KR20180026317A - 자기 터널 접합 소자 - Google Patents

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KR20180026317A
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요시아키 소노베
시게키 나카가와
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 기록층 내의 수직 유지층과 고분극율 자성층이 강하게 자기 결합하고, 열안정성의 높은 자기 터널 접합 소자를 제공한다. 자기 터널 접합 소자(10)은 자화 방향이 가변인 자유층(15); 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 참조층(고정층)(13); 자유층(15)과 참조층(13) 사이에 마련된 절연층; 을 구비하고, 자유층(15)은, 수직 유지층(15A)와 고분극율 자성층(15B)를 포함하고, 절연층(14)에 수직 유지층(15A)를 적층한 경우의 수직 유지층(15A)의 표면 거칠기와, 절연층(14)에 고분극율 자성층(15B)을 적층한 경우의 고분극율 자성층(15B)의 표면 거칠기 중에서, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 절연층(14)에 적층하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층하였다.

Description

자기 터널 접합 소자{Magnetic tunnel junction device}
본 발명은 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로, 특히 스핀 주입 자화 반전 효과를 사용한, 고집적의 수직 자화형 STT(Spin Transfer Torque)-MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory)에 사용할 수 있는 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다.
수직 자화를 갖고, 자기 저항 효과에 의해 읽기를 행하는 자기 저항 소자는 미세화에 대한 열교란 내성이 높아, 차세대의 메모리 등으로서 기대되고 있다.
이러한 차세대 메모리는 자화 방향이 가변인 자유층, 소정의 자화 방향을 유지하는 참조층, 및 상기 자유층과 참조층 사이에 마련된 배리어층을 갖는 자기 터널 접합층을 구비한 자기 터널 접합(Magnetic tunnel junction: MTJ) 소자로 구성된다.
이러한 차세대 메모리의 기본 구성 재료로서, 높은 수직 자기 이방성을 갖고, 높은 스핀 분극율을 갖는 강자성 재료가 요구되고 있다. 그러나, 그 자체가 수직 자기 이방성을 고, 실험적으로 높은 스핀 분극율을 갖는 재료에 대한 보고가 적다. 또한, 수직 자기 이방성 및 높은 스핀 분극율을 갖고 있는 재료는 실용적으로는 계면 자기 이방성을 사용하여, CoFeB 금속 강자성체 재료밖에 없고, 재료 선택 범위가 대단히 좁은 실정이다. 따라서, 현재, 높은 수직 자기 이방성 및 높은 스핀 분극율을 갖는 재료를, 차세대 메모리의 기본 구성 재료로서 사용하는 것은 곤란하다.
한편, 상기 해결책으로서, 복합 막형 기록층이 제안되고 있다. 이것은 높은 스핀 분극율을 갖는 강자성 재료층과 수직 자기 이방성이 큰 수직 자화 유지층을 결합시키는 방법이다. 예를 들어, 특허문헌 1, 2에는, 이 복합 막 구조가 기재되어 있다.
