KR20180003599A - 자기 터널 접합 - Google Patents

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KR20180003599A KR1020177035099A KR20177035099A KR20180003599A KR 20180003599 A KR20180003599 A KR 20180003599A KR 1020177035099 A KR1020177035099 A KR 1020177035099A KR 20177035099 A KR20177035099 A KR 20177035099A KR 20180003599 A KR20180003599 A KR 20180003599A
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Abstract

자기 터널 접합은 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극을 포함한다. 전도성 제 2 자극은 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함한다. 비자기 터널 절연체 재료는 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 제 1 자극의 자기 기록 재료는, 일 실시예에서 Co 및 Fe를 포함하는, 제 1 결정질 자기 영역을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 자극은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역을 포함하며, 여기서 X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상이다. 일 실시예에서, 제 1 자극은 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역을 포함한다.

Description

자기 터널 접합
본 명세서에 개시된 실시예들은 자기 터널 접합, 자기 터널 접합의 자극을 형성하는 방법, 및 자기 터널 접합을 형성하는 방법에 관한 것이다.
자기 터널 접합은 얇은 비자기 터널 절연체 재료(예를 들어, 유전체 재료)로 분리된 2개의 전도성 자극을 갖는 집적 회로 부품이다. 절연체 재료는 전자가 적절한 조건 하에서 절연체 재료를 통해 하나의 자극에서 다른 자극으로 터널링할 수 있도록 충분히 얇다. 자극 중 적어도 하나는 정상 동작 기록 또는 소거 전류/전압에서 2개의 상태 사이에서 스위칭되는 전체 자화 방향을 가질 수 있고, 일반적으로 "자유" 또는 "기록" 자극으로 지칭된다. 다른 자극은 일반적으로 "기준" 자극, "고정" 자극 또는 "고정된"(pinned) 자극으로 불리며, 전체 자화 방향은 정상 동작 기록 또는 소거 전류/전압의 인가시 바뀌지 않는다. 기준 자극 및 기록 자극은 각각의 도전 노드에 전기적으로 연결된다. 기준 자극, 절연체 재료 및 기록 자극을 통한 두 노드 사이의 전기 저항은 기준 자극의 자화 방향에 대한 기록 자극의 자화 방향에 의존한다. 따라서, 자기 터널 접합은 적어도 2 개의 상태 중 하나로 프로그램될 수 있고, 이들 상태는 자기 터널 접합을 통한 전류 흐름을 측정함으로써 감지될 수 있다. 자기 터널 접합은 2 개의 전류-전도 상태 사이에서 "프로그래밍"될 수 있기 때문에, 메모리 집적 회로에서 사용하기 위해 제안되어왔다. 또한, 자기 터널 접합은 로직 또는 메모리와는 다른 회로 또는 메모리에 추가하여 다른 회로에 사용될 수 있다.
기록 자극의 전체 자화 방향은 전류에 의해 유도된 외부 자기장에 의해 또는 스핀 편극 전류(spin-polarized current)를 사용하여 스핀 전달 토크(spin-transfer torque; STT) 효과를 일으킴으로써 스위칭될 수 있다. (전자와 같은) 전하 캐리어는 캐리어에 고유한 작은 각운동량인 "스핀"으로 알려진 성질을 갖는다. 전류는 일반적으로 편극되지 않는다(약 50%의 "스핀-업" 및 약 50%의 "스핀-다운"전자를 가짐). 스핀 편극 전류는 스핀의 전자가 훨씬 더 많은 전류다. 특정 자성 재료(때로는 편극자 재료라고도 함)에 전류를 통과시킴으로써, 스핀 편극 전류를 생성할 수 있다. 스핀 편극 전류가 자성 재료로 향하게 되면, 스핀 각운동량이 그 재료로 전달되어 자화 방향에 영향을 미친다. 이는 스핀 편극 전류가 충분한 크기인 경우 발진을 일으켜 심지어 자성 재료의 배향/도메인 방향을 플립(즉, 스위치)할 수 있다.
