KR20190024545A - 자기 접합, 이를 이용하는 자기 메모리, 및 자기 접합 제공 방법 - Google Patents

자기 접합, 이를 이용하는 자기 메모리, 및 자기 접합 제공 방법 Download PDF

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Abstract

기판 상에 제공되고, 자기 장치(magnetic device)에서 이용할 수 있는 자기 접합(magnetic junction)이 제공된다. 상기 자기 접합은 고정층(pinned layer), 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer), 수직 강화층(perpendicular enhancement layer), 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer), 및 자유층(free layer)을 포함하되, 삽입층은 고정층과 수직 강화층 사이에 제공되고, 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 비자기 스페이서층은 수직강화층과 자유층 사이에 제공되고, 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층, 수직 강화층, 및 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.

Description

자기 접합, 이를 이용하는 자기 메모리, 및 자기 접합 제공 방법{A MAGNETIC JUNCTION, A MAGNETIC MEMORY USING THE SAME, AND A METHOD FOR PROVIDING THE MAGNETIC JUNCTION}
본 발명은 자기 접합 및 이를 이용하는 자기 메모리, 및 자기 접합 제공 방법에 관한 것이다.
자기 메모리(magnetic memory), 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM: Magnetic Random Access Memory)는 구동 중 높은 읽기/쓰기 속도, 우수한 내구성, 비휘발성, 및 낮은 전력 소비에 대한 잠재성 때문에 점점 더 많은 관심을 끌고 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리는 자기 물질(magentic materials)을 정보 기록 매체로서 이용하여 정보를 저장할 수 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리의 한 유형은 스핀 트랜스퍼 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM: Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, 이하 STT-자기 랜덤 액세스 메모리)이다. STT-자기 랜덤 액세스 메모리는 적어도 부분적으로 자기 접합(magnetic junction)을 통해 구동되는 전류에 의해 기록된 자기 접합을 이용한다. 자기 접합을 통해 구동되는 스핀 분극된 전류(spin polarized current)는 자기 접합 내의 자기 모멘트(magnetic moment)에 스핀 토크(spin torque)를 가한다. 결과적으로, 스핀 토크에 응답하는 자기 모멘트를 보유한 층(layer)은 원하는 상태로 스위치될 수 있다.
예를 들어, 종래의 자기 터널링 접합(MTJ: Magnetic Tunneling Junction)은 종래의 STT-자기 랜덤 액세스 메모리에서 이용될 수 있다. 종래의 자기 터널링 접합은 일반적으로 기판 상에 존재한다. 씨드층(seed layer)를 이용하는 자기 터널링 접합은 기준층(reference layer)의 자화(magnetization)를 고정하기 위해 캡핑층(capping layer) 포함하고, 반강자성 층(AFM layer: antiferromagnetic layer)를 포함한다. 종래의 자기 터널링 접합은 기준층, 자유층(free layer), 및 고정층(pinned layer)과 자유층 사이의 터널링 장벽층(tunneling barrier layer)을 포함한다. 자기 터널링 접합 아래의 하부 컨택(bottom contact)과 자기 터널링 접합 상의 상부 컨택(top contact)은 자기 터널링 접합을 통해 평면에 대해 수직(CPP: Current-Perpendicular-to-Plane) 방향으로 전류를 구동하는데 이용될 수 있다. 기준층과 자유층은 자성을 갖는다. 기준층의 자화는 특정 방향으로 고정된다(fixed, pinned). 자유층은 변화 가능한(changeable) 자화를 갖는다. 자유층과 기준층은 단일층(single layer)이거나 다중 층(multiple layers)을 포함할 수 있다.
자유층의 자화를 스위치하기 위해서, 전류는 평면에 대해 수직 방향(CPP)으로 구동된다. 상부 컨택에서 하부 컨택으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화는 하부 기준층(bottom reference layer)의 자화와 평행하도록 스위치될 수 있다. 하부 컨택에서 상부 컨택으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화는 하부 기준층의 자화와 반-평행하도록(antiparallel) 스위치될 수 있다. 자기 구조(magnetic configuration)의 차이는 서로 다른 자기 저항(magnetoresistance)와 대응되고, 그러므로, 종래의 자기 터널 접합의 서로 다른 논리 상태(logical state, 예를 들어, "0" 및 "1")와 대응된다.
다양한 응용 분야에서 사용에 대한 잠재력 때문에, 자기 메모리 분야에서의 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 낮은 스위칭 전류(switching current), 충분한 열안정도(thermal stability), 및 높은 수직 자기 이방성(perpendicular megnetic anisotropy)은 향상된 쓰기 효율 및 데이터 보존을 위해 필요할 수 있다. 이러한 특성들은 최종 장치에서의 자기 접합에 제공되는 것이 필요하다. 따라서, 스핀 트랜스퍼 토크 기반 메모리 및 이러한 메모리가 이용되는 전자 장치들의 성능을 향상시키기 위한 방법 및 시스템이 필요하다. 이러한 요구를 만족시키기 위한 방법 및 시스템은 아래에서 설명된다.
본 발명은 적어도 본 명세서에 기술된 문제점들 및/또는 단점들을 해결하고, 적어도 이하에서 설명되는 이점들을 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 자기 접합을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 자기 접합을 이용하는 자기 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 자기 접합을 제공하는 방법 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
자기 접합, 자기 접합을 이용하는 메모리, 및 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 고정층(pinned layer), 수직 강화층(PEL: Perpendicular Enhancement Layer), 고정층과 수직 강화층 사이의 삽입층(insertion layer), 자유층, 및 수직 강화층과 자유층 사이의 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 포함한다. 삽입층은 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 하프늄(Hf)과 같은 적어도 하나의 고-결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함한다. 자기 물질은 적어도 하나의 코발트층(Co layer)을 포함한다. 코발트층 중 하나는 온도가 실온(room temperature)보다 높은 기판에서 증착될 수 있다. 고정층은 플래티늄(Pt) 및 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 존재할 수 있다. 자유층은, 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 수직 강화층, 자유층, 및 고정층은 각각 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.
자기 접합은 고온의 어닐링(anneal) 후의 열화에 대한 증가된 내성(resistance)을 가질 수 있다. 조금 더 구체적으로, 고정층 교환 필드(pinned layer exchange field), 백 호핑율(back hopping rate), 및 쓰기 오류율(write error rate)은 고온의 어닐링에도 불구하고 원하는 정도로 유지될 수 있다. 결과적으로 성능이 향상될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 접합(magnetic junction)은 고정층(pinned layer), 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer), 수직 강화층(perpendicular enhancement layer), 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer), 및 자유층(free layer)을 포함하되, 삽입층은 고정층과 수직 강화층 사이에 제공되고, 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 비자기 스페이서층은 수직강화층과 자유층 사이에 제공되고, 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층, 수직 강화층, 및 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 메모리는 복수의 자기 저장 셀(magnetic storage cell), 및 복수의 자기 저장 셀과 커플링된 복수의 비트 라인(bit line)을 포함하되, 복수의 자기 저장 셀 각각은, 고정층(pinned layer), 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer), 수직 강화층(perpendicular enhancement layer), 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer), 및 자유층(free layer)을 포함하되, 삽입층은 고정층과 수직 강화층 사이에 제공되고, 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 비자기 스페이서층은 수직강화층과 자유층 사이에 제공되고, 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층, 수직 강화층, 및 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 접합 제공 방법은 고정층(pinned layer)을 제공하고, 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer)을 제공하고, 수직 강화층(perpendicular enhancement layer)을 제공하고, 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 제공하고, 자유층(free layer)을 제공하는 것을 포함하되, 삽입층은 고정층과 수직 강화층 사이에 제공되고, 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 비자기 스페이서층은 수직강화층과 자유층 사이에 제공되고, 자유층은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 자유층, 수직 강화층, 및 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1a 내지 1c는 각각 몇몇 실시예에 따른, 스핀 트랜스퍼 토크(spin transfer torque)를 이용하여 프로그래밍 가능한 자기 메모리(magnetic memory)에 이용 가능한 자기 접합(magnetic junction)을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 2는 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 3은 또 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 5는 또 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 하나 이상의 자기 접합이나 다른 자기 접합을 사용하는 자기 메모리를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 7은 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 고-결정화온도 구성요소를 포함하는 적어도 하나의 삽입층을 포함하는 자기 메모리에서 사용가능한 자기 접합을 제공하는 방법에 대한 예시적인 순서도이다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 자기 장치에서 이용 가능한 자기 접합의 일부를 제공하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다.
도 9는 다른 몇몇 실시예에 따른 자기 장치에서 이용 가능한 자기 접합의 일부를 제공하기 위한 방법을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다.