(특허문헌 1) JP2014-116474 A
(특허문헌 2) JP2016-092066 A
특허문헌 1, 2에 기재된 복합 막형 기록층은 수직 유지층과 고분극율 자성층이 더욱 강하게 자기 결합하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 기록층 내의 수직 유지층과 고분극율 자성층이 강하게 자기 결합하고, 열안정성이 높은 자기 터널 접합 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 자화 방향이 가변인 자유층; 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 참조층(고정층); 및 상기 자유층과 상기 참조층(고정층) 사이에 마련된 절연층; 을 구비하고, 상기 자유층은, 수직 유지층과 고분극율 자성층을 포함하고, 상기 절연층에 상기 수직 유지층을 적층한 경우의 상기 수직 유지층의 표면 거칠기와, 상기 절연층에 상기 고분극율 자성층을 적층한 경우의 상기 고분극율 자성층의 표면 거칠기 중에서, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 상기 절연층에 적층 하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층하였다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 바람직하게는, 상기 수직 유지층과 상기 고분극율 자성층 중에서 상기 절연층과의 격자 변형량(?)이 보다 작은 층이, 상기 절연층에 적층되고, 상기 절연층과의 격자 변형량(δ)이 보다 작은 층에 상기 절연층과의 격자 변형량(δ)이 보다 큰 상기 수직 유지층이 적층되도록 하였다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 바람직하게는, 상기 수직 유지층이 L10 또는 D022 구조를 갖는 Mn계 합금으로 이루어지도록 하였다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 바람직하게는, 상기 수직 유지층이 L10 또는 D022 구조를 갖는 Mn-Ge 합금, Mn-Ga 합금 또는 Mn-Al 합금으로 이루어지도록 하였다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 바람직하게는, 상기 자유층, 복합막을 형성하는 고분극율 자성층의 자기 이방성이 면내 또는 수직 자기 이방성을 갖고, L21 구조 또는 B2 구조를 갖는 호이슬러 합금으로 이루어지도록 하였다.
이들의 발명에 따르면, 자기 터널 접합 소자는, 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층과의 격자 변형의 차이를 작게 함으로써, 계면 거칠기가 작아지고, 수직 유지층과 고분극율 자성층의 사이에서 강하게 자기 결합할 수 있기 때문에, 고분극율 자성층의 자화 방향을 수직으로 향하게 할 수 있다. 그리고, 이들 발명에 따르면, 자기 터널 접합 소자는 열안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 상기 자유층이 상기 수직 유지층과 상기 고분극율 자성층의 사이에 자기적 결합을 제어하는 1nm 이하의 비자성층을 더 포함하도록 하였다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는, 바람직하게는, 상기 자유층 내의 각 층들 사이의 계면 거칠기가 0.7nm 이하일 수 있도록 하였다.
이들의 발명에 따르면, 자기 터널 접합 소자는, 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층 사이에 자기적 결합 제어층을 구비하는 것보다, 열적으로 안정하고, 또한 기록이 작은 전류로 행할 수 있는 고속 MRAM을 실현할 수 있다.
본 발명의 자기 저항 메모리는, 자화 방향이 가변인 자유층; 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 참조층(고정층); 및 상기 자유층과 상기 참조층(고정층) 사이에 마련된 절연층; 을 구비하고, 상기 자유층은, 수직 유지층과 고분극율 자성층을 포함하고, 상기 절연층에 상기 수직 유지층을 적층한 경우의 상기 수직 유지층의 표면 거칠기와, 상기 절연층에 상기 고분극율 자성층을 적층한 경우의 상기 고분극율 자성층의 표면 거칠기 중에서, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 상기 절연층에 적층하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층한 자기 터널 접합 소자와 상기 자기 터널 접합 소자에 전압을 인가하는 전극을 구비하도록 하였다.
본 발명의 자기 저항 메모리에 따르면, 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층과의 격자 변형을 작게 함으로써, 계면 거칠기가 작아져, 수직 유지층과 고분극율 자성층의 사이에서 강하게 자기 결합할 수 있으므로, 고분극율 자성층의 자화 방향을 수직을 향할 수 있다. 그리고, 본 발명의 자기 저항 메모리는, 열안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 기록층 내의 수직 유지층과 고분극율 자성층이 강하게 자기 결합하는 자기 터널 접합 소자가 제공될 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 2는 기판, 버퍼층, 고분극율 자성층, 수직 유지층의 각 결정 격자 상수의 대소 관계와 에피택셜 관계를 의미하는 도면이다.
도 3은 고분극율 자성층의 두께와 자기 특성과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 고분극율 자성층의 두께와 자기 특성과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명을 이용하여 격자 변형이 작아지도록 형성된 수직 유지층과 고분극율 자성층 형성 후의 표면을, 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 해석한 사진이다.
도 6은 격자 변형이 커지도록 형성된 수직 유지층과 고분극율 자성층 형성 후의 표면을 AFM 해석한 사진이다.