Co 및 Fe의 합금 또는 다른 혼합물은 자기 터널 접합의 기록 자극의 자기 기록 재료의 적어도 일부로서 및/또는 편극자 재료로서 사용하기 위해 제안된 하나의 공통 재료다. 보다 구체적인 예는 CoxFeyBz이고, 여기서 x 및 y는 각각 10-80이고 z는 0-50이며, CoFe 또는 CoFeB로 약칭될 수 있다. MgO는 비자기 터널 절연체에 이상적인 재료이다. 이상적으로, 그러한 재료는 체심 입방(bcc) 001 격자를 갖는 각각의 결정체이다. 이러한 재료는 임의의 적합한 기술, 예를 들어 물리적 기상 증착을 사용하여 증착될 수 있다. 이러한 재료에서 궁극적으로 bcc 001 격자를 생성하는데 사용할 수 있는 하나의 기술은 CoFe를 초기에 비정질로 형성하고 그 위에 MgO 함유 터널 절연체 재료가 증착되는 것을 포함한다. 증착 동안 및/또는 후에, MgO 터널 절연체, CoFe 및 터널 절연체는 이상적으로 균일한 bcc 001 격자 구조를 개별적으로 달성한다.
붕소는 일반적으로 CoFe의 초기 비정질 증착을 보장하거나 제공하기 위해 CoFe의 일부로서 증착된다. CoFe의 결정질화는 적어도 약 250℃의 온도에서 기판을 어닐링함으로써 MgO의 증착 동안 또는 증착 후에 발생할 수 있다. 이것은 bcc 001 CoFe로 결정화되도록 형성된 CoFe 매트릭스에서 B 원자의 확산을 유도할 것이다. Bcc 001 MgO는 CoFe의 결정질화 중 주형(template)으로 작용한다. 그러나, 완성된 자기 터널 접합 구조에서, 특히 CoFe/MgO 계면 또는 MgO 격자 내에서 B는 바람직하지 않게 자기 터널 접합의 터널링 자기저항(TMR)을 감소시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합을 포함하는 기판 부분의 개략적 단면도다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합을 포함하는 기판 부분의 개략적 단면도다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합을 포함하는 기판 부분의 개략적 단면도다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합을 포함하는 기판 조각의 개략적 단면도다.
본 발명의 실시예는 자기 터널 접합을 포함한다. 예시적인 실시예는 먼저 기판 단편(10)에 대해 도 1을 참조하여 설명되며 반도체 기판을 포함할 수 있다. 이 문헌의 문맥에서, 용어 "반도체 기판" 또는 "반도성 기판"은 반도성 웨이퍼(단독으로 또는 다를 재료를 포함하는 조립체로)와 같은 벌크 반도성 재료와, 반도성 재료층(단독으로 또는 다른 재료를 포함하는 조립체로)을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 반도성 재료를 포함하는 임의의 구성을 의미하는 것으로 정의된다. "기판"이라는 용어는 전술한 반도성 기판을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 지지 구조를 지칭한다. 기판 조각(10)은 그 위에 상승 층으로서 형성된 다양한 재료를 도시하는 기저부 또는 기판(11)을 포함한다. 재료는 도 1에 도시된 재료의 측면, 높이방향 외측, 또는 높이방향 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 집적 회로의 다른 부분적으로 또는 전체적으로 제조된 구성 요소가 조각(10) 주위 또는 내 어딘가에 제공될 수 있다. 기판(11)은 전도성(즉, 전기적으로), 반도성 또는 절연성/절연체(즉, 전기적으로) 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본원에 기재된 임의의 재료, 영역 및 구조는 균질이거나 불균일할 수 있으며, 이에 관계없이, 임의의 재료 위에서 연속 또는 불연속적일 수 있다. 또한, 달리 언급하지 않는 한, 각 재료는 원자층 증착, 화학 기상 증착, 물리적 기상 증착, 에피 택셜 성장, 확산 도핑 및 이온 주입과 같은 임의의 적절하거나 아직 개발되지 않은 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
자기 터널 접합부(15)는 기판(11) 위에 있고, 자기 기록 재료를 포함하는 전도성의 제 1 (즉, 페리 자성 또는 강자성) 자극(25) 및 제 1 자극(25)으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함하는 전도성 제 2 자극(27)을 포함한다. (예를 들어, MgO를 포함하거나, MgO를 실질적으로 포함하거나 MgO로 구성되는) 비자기 터널 절연체 재료(22)가 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 자극(25 및 27)은 개별적으로 비자성 절연체, 반도성 및/또는 전도성 재료 또는 영역을 포함할 수 있다. 그러나 개별적으로 고려될 때 자극(25 및 27)은 자극이 본질적으로 국부적으로 비자성 및/또는 비전도성인 하나 이상의 영역을 가질 수 있을지라도 전체적으로 집합 적으로 자성 및 전도성인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 명세서의 "자기"에 대한 언급은 언급된 자성 재료 또는 영역이 초기에 형성된 자성인 것을 요구하지 않지만, 상기 언급된 자성 재료 또는 영역의 일부가 자기 터널 접합의 완성된 회로 구조에서 기능적으로 "자성"일 것을 요구한다.