본 발명의 몇몇 실시예는 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용가능한 자기 접합 및 이 자기 접합을 이용하는 장치에 관한 것이다. 자기 메모리는 STT-자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM: Spin Transfer Torque-Magnetic Random Access Memory)를 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 이용하는 전자 장치에 이용될 수 잇다. 이러한 전자 장치는 셀룰러 폰(celluar phones), 스마트 폰(smart phones), 태블릿(tablets), 랩탑(laptops), 및 다른 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 디바이스(computing device)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서의 설명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 제작하고 사용할 수 있도록 제공되며, 특허 출원 및 그 요구 사항의 맥락으로 제공된다. 몇몇 실시예 및 여기에서 설명된 일반적인 원리 및 특징들에 대한 다양한 수정은 본 발명의 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 용이할 수 있다. 몇몇 실시예들은 특정 구현 방법으로 제공되는 특정 방법 및 시스템의 관점에서 설명된다. 그러나 이러한 방법 및 시스템은 다른 구현에서 효과적으로 동작할 수 있다. "몇몇 실시예", "실시예", "몇몇 실시예들"과 같은 용어는 동일하거나 상이한 실시예뿐만 아니라 다수의 실시예를 지칭할 수 있다. 몇몇 실시예는 특정 구성 요소를 갖는 시스템 및/또는 장치와 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 시스템 및/또는 장치는 본 명세서에서 설명된 것 보다 많거나 적은 구성 요소를 포함할 수 있고, 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예는 또한 특정 단계를 갖는 특정 방법의 맥락에서 설명될 것이다. 그러나, 방법 및 시스템은 상이한 및/또는 추가의 단계를 갖는 다른 방법으로 더 효과적으로 구동되거나, 몇몇 실시예와 모순되지 않는 다른 순서의 단계들을 갖는 다른 방법으로 더 효과적으로 구동될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 아래에서 설명되는 몇몇 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 아래에서 설명되는 원리 및 특징과 일치하는 가장 넓은 범위를 따른다.
자기 접합, 자기 접합을 이용하는 메모리, 및 자기 접합을 제공하는 방법이 설명된다. 자기 접합은 고정층(pinned layer), 수직 강화층(PEL: Perpendicular Enhancement Layer), 고정층과 수직 강화층 사이의 삽입층(insertion layer), 자유층, 및 수직 강화층과 자유층 사이의 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 포함한다. 삽입층은 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 하프늄(Hf)과 같은 적어도 하나의 고-결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함한다. 자기 물질은 적어도 하나의 코발트층(Co layer)을 포함한다. 코발트층 중 하나는 온도가 실온(room temperature)보다 높은 기판에서 증착될 수 있다. 고정층은 플래티늄(Pt) 및 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 수직 강화층은 삽입층과 비자기 스페이서층 사이에 존재할 수 있다. 자유층은, 쓰기 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정한 자기 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 수직 강화층, 자유층, 및 고정층은 각각 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는다.
몇몇 실시예들은 특정 방법, 자기 접합, 및 특정 구성요소를 갖는 자기 메모리의 관점에서 설명된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예가 다르거나 추가적인 구성요소를 사용하거나, 본 개시와 모순되지 않는 다른 특징을 갖는 자기 접합 및 자기 메모리를 사용하는 것과 동일 또는 유사함을 인식할 수 있다. 이 방법 및 시스템은 스핀 트랜스퍼 현상(spin transfer phenomenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy), 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해에 기반하여 설명된다. 결론적으로, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 동작에 대한 이론적 설명을 스핀 트랜스퍼, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상의 현재의 이해에 기반하여 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 여기에서 설명되는 방법 및 시스템은 특정 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템이 기판에 대한 특정 관계를 갖는 구조에 대해 설명되는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템이 다른 구조와 일치하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은 종합적 및/또는 단순한 특정 층의 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템이 다른 구조를 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은 특정 층을 갖는 자기 접합 및/또는 서브-구조의 관점에서 설명된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템이 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템과 모순되지 않는, 추가적 및/또는 상이한 층을 갖는 자기 접합 및/또는 서브-구조가 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 특정 구성요소는 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic), 및 페리 자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 아래에서 사용되는 용어 "자성"은 강자성, 페리 자성 또는 이와 유사한 구조를 포함할 수 있다. 그러므로, 아래에서 사용되는 용어 "자성" 또는 "강자성"은 강자성체 및 페리 자성체를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 아래에서 사용된 "평면 내(in-plane)"는 자기 접합의 층들 중 하나 이상의 평면에 대해 실질적으로 평면 내(within)이거나 평면과 평행할 수 있다. 반면, 아래에서 사용된 "평면에 대해 수직으로(perpendicular-to-plane)"는 자기 접합의 층들 중 하나 이상의 평면에 대해 실질적으로 수직 방향일 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템은 특정 합금의 관점에서 설명된다. 달리 명시되지 않는 한, 합금의 특정 농도가 언급되지 않는 경우, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 시스템에 모순되지 않는 화학 양론이 사용될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 각각 몇몇 실시예에 따른, 스핀 트랜스퍼 토크(spin transfer torque)를 이용하여 프로그래밍 가능한 자기 메모리(magnetic memory)에 이용 가능한 자기 접합(magnetic junction, 100A, 100A', 100A'')을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
명확히 표현하기 위해, 도 1a 내지 도 1c는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다.
자기 접합(100A, 100A', 100A'')은 STT-자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM: Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)와 같은 자기 장치(magnetic device)에서 이용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에서 이용될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 자기 접합(100A)은 자기 모멘트(magnetic moment, 111)를 갖는 고정층(pinned layer, 110), 삽입층(insertion layer, 120A), 수직 강화층(PEL: perpendicular enhancement layer, 130), 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer, 140), 및 자기 모멘트(151)를 갖는 자유층(free layer, 150)을 포함할 수 있다. 또한, 선택적 씨드층(optional seed layer, 102) 및 선택적 캡핑층(optional capping layer, 104)이 도시되어 있다. 자기 접합(100A)이 형성되는 기판(substrate, 101)은 씨드층(102) 아래에 존재할 수 있고, 명확히 표현하기 위해 이를 도시하였다. 비록 도면에 도시하지는 않았지만, 하부 컨택(bottom contact) 및 상부 컨택(top contact)이 형성될 수 있다. 커플링 층(coupling layer) 및 반강자성 층(antiferromagnetic layer)과 같은 다른 층들도 역시 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 다른 층들은 간략화를 위해 도면에 도시되지는 않는다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 자기 접합(100A)은 기판(101)에 가장 근접한 고정층(110)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 자기 접합(100A)은 하부 고정 자기 접합이다.
자유층(150)은 높은 수직 자기 이방성(PMA: Perpendicular Magnetic Anisotropy)을 가질 수 있다. 따라서, 자유층(150)은 자유층의 평면 외부의 자기 소거 에너지(demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(151)는 평면에 대해 수직으로 안정하다. 도시된 양방향 화살표에서 추측할 수 있는 바와 같이, 자유층(150)의 자기 모멘트(151)는 도 1a의 위쪽 방향을 향할 때 안정할 수 있다. 또한 자유층(150)의 자기 모멘트(151)는 도 1a의 아래쪽 방향을 향할때 안정할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(151)는 평면 내에서 안정할 수 있다. 자유층(150)은 단일 층일 수 있다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 자유층(150)은 다중 층(multilayer)일 수 있다. 예를 들어, 자유층(150)은 하나 이상의 비자기 층(nonmagnetic layer)를 사이에 끼워 넣은 다수의 강자성 층(ferromagnetic layer)을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet)일 수 있다. 예를 들어, 자유층(150)은 루테늄(Ru) 층과 같은 비자기 층에 의해 분리된 두개의 강자성 층을 포함할 수 있다. 루테늄(Ru) 층의 두께는 강자성 층이 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 커플링을 통해 반강자성적으로 결합되도록 선택될 수 있다. 또는, 반자기층 두께는 강자성 커플링을 위해 선택될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 자유층(150)은 다른 다중 층이거나 다른 방법으로 커플링된 층일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(150)은 Fe 층, (CoFe)1- yB 층, 및/또는 a (CoFeNi)1- yBy층을 포함하거나, Fe 층, (CoFe)1- yB 층, 및/또는 a (CoFeNi)1-yBy층로 구성될 수 있다. 여기에서 0 ≤ y < 1이다. 다른 또는 추가적인 합금 및/또는 다중 층이 다른 몇몇 실시예에서 이용될 수 있다.
자유층(150)은 변화 가능한 자기 모멘트(151)를 가질 수 있다. 따라서, 데이터를 저장하는데 이용될 수 있다. 자기 접합(100A)은 쓰기 전류(write current)가 자기 접합(100A)에 통과될 때 안정한 자기 상태 사이에서 자유층(150)의 자기 모멘트(151)가 스위칭되도록 허용한다. 그러므로, 쓰기 전류가 자기 접합(100A)을 통해 평면에 대해 수직(CPP) 방향으로 구동될 때, 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 자기 모멘트(151)가 스위칭될 수 있다. 쓰기 전류의 방향(도 1a의 페이지의 상부를 향하거나 하부를 향하여)에 따라, 자유층(150)은 서로 다른 상태로 프로그램될 수 있다. 자유층(150)의 자기 모멘트(151)의 방향은 자기 접합(100A)을 통해 읽기 전류(read current)를 구동하여 판독될 수 있다. 이러한 읽기 전류는 쓰기 전류보다 작고, 자기 모멘트(151)의 방향을 스위치하기에는 불충분할 수 있다.