도 7은 Cr층 상에 수직 유지층, 고분극율 자성층의 순으로 제작한 시료와, Cr층 상에 고분극율 자성층, 수직 유지층의 순으로 제작한 시료의 X선 회절 패턴이다.
도 8은 실시형태 2에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 9는 절연층과 기록층 내의 수직 유지층, 자기적 결합 제어층, 및 고분극율 자성층의 관계를 나타내는 개략도이다.
도 10은 실시형태 2에 따른 두께 2nm의 비자성 자기적 결합층을 사용한 경우의 자기 터널 접합 소자와 자기 특성과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시형태 3에 따른 자기 저항 메모리의 일 예의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 12는 실시형태 1 또는 2에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다.
(실시형태 1)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은 실시형태 1에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다. 도 1에 있어서, 자기 터널 접합 소자(10)은 기판(11), 버퍼층(12), 참조층(13), 배리어층(14), 자유층(15), 및 캡층(16)을 구비한다.
기판(11)은 Si 기판이다. 예를 들어, 기판(11)은 열산화막 부착 Si 기판, 또는 Si 단결정 기판이 바람직하다.
버퍼층(12)은 기판(11) 상에 형성된 안정화층이다. 구체적으로는, 버퍼층(12)은 Cr, Ta, Au, W, Pt 또는 Ti을 포함하는 층이다.
참조층(13)은 호이슬러 합금막으로 이루어지는 층(13A)과 Co/Pt 다층막 (13B)으로 구성된다. 바람직하게는 호이슬러 합금막으로 이루어지는 층(13A)은 Co 기반 풀 호이슬러(Co-based full-Heusler) 합금으로 이루어지는 층이다. 구체적으로는, Co 기반 풀 호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2FeMnSi, Co2FeAl, 또는 Co2CrAl일 수 있다. 또한, Co/Pt 다층막(13B)은 큰 수직 자기 이방성을 갖게 하기 위해서 구비되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 호이슬러 합금막으로 이루어지는 층(13A)은 배리어층(14)과 접하고, Co/Pt 다층막(13B)은 버퍼층(12)과 접할 수 있다. 또한, 참조층(13)은 고정층이라고도 불린다.
배리어층(14)은 절연 물질로 이루어지는 층이다. 배리어층(14)은 강자성을 갖는 참조층(13) 및 자유층(15) 사이에 삽입되어 있다. 그리고, 참조층(13) 및 자유층(15)과의 계면에 대하여 수직 방향으로 전압이 인가됨으로써, 터널 효과에 의해 자기 터널 접합 소자(10)로 전류가 흐른다.
자유층(15)은 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B)으로 구성된다. 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B)의 적층의 순서는 아래와 같다. 또한, 자유층(15)은 기록층이라고도 불린다.
배리어층(14)에 수직 유지층(15A)을 적층한 경우의 수직 유지층(15A)의 표면 거칠기와, 배리어층(14)에 고분극율 자성층(15B)을 적층한 경우의 고분극율 자성층(15B)의 표면 거칠기 중, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 배리어층(14)에 적층하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층 상에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층한다.
호이슬러 합금의 변형량(δ)은 입방 격자(Cubic, 공간 그룹(Fm-3m))로부터 정방격자(Tetragonal, 공간 그룹(I4/mm))로 변형한 경우, 이하에서 정의된다.
δ = (a-ao)/ao
여기에서, ao는 입방 격자의 3축 격자 상수 (즉, ax=ay=az=a0)이고, a는 정방 결정의 2축 격자 상수(ax=ay=a, az=c)이다.
양의 δ은 인장 변형에 대응하고, 음의 δ은 압축 변형에 대응한다.