구성 요소(25 및 27) 각각에 대한 예시적인 최대 두께는 약 20 옹스트롬 내지 약 150 옹스트롬이고, 구성 요소(22)의 경우 약 5 옹스트롬 내지 약 25 옹스트롬이다. 이 문서에서, "두께"는 그 자체로(선 방향성 형용사가 없음) 주어진 조성 또는 다른 조성을 가진 바로 인접한 재료의 가장 가까운 표면 또는 바로 인접한 영역의 가장 가까운 표면으로부터 수직으로 주어진 직선 거리를 의미한다. 또한, 여기에 설명된 다양한 재료 및 영역은 실질적으로 일정한 두께 또는 다양한 두께일 수 있다. 두께가 가변적이라면, 다르게 표시되지 않는 한, 두께는 평균 두께를 의미한다. 본원에서 사용되는 "상이한 조성"은, 예를 들어, 이러한 재료 또는 영역이 균질하지 않은 경우에, 서로 맞닿아 놓일 수 있는 2개의 거명된 재료 또는 영역의 해당 부분들이 화학적 및/또는 물리적으로 상이할 것을 요한다. 2개의 명시된 재료 또는 영역이 서로 직접적으로 맞닿지 않는 경우, 이러한 재료 또는 영역이 불균질한 경우에 "상이한 조성"은 2개의 명시된 재료 또는 영역 중 가장 가까운 부분이 화학적 및/또는 물리적으로 상이할 것을 요한다. 이 문서에서 재료, 영역 또는 구조는 언급된 재료, 영역, 또는 구조가 서로 물리적으로 접촉함이 있을 때 다른 재료, 지역 또는 구조와 "직접적으로 맞닿는다". 대조적으로, "직접적으로"가 언급되지 않는 "~위에", "~상에" 및 "~에 대해"는 "직접 맞닿는" 것은 물론이고, 이러한 거명된 재료, 영역, 또는 구조들이 서로 물리적으로 접촉함없이 사이에 기재 재료, 영역, 또는 구조가 있는 구조 역시 포함한다.
자극(25 및 27)의 높이 방향 위치는 역전될 수 있고 및/또는 높이방향 스택과 다른 배향(예를 들어, 측면; 대각선; 수직, 수평, 대각선 중 하나 이상의 조합, 등)이 사용될 수 있다. 이 문서에서 "높이 방향", "위", "아래", "상단" 및 "하단"은 수직 방향을 기준으로 한다. "수평"은 제조 중 기판이 처리되는 주 표면을 따르는 대체적인 방향을 지칭하고, 수직은 이에 대체로 수직인 방향이다. 더욱이, "수직" 및 "수평"은 3차원 공간 내 기판의 배향에 관계없이 서로에 대해 대체로 수직인 방향이다.