비자기 스페이서층(140)은 터널링 장벽층(tunneling barrier layer)일 수 있다. 예를 들어, 비자기 스페이서층(140)은 (100)배향을 갖는 결정질 MgO 터널링 장벽일 수 있다. 이러한 비자기 스페이서층(140)은 자기 접합(100A)의 터널링 자기 저항(TMR: Tunneling Magnetoresistance)을 향상시킬뿐만 아니라, 자유층(150)의 수직 자기 이방성(PMA) 또한 증가시킬 수 있다. 결정성 MgO 터널링 장벽층은 8Å(angstroms) 내지 15Å의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 결정성 MgO 터널링 장벽층은 10Å 내지 12Å의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 다른 두께도 가능하다. 비자기 스페이서층(140)은 또한 자유층(150)에 대한 씨드층으로서의 역할을 할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서 비자기 스페이서층(120)은 도전층(conductive layer)을 포함하는 다른 구조를 가질 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
고정층(110) 및 수직 강화층(130)은 자기 접합(100A)에 대한 기준층으로서 함께 작용할 수 있다. 고정층(110) 및 수직 강화층(130)은 각각 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성(PMA) 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자기 모멘트들(111, 131)은 평면에 대해 수직 방향으로 안정할 수 있다. 도 1a에서 고정층(110)은 단일층인 것으로 도시되었다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서 고정층(110)은 다중 층일 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 전술한 합성 반가성체(SAF: Synthetic Antiferromagnet)일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 다른 다중 층이 이용될 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 코발트-플래티늄 층(Co-Pt layer) 및/또는 코발트-이리듐 층(Co-Ir layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 코발트/플래티늄 다중 층이거나, 이를 포함할 수 있다. 이러한 다중 층에서, 코발트/플래티늄 이중 층이 하나 이상 반복되어 사용될 수 있다([Co/Pt]n, n ≥ 1). 몇몇 실시예에서, 고정층(110)은 코발트/이리듐 다중 층이거나, 이를 포함할 수 있다.. 이러한 다중 층에서, 코발트/이리듐 이중 층이 하나 이상 반복되어 사용될 수 있다(Co/Ir]n, n ≥ 1). 몇몇 실시예에서, 코발트/이리듐 다중 층의 코발트 층 중 하나는 고온(섭씨 300도 이상) 및/또는 고전력(200 와트 이상)에서 증착될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서 이러한 증착이 이용되지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코발트/플래티늄 및/또는 코발트/이리듐 이중 층의 상부 층(top layer)은 비자기 물질일 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이, 삽입층(120A)이, 코발트 합금층(Co alloy layer) 또는 고정층(110)과 계면을 공유하는 코발트 층과 같이, 코발트를 포함할 수 있기 때문이다. 다른 몇몇 실시예에서 상부 층은 코발트일 수 있다. 다른 구조를 갖는 및/또는 다른 물질을 이용하는 다른 고정층이 몇몇 다른 실시예에서 이용될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 선택적 피닝층(pinning layer)이 고정층(110)의 자화(magnetization)를 고정시키기 위해 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 선택적 피닝층은 반강자성 층(AFM layer)이거나 바이어스 교환 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 자화를 고정하는 다중 층일 수 있다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 선택적 피닝층은 생략되거나 다른 구조가 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정층(110)의 자기 모멘트(111)는 기준층(고정층(110))의 자기 이방성에 의해 고정될 수 있다.
수직 강화층(130)은 높은 수직 자기 이방성(PMA)을 가질 수 있다. 따라서, 수직 강화층(130)은 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130)의 수직 자기 이방성을 강화시키기 위해 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수직 강화층(130)은 붕소(B)와, 코발트(Co) 또는 철(Fe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수직 강화층(130)은 (CoFe)(1-x)Bx 층 및/또는 Fe(1-x)Bx 층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 0.2 < x ≤ 0.6일 수 있다. 따라서, 수직 강화층(130)은 높은 스핀 분극(spin polarization)을 가질 수 있다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 다른 화학 양론 및/또는 다른 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 몇몇 실시예에서, 수직 강화층(130)은 [(CoFe)(1-x)Bx](1-η)Moy를 포함할 수 있다. 여기에서, 0 < x ≤ 0.6, 0 < y ≤ 0.4, 0 < η < 1 이다.
삽입층(120A)은 고정층(110)과 수직 강화층(130) 사이에 제공될 수 있다. 삽입층(120A)은 고정층(110)과 수직 강화층(130)에 인접할 수 있다. 따라서, 삽입층(120A)은 고정층(110)과 계면을 공유할 수 있다. 삽입층(120A)은 자기 물질과 고-결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 결정화온도(비결정질 증착 층이 결정화되는 온도)는 적어도 섭씨 450도일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서 결정화온도는 적어도 섭씨 500도일 수 있다. 고-결정화온도 비자기 물질의 결정화온도는 이보다 더 높을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고-결정화온도 비자기물질은 하프늄(Hf)일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 물질은 코발트(Co)일 수 있다. 설명의 편의를 위해, 본 명세서에서 고-결정화온도 비자기물질을 하프늄(Hf)으로 지칭한다. 이와 유사하게, 설명의 편의를 위해, 본 명세서에서 자기 물질은 코발트(Co)로 지칭한다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 다른 고-결정화온도 비자기 물질 및/또는 다른 자기 물질이 사용될 수 있다는 것을 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 인식할 수 있다. 이러한 변화는 자기 접합(100A)의 성능에 영향을 미칠 수도 있고, 영향을 미치지 않을 수도 있다.
삽입층(120A)의 적어도 일부에서, 코발트(Co) 및 하프늄(Hf)은 혼합될 수 있다. 예를 들어, 삽입층(120A)은 코발트(Co) 및 하프늄(Hf)을 포함할 수 있고, 적어도 층 사이의 계면(interface) 근처에서 코발트와 하프늄은 혼합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 혼합은 고전력에서 적어도 하프늄을 증착하여 제공될 수 있다. 몇몇 시스템에서, 고전력은 200와트보다 클 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에 따른 시스템 및 방법은 코발트와 하프늄(즉, 자기 물질 및 고-결정화온도 비자기 물질)의 혼합물을 얻기 위해, 다른 전력 및/또는 메카니즘을 적용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하프늄 층의 두께는 4Å를 넘지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코발트 층의 두께는 5Å 내지 10Å일 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서 하프늄과 코발트는 층 사이의 계면에서 혼합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 혼합된 영역은 대략 하나의 단일층(monolayer)일 수 있다(예를 들어, 1.5Å 정도의 두께). 다른 몇몇 실시예에서, 혼합된 영역은 하나의 단일층의 두께보다 크고 세개의 단일층의 두께보다 작을 수 있다. 다른 두께 역시 가능하다. 코발트 층은 실온에서 증착되거나, 더 높은 온도에서 증착될 수 있다. 예를 들어, 코발트 층은 섭씨 600도를 초과하지 않는 온도에서 증착될 수 있다. 삽입층(120A)은 코발트-하프늄 합금이거나 코발트-하프늄 합금을 포함할 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 혼합은 코발트와 하프늄의 합금화의 결과일 수 있다. 따라서, 하프늄은 고전력에서 증착될 수 있으나 반드시 고전력에서 증착될 필요는 없다. 코발트-하프늄 층의 두께는 적어도 4Å일 수 있으나, 10Å를 넘지 않을 수 있다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 코발트-하프늄 합금은 CoxHf1 - x일 수 있다. 여기에서 x는 0.7 이하이다.
삽입층(120A)을 갖는 자기 접합(100A)은, 특히 고온의 어닐링(anneal)이 이용되는 제조 공정에서 개선된 성능을 가질 수 있다. 수직 강화층(130) 및 고정층(110)은 견고하고, 자기적으로 안정해야 한다. 따라서, 수직 강화층(130) 및 고정층(110) 각각에 대한 수직 자기 이방성은 최종 장치에서 높은 것이 바람직할 수 있다. 자기 메모리와 같은 자기 장치의 백 엔드(back end) 공정의 일부분으로서, 높은 온도의 어닐링이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치는 종종 최대 섭씨 400도의 어닐링이 수행될 수 있다. 종래의 자기 접합에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 삽입층(120A) 대신, 탄탈럼(Ta) 삽입층이 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 자기 접합은, 적어도 섭씨 400도의 어닐링이 수행되는 경우, 수직 강화층(130)의 교환 필드(exchange field)가 상당히 감소될 수 있고, 수직 강화층(130)의 자기 안정성이 감소될 수 있다. 결과적으로, 쓰기 오류율(WER: Write Error Rate) 및 백 호핑율(BH rate: backhopping rate)이 증가될 수 있다. 반면, 몇몇 실시예에 따른 삽입층(120A)은 하프늄 같은 고-결정화온도 비자기 물질뿐만 아니라 이와 혼합된 자기 물질을 포함할 수 있다. 자기 접합(100A)에 이러한 삽입층(120A)가 제공되기 때문에, 자기 접합(100A)은 더 높은 온도의 어닐링을 견딜 수 있다. 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate), 및 교환 필드와 같은 특성이 개선될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 적어도 섭씨 500도의 어닐링 후, 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate) 및/또는 교환 필드는 10% 이상 감소되지 않을 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 적어도 섭씨 400도의 어닐링 후, 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate) 및/또는 교환 필드는 5% 이상 감소되지 않을 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 적어도 섭씨 450도의 어닐링 후, 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate) 및/또는 교환 필드는 5% 내지 10% 이상 감소되지 않을 수 있다. 결과적으로, 반도체 장치의 제조에 이용되는 공정은 자기 접합(100A)의 성능에 실질적으로 악영향을 미치지 않고, 자기 접합(100A)을 포함하는 자기 랜덤 액세스 메모리를 제조하는데 이용될 수 있다. 자기 접합(100A)은 쉽고 더 나은 성능으로 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 1b에는 다른 몇몇 실시예에 따른 자기 접합(100A')이 도시된다. 명확히 표현하기 위해, 도 1b는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100A')은 도 1a의 자기 접합(100A)와 유사할 수 있다. 따라서, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100A')은 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)를 갖는 자유층(150)을 포함할 수 있다. 이들 각각은 도 1a에서의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 선택적 씨드층(102) 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라 기판(101)도 도 1b에 도시되어 있다.