Mn계 합금 격자가 CFS(Co2FeSi) 혹은 MgO(배리어층)의 결정 격자와 비교될 경우에는, 변형량(δ)은 x-y 면에서 45° 회전시켜 정합하는 에피택셜 관계로 의론할 수 있다. 도 2는 에피택셜 성장한 경우의 격자의 변형량의 설명하는 도면이다. 구체적으로는, 도 2는 기판, 버퍼층, 고분극율 자성층, 수직 유지층의 각 결정 격자 상수의 대소 관계와 에피택셜 관계를 의미하는 도면이다. 이와 같이, 상기의 정방 결정인 경우와 마찬가지로 하여 변형량(δ)을 구하였다. 바꾸어 말하면, 배리어층(14)과 수직 유지층(15A)의 격자 상수의 차이와, 배리어층(14)과 고분극율 자성층(15B)의 격자 상수의 차이를 비교하고, 격자 변형량이 보다 작은 층을 배리어층(14)에 적층하고, 격자 변형량이 보다 작은 층 상에 격자 변형이 보다 큰 층을 적층한다.
이러한 적층 구조로 함으로써, 배리어층(14)과 자유층(15) 내의 수직 유지층(15A) 또는 고분극율 자성층(15B)과의 격자 변형량을 작게 함으로써, 계면 거칠기가 작아지고, 수직 유지층과 고분극율 자성층의 사이에서 보다 강한 자기 결합이 이루어질 수 있다. 그 결과, 자유층(15)은 자화 방향을 적층면으로부터 수직으로 향할 수 있다.
수직 유지층(15A)은 자화 용이축으로 자기장 방향을 유지하는 층이다. 예를 들어, 수직 유지층(15A)은 L10 또는 D022 구조를 갖는 Mn계 합금으로 이루어지는 층이다. 구체적으로는, 수직 유지층(15A)은 L10 또는 D022 구조를 갖는 MnGe, MnGa 또는 MnAl으로 이루어지는 층이다.
고분극율 자성층(15B)은 높은 스핀 분극율을 갖는 층이다. 예를 들어, 고분극율 자성층(15B)은 L21 구조 또는 B2 구조를 갖는 호이슬러 합금막으로 이루어지는 층이다. 바람직하게는 고분극율 자성층(15B)은 Co 기반 풀 호이슬러 합금으로 이루어지는 층이다. 구체적으로는, Co 기반 풀 호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2FeMnSi, Co2FeAl, 또는 Co2CrAl일 수 있다.
캡층(16)은 자유층(15) 상에 형성된 안정화층이다. 구체적으로는, 캡층(16)은 Ru 및 Ta를 포함하는 층이다.
그 다음, 배리어층(14)과 수직 유지층(15A)의 격자 변형량, 및 배리어층(14)과 고분극율 자성층(15B)의 격자 변형량에 대해서 설명한다. 표 1은 수직 유지층(15A) 또는 고분극율 자성층(15B)에 포함되는 금속과 배리어층(14)에 포함되는 금속의 격자 상수의 변형량을 나타내는 표이다. 표 1에 있어서, 격자 변형량은 수직 유지층(15A) 또는 고분극율 자성층(15B)에 포함되는 금속의 격자 상수를 배리어층(14)에 포함되는 금속의 격자 상수로 감산한 값을, 수직 유지층(15) 또는 고분극 자성층(15B)의 격자 상수로 나눈 값(100분률)이다.
Figure pat00001
또한, 표 1의 조합은 일 예에 지나지 않고, 다른 조합일 수도 있다. 이하에, 배리어층(14), 수직 유지층(15A), 고분극율 자성층(15B)에 사용할 수 있는 물질의 격자 상수를 나타낸다. 표 2는 고분극율 자성층에 사용할 수 있는 합금 격자 상수를 나타내는 표이다.
Figure pat00002
표 3은 수직 유지층에 사용할 수 있는 합금 격자 상수를 나타내는 표이다.
Figure pat00003
표 4는 배리어층에 사용할 수 있는 합금 격자 상수를 나타내는 표이다. 표 4에서는, 동시에 발명을 위한 실험에 사용한 Cr의 값을 나타내었다.
Figure pat00004
그 다음, 배리어층(14), 수직 유지층(15A), 및 고분극율 자성층(15B)의 적층 순서가 자기 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서 설명한다.
