B)에 대하여 친화도를 가지고, 낮은 확산도를 가지며, 그리고 그 아래의 층에 대하여 비교적 좋은 격자 정합을 갖는 하나 이상의 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층과 그 아래의 강자성 층 사이의 격자 상수 차이는 10% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수/희생 삽입 층은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및/또는 Zr로 이루어질 수 있다. 상기 흡수/희생 삽입 층은 얇을 수 있다. 하지만, 상기 흡수/희생 삽입 층은, 후술할 바와 같이, 연속하여 패터닝되는 것이 바람직하다.

단계 136을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층 및 그 아래의 층(들)이 어닐링될 수 있다. 예를 들어, 약 300℃ 내지 400℃ 사이의 범위 내에서의 온도(들)에서 RTA가 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 어닐링 공정은 다른 방식들 또는 다른 온도들에서 수행될 수 있다. 따라서, 단계 132에서 증착된 상기 피고정 층의 일부뿐만 아니라, 상기 흡수/희생 삽입 층 아래에 놓여진 상기 비자성 스페이서 층 및 상기 자유 층 또한 어닐링될 수 있다. 따라서, 상기 어닐링 공정의 온도 및 다른 특징들은, 결정성 MgO 터널링 배리어 층과 같은 상기 비자성 스페이서 층이 부정적 영향을 받지 않도록 선택될 수 있다.

상기 어닐링 공정 후, 단계 138을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층 아래의 상기 MTJ 구조의 일부가 포토리소그래픽적으로(photolithographically) 정의될 수 있다. 따라서, 단계 138은 포토레지스트 층을 제공하는 것 및 상기 포토레지스트 층을 패터닝하여 포토레지스트 마스크를 제공하기 위하는 것을 포함할 수 있다. 상기 마스크로 다른 물질들이 또한 사용될 수 있다. 상기 마스크는 상기 MTJ 구조의 일부로 형성되는 상기 증착된 층들의 부분들을 덮을 수 있다. 상기 MTJ 구조의 주변의 영역들은 노출될 수 있다. 상기 MTJ 구조의 가장자리들이, 상기 층들의 상기 노출된 부분들을 식각하기 위한 이온 밀링 공정 또는 다른 메커니즘을 이용하여 정의될 수 있다. 상기 이온 밀링 공정은 상기 흡수/희생 삽입 층의 상부에 수직한 방향에 대하여 작은 각도로 수행될 수 있다.

그 다음, 단계 140을 통하여, 리필(refill) 단계가 수행될 수 있다. 따라서, 알루미나와 같은 비자성 절연 층이 증착될 수 있다. 후속 공정을 위한 평평한 면을 제공하기 위하여, 평탄화 공정이 또한 수행될 수 있다.

단계 142를 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층이 제거될 수 있다. 단계 142는, 예를 들어, 플라즈마 식각을 통해 수행될 수 있다. 다른 제거 방법들이 또한 사용될 수 있다. 상기 제거 단계에서, 상기 피고정 층의 상기 아래 부분의 일부가 제거될 수 있다. 상술한 바와 같이, 흡수/희생 삽입 층을 이용함으로써 얻을 수 있는 이점들을 증대시키기 위하여, 다중 흡수/희생 삽입 층의 증착, 어닐링, 및 제거 단계들이 수행될 수 있다. (도 27 참조)

단계 144를 통하여, 상기 피고정 층의 나머지 부분이, 만약 있다면, 증착될 수 있다. 예를 들어, 추가적 강자성 층(들)이 상기 노출된 제1 강자성 층 바로 위에 증착될 수 있다. 상기 피고정 층이 SAF인 실시예들에서, 증착되는 상기 추가적 강자성 층(들)은 단계 132에서 증착된 상기 피고정 층의 부분에 의존할 수 있다. 예를 들어, 단계 132에서 전체의 하부 강자성 층 (또는 다중 층)이 증착되었다면, 단계 144에서 Ru와 같은 상기 비자성 층 및 또 다른 자성 층들이 증착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 피고정 층은 또 다른 방식으로 형성될 수 있다.

