KR20190116038A

KR20190116038A - 스핀 전달 토크의 애플리케이션에 의해 스위칭될 수 있는 호이슬러 화합물의 고도로 텍스처링된 박막 형성용 템플레이팅층

Info

Publication number: KR20190116038A
Application number: KR1020180125254A
Authority: KR
Inventors: 정재우; 마헤시 지. 사만트; 스튜어트 에스.피. 파킨; 야리 페란테
Original assignee: 삼성전자주식회사; 인터내셔널 비즈니스 머신즈 코오퍼레이션
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2019-10-14
Also published as: US10651234B2; CN110350082A; KR102597922B1; US20190305040A1

Abstract

장치가 제공된다. 장치는 기판, 상기 기판 상의 Mn_xN 층으로, 2 = x ≤= 4.75이고, 실온에서 비자기인 다층 구조체로서, 상기 구조체는 코발트(Co) 및 E의 교번층(alternating layers)을 포함하고, 상기 E는 알루미늄(Al)을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고, 상기 구조체의 조성은 Co₁ _- _yE_y로 표시되고, y는 0.45 내지 0.55의 범위이고, 및 호이슬러 화합물(Heusler compound)을 포함하고, 상기 구조체와 접촉하고, 자기 터널 접합부의 일부를 형성하는 제1 자기층을 포함한다.

Description

스핀 전달 토크의 애플리케이션에 의해 스위칭될 수 있는 호이슬러 화합물의 고도로 텍스처링된 박막 형성용 템플레이팅층{TEMPLATING LAYERS FOR FORMING HIGHLY TEXTURED THIN FILMS OF HEUSLER COMPOUNDS SWITCHABLE BY APPLICATION OF SPIN TRANSFER TORQUE}

본 발명은 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic random access memory, MRAM)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀 전달 토크(spin transfer torque)에 의존하는 MRAM 장치에 관한 것이다.

자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction, MTJ)는 고성능 및 내구성을 보장하는 신규한 비휘발성 자기 랜덤 액세스 메모리(non-volatile magnetic random access memory, non-volatile MRAM)의 기본 메모리 소자를 형성하고, 또한 매우 작은 크기로 스케일링 될 수 있는 잠재력을 갖는다. 자기 터널 접합부(MTJ)는 초박막(ultra-thin)형 절연층에 의해 분리된 두 개의 자기 전극의 샌드위치로 구성된다. 이들 층 중 하나는 메모리 또는 저장층을 형성하고, 다른 층은 자기 구조가 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 동작 중에 변경되지 않는 기준층을 형성한다. 기준 자기 메모리 전극과 메모리 자기 전극 사이의 터널 전류는 스핀-분극된다(spin-polarized). 스핀 분극의 크기는 자기 전극의 전자 특성 및 터널 베리어의 "스핀 필터링(spin-filtering)"특성의 조합에 의해 결정된다.

현재의 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)에서, 자기 터널 접합부(MTJ)의 자기 상태는, 메모리층을 형성하는 전극의 자화가 기준 전극의 자화와 평행 또는 역평행 하든지 간에, 자기 터널 접합부(MTJ)를 통해 전류를 통과시킴으로써 변경된다. 본질적으로 스핀-분극된 전류는 스핀 각 운동량(spin angular momentum)을 전달하며, 임계 전류가 초과되면 자기 메모리 전극 모멘트의 방향이 전환된다. 이러한 스핀 각 운동량의 전달은 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT)를 가하고, 이러한 방법으로 스위칭된 자기 메모리 전극은 스핀 전달 토크 - 자기 랜덤 액세스 메모리(spin transfer torque - magnetic random access memory, STT-MRAM)라고 한다. 스위칭 전류의 크기는 전극의 자화가 층에 수직으로 배향될 때 감소된다. 이러한 전류의 크기는 기록 전류를 제공하기 위해 사용되는 트랜지스터의 크기에 의해 제한된다. 이것은 스위칭 가능한 자기 전극(메모리 전극)의 두께가 가용 전류에 의해 스위칭될 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다는 것을 의미한다. 따라서 ~ 1000 emu/cm³의 자화 값에서 전극은 약 1nm를 초과하지 않는 두께를 가져야 한다.