도 1은 자기 터널 소자를 나타내고 있다. 자기 터널 소자는 스퍼터법을 사용하여 버퍼층(Cr층), 참조층, 배리어층, 자유층, 캡층을 순차 퇴적하여 형성된다. 도 3 및 도 4는 본 발명을 위해 형성한 시료의 자기 특성이다. 그 형성법은 기판 상에 스퍼터법으로 버퍼층(Cr층), CFS층, Mn 합금층의 순으로 적층하고, 캡층(Ta)을 형성하였다.
자기 터널 접합 소자의 일부인 자유층을 형성하여 자계 강도와 자기 특성의 관계에 대해서 측정을 행하였다. 자기 특성은 막면에 수직 방향으로 70kOe(7T)까지 자기장 인가를 행하고, VSM(시료 진동식 자력계)을 사용하여 자화 곡선을 측정하여 구한 결과이다.
도 3은 고분극율 자성층의 두께와 자기 특성과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서, 가로 축은 자계 강도를 나타내고, 세로 축은 자화를 나타낸다. 도 3은 배리어층(14)이 MgO, 수직 유지층(15A)가 MnGa, 고분극율 자성층(15B)이 Co2FeMnSi으로 구성되어 있는 자기 터널 접합 소자(10)에 대해서, 자유층의 특성을 조사하기 위해서, 본 발명을 사용하여 형성된 표면 거칠기가 작아지도록 적층한 시료를 사용하고 있다. 고분극율 자성층(15B)의 두께를 변화시킨 경우의 자기 특성을 나타내고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수직 유지층(15A)와 고분극율 자성층(15B)의 사이에서 매우 강하게 자화가 결합되어 있다. 도 3에서는, 특히 고분극율 자성층(15B)의 두께가 약 3nm의 막 두께 이하에서는, 단층에서는 면내 자기 이방성을 갖는 Co 기반 풀 호이슬러 합금층(고분극율 자성층(15B))의 자화를 수직으로 향하게 하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다. 또한, 도 3의 자유층(15) 내의 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B)은 계면의 면 거칠기는 약 0.5nm이었다.
대비로서, 계면의 거칠기의 효과를 조사하기 위해서, 수직 유지층(15A)와 고분극율 자성층(15B)의 성막 순서를 반대로 형성한 예를 다음에 나타낸다. 도 4는 고분극율 자성층의 두께와 자기 특성과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 가로 축은 자계 강도를 나타내고, 세로 축은 자화를 나타낸다. 도 4에서는, 면내 자기 이방성을 갖는 Co 기반 풀 호이슬러 합금층(고분극율 자성층(15B))의 자화를 수직으로 향할 수 없는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 막의 계면 거칠기는 약 1- 2nm이었다.
그 다음, 상기 2개의 자유층에 대해서 각각, 계면의 거칠기를 평가하기 위해서 AFM 해석하였다.