제 1 자극(25)의 자기 기록 재료는 Co 및 Fe를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역(20)을 포함한다. 본 문서에서 사용될 때 "결정질"로 재료 또는 영역을 특성화하는 것은, 거명되는 재료 또는 영역의 적어도 90% 이상의 부피비가 결정질일 것을 요한다. 일 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(20)은 B(예를 들어, Co45Fe45B10)를 포함하고, 하나의 대안적인 실시예에서는 B가 없다. 본 명세서에서, "B가 없음"은 0 원자%의 B 내지 0.1 원자% 이하의 B를 의미한다. 제 1 결정질 자기 영역(20)은 Co 및 Fe를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, Co 및 Fe로 구성될 수 있다. 제 1 결정질 자기 영역(20)은 Co, Fe 및 B를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나 또는 이들로 구성될 수 있다. 처음 형성된 15 원자 퍼센트 이상의 B를 포함할 때 영역(20)은 비정질일 수 있다. 후속 공정 동안 연속적인 전용 어닐링 또는 고유한 고온 노출은 영역(20)으로부터 B를 0 내지 약 10 원자 퍼센트의 농도로 제거하여 영역(20)이 결정질이 될 수 있다. 일 실시예에서, 비자기 터널 절연체 재료(22)가 MgO를 포함하는 경우에, 제 1 결정질 자기 영역(20) 내의 Co 및 Fe는 비자기 터널 절연체 재료(22)의 MgO에 직접 맞닿는다. B가 제 1 결정질 자기 영역의 일부분이고 비자기 터널 절연체 물질(22)이 MgO를 포함하는 일 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(20) 내의 비정질 Co, Fe, 및 B는 비자기 터널 절연체 재료(22)의 MgO와 직접 맞닿는다. 영역(20)의 예시적인 두께는 약 7 옹스트롬 내지 약 20 옹스트롬이다.
제 1 자극(25)은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역(18)을 포함하며, 여기서 X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상이다. N은 물론 질소이고, XN은 반드시 화학양론을 내포하지 않는다. 이 문서에서 사용되는 "비정질"로 재료 또는 영역의 특성화는 명시된 재료 또는 영역의 부피비 90 % 이상이 비정질이어야 한다. 영역(18)은 비정질 XN을 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 비정질 영역(18)의 비정질 XN은 제 1 결정질 자기 영역(20)의 Co 및 Fe와 직접 맞닿는다. 제 1 결정질 자기 영역(20)이 B를 포함하는 일 실시 예에서, 제 2 비정질 영역(18)의 비정질 XN은 제 1 결정질 자기 영역 (20)의 Co, Fe 및 B에 직접 맞닿는다. 일 실시예에서, X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상(즉, 2개 또는 2개 이상)을 포함한다. 일 실시예에서, 비정질 XN은 화학양론적이다. 일 실시예에서, 비정질 XN은 비-화학양론적으로 N이 풍부하다(예를 들어, 화학양론적으로 XN의 전도성을 줄이기 위해). 일 실시예에서, 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역(18)은 약 10 옹스트롬 이하의 최대 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 제 1 자극(25)은(예를 들어, 영역들(18 및 20)에 의해) 비자기 터널 절연체 재료(22)로부터 이격된 비자성 MgO 함유 영역(16)을 포함한다. 영역(16)은 MgO를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 존재하는 경우 MgO 함유 영역(16)의 MgO는 제 2 비정질 영역(18)의 비정질 XN에 직접 맞닿는다. 존재할 때 MgO 함유 영역(16)의 예시적인 최대 두께는 약 3 옹스트롬 내지 약 10 옹스트롬이다.
일 실시예에서, 제 1 자극(25)은 Co 및 Fe를 포함하는 제 3 결정질 영역(14)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 3 결정질 영역(14)은 B(예컨대, Co45Fe45B10)를 포함하고, 대안적인 실시예에서는 B가 없다. 영역(14)의 최대 두께의 예는 약 4 옹스트롬 내지 약 10 옹스트롬이다. 영역(14, 16)이 존재하는 일 실시예에서, 영역(16)의 MgO는 제 3 결정질 영역(14)의 Co 및 Fe와 직접 맞닿는다. 영역(14, 16)이 존재하고 영역(14)이 B를 포함하는 일 실시예에서, 영역(16)의 MgO는 제 3 결정질 영역(14)의 Co, Fe, B와 직접 맞닿는다. 재료(14)를 포함시키는 목적은 증착 중 bcc 001 MgO 형성을 용이하게 하기 위함이다. 재료(16)를 포함시키는 목적은 전도성 자극의 자성 재료에서 수직 자기 이방성을 촉진하는 것이고, 이것은 몇몇 자기 터널 접합의 바람직한 동작 특성이다. 전술한 바와 같은 영역(20)과 같이, 초기 형성된 15 원자 퍼센트 이상의 B를 포함할 때 영역(14)은 비정질일 수 있다. 이후의 공정 동안 연속적인 전용 어닐링 또는 고유의 고온 노출은 영역(14)으로부터 B를 0 내지 약 10 원자 퍼센트의 농도로 제거하여 영역(14)이 결정질이될 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 자극(25)은 비자성 금속 영역(12)을 포함한다. 예는 하나 이상의 원소 금속과, 2 이상의 원소 금속들의 합금을 포함한다. 영역(12)에 대한 하나의 특정 예 재료는 원소 탄탈이다. 금속 영역(12)이 존재할 때의 예시적인 최대 두께는 약 5 옹스트롬 내지 약 500 옹스트롬이다.