고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)을 위한 자기 터널 접합부(MTJ)에 대해 오늘날 탐구되고 있는 가장 유망한 물질은 코발트(Co), 철(Fe) 및 붕소(B)의 합금으로 형성된 강자성 전극 및 MgO로 형성된 터널 베리어를 포함한다(Parkin 특허 참조). 강자성 전극은 이들 전극의 자화가 이들 층에 수직으로 배향될 만큼 충분히 얇게 제조된다. 코발트(Co)-철(Fe)-붕소(B) 층의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)은 이들 층과 터널 베리어 및 / 또는 코발트(Co)-철(Fe)-붕소(B) 층이 증착되는 하부층 사이의 계면으로부터 발생한다. 따라서, 이들 층은 충분히 얇게 만들어져야만 하기 때문에, 경계면 수직 자기 이방성(PMA)은 자기 볼륨에서 발생하고 코발트(Co)-철(Fe)-붕소(B) 층의 자기 볼륨에 비례하여 증가하는 소자 에너지를 극복해야 한다. 실제적으로 이것은 수직 자기 이방성(PMA)이 너무 약해서 장치 크기가 ~ 20nm 미만으로 줄어들 때 열 변동을 극복할 수 없다는 것을 의미한다. 이것은 자기층의 두께가 자기 모멘트를 직각을 유지하고 적당한 전류 밀도로 자기층을 스위칭하는데 필요한 것보다 낮게 유지하는데 필요한 것보다 낮아야 하기 때문이다. 지금까지 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자에서 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT)에 의해 자기 모멘트가 스위칭될 수 있는 자기 물질은 계면, 형상 또는 이방성이 없었다. 이러한 물질은 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자를 ~ 20 nm 이하의 크기로 스케일링 할 수 없다. 필요한 것은 코발트(Co)-철(Fe)-붕소(B)에 의해 나타나는 것보다 훨씬 더 큰 수직 자기 이방성(PMA)을 나타내고, 바람직하게는 수직 자기 이방성(PMA)이 전극의 부피 또는 벌크로부터 발생하는 강자성 전극에 대한 새로운 물질이다. 이러한 특성을 갖는 유망한 종류의 자기 물질은 호이슬러 화합물(Heusler compound)이다. 호이슬러 화합물 합금 1은 화학식 X₂YZ 또는 X'X''YZ를 갖는 화합물이며, 여기서 X, X', X'' 및 Y는 전이 금속 또는 란타니드(lanthanides)(희토류 금속)이고, Z는 주금속이다. 호이슬러 화합물은 Cu₂MnAl(Pearson Table에 정의됨) 유형의 구조를 가지며, 여기서 소자는 4개의 상호 면심 입방(face-centered cubic, fcc) 격자 상에 배치된다. 이러한 계열에는 많은 화합물(~ 800)이 알려져 있습니다(T. Graf 외, Progress in Sol. State Chem. 39, 1 (2011)). 이러한 화합물 중 일부는 X 및 / 또는 Y 위치의 자기 모멘트로 인해 강자성 또는 페리자성이다. 또한, 호이슬러 화합물은 입방체이고 현저한 자기 이방성을 나타내지만, 이들 화합물 중 일부의 구조는 사방 정계로 왜곡되어 있는 것으로 밝혀졌다: 이러한 왜곡으로 인해 이들 화합물에 의해 나타나는 자화는 양호하게는 정방 정축을 따라 정렬될 수 있다. 따라서, 그러한 물질로 형성된 박막은 정방 왜곡 구조와 관련된 자기 결정 이방성으로 인하여 수직 자기 이방성(PMA)을 나타낼 수 있다. 이러한 정방형 호이슬러 화합물의 몇몇 공지된 예는 Mn₃Z(여기서, Z는 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb) 또는 Mn₂CoSn이다)이다. 현재까지 전도성 하부층을 사용하는 Si / SiO₂ 기판상의 호이슬러 합금으로 형성된 자기 전극의 두께는 1 nm의 두께를 훨씬 초과한다. 지금까지 가장 얇은 층은 5 nm만큼 얇은 층이 수직 자기 이방성(PMA) 및 합리적으로 스퀘어 자기 히스테리시스 루프(square magnetic hysteresis loops)를 나타내는 호이슬러 화합물 Mn₃Ge에 대한 것이다. 화학적 템플레이팅층(chemical templating layer, CTL)에서 성장한 큰 수직 자기 이방성(PMA)을 나타내는 이러한 물질의 초박막(~ 1 nm 두께)은 MgO(100)와 같은 단결정 기판의 사용 또는 Si / SiO₂ 기판상의 MgO 시드층의 사용을 필요로 했다. 이러한 단결정 기판 또는 시드층의 일부로서의 MgO의 사용은 다결정 또는 비정질의 다른 층들에 의해 덮일 수 있는 다결정 구리로부터 오늘날의 CMOS 기반의 기술로 형성된 와이어 상에 자기 터널 접합부(MTJ)가 증착되어야 하는 스핀 전달 토크 - 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM) 애플리케이션에 유용하지 않다. 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)를 위한 스핀 전달 토크(STT)에 의해 스위칭 가능한 자기 전극으로서 초박막형 정사각형의 호이슬러 화합물을 사용할 수 있기 위해서는 비정질 또는 다결정 기판 또는 층 상에 이들 화합물을 형성하는 방법이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 호이슬러 화합물이 고도로 텍스처링된 박막 형성용 템플레이팅층을 통해 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