단계 146을 통하여, 상기 MTJ 구조의 나머지 부분이 정의될 수 있다. 단계 146은, 단계 138과 유사하게, 포토리소그래픽적으로 수행될 수 있다. 하지만, 단계 138에서 상기 자유 층이 이미 정의되었기 때문에, 낮은 밀도의 패턴이 단계 146에서 이용될 수 있다. 따라서, 상기 MTJ 구조의 상부는 그 하부보다 좁을 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 MTJ 구조의 상부는 상기 MTJ 구조의 하부와 동일한 크기이거나 혹은 상기 MTJ 구조의 하부보다 더 넓을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 피고정 층들의 상부들은 다수의 MTJ 구조들 상으로 연장될 수 있다.

도 8은 상기 방법(130)을 이용하여 제조될 수 있는 MTJ들(200''')을 포함하는 다중 MTJ 구조의 일 예시적 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시된 특징들의 크기들 및 모양들은 실제 크기 비율이 아니다. 상기 MTJ들(200''')은 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 잇다. 상기 MTJ들(200''')은 이전 실시예들의 MTJ들(200, 200', 및/또는 200'')과 유사할 수 있다. 하지만, 간소화를 위하여, 상기 MTJ들(200''')의 개별 층들은 도시되어 있지 않다.

도 8에서 확인할 수 있듯이, 단계 138에서 정의된 상기 MTJ들(200''')의 하부들은 제1 거리(d1)만큼 서로 이격될 수 있다. 단계 146에서 정의된 상기 MTJ들(200''')의 상부들은 제2 거리(d2)만큼 서로 이격될 수 있다. 상기 제1 거리(d1)는 상기 제2 거리(d2)보다 작을 수 있다(즉, d1<d2). 따라서, 단계 138 및 단계 146에서 사용되는 포토레지스트 마스크들은 서로 다른 밀도를 가질 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 밀도는 서로 동일할 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 거리(d1) 및 상기 제2 거리(d2)는 실질적으로 동일할 수 있다(즉, d1=d2). 또 다른 실시예들에서, 단계 146에서 사용되는 상기 마스크의 밀도는 단계 138에서 사용되는 상기 마스크의 밀도보다 클 수 있다. 따라서, 그러한 실시예들에서, 상기 제1 거리(d1)는 상기 제2 거리(d2)보다 클 수 있다(즉, d1>d2). 또 다른 실시예들에서, 상기 MTJ들(200''')의 상부들은 서로 연결될 수 있다. 나아가, 상기 MTJ들(200''')의 상부들 및 하부들의 종횡비, 차지하는 면적(footprints), 및 다른 기하학적 파라미터들은 다를 수 있다. 비록 3개의 MTJ들(200''')만이 도시되어 있으나, 다른 개수의 MTJ들이 함께 형성될 수 있다. 더하여, 자기 접합들의 2차원적 또는 3차원적 배열이 기판 상에 함께 제조될 수 있다. 하지만, 도면의 명료함을 위하여, 3개의 MTJ들(200''')로 이루어진 하나의 라인만이 도 8에 도시되어 있다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 방법(130)을 이용하여, 상기 MTJ들(200''')의 제조 공정들 및 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 MTJ들(200''')의 하부들이 먼저 정의될 수 있다. 상기 피고정 층(230')의 나머지 부분은 나중에 정의될 수 있다. 단계 138 및 단계 146에서 정의되는 스택들의 부분들은 보다 얇을 수 있다. 그 결과, 이러한 정의 단계들에서의 쉐도잉(shadowing)의 부정적 영향들이 완화될 수 있다. 따라서, 상기 MTJ들(200''')의 하부들은 보다 가깝게 패킹될 수 있고, 보다 잘 정의될 수 있다. 상기 MTJ들(200''')의 상부들은 상기 자유 층을 포함하지 않는다. 따라서, 상기 MTJ들(200''')의 이러한 부분들 사이의 간격은 덜 중요할 수 있다. 이러한 부분들은 더 멀리 떨어질 수 있다. 따라서, 보다 나은 공정 제어(control) 및 집적(integration)이 달성될 수 있다. 게다가, 상기 MTJ들(200''')의 이러한 부분들을 개별적으로 구성하는 것은 기하학적 구조를 맞추는 것의 성능을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 제조 공정들이 향상될 수 있고, 그리고 보다 밀집하여 패킹된 메모리 장치가 달성될 수 있다. 상기 MTJ들(200''')의 자유 층들이 도 5의 상기 방법(110)을 이용하여 제조된다면, 성능은 더욱 향상될 수 있다.