자기 접합(100A')의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a의 자기 접합(100A)에서 사용되는 것과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120A)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 하프늄과 코발트는 적어도 부분적으로 혼합될 수 있고, 이는 예를 들어, 적어도 하프늄의 고전력 증착에 기인될 수 있다. 그러나, 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 대한 기판(101)에 대한 관계는 역전되었다. 그러므로, 자기 접합(100A')은 상부 고정 자기 접합(top pinned magnetic jucntion)일 수 있다.
자기 접합(100A')은 도 1a의 자기 접합(100A)의 이점들을 공유할 수 있다. 자기 접합(100A')은 고-결정화온도 비자기 물질 및 자기 물질을 포함하는 삽입층(120A)을 포함할 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100A')은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 섭씨 400도 이상에서 수직 강화층(130)과 고정층(110)의 교환 필드 및 자기 안정도가 5% 이상 감소되지 않을 수 있다. 예를 들어, 적어도 섭씨 500도 이상에서 수직 강화층(130)과 고정층(110)의 교환 필드 및 자기 안정도가 10% 이상 감소되지 않을 수 있다. 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate), 및/또는 교환 필드는 어닐링을 통해 실질적으로 보존될 수 있다. 따라서, 이러한 공정은 자기 접합(100A')을 포함하는 STT-자기 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치의 제조 과정의 일부일 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100A')은 그 성능에 대해 과도한 악영향 없이 쉽고 더 나은 성능으로 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 1c에는 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치에서의 자기 접합(100A'')이 도시된다. 명확히 표현하기 위해, 도 1c는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100A'')은 도 1a 및 도 1b에서의 자기 접합(100A, 100A')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100A'')은 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)를 갖는 자유층(150)을 포함하는 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다. 이들 각각은 도 1a 및 도 1b에서의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 선택적 씨드층(102), 선택적 캡핑층(104) 및 기판(101)도 도 1c에 도시되어 있다.
자기 접합(100A'')의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a 및 도 1b의 자기 접합(100A, 100A')에서 사용되는 것과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120A)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 하프늄과 코발트는 적어도 부분적으로 혼합될 수 있고, 이는 예를 들어, 적어도 하프늄의 고전력 증착에 기인될 수 있다.
자기 접합(100A'')은 또한 추가적으로, 비자기 스페이서층(160), 및 선택적 수직 강화층(170), 선택적 기준층(180), 및 자기 모멘트(191)를 갖는 고정층(190)을 포함할 수 있다. 비자기 스페이서층(160)은 비자기 스페이서층(140)과 유사할 수 있다. 예를 들어, 비자기 스페이서층(160)은 결정질 MgO 터널링 장벽일 수 있다. 선택적 수직 강화층(170), 선택적 기준층(180), 및 고정층(190)은 각각 수직 강화층(130), 삽입층(120A), 및 고정층(110)과 유사할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서 선택적 기준층(180)은 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및/또는 몰리브데넘(Mo)를 포함하거나, 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및/또는 몰리브데넘(Mo)로 구성될 수 있다.
자기 접합(100A'')은 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서 자기 접합(100A'')은 듀얼 상태(dual state)에 있다. 듀얼 상태는 자기 모멘트(171)가 자기 모멘트(131)와 반-평행(antiparallel)할 때 발생할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(191)와 자기 모멘트(111) 또한 반-평행할 수 있다. 듀얼 상태에서, 듀얼 자기 접합(100A'')을 사용하면, 스핀 트랜스퍼를 위해 더 작은 쓰기 전류가 허용될 수 있다. 만약 듀얼 자기 접합(100A'')이 안티 듀얼(antidual) 상태에 있으면, 더 큰 신호가 달성될 수 있다. 자기 접합(100A'')은 도 1a 및 도 1b의 자기 접합(100A, 100A')의 이점들을 공유할 수 있다. 삽입층(120A)을 포함하는 자기 접합(100A'')은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 섭씨 400도 이상에서 수직 강화층(130)과 고정층(110)의 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate), 및/또는 교환 필드가 5% 이상 감소되지 않을 수 있다. 예를 들어, 적어도 섭씨 500도 이상에서 수직 강화층(130)과 고정층(110)의 쓰기 오류율(WER), 백 호핑율(BH rate), 및/또는 교환 필드가 10% 이상 감소되지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 공정은 자기 접합(100A'')을 포함하는 자기 장치의 제조 과정의 일부일 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100A'')은 그 성능에 대해 과도한 악영향 없이 쉽고 더 나은 성능으로 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 2는 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램할 수 있는 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합(100B)을 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 명확히 표현하기 위해, 도 2는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100B)은 도 1a 내지 도 1c에서의 자기 접합(100A, 100A', 및/또는 100A'')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100B)은 고정층(110), 삽입층(120B), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)를 갖는 자유층(150)을 포함하는 하부 고정 자기 접합(bottom pinned magnetic junction)일 수 있다. 고정층(110), 삽입층(120B), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)은 각각 도 1a 내지 도 1c에서의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)와 유사하다. 선택적 씨드층(102), 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라, 기판(101)도 도 2에 도시되어 있다.
자기 접합(100B)의 고정층(110), 삽입층(120B), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a 내지 도 1c의 자기 접합(100A, 100A', 100A'')의 고정층(110), 삽입층(120A), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120B)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 하프늄과 코발트는 적어도 부분적으로 혼합될 수 있고, 이는 예를 들어, 적어도 하프늄의 고전력 증착에 기인될 수 있다. 이와 유사하게, 고정층(110)은 예를 들어, 코발트/플래티늄 다중 층 및/또는 코발트/이리듐 다중 층의 형태로 플래티늄 및/또는 이리듐을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 수직 강화층(130)은 붕소(B)와 코발트 및/또는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서 삽입층(120B)의 코발트(즉, 자기 물질) 및 하프늄(즉, 고-결정화온도 비자기 물질)은 CoHf의 합금 형태로 제공될 수 있다. CoHf의 합금은 CoyHf(1-y)를 포함할 수 있다. 여기에서 0 < y ≤ 0.7이다. 몇몇 실시예에서, 삽입층(120B)에 CoHf 합금에 대한 원하는 화학 양론을 얻기 위해, 코발트와 하프늄을 원하는 속도로 동시-스퍼터링(co-sputtering)하는 것을 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 코발트 및 하프늄은 코발트-하프늄 합성물 타겟으로부터 스퍼터링될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 혼합을 촉진하기 위해 적어도 하프늄에 대해서 고전력이 이용될 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서 전력은 적어도 200와트일 수 있다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서 코발트와 하프늄의 합금이 충분할 수 있고, 이때 적어도 200와트의 고전력은 필요하지 않을 수 있다.
나머지 층들(110, 130, 140, 및 150)에 사용되는 구조, 기능 및 물질들 역시 각각 도 1a 내지 도 1c의 자기 접합(100A, 100A', 100A'')의 고정층(110), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 대해 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 전술한 바와 같이, 기판(101)에 대한 층들(110, 120B, 130, 140, 및 150)의 순서는 바뀔 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 다른 몇몇 실시예에서, 추가적인 비자기 스페이서층, 추가적인 선택적 수직 강화층, 추가적인 선택적 삽입층, 및 추가적인 고정층이 포함될 수 있다. 결과적으로, 다른 몇몇 실시예에서는 자기 접합(100B)은 상부 고정 자기 접합(top-pinned magnetic junction)이나 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다.
자기 접합(100B)은 도 1a 내지 도 1c의 자기 접합(100A, 100A', 및/또는 100A'')의 이점들을 공유할 수 있다. 코발트-하프늄 합금의 삽입층(120B)을 갖는 자기 접합(100B)은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 충분히 큰 교환 필드, 감소된 백 호핑율(BH rate), 및 감소된 쓰기 오류율(WER)은 적어도 섭씨 400도 이상의 온도나 더 높은 온도의 어닐링을 통해 실질적으로 보존될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100B)은 그 성능에 대한 과도한 악영향 없이 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 3은 또 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합(100C)을 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 명확히 표현하기 위해, 도 3은 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100C)은 도 1a 내지 도 2에서의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 및/또는 100B)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100C)은 고정층(110), 삽입층(120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)을 갖는 자유층(150)을 포함하는 하부 고정 자기 접합일 수 있다. 고정층(110), 삽입층(120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)은 도 1a 내지 도 2의 고정층(110), 삽입층(120A, 120B), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 도 3에는 선택적 씨드층(102) 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라 기판(101)역시 도시되었다.