재료(24)는 터널 절연체 재료(22)의 외측에 도시되고 자기 터널 접합부(15)의 제 2 전도성 자극(27)을 포함한다. 일례로서, 재료(24)는 터널 절연체 재료(22)에 직접 맞닿은 13 옹스트롬의 Co40Fe40B20(처음에 증착된 몰량, 반드시 최종 구조는 아님)과, Co40Fe40B20에 직접 맞닿은 3옹스트롬의 Ta와, Ta에 직접 맞닿은 Pd/Pt와 Co의 40 옹스트롬의 합금/다층을 포함하며, 이러한 예에서 자극(27)은 기준 자극으로서 기능한다. 이러한 예에서 집합적으로 이러한 재료는 그의 자기 기준 재료를 구성한다.
다른 예시적인 실시예인 자기 터널 접합(15a)이 기판 조각(10a)에 대하여 도 2를 참조하여 다음에 설명된다. 적절한 경우 상기 설명된 실시예들과 동일한 도면 부호가 사용되었으며, 일부 구성 차이는 첨자 "a"로 표시되어있다. 자기 터널 접합(15a)은 도 1로부터 빠진 영역(14, 16)(도시되지 않음)으로 도시된다. 일 실시예에서, 제 2 비정질 영역(18a)의 비정질 XN은 비자성 금속 영역(12)의 금속에 직접 맞닿는다. 일 실시예에서, 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역(18a)은 약 50 옹스트롬 이하의 최대 두께를 가지며, 그러한 일 실시예에서는 약 20 옹스트롬 이상의 최소 두께를 갖는다. 전술한 및/또는 도 1에 도시된 임의의 다른 속성(들) 또는 양상(aspect)이 도 2 실시예에서 사용될 수 있다.
요구되는 낮은 기록 전류는 일반적으로 자기 터널 접합에서 바람직하다. 자기 기록 재료의 감쇠를 감소시키는 것은 필요한 기록 전류를 낮출 수 있고, 자기 기록 재료로부터 스핀 펌핑을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 도 1 및 도 2의 실시예와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이 XN을 자기 터널 접합에 통합함으로써 스핀 펌핑을 감소시킬 수 있고, 따라서, 필요한 기록 전류를 낮출 수 있다.
다른 예시적인 실시예의 자기 터널 접합부(15b)가 기판 조각(10b)에 대하여도 3을 참조하여 다음에 설명된다. 적절한 경우 상기 실시예들과 유사한 도면 부호가 사용되었고, 일부 구성 차이점은 첨자 "b" 또는 상이한 숫자로 표시하였다. 제 1 자극(25b)의 자기 기록 재료는(반드시 Co 및/또는 Fe를 포함하지 않는) 제 1 결정질 자기 영역(21)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(21)은 Co 및 Fe를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(21)은 B(예를 들어, Co45Fe45B10)를 포함하고 다른 대안적인 실시예에서는 B가 없다. 제 1 결정질 자기 영역(21)은 Co 및 Fe를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 제 1 결정질 자기 영역(21)은 Co, Fe 및 B를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 이들로 구성될 수 있다. 비자기 터널 절연체 재료(22)가 MgO를 포함하는 일 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(21) 내의 Co 및 Fe는 비자기 터널 절연체 재료(22)의 MgO와 직접 맞닿는다. B가 제 1 결정질 자기 영역(21)의 일부인 그러한 실시예에서, 제 1 결정질 자기 영역(20)에 존재할 때 비정질 Co, Fe 및 B는 비자기 터널 절연체 재료(22)의 MgO에 직접 맞닿는다. 영역(21)에 대한 예시적인 두께는 약 7 옹스트롬 내지 약 20 옹스트롬이다.