도 9는 STT-RAM과 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있는 MTJ를 제조하는 방법(150)의 일 예시적 실시예를 나타내는 흐름도이다. 특정한 순서로 수행되는 특정한 단계들에 대하여 설명하고 있으나, 이러한 단계들의 일부는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 혹은 결합될 수 있다. 나아가, 상기 방법(150)은 자기 메모리를 형성하기 위한 다른 단계들이 이미 수행된 후에 시작될 수 있다. 도 10 내지 도 24는 도 9의 상기 방법(150)을 이용하여 제조 중인 MTJ의 실시예들을 도시한다. 도 10 내지 도 24의 특징들 및 구성들은 실제 크기 비율이 아니다.

도 9 내지 도 24를 참조하면, 단계 152를 통하여, 결정성 MgO 시드 층이 증착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계 152는 이중 MTJ의 하나의 비자성 스페이서 층을 형성한다. 따라서, 피고정 층이 상기 결정성 MgO 층 아래에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 단계 152에서 증착된 상기 층은 하부 자기 터널 접합 층을 위한 시드 층일 수 있다.

단계 154를 통하여, 자유 층의 제1 CoFeB (혹은 제1 강자성) 층이 증착될 수 있다. 이러한 층은 도 2의 단계 102 및 도 5의 단계 112와 관련하여 각각 상술한 층들과 유사할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 강자성 층은 적어도 약 15Å의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 두께들 및/또는 다른 층들이 사용될 수 있다. 도 10은 단계 154가 수행된 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 상기 MgO 시드 층(302) 및 상기 자유 층의 상기 제1 강자성 층(312)이 도시되어 있다.

단계 156을 통하여, 상기 제1 강자성 층(312) 상에 흡수/희생 삽입 층이 증착될 수 있다. 따라서, 단계 156은 도 5의 단계 114와 유사하다. 이에 따라, 상기 흡수/희생 삽입 층의 물질들 및 두께들은 상술한 바와 동일할 수 있다. 도 11은 단계 156이 수행된 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 상기 흡수/희생 삽입 층(304)이 도시되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 흡수/희생 삽입 층(304)의 물질들 및 두께들은 도 2의 상기 방법(100) 및 도 5의 상기 방법(110)과 관련하여 상술한 바와 유사할 수 있다.

그 다음, 단계 158을 통하여, 층들(302, 304, 및 312)이 어닐링될 수 있다. 예를 들어, 약 300℃ 내지 400℃ 사이의 범위 내에서의 온도(들)에서 RTA가 수행될 수 있다. 단계 158의 상기 어닐링 공정은 도 5의 단계 116의 어닐링 공정과 유사할 수 있다. 상기 어닐링 공정 후, 단계 160을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층(304)은 제거될 수 있다. 단계 160은 도 5의 단계 118과 유사할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 식각 공정이 이용될 수 있다.

도 12는 단계 160가 수행된 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 상기 흡수/희생 삽입 층(304)이 제거되어 있다. 상기 제1 강자성 층(312')의 일부가 또한 제거되어 있을 수 있다. 따라서, 약간 더 얇은 제1 강자성 층(312')이 도시되어 있다.

몇몇 실시예들에서, 단계 162를 통하여, 상기 자유 층의 나머지 부분이 증착될 수 있다. 예를 들어, 노출된 상기 제1 강자성 층(312') 상에 제2 CoFeB 강자성 층이 증착될 수 있다. 도 13은 단계 162 후의 상기 MTJ(300)을 도시한다. 따라서, 상기 제2 강자성 층(314)이 증착되어 있다. 상기 층들(312' 및 314)는 함께 상기 자유 층(310)을 형성할 수 있다.