자기 접합(100C)의 고정층(110), 삽입층(120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a 내지 도 2의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 및/또는 100B)의 고정층(110), 삽입층(120A, 120B), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150) 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120C)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 고정층(110)은 예를 들어, 코발트/플래티늄 다중 층 및/또는 코발트/이리듐 다중 층의 형태로 플래티늄 및/또는 이리듐을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 수직 강화층(130)은 붕소(B)와 코발트 및/또는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서 삽입층(120C)의 코발트(즉, 자기 물질) 및 하프늄(즉, 고-결정화온도 비자기 물질)는 이중 층의 형태로 제공될 수 있다. 이중 층은 코발트 층(122)와 하프늄 층(124)을 포함할 수 있다. 코발트 층(122)은 먼저 증착되어 고정층(110)과 인접할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코발트 층(122)의 두께는 적어도 5Å 내지 10Å일 수 있다. 고정층(110)의 상부가 코발트로 형성된 경우, 코발트 층(122)은 더 얇거나 생략될 수 있다. 몇몇 실시예에서 하프늄 층(124)의 두께는 1Å 내지 4Å일 수 있다. 코발트 층(122)과 하프늄 층(124)의 계면 주변에서, 하프늄과 코발트가 혼합되는 영역(126)이 존재할 수 있다. 이 혼합은 적어도 하프늄을 고전력으로 증착하는 것에 기인할 수 있다. 몇몇 실시예에서 이 혼합된 영역(126)의 두께는 하나의 단일 층(monolayer) 내지 세개의 단일 층의 두께일 수 있다. 그러므로, 혼합된 영역(126)의 두께는 적어도 1.5Å일 수 있다. 게다가, 비록 코발트 및 하프늄의 이중 층이 도시되고, 논의되었지만, 다른 몇몇 실시예에서 더 많은 층들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 코발트/하프늄/코발트 삼중 층(trilayer), 코발트/하프늄/코발트/하프늄 다중 층(multilayer), 또는 이와 유사한 다중 층들이 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 경우들 모두 적어도 이중 층이 존재한다. 따라서, 이하에서는 이중 층의 경우만 설명한다.
나머지 층들(110, 130, 140, 및 150)에 사용되는 구조, 기능 및 물질들 역시 각각 도 1a 내지 도 2의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B)의 고정층(110), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 대해 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 전술한 바와 같이, 기판(101)에 대한 층들(110, 120C, 130, 140, 및 150)의 순서는 바뀔 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 다른 몇몇 실시예에서, 추가적인 비자기 스페이서층, 추가적인 선택적 수직 강화층, 추가적인 선택적 삽입층, 및 추가적인 고정층이 포함될 수 있다. 결과적으로, 다른 몇몇 실시예에서는 자기 접합(100B)은 상부 고정 자기 접합(top-pinned magnetic junction)이나 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다.
자기 접합(100C)은 도 1a 내지 도 2의 자기 접합(100A, 100A', 100A'' 및/또는 100B)의 이점들을 공유할 수 있다. 코발트 층(122), 하프늄 층(124), 및 혼합 영역(126)을 포함하는 이중 층의 삽입층(120C)을 갖는 자기 접합(100C)은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 충분히 큰 교환 필드, 감소된 백 호핑율(BH rate), 및 감소된 쓰기 오류율(WER)은 적어도 섭씨 400도 이상의 온도나 더 높은 온도의 어닐링을 통해 실질적으로 보존될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100C)은 그 성능에 대한 과도한 악영향 없이 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하는 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합(100D, 100D')을 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 명확히 표현하기 위해, 도 4a 및 도 4b는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100D, 100D')은 도 1a 내지 도 3에서의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B 및/또는 100C)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
도 4a를 참조하면, 자기 접합(100D)은 고정층(110D), 삽입층(120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)을 갖는 자유층(150)을 포함하는 하부 고정 자기 접합일 수 있다. 고정층(110D), 삽입층(120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)은 도 1a 내지 도 3의 고정층(110), 삽입층(120A, 120B, 120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 도 4a에는 선택적 씨드층(102) 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라 기판(101)역시 도시되었다.
자기 접합(100D)의 고정층(110D), 삽입층(120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a 내지 도 3의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B 및/또는 100C)의 고정층(110), 삽입층(120A, 120B, 120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150) 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120D)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 삽입층(120D)은 하프늄과 코발트의 합금일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 삽입층(120D)은 코발트 층과 하프늄 층의 이중 층일 수 있다. 이 이중 층은 코발트 층과 하프늄 층의 혼합 영역을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 고정층(110)은 예를 들어, 코발트/플래티늄 다중 층 및/또는 코발트/이리듐 다중 층의 형태로 플래티늄 및/또는 이리듐을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 수직 강화층(130)은 붕소(B)와 코발트 및/또는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 고정층(110D)은 수직 자기 모멘트(113)를 갖는 코발트/플래티늄 다중층(112), 및 수직 자기 모멘트(115)를 갖는 코발트/이리듐 다중층(114)을 포함할 수 있다. 그러므로 코발트/플래티늄 다중층(112)는 하나 이상의 반복되는 코발트/플래티늄 이중층을 포함할 수 있다. 그러나, 고정층(110D)의 상부 층은 일반적으로 코발트 층일 수 있다. 결과적으로, 고정층(110D)의 구조는 높은 수직 자기 이방성을 갖는 고정층일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 코발트/플래티늄 다중층(112)이나 코발트/이리듐 다중층(114)는 생략될 수 있다. 따라서, 고정층(110D)은 코발트/플래티늄 다중층(112)으로 구성되거나, 코발트/이리듐 다중층(114)으로 구성될 수 있다.
도 4b에는 또 다른 몇몇 실시예에 따른 자기 접합(110D')을 도시된다. 자기 접합(100D')은 고정층(110D'), 삽입층(120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)을 갖는 자유층(150)을 포함하는 하부 고정 자기 접합일 수 있다. 고정층(110D'), 삽입층(120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)은 도 1a 내지 도 4a의 고정층(110, 110D), 삽입층(120A, 120B, 120C, 120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 도 4b에는 선택적 씨드층(102) 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라 기판(101)역시 도시되었다.
자기 접합(100D')에서 코발트/플래티늄 다중층(112)와 코발트/이리듐 다중층(114)의 순서가 역전될 수 있다. 코발트/플래티늄 다중층(112)은 삽입층(120D)와 근접할 수 있다. 이 외에는, 자기 접합(100D')은 도 4a의 자기 접합(100D)과 실질적으로 동일하다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 나머지 층들(120D, 130, 140, 및 150)에 사용되는 구조, 기능 및 물질들 역시 각각 도 1a 내지 도 3의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C)의 삽입층(120A, 120B, 120C), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 대해 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 전술한 바와 같이, 기판(101)에 대한 층들(110D/110D', 120D, 130, 140, 및 150)의 순서는 바뀔 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 다른 몇몇 실시예에서, 추가적인 비자기 스페이서층, 추가적인 선택적 수직 강화층, 추가적인 선택적 삽입층, 및 추가적인 고정층이 포함될 수 있다. 결과적으로, 다른 몇몇 실시예에서는 자기 접합(100D 및/또는 100D')은 상부 고정 자기 접합(top-pinned magnetic junction)이나 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다.
자기 접합(100D, 100D')은 도 1a 내지 도 3의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B 및/또는 100C)의 이점들을 공유할 수 있다. 자기 접합(100D, 100D')은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 충분히 큰 교환 필드, 감소된 백 호핑율(BH rate), 및 감소된 쓰기 오류율(WER)은 적어도 섭씨 400도 이상의 온도나 더 높은 온도의 어닐링을 통해 실질적으로 보존될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100D, 100D')은 그 성능에 대한 과도한 악영향 없이 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 5는 또 다른 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리와 같은 자기 장치의 자기 접합(100E)을 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 명확히 표현하기 위해, 도 5는 각 구성요소가 동일한 비율로 축척(scale)된 것이 아니며, 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 자기 접합(100E)은 도 1a 내지 도 4b에서의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D 및/또는 100D')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100E)은 고정층(110), 삽입층(120E), 수직 강화층(130E), 비자기 스페이서층(140), 및 자기 모멘트(151)을 갖는 자유층(150)을 포함하는 하부 고정 자기 접합일 수 있다. 고정층(110), 삽입층(120E), 수직 강화층(130E), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)은 도 1a 내지 도 4b의 고정층(110, 110D, 110D'), 삽입층(120A, 120B, 120C, 120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)과 유사하다. 도 5에는 선택적 씨드층(102) 및 선택적 캡핑층(104)뿐만 아니라 기판(101)역시 도시되었다.