장치 및 장치를 제조하는 방법이 설명된다. 장치는 기판, 상기 기판 상의 Mn_xN 층, 실온에서 비자기인 다층 구조체 및 제1 자기층을 포함한다. 상기 Mn_xN 층은 2 ≤ x ≤ 4.75를 갖는다. 상기 구조체는 코발트(Co) 및 E의 교번층(alternating layers)을 포함하고, 상기 E는 알루미늄(Al)을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함한다. 상기 구조체의 조성은 Co₁ _- _yE_y로 표시되고, y는 0.45 내지 0.55의 범위이다. 상기 제1 자기층은 호이슬러 화합물(Heusler compound)을 포함한다. 상기 제1 자기층은 상기 구조체와 접촉하고, 자기 터널 접합부의 일부를 형성한다.

도 1은 스퍼터 가스(sputter gas)에서 상이한 N₂ 함량으로 성장된 Mn-질화물 층에 대한 RBS에 의해 결정된 Mn : N의 비율을 나타낸다.
도 2는 상이한 온도에서 성장된 Mn₄N 층로부터 측정된 제곱 평균 제곱근 거칠기(root mean square roughness, r_rms)를 나타낸다.
도 3은 Mn / N 비율의 함수로서의 제곱 평균 제곱근 거칠기, r_rms 및 MnN 층의 저항률을 나타낸다.
도 4는 300 Å Mn_xN 층의 면-외(Out-of-plane) x-선 회절 θ-2θ 스캔을 나타내고, x = 1, 2, 3, 3.76, 4 및 4.75이다.
도 5는 도 4에 도시된 XRD 데이터로부터 결정된 Mn_xN 층의 면-외 격자 상수를 나타낸다.
도 6은 300 Å Mn_xN / 300 Å CoAl 층들의 x-선 회절 θ-2θ 스캔을 나타내고, x = 1, 2, 3, 3.76, 4 및 4.75이다.
도 7은 증착된 상태 및 300 Å Mn_xN / 300 Å CoAl 층들 상에 실온에서 증착된 10 Å Mn₃Sb 호이슬러 화합물로부터 30 분 동안 300 ℃에서 어닐링 한 후 측정한 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타내고, x = 1, 2, 3, 3.76, 4 및 4.75이다.
도 8은 1T의 적용된 필드에서 30 분 동안 300 ℃, 350 ℃ 및 400 ℃에서 증착된 상태 및 순차적 어닐링 후에 Mn₃Ge 호이슬러 화합물의 다양한 두께에 대해 P-MOKE 히스테리시스 루프의 항자기성(Coercivity)을 측정한 것을 나타낸다.
도 9는 CIPT 기판 상에 증착된 전형적인 자기 터널 접합부(MTJ) 소자의 스택의 개략도이다.
도 10은 도 9에서 설명된 스택에 대해 측정된 VSM 히스테리시스 루프를 도시한다.
도 11은 소자 영역 대 자기 터널 접합부(MTJ) 소자 컨덕턴스의 플롯이다. 실선은 컨덕턴스 데이터에 대한 선형 최소 제곱 피트를 나타낸다.
도 12는 좌측의 삽입 도면에 도시된 대표적인 자기 터널 접합부(MTJ) 소자의 횡단면도의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 이미지이다. 우측 하단의 인세트는 상자 내의 영역의 확대도이다.
도 13은 110nm(공칭)의 직경을 갖는 자기 터널 접합부(MTJ) 소자에 대한 저항(R) 대 인가된 필드(H)의 관계를 도시한다.
도 14는 도 12에서 사용된 동일한 자기 터널 접합부(MTJ) 소자에 대한 저항(R) 대 바이어스 전압을 도시한다. 우측 도식은 소자에 대한 전기적 연결을 나타낸다.
도 15는 전압 펄스의 나노 초 단위의 지속 기간의 함수로서 스위칭의 측정된 확률을 도시한다. 우측의 회로도는 소자에 대한 전기 연결을 설명한다.
도 16은 전압 펄스의 지속 시간 대 스위칭 시간(좌측의 플롯)을 도시한다. 스위칭 전류에 대한 전압 펄스 지속 시간의 역수의 의존성은 우측에 표시된다.