도 5는 본 발명을 사용하여 격자 변형이 작아지도록 형성된 수직 유지층과 고분극율 자성층 형성 후의 표면을, 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 해석한 사진이다. 또한, 도 6은 격자 변형이 커지도록 형성된 수직 유지층과 고분극율 자성층 형성 후의 표면을 AFM 해석한 사진이다. 구체적으로는, 도 5는 수직 유지층과 고분극율 자성층의 계면 상태를 추측하기 위해서, 배리어층 상에 제작한 고분극율 자성층의 표면을 AFM 관찰한 것이다. 또한, 도 6은 배리어층 상에 제작한 수직 유지층의 표면을 AFM 관찰한 것이다
상기 2개의 자유층(복합 막)을 X선 해석으로 조사한 결과, Mn계 합금막을 Cr막 상에 직접 적층한 경우보다도, Cr층 상에 CFS 합금막을 형성하여, 그 위에 Mn계 합금막을 형성한 경우가, Mn계 합금막의 격자 변형이 작은 것이 확인되었다. 도 7은 Cr층 상에 수직 유지층, 고분극율 자성층의 순으로 제작한 시료와, Cr층 상에 고분극율 자성층, 수직 유지층의 순으로 제작한 시료의 X선 회절 패턴이다. 도 7에 있어서, 세로 축은 회절 강도를 나타내고, 가로 축은 회절 각을 나타낸다. 도 7에서는, MgO 기판 상에, Cr으로 이루어지는 배리어층(14), CFS 합금막으로 이루어지는 고분극율 자성층(15B) 및 Mn계 합금막으로 이루어지는 수직 유지층(15A), Ta로 이루어지는 캡층(16)을 형성한 예의 회절 강도를 나타내고 있다. 구체적으로는, 도 7에서는, CFS 합금막, Mn계 합금막의 순으로 형성한 예와, Mn계 합금막, CFS 합금막의 순으로 형성한 예를 나타내고 있다. 또한, 도 5와 도 6을 비교함으로써, 성막 순서를 바꾸었을 때의 표면 거칠기의 차이를 이해할 수 있다. X선 해석 결과, 표면 방면 거칠기 해석 결과에 의해, 본 발명에서 얻어진 계면의 표면 거칠기 제어가 고분극율 자성층의 자화를 수직으로 향하게 하기에 효과적인 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 실시형태 1의 자기 터널 접합 소자는 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층과의 격자 변형량을 작게 함으로써, 계면 거칠기가 작아지게 하고, 수직 유지층과 고분극율 자성층의 사이에서 강한 자기 결합이 이루어지도록 할 수 있기 때문에, 고분극율 자성층의 자화 방향을 수직으로 향하게 할 수 있다. 그리고, 실시형태 1의 자기 터널 접합 소자는 열안정성을 향상시킬 수 있다.
(실시형태 2)
실시형태 2에서는, 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 및 고분극율 자성층과의 사이에 자기적 결합 제어층을 구비하는 예에 대해서 설명한다.
도 8은 실시형태 2에 따른 자기 터널 접합 소자의 단면도이다. 도 8에 있어서, 자기 터널 접합 소자(20)는 기판(11), 버퍼층(12), 참조층(13), 배리어층(14), 자유층(15), 및 캡층(16)을 포함한다. 그리고, 자유층(15)은 수직 유지층(15A), 고분극율 자성층(15B), 및 자기적 결합 제어층(15C)을 구비한다.
자기적 결합 제어층(15C)은 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B) 사이에 적층된다. 예를 들어, 자기적 결합 제어층(15C)은 Cr 합금을 포함하는 비자성막이 바람직하다. 또한, 자기적 결합 제어층(15C)은 Pt 막, W 등을 사용할 수도 있다.
도 9는 절연층과 기록층 내의 수직 유지층, 자기적 결합 제어층, 및 고분극율 자성층의 구조와 자기적 관계를 나타내는 개략도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 수직 유지층(15A)는 자화 용이축 방향으로 자화 방향을 유지하고 있지만, 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B) 사이에 자기적 결합 제어층(15C)이 존재하기 때문에, 고분극율 자성층(15B)과 수직 유지층(15A)의 자화 방향과의 커플링이 약해지고, 고분극율 자성층(15B)의 자화 방향은 작은 전류로도 변화시키기 쉬워진다.
도 10은 실시형태 2에 따른 두께 2 nm의 비자성 자기적 결합층을 사용한 경우의 자기 터널 접합 소자의 자기 특성을 나타내는 도면이다. 도 10에서는, 두께 2nm의 자기적 결합 제어층(15C)을 직접 유지층(15A)와 고분극율 자성층(15B) 사이에 적층한 예를 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 수직 유지층(15A)과 고분극율 자성층(15B)의 자기적 커플링이 저하되고 있다.
이와 같이, 실시형태 2의 자기 터널 접합 소자는 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층과의 사이에 자기적 결합 제어층을 구비하는 것보다, 열적으로 안정하고, 또한 작은 전류로 기록을 행할 수 있는 고속 MRAM을 실현할 수 있다.