자기 접합(100E)의 고정층(110), 삽입층(120E), 수직 강화층(130E), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 사용되는 구조, 기능, 및 물질들은 도 1a 내지 도 4b의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D 및/또는 100D')의 고정층(110, 110D, 110D'), 삽입층(120A, 120B, 120C, 120D), 수직 강화층(130), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150) 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 예를 들어, 삽입층(120E)은 하프늄과 같은 고-결정화온도 물질 및 코발트와 같은 자기 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 삽입층(120E)은 하프늄과 코발트의 합금일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 삽입층(120E)은 코발트 층과 하프늄 층의 이중 층일 수 있다. 이 이중 층은 코발트 층과 하프늄 층의 혼합 영역을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 고정층(110)은 플래티늄 및/또는 이리듐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 하나 이상의 코발트/플래티늄 다중층(112) 및 코발트/이리듐 다중층(114)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 수직 강화층(130E)은 붕소(B), 코발트, 및/또는 철(Fe)을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서 수직 강화층(130E)은 추가적인 삽입층(134)에 의해 분리된 두개의 강자성층(ferromagnetic layer, 132, 136)을 포함할 수 있다. 강자성층(132, 136)은 각각 강자성층(132, 136)의 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(PMA energy)를 갖는다. 따라서, 자기 모멘트(133, 137)들은 평면의 수직 방향으로 안정하다. 강자성층(132)은 붕소(B)와, 코발트 및 철(Fe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 강자성층(132)은 (CoFe)(1-x)Bx나 Fe(1-x)Bx 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기에서, 0.2 ≤ x ≤ 0.6이다. 몇몇 실시예에서, 다른 화학 양론이 제공될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 x는 0.2보다 작을 수 있다. 상부의 강자성층(136) 역시 붕소(B)와, 코발트 및 철(Fe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서 강자성층(136)에 대한 화학 양론적 범위는 강자성층(132)에 대한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
강자성층(132, 136)들 사이의 삽입층(134)은 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및/또는 몰리브데넘(Mo)에서 선태고딜 수 있다. 몇몇 실시예에서, 삽입층(134)의 두께는 1Å 내지 5Å일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서 삽입층(134)은 삽입층(120E)와 실질적으로 동일할 수 있다.
나머지 층들(110, 120E, 140, 및 150)에 사용되는 구조, 기능 및 물질들 역시 각각 도 1a 내지 도 4b의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D, 100D')의 고정층(110, 110D, 110D'), 삽입층(120A, 120B, 120C, 120D), 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)에 대해 사용되는 구조, 기능, 및 물질들과 유사하다. 전술한 바와 같이, 기판(101)에 대한 층들(110, 120E, 130E, 140, 및 150)의 순서는 바뀔 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 다른 몇몇 실시예에서, 추가적인 비자기 스페이서층, 추가적인 선택적 수직 강화층, 추가적인 선택적 삽입층, 및 추가적인 고정층이 포함될 수 있다. 결과적으로, 다른 몇몇 실시예에서는 자기 접합(100E)은 상부 고정 자기 접합(top-pinned magnetic junction)이나 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다.
자기 접합(100E)은 도 1a 내지 도 4b의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D 및/또는 100D')의 이점들을 공유할 수 있다. 자기 접합(100E)은 더 높은 온도에서의 어닐링을 이용함에도 불구하고 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 충분히 큰 교환 필드, 감소된 백 호핑율(BH rate), 및 감소된 쓰기 오류율(WER)은 적어도 섭씨 400도 이상의 온도나 더 높은 온도의 어닐링을 통해 실질적으로 보존될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100E)은 그 성능에 대한 과도한 악영향 없이 전자 장치에 이용될 수 있다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 하나 이상의 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D, 100D', 및/또는 100E)이나 다른 자기 접합을 사용하는 자기 메모리(200)를 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 자기 메모리(200)는 읽기/쓰기 열 선택 드라이버(reading/writing column select driver, 202, 206), 및 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver, 204)를 포함할 수 있다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 알고 있듯이, 이 외에 다른 구성요소들도 제공될 수 있다. 자기 메모리(200)의 저장 영역은 자기 저장 셀(magnetic sotrage cell, 210)을 포함할 수 있다. 각각의 자기 저장 셀(210)은 적어도 하나의 자기 접합(212) 및 적어도 하나의 선택 소자(214)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택 소자(214)는 트랜지스터일 수 있다. 자기 접합(212)은 전술한 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D, 100D', 및/또는 100E) 또는 이와 유사한 자기 접합일 수 있다. 비록 도 6에는, 자기 저장 셀(210) 당 하나의 자기 접합(212)이 포함되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 다른 몇몇 실시예에서, 자기 저장 셀(210) 당 여러개의 자기 접합(212)이 포함될 수 있다. 자기 메모리(200)는 하나 이상의 전술한 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D, 100D', 및/또는 100E)이나 이와 유사한 자기 접합을 포함하기 때문에, 자기 메모리(200)는 전술한 이점들을 향유할 수 있다.
자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100C, 100D, 100D' 및 100E) 및 자기 메모리(200)와 관련하여 다양한 특징들이 기술되었다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 특징들을 도면에 도시되지 않은 다양한 방식으로, 또는 본 발명과 모순되지 않는 다양한 방식으로 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법이나 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 자기 접합은 고정층(110D 또는 100D'), 삽입층(120B 또는 120C), 수직 강화층(130E), 결정질 MgO 터널링 장벽층일 수 있는 비자기 스페이서층(140), 및 자유층(150)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 접합은 추가적인 비자기 스페이서층 및 추가적인 고정층 역시 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 수직 강화층 및 추가적인 고정층과 추가적인 비자기 스페이서층 사이의 추가적인 삽입층도 제공될 수 있다. 따라서, 전술한 몇몇 실시예에 따른 방법, 시스템, 및 장치는 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
도 7은 몇몇 실시예에 따른 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 고-결정화온도 구성요소를 포함하는 적어도 하나의 삽입층을 포함하는 자기 메모리에서 사용가능한 자기 접합을 제공하는 방법에 대한 예시적인 순서도이다. 간략화를 위해, 일부 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 결합될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에 따른 방법(300)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계가 수행된 후에 시작될 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 방법(300)은 또한, 하나의 자기 접합을 형성하는 관점에서 설명된다. 몇몇 실시예에 따른 방법(300)은 또한, 자기 접합(100A'')과 관련하여 설명된다. 그러나, 자기 접합(100A, 100A', 100B, 100C, 100D, 100D', 및/또는 100E)과 같은 다른 자기 접합이 형성될 수 있다.
고정층(110)이 제공된다(302). 고정층(110)은 자성이고, 적어도 자기 접합이 동작하는 일부 동안은, 특정 방향으로 자화가 고정될 수 있다. 고정층(110)은 코발트와, 이리듐 및 플래티늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단계 302에서 형성되는 고정층(110)은 단일 층이거나 다중 층일 수 있다. 단계 302에서 형성되는 고정층(110)은 평면 외부로의 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 기준층은 평면에 수직인 방향으로 배향된 자기 모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 단계 302는 코발트/플래티늄 다중층, 코발트/이리듐 다중층, 또는 두 다중층 모두를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
단계 302는 씨드층(102) 상에 고정층(110)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 씨드층(102)은 다양한 목적을 위해 선택될 수 있다. 다양한 목적은 원하는 고정층의 결정 구조, 자기 이방성, 및/또는 고정층(110)의 다른 자기적 특성을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 고정층(110)은 (100) 결정질 MgO 층과 같은 씨드층(102) 상에 제공되어, 고정층(110)의 수직 자기 이방성을 촉진시킬 수 있다. 상부 고정 자기 접합이 형성되는 경우, 단계 302는 생략되거나 단계들의 순서를 변경하여 자유층(150)이 기판(101)에 더 가깝도록 형성할 수 있다.
적어도 하나의 고-결정화온도 물질을 포함하는 삽입층이 제공된다(304). 예를 들어, 삽입층(120A)이 단계 304에서 형성될 수 있다. 고-결정화온도 물질은 하프늄과 같이 비자성일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계 304는 코발트와 같은 적어도 하나의 자기 물질을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 단계 304에서, 고-결정화온도 물질과 자기 물질이 적어도 부분적으로 혼합되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 코발트-하프늄과 같은 물질의 합금이 제공될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 코발트/하프늄 이중 층이 형성될 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 단계 304는 고전력으로 하프늄을 스퍼터링하여 코발트와 하프늄의 계면 주변에서 혼합되도록 할 수 있다. 예를 들어, 적어도 200와트 이상의 전력이 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 삽입층의 증착이 완료된 후 어닐링을 제공할 수 있다. 삽입층(120A) 역시 단계 304에서 어닐링될 수 있다.
수직 강화층이 제공될 수 있다(306). 예를 들어, 수직 강화층(130)이 단계 306에서 형성될 수 있다. 수직 강화층은 높은 스핀 분극 물질을 포함할 수 있고, 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 예를 들어, a (CoFe)(1-x)Bx 층 및/또는 Fe(1-x)Bx 층이 형성될 수 있다. 여기에서 0.2 ≤ x ≤ 0.6 이다. 몇몇 실시예에서 단계 306은 수직 강화층(130E)을 형성할 수 있다.
비자기 스페이서층(140)이 제공될 수 있다(308). 단계 308에서 형성되는 비자기 스페이서층(140)은 수직 강화층(130)과 인접할 수 있고, 다른 층들에 의해 수직 강화층(130)으로부터 분리될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 결정질 MgO 터널링 장벽이 형성될 수 있다. 단게 308은 MgO를 증착하는 것을 포함하여, 터널링 장벽을 형성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계 308은 예를 들어, 고주파(RF) 스퍼터링을 이용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 금속 Mg가 증착될 수 있고, 이후 단계 308에서 산화되어 Mg의 자연 산화물을 제공할 수 있다. MgO 장벽 층/비자기 스페이서층은 다른 방식으로도 형성될 수 있다. 단계 308은 자기 접합의 증가된 터널링 자기 저항(TMR)을 위해 결정질 MgO 터널링 장벽을 (100) 배향으로 제공하기 위해, 이미 형성된 자기 접합의 일부를 어닐링하는 것을 포함할 수 있다.