단계 164를 통하여, 비자성 스페이서 층이 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계 164에서, 결정성 MgO 배리어 층이 제공될 수 있다. 도 14는 단계 164가 수행된 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 상기 비자성 스페이서 층(320)이 제조되어 있다.

단계 166에서, 상기 피고정 층의 제1 부분이 증착될 수 있다. 단게 166은 도 7의 단계 132와 유사할 수 있다. 따라서, 단일 층 또는 강자성 층들 및/또는 비자성 층들을 포함하는 다중 층이 증착될 수 있다. 도 15는 단계 166 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 강자성 층(들)(332)이 도시되어 있다. 도 15 내지 도 24에 도시된 실시예에서, 전체의 하부 층/SAF 피고정 층의 다중 층이 단계 166에서 제공될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 자성 층(332)의 더 많은 혹은 더 적은 층들이 단계 166에서 증착될 수 있다.

단계 168을 통하여, 상기 강자성 층(332) 상에 추가적 흡수/희생 삽입 층이 증착된다. 단계 168은 도 7의 단계 134와 유사할 수 있다. 따라서, 도 7과 관련하여 상술한 물질(들) 및 두께들이 사용될 수 있다. 도 16은 단계 168이 수행된 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 상기 흡수/희생 삽입 층(306)이 도시되어 있다.

단계 170을 통하여, 층들(302, 312', 314, 320, 332, 및 306)이 어닐링될 수 있다. 단계 170은 도 7의 단계 136과 유사할 수 있다. 예를 들어, 도 7과 관련하여 상술한 바와 같은 온도 범위에서의 RTA가 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정의 상기 온도 및 다른 특징들은, 결정성 MgO 터널링 배리어 층과 같은 상기 비자성 스페이서 층이 부정적 영향을 받지 않도록 선택될 수 있다.

상기 어닐링 공정 후, 단계 172를 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층 아래의 상기 MTJ(300) 부분이 포토리소그래피적으로 정의될 수 있다. 단계 172는 도 7의 단계 138과 유사할 수 있다. 도 17은 단계 172 동안의 상기 MTJ(300)을 도시한다. 따라서, 상기 흡수/희생 삽입 층(306) 상에 마스크(360)가 제공되어 있다. 도 18은 단계 172 후의 상기 MTJ(300)를 도시한다. 따라서, 두 개의 MTJ들(300)의 일부들이 정의되어 있다. 특히, 상기 자유 층(310), 상기 비자성 스페이서 층(320), 및 상기 강자성 층(332)이 정의되어 있다.

단계 174를 통하여, 리필(refill) 단계가 수행될 수 있다. 따라서, 알루미나와 같은 비자성 절연 층이 증착되고 평탄화될 수 있다. 단계 174는 도 7의 단계 140과 유사할 수 있다. 도 19는 단계 174 동안의 상기 MTJ들(300)을 도시한다. 따라서, 도 19에 상기 리필 물질(308)이 도시되어 있다. 도 20은 단계 174가 완료된 후의 상기 MTJ들(300)을 도시한다. 따라서, 상기 리필(308)의 상면이 평탄화되어 있다.

단계 176을 통하여, 상기 흡수/희생 삽입 층이 제거될 수 있다. 단계 176은 도 7의 단계 142와 유사할 수 있다. 단계 178을 통하여, 상기 피고정 층의 나머지 부분이, 만약 있다면, 증착될 수 있다. 단계 178은 도 7의 단계 144와 유사할 수 있다. 도 21은 단계 178이 완료된 후의 상기 MTJ(300)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 실시예에서, 전체의 하부 강자성 층(또는 다중 층)(332)은 단계 166에서 증착되었다. 따라서, Ru 층(334)와 같은 비자성 층 및 강자성 층(들)(336)이 단계 178에서 증착될 수 있으며, 도 21에 도시되어 있다. 상기 층들(334 및 336)은 두 개의 MTJ들(300)을 가로지르며 연장될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 상기 층들(332, 334, 및 336)은 SAF 피고정 층을 형성할 수 있다.