특히, 열적으로 안정하고, 또한 작은 전류로 기록을 행하기 위해서, 자기적 결합 제어층(15C)의 최적인 막 두께는 1nm 이하, 바람직하게는 0.3~0.7 nm이다.
(실시형태 3)
실시형태 3에서는, 실시형태 1 또는 실시형태 2의 자기 터널 접합 소자를 사용한 자기 저항 메모리에 대해서 설명한다.
도 11은 실시형태 3에 따른 자기 저항 메모리의 일 예의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 11에 있어서, 자기 저항 메모리는 메모리 셀(30), 비트 라인(31), 콘택 플러그(35 및 37), 및 워드 라인(38)을 구비한다.
메모리 셀(30)은 반도체 기판(32), 확산 영역(33 및 34), 소스 라인(36), 게이트 절연막(39) 및 자기 저항 소자(10)를 구비한다. 자기 터널 접합 소자(10)는 실시형태 1의 자기 터널 접합 소자(10)에 대응하지만, 실시형태 2의 자기 터널 접합 소자(20)를 사용할 수도 있다.
자기 저항 메모리는 복수의 메모리 셀(30)을 매트릭스 형상으로 배치하고, 복수 개의 비트 라인(31) 및 복수 개의 워드 라인(38)을 사용하여, 서로를 접속시킴으로써 형성된다. MRAM은 스핀 토크 주입 방식을 사용하여 데이터의 쓰기 작업이 수행된다.
반도체 기판(32)은 상면에 확산 영역(33 및 34)을 갖고, 확산 영역(33)은 확산 영역(34)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 확산 영역(33)은 드레인 영역으로서 기능하고, 확산 영역(34)은 소스 영역으로서 기능한다. 확산 영역(33)은 콘택 플러그(37)을 사이에 두고, 자기 터널 접합 소자(10)에 접속된다.
비트 라인 측 전극(31)은 반도체 기판(32)의 위쪽에 배치되는 동시에, 자기 저항 소자(10)에 접속된다. 비트 라인(31)은 쓰기 회로(도시하지 않음) 및 읽기 회로(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
확산 영역(34)은 콘택 플러그(35)을 사이에 두고, 소스 라인(36)에 접속된다. 소스 라인(36)은 쓰기 회로(도시하지 않음) 및 읽기 회로(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
워드 라인(38)은 확산 영역(33) 및 확산 영역(34)에 인접하도록, 게이트 절연막(39)을 사이에 두고 반도체 기판(32) 상에 배치된다. 워드 라인(38)과 게이트 절연막(39)은 선택 트랜지스터로서 기능한다. 워드 라인(38)은 도시하지 않은 회로로부터 전류를 공급받아 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴온한다.
상기 자기 저항 메모리에서, 비트 라인(31)과 확산 영역(33)이 전극으로서, 자기 터널 접합 소자(10)에 전압을 인가하고, 전압 인가에 의해 일정 방향으로 배열된 전자의 스핀 토크가 강자성체층의 자화 방향을 변화시킨다. 그리고, 전류 방향을 바꿈으로써, 자기 저항 메모리에 기록되는 데이터의 값을 바꿀 수 있다.
이와 같이, 실시형태 3의 자기 저항 메모리는 절연층과 기록층 내의 수직 유지층 또는 고분극율 자성층과의 격자 변형량을 작게 함으로써, 계면 거칠기가 작아지게 되고, 수직 유지층과 고분극율 자성층 사이에서 강한 자기 결합이 이루어질 수 있기 때문에, 고분극율 자성층의 자화 방향을 수직으로 향하게 할 수 있다. 그리고, 실시형태 3의 자기 저항 메모리는 열안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정된 것이 아니고, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 실시형태 2의 자기 터널 접합 소자를 실시형태 3에 적용할 수도 있다.