자유층(150)이 제공된다(310). 단계 310은 자유층에 대한 물질을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 단계 310에서 제공된 자유층(150)은 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가질 수 있다. 자유층의 자기 모멘트는 따라서, 평면에 수직 방향을 포함하는 평면 외부 방향으로 안정할 수 있다. 또한, 수직 강화층은 자유층(150)의 부분으로서 제공될 수 있다. 또한, 수직 강화층은 자유층(150)에 추가하여 제공될 수 있다. 단계 310에서 제공되는 자유층(150)은 쓰기 전류가 자기 접합을 통과할 때 안정한 자기 상태 사이에서 스위치 될 수 있다. 따라서, 자유층(150)은 스핀 트랜스퍼 토크를 이용하여 스위치 가능할 수 있다. 단계 310에서 제공되는 자유층(150)은 자성이고, 구동 온도에서 열적으로 안정하다.
추가적인 비자기 스페이서(160)이 선택적으로 제공될 수 있다(312). 단계 312는 단계 308과 유사할 수 있다. 그러나, 터널링 장벽층의 두께는 일반적으로 다르다.
추가적인 수직 강화층(170)이 선택적으로 제공될 수 있다(314). 추가적인 수직 강화층(170)은 수직 강화층(130, 130E)과 유사할 수 있다. 추가적인 기준층(180)이 선택적으로 제공될 수 있다(316). 몇몇 실시예에서 단계 316은 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및/또는 몰리브데넘(Mo) 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 삽입층(120A)과 같은 삽입층이 제공될 수 있다. 추가적인 고정층(190)이 선택적으로 제공될 수 있다(318). 듀얼 자기 접합이 필요한 경우, 단계 312, 314, 316, 및 318의 일부 또는 전부가 수행될 수 있다. 장치의 제조가 완료된다(320). 예를 들어, 캡핑층(104)이 증착될 수 있고, 자기 접합의 에지(edge)는 예를 들어, 증착된 층 상에 마스크를 제공하고 층의 노출된 부분을 이온 밀링(ion milling)하여 형성될 수 있다. 층들이 제공되는 것으로 설명하였지만, 몇몇 실시예에서, 단계들(302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316 및 318)은 자기 접합 스택(stack)에 층들을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 자기 접합의 에지는 자기 접합의 모든 층들이 증착된 후에 정의될 수 있다. 컨택 및 도전선과 같은 추가적인 구조도 자기 접합이 이용되는 장치에 대해 형성될 수 있다. 이후, 자기 접합의 제조가 완료될 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 방법(300)을 이용하여, 고온의 어닐링을 이용함에도 불구하고, 개선된 성능을 갖는 자기 접합이 제공될 수 있다. 그러므로, 몇몇 실시예에 따른 방법(300)은 높은 수직 자기 이방성, 자기적으로 안정한 고정층 및 개선된 성능을 갖는 자기 접합의 제조 방법을 제공한다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 자기 장치에서 이용 가능한 자기 접합의 일부를 제공하는 방법(330)을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다. 조금 더 구체적으로, 몇몇 실시예에 따른 방법(330)은 고-결정화 온도 물질을 포함하는 삽입층을 형성하는데 이용된다. 단순화를 위해, 몇몇 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하위 단계 및/또는 결합된 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 방법(330)은 단일 자기 접합의 관점에서 설명되었지만, 다중 자기 접합에도 이용될 수 있다. 단순화를 위해, 몇몇 실시예에 따른 방법(330)은 자기 접합(100C)와 관련하여 설명된다. 그러나 몇몇 실시예에 따른 방법(330)은 다른 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100B, 100D, 100D', 및/또는 100E) 중 임의의 자기 접합에 대해서도 이용될 수 있다.
삽입층(120C)에 대한 코발트 층(122)이 증착된다(332). 비록 몇몇 실시예에 따른 방법(300)의 일부로서 도시하였으나, 단계 332에서 제공되는 코발트 층(122)은 고정층(110)에 이용되는 코발트/플래티늄 다중층의 상부 층을 형성하는데 이용될 수 있다. 고정층(110)의 상부층이 코발트 층인 경우, 더 얇은 코발트 층이 증착되거나, 단계 332가 생략될 수 있다. 적어도 하나의 고-결정화온도 비자기 물질이 증착된다(334). 단계 334는 하프늄을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 하프늄 층이 단계 334에서 증착되어, 적어도 부분적으로 코발트와 하프늄이 혼합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는 하프늄을 고전력으로 증착하여 도달할 수 있다. 예를 들어, 적어도 200와트의 전력의 스퍼터링이 이용될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 혼합을 위해 다른 메커니즘이 이용될 수 있다.
급속 열 어닐링(RTA: Rapid Thermal Annealing)과 같은 어닐링이 선택적으로 수행될 수 있다(336). 어닐링이 수행되는 경우, 급속 열 어닐링은 이후의 층들이 증착되기 전에 완료될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 급속 열 어닐링은 섭씨 100도 내지 450도에서 수행될 수 있다. 급속 열 어닐링이 수행되는 시간은 30분 미만일 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 방법(330)을 이용하여, 고온의 어닐링을 견디는 자기 접합의 능력이 향상시키는 삽입층이 제조된다. 따라서, 몇몇 실시예에 따른 방법(330)을 통해, 고정층의 성능을 개선시켜, 자기 장치에 보다 용이하게 이용될 수 있는 자기 접합을 제조할 수 있다.
도 9는 다른 몇몇 실시예에 따른 자기 장치에서 이용 가능한 자기 접합의 일부를 제공하기 위한 방법(330')을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다. 조금 더 구체적으로, 몇몇 실시예에 따른 방법(330')은 고-결정화온도 물질을 포함하는 삽입층을 형성하는데 이용된다. 단순화를 위해, 몇몇 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하위 단계들 및/또는 조합된 단계들을 포함할 수 있다. 비록 도 9는 단일(single) 자기 접합의 관점에서 설명되었지만, 다중 자기 접합에도 이용될 수 있다. 단순화를 위해, 몇몇 실시예에 따른 방법(330')은 자기 접합(100B)와 관련하여 설명된다. 그러나, 몇몇 실시예에 따른 방법(330')은 다른 자기 접합(100A, 100A', 100A'', 100C, 100D, 100D', 및/또는 100E) 중 임의의 자기 접합에 대해 이용될 수 있다.
합금 삽입층(120B)이 증착된다(332'). 고-결정화온도 비자기 재료 및 자기 재료가 단계 332' 에서 증착될 수 있다. 단계 332'는 하프늄 및 코발트를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 하프늄과 코발트를 증착하여, 삽입층(120B)에서 원하는 화학 양론을 제공한다.
급속 열 어닐링(RTA)와 같은 어닐링이 선택적으로 수행될 수 있다(336). 이러한 급속 열 어닐링(RTA)은 이후의 층들이 증착되기 전에 수행될 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 방법(330')을 이용하여, 고온의 어닐링을 견디는 자기 접합의 능력을 향상시키기 위한 삽입층이 제조될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에 따른 방법(330')은 고정층의 성능이 개선되고, 자기 장치에 보다 용이하게 이용될 수 있는 자기 접합의 제조 방법을 제공한다.
자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템, 및 자기 접합을 이용하여 제조된 메모리가 설명되었다. 본 방법 및 시스템은 몇몇 실시예에 따라 설명되었으며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 몇몇 실시예에 대한 변형이 있을 수 있음을 쉽게 인식할 수 있을 것이며, 임의의 변형은 본 방법 및 시스템의 기술적 사상 및 범위 내에 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 있을 수 있다.