단계 180을 통하여, 상기 MTJ의 나머지 부분이 증착될 수 있다. 단계 180은 도 7의 단계 146과 유사할 수 있다. 단계 180은, 단계 172와 유사하게, 포토리소그래피적으로 수행될 수 있다. 하지만, 상기 자유 층은 단계 172에서 이미 정의되었기 때문에, 단계 180에서 다른 밀도의 패턴이 사용될 수 있다. 따라서, 상기 MTJ의 상부는 하부보다 더 좁거나, 하부와 동일한 크기를 갖거나, 혹은 하부보다 더 클 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 피고정 층들의 상부들은 복수의 MTJ 구조들 상으로 연장될 수 있다. 도 22는 단계 180이 수행된 후의 상기 MTJ(300)의 일 실시예를 도시한다. 따라서, 상기 피고정 층들(330)이 정의되어 있다. 도시된 실시예에서, 상기 피고정 층(330)의 상부는 하부와 동일한 크기를 갖는다.

도 23 및 도 24는, 단계 166에서 상기 층(332)의 (전체가 아닌) 일부가 증착된 상기 MTJ(300')의 일 실시예를 도시한다. 도 23은 단계 178이 수행된 후의 이러한 실시예를 도시한다. 따라서, 층들(333, 334, 및 336)이 도시되어 있다. 층들(333 및 331)은 함께 상기 SAF 피고정 층(330')의 하부 강자성 층(332')을 형성한다. 도 24는 단계 180이 수행된 후의 상기 MTJ(300')를 도시한다. 따라서, 상기 MTJ들(300')의 상부가 정의되어 있다.

상기 MTJ들(300 및 300')은 상기 MTJ들(200, 200', 200'', 및/또는 200''')의 이점들을 공유할 수 있다. 따라서, 상기 MTJ들(300 및 300')은 향상된 자기 저항, 감소된 댐핑, 및 감소된 스위칭 전류를 가질 수 있고, 그리고/혹은 자기 장치 내에서 보다 밀집하여 패킹될 수 있다.

도 25는 상술한 실시예들의 상기 MTJ들(200, 200', 200'', 200''', 300, 및/또는 300')을 하나 이상 이용할 수 있는 메모리(400)의 일 예시적 실시예를 도시한다. 상기 자기 메모리(400)은 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver)(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 열 선택 드라이버들(reading/writing column select drivers)(402 및 406)을 포함할 수 있다. 다른(other 및/또는 different) 구성 요소들도 제공될 수 있다. 상기 자기 메모리(400)의 저장 영역(storage region)은 자기 저장 셀들(410)을 포함할 수 있다. 상기 자기 저장 셀들(410)의 각각은 적어도 하나의 MTJ(412)와 적어도 하나의 선택 장치(selection device)(414)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 선택 장치(414)는 트랜지스터일 수 있다. 상기 MTJ(412)는 본 명세서에서 개시된 MTJ들(200, 200', 200'', 200''', 300, 및/또는 300') 중에서 하나일 수 있다. 비록 셀(410) 당 하나의 MTJ(412)가 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 셀 당 다른 개수의 MTJ들(412)이 제공될 수 있다. 본 발명의 개념의 원리들에 따라 구성된 MTJ들을 이용함으로써, 상기 자기 메모리(400)은 위에서 설명된 이점들을 누릴 수 있다.