제 1 자극(25b)은 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역(19)(예를 들어, CoxFeyNz: x 및 y가 각각 10 내지 80이고 z가 0.1 내지 50 임)을 포함한다. 영역(19)은 Co, Fe, N을 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성된다. 제 1 결정질 자기 영역(21)이 Co 및 Fe를 포함하는 일 실시예에서, Co 및 Fe는 제 2 영역(19)의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿는다. 일 실시예에서, 제 2 영역(19)은 비정질이다. 일 실시예에서, 제 2 영역(20)은 결정질이다. 최종 비정질 대 결정질 상태에 관계없이, 이상적으로 초기 형성된 제 2 영역(19)은 비정질이다. 제 1 결정질 자기 영역(21)이 B를 포함하는 일 실시예에서, Co, Fe 및 B는 제 2 영역(19)의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿는다. 일 실시예에서, Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역(19) 최대 두께는 약 2 옹스트롬에서 약 15 옹스트롬이다.
일 실시예에서, 제 1 자극(25b)은 (예를 들어, 영역들(19 및 21)에 의해) 비자기 터널 절연체 재료(22)로부터 이격된 비자성 MgO 함유 영역(16)을 포함한다. 영역(16)은 MgO를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 존재하는 경우의 MgO 함유 영역(16)의 예시적인 최대 두께는 약 3 옹스트롬 내지 약 10 옹스트롬이다.
일 실시예에서, 제 1 자극(25b)은 Co 및 Fe를 포함하는 제 3 결정질 영역(14)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 3 결정질 영역(14)은 B(예컨대, Co45Fe45B10)를 포함하고, 대안적인 실시예에서는 B가 없다. 영역(14)의 최대 두께의 예는 약 4 옹스트롬 내지 약 10 옹스트롬이다. 영역(14와 16)이 존재하는 일 실시예에서, 영역(16)의 MgO는 결정질 영역(14)의 Co 및 Fe와 직접 맞닿는다. 영역(14, 16)이 존재하고 영역(14)이 B를 포함하는 일 실시예에서, 영역(16)의 MgO는 제 3 결정질 영역(14)의 Co, Fe, B와 직접 맞닿는다. 일 실시예에서, Co, Fe, N을 포함하는 제 2 영역(19)과 비자성 MgO-함유 영역(16) 사이에 비정질 금속 영역(17)이 존재한다. 영역(17)의 예시적 비정질 금속은 Ta, W, CoFeW 및 ZN(Z는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상임) 중 하나 이상을 포함한다. 영역(17)의 예시적인 두께는 약 1 옹스트롬 내지 약 20 옹스트롬이다. 비정질 금속 영역(17)을 포함하는 목적은 제 2 영역(19)의 증착 중에 비정질 성장을 촉진하는 것이다. 일 실시예에서, MgO 함유 영역(16)의 MgO는 제 2 영역(19)의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿지 않는다. 상기한 바와 같이, 재료(14)을 포함시키는 목적은 증착 중에 bcc 001 MgO를 형성하는 것을 용이하게 하는 것이다. 재료(16)를 포함하는 목적은 전도성 자극의 자성 재료에서 수직 자기 이방성을 촉진하는 것이다. 일 실시예에서, 제 1 자극(25b)은 비자성 금속 영역(12)을 포함한다.
구성요소(25/25a, 27, 22)에 대해 도 1, 2에 도시된, 및/또는 앞서 기술된 것과 같은 그외 다른 속성 또는 양태가 도 3의 실시예에 사용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예의 자기 터널 접합부(15c)가 기판 조각(10c)에 대해 도 4를 참조하여 다음에 설명된다. 적절한 경우, 전술한 실시예들과 유사한 도면 부호가 사용되고, 일부 구성 차이는 첨자 "c"로 표시된다. 자기 터널 접합부(15c)의 제 1 자극(25c)은 도 3의 결핍 영역(14 및 16)(도시 생략)으로 도시된다. 전술한 및/또는 도 3에 도시된 임의의 다른 속성(들) 또는 양태가 도 4의 실시예에 사용될 수 있다.