110, 110D, 110D': 고정층(pinned layer)
120A, 120B, 120C, 120D, 120E: 삽입층(insertion layer)
130, 130E: 수직 강화층(PEL)
140: 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)
150: 자유층(free layer)

Claims (20)

  1. 기판 상에 제공되고, 자기 장치(magnetic device)에서 이용할 수 있는 자기 접합(magnetic junction)으로서,
    고정층(pinned layer);
    적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer);
    수직 강화층(perpendicular enhancement layer);
    비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer); 및
    자유층(free layer)을 포함하되,
    상기 삽입층은 상기 고정층과 상기 수직 강화층 사이에 제공되고,
    상기 수직 강화층은 상기 삽입층과 상기 비자기 스페이서층 사이에 제공되고,
    상기 비자기 스페이서층은 상기 수직강화층과 상기 자유층 사이에 제공되고,
    상기 자유층은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고,
    상기 자유층, 상기 수직 강화층, 및 상기 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는 자기 접합.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 물질은 코발트(Co)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질은 하프늄(Hf)을 포함하고, 상기 고정층은 플래티늄(Pt)과 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 삽입층은 이중층(bilayer) 및 합금층(alloy layer) 중 하나를 포함하되,
    상기 이중층은 코발트(Co) 층 및 하프늄(Hf) 층을 포함하고,
    상기 코발트(Co) 층은 상기 하프늄(Hf) 층과 상기 고정층 사이에 제공되고,
    상기 합금층은 CoyHf(1-y)를 포함하되, 0 < y ≤ 0.7인 자기 접합.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이중층의 상기 하프늄(Hf) 층의 두께는 적어도 1Å이고, 상기 하프늄(Hf) 층의 두께는 5Å보다 작고,
    상기 이중층의 상기 코발트(Co) 층의 두께는 적어도 4Å이고, 상기 코발트(Co) 층의 두께는 10Å보다 작은 자기 접합.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 삽입층의 일부는 코발트(Co)와 하프늄(Hf)이 혼합된 영역을 포함하는 자기 접합.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 비자기 스페이서층은 결정질 터널링 장벽층(crystalline tunneling barrier layer)을 포함하는 자기 접합.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고정층은 제1 다중층, 제2 다중층, 및 제3 다중층 중 하나를 포함하되,
    상기 제1 다중층은 적어도 하나의 코발트(Co)/플래티늄(Pt) 이중층(bilayer)을 포함하고,
    상기 제2 다중층은 적어도 하나의 코발트(Co)/이리듐(Ir) 이중층을 포함하고,
    상기 제3 다중층은 상기 제1 다중층 및 상기 제1 다중층보다 상기 삽입층과 인접한 상기 제2 다중층을 포함하는 자기 접합.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 추가 삽입층은 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및 몰리브데넘(Mo) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 수직 강화층은 (CoFe)(1-x)Bx 와 Fe(1-x)Bx 중 적어도 하나를 포함하되, 0.2 ≤ x ≤ 0.6인 자기 접합.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 수직 강화층은 제1 강자성층(ferromagnetic layer), 추가 삽입층(additional insertion layer), 및 제2 강자성층을 포함하되,
    상기 제1 강자성층은 상기 추가 삽입층과 상기 삽입층 사이에 제공되고,
    상기 추가 삽입층은 상기 제1 및 제2 강자성층 사이에 제공되고,
    상기 제1 강자성층은 (CoFe)(1-x)Bx 및 Fe(1-x)Bx 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  11. 제 1항에 있어서,
    추가 비자기 스페이서층; 및
    추가 기준층을 더 포함하되,
    상기 추가 비자기 스페이서층은 상기 자유층과 상기 추가 기준층 사이에 제공되고,
    상기 자기 접합은 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)인 자기 접합.
  12. 복수의 자기 저장 셀(magnetic storage cell); 및
    상기 복수의 자기 저장 셀과 커플링된 복수의 비트 라인(bit line)을 포함하되,
    상기 복수의 자기 저장 셀 각각은, 고정층(pinned layer), 적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer), 수직 강화층(perpendicular enhancement layer), 비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer), 및 자유층(free layer)을 포함하되,
    상기 삽입층은 상기 고정층과 상기 수직 강화층 사이에 제공되고, 상기 수직 강화층은 상기 삽입층과 상기 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 상기 비자기 스페이서층은 상기 수직강화층과 상기 자유층 사이에 제공되고, 상기 자유층은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 상기 자유층, 상기 수직 강화층, 및 상기 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는 자기 메모리.
  13. 자기 장치(magnetic device)에 이용되는 자기 접합(magnetic junction)의 제공 방법으로서,
    고정층(pinned layer)을 제공하고,
    적어도 하나의 자기 물질(magnetic material) 및 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질(high crystallization temperature nonmagnetic material)을 포함하는 삽입층(insertion layer)을 제공하고,
    수직 강화층(perpendicular enhancement layer)을 제공하고,
    비자기 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 제공하고,
    자유층(free layer)을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 삽입층은 상기 고정층과 상기 수직 강화층 사이에 제공되고, 상기 수직 강화층은 상기 삽입층과 상기 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 상기 비자기 스페이서층은 상기 수직강화층과 상기 자유층 사이에 제공되고, 상기 자유층은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 복수의 안정된 자기 상태(magnetic state) 사이에서 스위칭 가능하고, 상기 자유층, 상기 수직 강화층, 및 상기 고정층 각각은 평면 외부로의 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 갖는 자기 접합 제공 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 물질은 코발트(Co)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고 결정화온도 비자기 물질은 하프늄(Hf)을 포함하고, 상기 고정층은 플래티늄(Pt)과 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 삽입층을 제공하는 것은,
    이중층(bilayer) 및 합금층(alloy layer) 중 하나를 제공하는 것을 포함하되,
    상기 이중층은 코발트(Co) 층 및 하프늄(Hf) 층을 포함하고, 상기 코발트(Co) 층은 상기 하프늄(Hf) 층과 상기 고정층 사이에 제공되고, 상기 합금층은 CoyHf(1-y)를 포함하되, 0 < y ≤ 0.7인 자기 접합 제공 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 삽입층을 제공하는 것은 고전력으로 하프늄(Hf)을 스퍼터링(sputtering)하는 것을 포함하는 자기 접합 제공 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 고전력은 적어도 200와트인 자기 접합 제공 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 삽입층을 제공하는 것은 상기 삽입층의 증착이 완료된 후에 적어도 섭씨 350도 이상의 온도에서 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함하는 자기 접합 제공 방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 고정층은 제1 다중층, 제2 다중층, 및 제3 다중층 중 하나를 포함하되, 상기 제1 다중층은 적어도 하나의 코발트(Co)/플래티늄(Pt) 이중층(bilayer)을 포함하고, 상기 제2 다중층은 적어도 하나의 코발트(Co)/이리듐(Ir) 이중층을 포함하고, 상기 제3 다중층은 상기 제1 다중층 및 상기 제1 다중층보다 상기 삽입층과 인접한 상기 제2 다중층을 포함하는 자기 접합 제공 방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 수직 강화층은 제1 강자성층(ferromagnetic layer), 추가 삽입층(additional insertion layer), 및 제2 강자성층을 포함하되, 상기 제1 강자성층은 상기 추가 삽입층과 상기 삽입층 사이에 제공되고, 상기 추가 삽입층은 상기 제1 및 제2 강자성층 사이에 제공되고, 상기 제1 강자성층은 (CoFe)(1-x)Bx 및 Fe(1-x)Bx 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 추가 삽입층은 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 및 몰리브데넘(Mo) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 강자성층은 상기 추가 삽입층 및 상기 비자기 스페이서층 사이에 제공되고, 상기 제2 강자성층은 [(CoFe)(1-x)Bx](1-η)Moy 를 포함하되, x ≤ 0.6, y = 0.4, 및 η > 0인 자기 접합 제공 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    추가 비자기 스페이서층을 제공하고,
    추가 기준층을 제공하는 것을 더 포함하되,
    상기 추가 비자기 스페이서층은 상기 자유층과 상기 추가 기준층 사이에 제공되고, 상기 자기 접합은 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)인 자기 접합 제공 방법.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11522126B2 (en) * 2019-10-14 2022-12-06 Applied Materials, Inc. Magnetic tunnel junctions with protection layers

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140081714A (ko) * 2012-12-20 2014-07-01 삼성전자주식회사 개선된 분극 강화막 및 높은 pma막을 갖는 자기 접합들을 제공하기 위한 방법 및 시스템
KR20150016162A (ko) * 2013-08-02 2015-02-11 삼성전자주식회사 패키지 구조체를 포함하며 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용될 수 있는 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9082951B2 (en) 2011-02-16 2015-07-14 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with perpendicular enhancement layer
US20120104522A1 (en) * 2010-11-01 2012-05-03 Seagate Technology Llc Magnetic tunnel junction cells having perpendicular anisotropy and enhancement layer
US8710602B2 (en) * 2011-12-20 2014-04-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions having improved characteristics
US8890267B2 (en) * 2012-12-03 2014-11-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions having a graded magnetic free layer
US9130155B2 (en) * 2013-03-15 2015-09-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having insertion layers and magnetic memories using the magnetic junctions
KR102099879B1 (ko) 2013-05-03 2020-04-10 삼성전자 주식회사 자기 소자
US9373781B2 (en) * 2013-11-12 2016-06-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Dual perpendicular magnetic anisotropy magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
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
US9236564B2 (en) * 2013-12-11 2016-01-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing an engineered magnetic layer including Heusler layers and an amorphous insertion layer
US9479730B1 (en) 2014-02-13 2016-10-25 Steelcase, Inc. Inferred activity based conference enhancement method and system
US9508924B2 (en) * 2014-07-03 2016-11-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing rare earth magnetic junctions usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
US20160005791A1 (en) * 2014-07-03 2016-01-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a thin pinned layer in a perpendicular magnetic junction usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
US9818931B2 (en) * 2015-01-05 2017-11-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions using thermally assisted spin transfer torque switching
KR102384258B1 (ko) * 2015-06-26 2022-04-07 인텔 코포레이션 감소된 스위칭 전류를 갖는 수직 자기 메모리
US9825216B2 (en) 2015-10-16 2017-11-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor memory device
US9966901B2 (en) * 2015-11-19 2018-05-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Spin-torque oscillator based on easy-cone anisotropy
US9917249B2 (en) * 2016-03-09 2018-03-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a magnetic junction usable in spin transfer torque applications and including a magnetic barrier layer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140081714A (ko) * 2012-12-20 2014-07-01 삼성전자주식회사 개선된 분극 강화막 및 높은 pma막을 갖는 자기 접합들을 제공하기 위한 방법 및 시스템
KR20150016162A (ko) * 2013-08-02 2015-02-11 삼성전자주식회사 패키지 구조체를 포함하며 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용될 수 있는 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템

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