도 26 내지 도 29는 본 발명의 개념의 실시예들 및 본 발명의 개념의 추가적인 원리들에 따른 MTJ 구조들을 제조하는 방법들 및 시스템들을 나타낸다. 특히, 도 26은 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법(110')을 나타내는 흐름도이다. 상기 대체적 실시예에서, 흡수/희생 삽입 층들을 반복적으로 적용, 어닐링, 그리고 제거하는 다중 원소 제거 공정이 이용되어, 상기 MTJ 구조의 자유 층 내의 원소 농도 수준을 낮출 수 있다. 이 때, 도 26에 도시된 상기 방법(110')은, 상기 이점들을 증가시키기 위하여, 상기 흡수/희생 삽입 층을 증착, 어닐링, 그리고 제거하는 단계들 114, 116, 및 118이 유사한 또는 다른 공정 파라미터들로 여러 번 (혹은, 복수 사이클) 반복 수행될 수 있다는 것을 제외하고, 도 5에 도시된 상기 방법(110)과 유사할 수 있다.

도 27은 다른 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법(130')을 나타내는 흐름도이다. 상기 다른 대체적 실시예에서, 흡수/희생 삽입 층들을 반복적으로 적용, 어닐링, 그리고 제거하는 다중 원소 제거 공정이 이용되어, 상기 MTJ 구조의 피고정 층 내의 원소 농도 수준을 낮출 수 있다. 도 27의 상기 방법(130')은, 상기 이점들을 증가시키기 위하여, 단계 138 및 단계 140 전에, 단계들 134, 136, 및 142가 유사한 또는 다른 공정 파라미터들로 여러 번 반복 수행될 수 있다는 점을 제외하고, 도 7의 상기 방법(130)과 유사할 수 있다.

도 28은 또 다른 대체적 실시예에 따른 MTJ 구조를 제조하는 방법(150')을 나타내는 흐름도이다. 상기 또 다른 대체적 실시예에서, 흡수/희생 삽입 층들을 반복적으로 적용, 어닐링, 그리고 제거하는 다중 원소 제거 공정이 이용되어, 상기 MTJ 구조의 자유 층 및 피고정 층 둘 모두 내에서 원소 농도 수준을 낮출 수 있다. 도 28의 상기 방법(150')은 상기 이점들을 증가시키기 위하여, 예를 들어 단계 172 및 단계 174 전에, 단계들 156, 158, 및 160 및 단계들 168, 170, 및 176이 유사한 또는 다른 공정 파라미터들로 여러 번 반복 수행될 수 있다는 점을 제외하고, 도 9의 상기 방법(150)과 유사할 수 있다.

도 29는 상기 다중 단계 원소 제거 공정의 여러 단계들에서의 상기 MTJ 구조의 일 층 및 상기 흡수/희생 삽입 층 내의 원소 농도 수준을 나타내는, 다중 단계 원소 제거 공정의 그래프 및 개략적인 블락도이다. 도 29를 참조하면, 다중 단계 원소 제거 공정은 자유 층 또는 피고정 층과 같은 MTJ 층(510) 상에 수행되어, 상기 층(510)의 원소 농도 수준(515)을 낮출 수 있다.

제1 단계(사이클 1)에서, 제1 흡수/희생 삽입 층(520(1))이 상기 MTJ 층(510) 상에 증착된다. 상기 MTJ 층(510)은 점선으로 표시된 바와 같은 원소 농도 수준(515)을 갖는다. 그 후, 상기 MTJ 구조가 제1 온도(T1)에서 어닐링되어, 상기 원소를 상기 MTJ 층(510)에서 상기 흡수/희생 층(520(1))으로 이동시킨다. 점선으로 나타낸 바와 같이, 상기 어닐링 공정을 통하여, 기존에 상기 MTJ 층(510)에 포함되어 있던 상기 원소의 일부가 상기 흡수/희생 삽입 층(520(1))으로 이동할 수 있다. 그 후, 상기 흡수/희생 삽입 층(520(1))은 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있다. 이에 따라, 최종 단계의 결과물로서 감소된 원소 농도 수준(515)을 갖는 MTJ 층(520(1))이 형성된다.