자기 터널 접합에서 필요한 기록 전류 밀도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00001
여기서, M S 는 포화 자화이고, t는 두께이고, H K 는 자기 기록 재료의 수직 자기 이방성이다. 도 3, 4의 실시예와 관련하여 앞서 설명한 자기 터널 접합 냉 Co, Fe, 및 N을 포함하는 영역을 이용함으로써, 고속 스위칭, 우수한 보유 능력, 및 낮은 스위칭 전류를 실현함에 있어서 낮은 M S t와 높은 H K 의 양호한 균형을 얻을 수 있다.
결론
일부 실시예에서, 자기 터널 접합은 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극을 포함한다. 전도성의 제 2 자극은 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함한다. 비자기 터널 절연체 재료는 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co 및 Fe를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함한다. 제 1 자극은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역을 포함하며, 여기서 X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상이다.
일부 실시예에서, 자기 터널 접합은 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극을 포함한다. 전도성의 제 2 자극은 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함한다. 비자기 터널 절연체 재료는 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co, Fe 및 B를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함한다. 제 1 자극은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역을 포함하며, 여기서 X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al, 및 Ti 중 하나 이상이다. 자기 기록 재료의 Co, Fe 및 B는 제 2 비정질 영역의 비정질 XN에 직접 맞닿는다.
일부 실시예에서, 자기 터널 접합은 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극을 포함한다. 전도성의 제 2 자극은 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함한다. 비자기 터널 절연체 재료는 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 제 1 자극의 자기 기록 재료는 제 1 결정질 자기 영역을 포함한다. 제 1 자극은 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역을 포함한다.
일부 실시예에서, 자기 터널 접합은 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극을 포함한다. 전도성 제 2 자극은 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함한다. 비자기 터널 절연체 재료는 제 1 및 제 2 자극 사이에 있다. 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co, Fe 및 B를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함한다. 제 1 자극은 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역을 포함한다. 자기 기록 재료의 Co, Fe 및 B는 제 2 영역의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿는다.
법령에 따라, 본 명세서에 개시된 주제는 구조적 및 체계적 특징과 관련하여 다소 특정된 방식의 언어로 기술되었다. 그러나, 개시된 수단들은 예시적인 실시예들을 포함하기 때문에 청구 범위는 도시되고 설명된 특정 특징에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 그러므로 청구 범위는 문자적으로 완전한 범위로 주어져야하며, 등가물의 원칙에 따라 적절히 해석되어야 한다.

Claims (40)

  1. 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극과,
    상기 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함하는 전도성 제 2 자극과,
    상기 제 1 및 제 2 자극 사이의 비자기 터널 절연체 재료를 포함하며,
    상기 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co, Fe를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함하고, 상기 제 1 자극은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역을 포함하며, X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al, Ti 중 하나 이상인,
    자기 터널 접합.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역의 Co 및 Fe는 상기 제 2 비정질 영역의 비정질 XN에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역은 B를 포함하는, 자기 터널 접합.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역에 B가 없음을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 XN은 화학양론적인 것을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 XN은 비-화학량론적으로 N이 풍부(N-rich)한 것을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 비정질 영역은 본질적으로 비정질 XN으로 구성되는, 자기 터널 접합.
  8. 제 1 항에 있어서, 비정질 XN을 포함하는 상기 제 2 비정질 영역은 약 10 옹스트롬 이하의 최대 두께를 갖는, 자기 터널 접합.
  9. 제 1 항에 있어서, 비정질 XN을 포함하는 상기 제 2 비정질 영역은 약 50 옹스트롬 이하의 최대 두께를 갖는, 자기 터널 접합.