또한, 실시형태 1 및 실시형태 2에서는, 버퍼층(12), 참조층(13), 배리어층(14), 자유층(15), 캡층(16)의 순으로 적층하고 있지만, 예를 들어, 도 12에 나타내는 바와 같이 참조층(13)에 본 발명을 응용할 수도 있다. 또한, 본 발명을 이용하여 버퍼층(12) 상에 변형량이 보다 작은 수직 유지층 재료를 선택하고 그 위에 고분극 자성층을 형성한 자유층(15), 배리어층(14), 참조층(13), 캡층(16)의 순으로 적층할 수도 있다.
또한, Mn 합금은 3종 이상의 금속으로 이루어지는 것일 수도 있다.
10, 20: 자기 터널 접합 소자 11: 기판
12: 버퍼층 13: 참조층
14: 배리어층 15: 자유층
15A: 수직 유지층 15B: 고분극율 자성층
16: 캡층 30: 메모리 셀
31: 비트 라인 32: 반도체 기판
33, 34: 확산 영역 35, 37: 콘택 플러그
36: 소스 라인 38: 워드 라인
39: 게이트 절연막

Claims (9)

  1. 자화 방향이 가변인 자유층;
    자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 참조층(고정층); 및
    상기 자유층과 상기 참조층(고정층) 사이에 마련된 절연층; 을 구비하고,
    상기 자유층은, 수직 유지층과 고분극율 자성층을 포함하고,
    상기 절연층에 상기 수직 유지층을 적층한 경우의 상기 수직 유지층의 표면 거칠기와, 상기 절연층에 상기 고분극율 자성층을 적층한 경우의 상기 고분극율 자성층의 표면 거칠기 중에서, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 상기 절연층에 적층 하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층한 자기 터널 접합 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 유지층과 상기 고분극율 자성층 중에서 상기 절연층과의 격자 변형량(δ)이 보다 작은 층이, 상기 절연층에 적층되고, 상기 절연층과의 격자 변형량(δ)이 보다 작은 층에 상기 절연층과의 격자 변형량(δ)이 보다 큰 층이 적층되어 있는 자기 터널 접합 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수직 유지층은, L10 또는 D022 구조를 갖는 Mn계 합금으로 이루어지는 자기 터널 접합 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수직 유지층은, L10 또는 D022 구조를 갖는 Mn-Ge 합금, Mn-Ga 합금, 또는 Mn-Al 합금으로 이루어지는 자기 터널 접합 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분극율 자성층의 자기 이방성은 면내 또는 수직 자기 이방성을 갖고, L21 구조 또는 B2 구조를 갖는 호이슬러 합금으로 이루어지는 자기 터널 접합 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분극율 자성층은 L21 구조 또는 B2 구조를 갖는 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2FeMnSi, Co2FeAl, 또는 Co2CrAl 합금으로 이루어지는 자기 터널 접합 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유층은, 상기 수직 유지층과 상기 고분극율 자성층 사이에 자기적 결합을 제어하는 1nm 이하의 비자성층을 더 포함하는 자기 터널 접합 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유층 내의 각층들 사이의 계면 거칠기는 0.7nm 이하인 자기 터널 접합 소자.
  9. 자화 방향이 가변인 자유층;
    자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 참조층(고정층); 및
    상기 자유층과 상기 참조층(고정층) 사이에 마련된 절연층; 을 구비하고,
    상기 자유층은, 수직 유지층과 고분극율 자성층을 포함하고,
    상기 절연층에 상기 수직 유지층을 적층한 경우의 상기 수직 유지층의 표면 거칠기와, 상기 절연층에 상기 고분극율 자성층을 적층한 경우의 상기 고분극율 자성층의 표면 거칠기 중에서, 표면 거칠기가 보다 작은 층을 상기 절연층에 적층하고, 표면 거칠기가 보다 작은 층에 표면 거칠기가 보다 큰 층을 적층한 자기 터널 접합 소자와 상기 자기 터널 접합 소자에 전압을 인가하는 전극을 구비하는 자기 저항 메모리.
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