그 후, 이러한 공정은 다중 단계들로 (즉, 여러 번의 사이클로) 반복될 수 있다. 각 단계에서, 그 전 단계의 결과로 형성된 상기 MTJ 구조 상에, 흡수/희생 삽입 층(520(N))이 바람직한 두께(tN)로 증착될 수 있다. 그리고, 그 후, 결합된 구조가 바람직한 온도(TN)에서 어닐링되어, 원소(들)의 일부가 MTJ 층(510)에서 상기 흡수/희생 삽입 층(520(N))으로 이동할 수 있다. 그 후, 상기 흡수/희생 삽입 층(520(N))은 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있으며, 감소된 원소 농도 수준(515)을 갖는 상기 MTJ 층(510)이 남을 수 있다. 최종 단계가 수행된 후, 바람직한 원소 농도 수준(515(N))을 갖는 상기 MTJ 층(510)이 제공될 수 있다.

상기 흡수/희생 삽입 층의 증착, 열 처리, 및 제거 사이클을 여러 번 적용함으로써, 그 아래의 상기 MTJ 구조가 손상될 위험은 낮추면서 동시에 보다 강한 원소 제거가 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 다중 단계 원소 제거 공정에 의하여, 요구되는 어닐링 온도 및 이온 밀링 강도는 감소될 수 있다. 또한, 각 사이클(혹은, 단계)에서의 조건들의 변경이 허용되므로, 상기 공정 파라미터들 및 조건들의 최적화 및 맞춤에 대하여 추가적인 자유도가 제공될 수 있다. 그리고, 바람직한 수준의 원소 농도가 달성될 때까지, 상기 프로세스 사이클은 필요한 만큼 반복 수행될 수 있다.

본 명세서에서는, MTJ를 제공하는 다양한 방법들 및 시스템들, 및 상기 MTJ를 이용하여 제조된 메모리에 대하여 설명하였다. 상기 방법들 및 시스템들은 다양한 예시적 실시예들에 따라 설명되었으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예들에 대하여 다양한 변형들이 이루어질 수 있음을 쉽게 인식할 것이며, 그리고 그러한 변형들은 본 발명의 개념의 의미 및 범위(spirit and scope) 내에 있을 것이다. 이에 따라, 모든 그러한 변형예들은 이하의 청구항들의 의미 및 범위 내에 있는 것으로 고려되어야 한다.

Claims (10)