  10. 제 9 항에 있어서, 비정질 XN을 포함하는 상기 제 2 비정질 영역은 약 20 옹스트롬 이상의 최소 두께를 갖는, 자기 터널 접합.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 상기 비자기 터널 절연체 재료로부터 이격된 비자성 MgO 함유 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 MgO 함유 영역의 MgO는 상기 제 2 비정질 영역의 비정질 XN에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 Co 및 Fe를 포함하는 제 3 결정질 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역은 B를 포함하는, 자기 터널 접합.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역에 B가 없음을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역의 Co 및 Fe는 상기 MgO 함유 영역의 MgO에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 비자성 금속 영역을 포함하고, 상기 제 2 비정질 영역의 비정질 XN은 상기 비자성 금속 영역의 금속에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 비정질 영역의 비정질 XN은 상기 제 1 결정질 자기 영역의 Co 및 Fe에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  19. 제 1 항에 있어서, X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상을 포함하는, 자기 터널 접합.
  20. 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극과,
    상기 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함하는 전도성의 제 2 자극과,
    상기 제 1 및 제 2 자극 사이의 비자기 터널 절연체 재료를 포함하며,
    상기 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co, Fe 및 B를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함하고, 상기 제 1 자극은 비정질 XN을 포함하는 제 2 비정질 영역을 포함하며, X는 W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Al 및 Ti 중 하나 이상이고, 상기 자기 기록 재료의 Co, Fe 및 B는 제 2 비정질 영역의 비정질 XN에 직접 맞닿는
    자기 터널 접합.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 비자기 터널 절연체는 MgO를 포함하고, 상기 제 1 결정질 자기 영역의 Co, Fe 및 B는 상기 비자기 터널 절연체 재료의 MgO에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  22. 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극과,
    상기 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함하는 전도성 제 2 자극과,
    상기 제 1 및 제 2 자극 사이의 비자기 터널 절연체 재료을 포함하며,
    상기 제 1 자극의 자기 기록 재료는 제 1 결정질 자기 영역을 포함하고, 상기 제 1 자극은 비정질 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역을 포함하는,
    자기 터널 접합.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 본질적으로 Co, Fe 및 N으로 구성되는, 자기 터널 접합.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역은 Co 및 Fe를 포함하는, 자기 터널 접합.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역의 상기 Co 및 Fe는 상기 제 2 영역의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역은 B를 포함하는, 자기 터널 접합.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 결정질 자기 영역에 B가 없음을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 상기 비자기 터널 절연체 재료로부터 이격된 비자성 MgO 함유 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  29. 제 28 항에 있어서, 비자성 MgO 함유 영역과, Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역 사이에 비정질 금속 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 MgO 함유 영역의 MgO는 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿지 않는, 자기 터널 접합.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 Co 및 Fe를 포함하는 제 3 결정질 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역은 B를 포함하는, 자기 터널 접합.
  33. 제 31 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역에 B가 없음을 특징으로 하는, 자기 터널 접합.
  34. 제 31 항에 있어서, 상기 제 3 결정질 영역의 Co 및 Fe는 상기 MgO 함유 영역의 MgO에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  35. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 비정질 금속 영역을 포함하고, 상기 제 2 영역의 상기 Co, Fe 및 N은 상기 비정질 금속 영역의 비정질 금속에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.
  36. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 자극은 비자성 금속 영역을 포함하는, 자기 터널 접합.
  37. 제 22 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 결정질인, 자기 터널 접합.
  38. 제 22 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 비정질인, 자기 터널 접합.
  39. 자기 기록 재료를 포함하는 전도성 제 1 자극과,
    상기 제 1 자극으로부터 이격되고 자기 기준 재료를 포함하는 전도성의 제 2 자극과,
    상기 제 1 및 제 2 자극 사이의 비자기 터널 절연체 재료를 포함하며,
    상기 제 1 자극의 자기 기록 재료는 Co, Fe 및 B를 포함하는 제 1 결정질 자기 영역을 포함하고, 상기 제 1 자극은 Co, Fe 및 N을 포함하는 제 2 영역을 포함하며, 상기 자기 기록 재료의 Co, Fe 및 B는 상기 제 2 영역의 Co, Fe 및 N에 직접 맞닿는
    자기 터널 접합.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 비자기 터널 절연체는 MgO를 포함하고, 상기 제 1 결정질 자기 영역의 Co, Fe 및 B는 비자기 터널 절연체 재료의 MgO에 직접 맞닿는, 자기 터널 접합.



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