1. 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자유 층을 제공하는 것을 포함하되,
   상기 자유 층을 제공하는 것은:
   상기 자유 층의 적어도 제1 부분을 증착하는 것;
   상기 자유 층 상에 제1 희생 층을 증착하는 것;
   제1 온도에서 적어도 상기 자유 층 및 상기 제1 희생 층을 어닐링하여, 상기 자유 층에서 상기 제1 희생 층으로 원소를 이동시키는 것;
   상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것;
   상기 자유 층 상에 제2 희생 층을 증착하는 것;
   제2 온도에서 적어도 상기 자유 층 및 상기 제2 희생 층을 어닐링하여, 상기 자유 층에서 상기 제2 희생 층으로 원소를 이동시키는 것; 및
   상기 제2 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   비자성 스페이서 층을 제공하는 것; 및
   피고정 층을 제공하는 것을 더 포함하되, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치되고,
   상기 피고정 층을 제공하는 것은:
   상기 피고정 층의 적어도 제1 부분을 증착하는 것;
   상기 피고정 층 상에 제3 희생 층을 증착하는 것;
   제3 온도에서 적어도 상기 피고정 층과 상기 제3 희생 층을 어닐링하여, 상기 피고정 층에서 상기 제3 희생 층으로 원소를 이동시키는 것;
   상기 피고정 층으로부터 상기 제3 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것;
   상기 피고정 층 상에 제4 희생 층을 증착하는 것;
   제4 온도에서 적어도 상기 피고정 층과 상기 제4 희생 층을 어닐링하여, 상기 피고정 층에서 상기 제4 희생 층으로 원소를 이동시키는 것; 및
   상기 피고정 층으로부터 상기 제4 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
3. 제1 항에 있어서,
   한 번 이상의 상기 제거 단계들이 수행된 후에, 상기 자유 층의 제2 부분을 증착하는 것을 더 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
4. 제2 항에 있어서,
   한 번 이상의 상기 제거 공정들이 수행된 후에, 상기 피고정 층의 제2 부분을 증착하는 것을 더 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 피고정 층을 제공하는 단계는:
   상기 제4 희생 층을 제거하는 단계 전에, 적어도 하나의 리필 물질을 증착하는 것을 더 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 피고정 층으로부터 상기 제4 희생 층을 제거하기 전에, 상기 자기 터널 접합의 일부를 정의하는 것을 더 포함하되,
   상기 자기 터널 접합의 일부를 정의하는 단계는:
   상기 제4 희생 층 상에 포토레지스트 마스크를 제공하되, 상기 포토레지스트 마스크는 상기 자기 터널 접합에 대응하는 상기 제4 희생 층의 일부를 덮는 것; 및
   상기 포토레지스트 마스크에 의하여 노출된 상기 제4 희생 층, 상기 피고정 층의 상기 제1 부분, 상기 비자성 스페이서 층, 및 상기 자유 층의 노출된 부분을 제거하는 것을 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
7. 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자유 층을 제공하는 것을 포함하되,
   상기 자유 층을 제공하는 것은:
   상기 자유 층의 적어도 제1 부분을 증착하는 것;
   상기 자유 층 상에 제1 희생 층을 증착하는 것;
   적어도 상기 자유 층 및 상기 제1 희생 층을 어닐링하여, 상기 자유 층에서 상기 제1 희생 층으로 원소를 이동시키는 것;
   상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것; 및
   상기 제1 희생 층을 증착하는 것, 상기 자유 층 및 상기 제1 희생 층을 어닐링하는 것, 및 상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것을 적어도 한 번 이상 더 반복하는 것을 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제1 희생 층을 증착하는 것, 상기 자유 층 및 상기 제1 희생 층을 어닐링하는 것, 및 상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것을 반복하는 공정들의 각각에 있어서, 원소 제거 공정을 개선하고 상기 자기 터널 접합이 손상되는 위험을 줄이도록, 하나 이상의 공정 조건들이 독립적으로 선택되는 자기 터널 접합의 제조 방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 공정 조건들은 상기 제1 희생 층의 두께, 상기 어닐링이 수행되는 온도, 및 상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 공정의 수행 시간을 포함하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
10. 기판 상에 자기 메모리를 제조하는 방법에 있어서,
    자유 층의 제1 강자성을 증착하되, 상기 자유 층의 상기 제1 강자성 층은 15Å 이하의 두께를 가지는 CoFeB 층을 포함하는 것;
    상기 제1 강자성 층 상에 제1 희생 층을 증착하되, 상기 제1 희생 층은 4Å 이하의 두께를 가지고, 그리고 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함하는 것;
    25℃ 이상의 제1 온도에서 적어도 상기 제1 강자성 층과 상기 제1 희생 층을 어닐링하되, 상기 어닐링은 제1 급속 열 처리를 수행하는 것을 포함하는 것;
    상기 제1 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것;
    상기 제1 강자성 층 상에 제2 희생 층을 증착하되, 상기 제2 희생 층은 4Å 이하의 두께를 가지고, 그리고 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함하는 것;
    25℃ 이상의 제2 온도에서 적어도 상기 제1 강자성 층과 상기 제2 희생 층을 어닐링하되, 상기 어닐링은 제2 급속 열 처리를 수행하는 것을 포함하는 것;
    상기 제2 희생 층의 적어도 일부를 제거하는 것; 및
    상기 제1 강자성 층의 잔존 부분 상에 상기 자유 층의 제2 강자성 층을 증착하는 것을 포함하되,
    상기 제2 강자성 층은 15Å 이하의 두께를 가지는 CoFeB 층을 포함하여, 상기 제1 강자성 층의 상기 잔존 부분과 상기 제2 강자성 층은 함께 25Å 이하의 총 두께를 가지고, 상기 자유 층은 면-외 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가지며,
    상기 자유 층은, 쓰기 전류가 자기 터널 접합을 흐를 때, 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자기 메모리의 제조 방법.

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