예시적인 실시예는 자기 메모리와 같은 자기 장치들에 사용 가능한 자기 접합부 및 이러한 자기 접합부를 사용하는 장치에 관한 것이다. 자기 메모리는 스핀 전달 토크 - 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM), 스핀 - 궤도 커플링 토크(spin-orbit coupling torque, SOT) 메모리를 포함할 수 있으며, 비휘발성 메모리를 사용하는 전자 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부, 특히 스핀 전달 토크(STT) 또는 스핀 - 궤도 커플링 토크(SOT) 프로그램 가능한 자기 접합부를 포함하는 다른 장치는 로직, 신경망 컴퓨팅 셀(neuromorphic computing cells) 및 기타 디바이스를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 전기 장치는 핸드폰, 스마트폰, 테블릿, 랩탑 및 기타 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이하 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며 특허 출원과 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들 및 그에 대한 원리 및 형태들의 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정한 실시예에 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들로 기술되었다. 하지만, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실시에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시 예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이다. 하지만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성 들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있다. 하지만, 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖거나 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정할 의도가 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "포함하는(comprises)", "갖는(having)", 및 "포함하는(containing)"은 다른 언급이 없는 한 존재를 배제하지 않는 용어(즉, "포함하지만 이에 국한되지 않는"을 의미함)로 해석되어야 한다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서와 관련하여 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의되지 않은 이상 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다.

장치 및 장치를 제조하는 방법이 설명된다. 장치는 기판, 상기 기판 상의 Mn_xN 층, 실온에서 비자기인 다층 구조체 및 제1 자기층을 포함한다. 상기 Mn_xN 층은 2 = x ≤= 4.75를 갖는다. 상기 구조체는 코발트(Co) 및 E의 교번층(alternating layers)을 포함하고, 상기 E는 알루미늄(Al)을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함한다. 상기 구조체의 조성은 Co₁ _- _yE_y로 표시되고, y는 0.45 내지 0.55의 범위이다. 상기 제1 자기층은 호이슬러 화합물(Heusler compound)을 포함한다. 상기 제1 자기층은 상기 구조체와 접촉하고, 자기 터널 접합부의 일부를 형성한다.

호이슬러 화합물은 공간 그룹 대칭 L2₁(또는 그들이 정사각형으로 왜곡될 때 D0₂₂)에 의해 정의된 고유한 구조를 형성한다. 호이슬러 화합물의 특성은 화합물을 구성하는 원소의 화학적 순서에 크게 좌우된다. 따라서, 고품질의 호이슬러 막을 제작하려면 일반적으로 고온 열처리가 필요하다. 예를 들어 실온보다 상당히 높은 온도에서의 증착 및 / 또는 고온(400 ℃ 이상)에서의 열처리가 필요하다. 이러한 고온은 자기 터널 접합부(MTJ) 스택 내의 다양한 층들 사이의 상호 확산을 야기하여 자기 터널 접합부(MTJ)의 열악한 성능을 초래하므로 피해야 한다. 최근에 비자기 화학 템플레이팅층을 사용하여 열 어닐링 공정 없이 증착될 수 있는 고도로 텍스처링되고 매우 매끄럽고 고품질의 호이슬러 화합물 박막이 공개됐다. 이러한 화학적 템플레이팅층은 바람직하게는 B1 구조의 Co-Ga 또는 Co-Ge 또는 Co-Sn 또는 Co-Al와 L1₀의 입방체 버전의 이원 합금으로 형성된다. 화학 템플레이팅층은 실온에서 증착될 수 있으며, 경우에 따라 실온(Co-Al) 또는 상당한 어닐링(annealing) 온도(Co-Ga 및 Co-Ge의 경우 400 ℃ 이상, Co-Sn의 경우 200-300 ℃)에서 화학적으로 정렬된다(즉, Co 및 Ga 또는 Ge 또는 Sn 또는 Al의 교번 원자층 형성). 우리는 이러한 템플레이팅층에 증착된 호이슬러 화합물의 초박막이 고도의 에피택셜, 화학적으로 우수한 품질의 자기적 특성 특히 수직 자기 이방성 및 정자기 히스테리시스 루프(제로 자기장에서 잔류 모멘트 포화 순간에 가까운)를 가진 고품질의 막임을 알게 되었다. 이것을 템플레이팅층의 B1 대칭과 호이슬러 층의 L2₁ 또는 D0₂₂ 대칭 사이의 유사성으로 간주한다. 호이슬러 화합물은 Mn₃ _.1- _xGe, Mn₃ _.1- _xSn 및 Mn₃ _.1- _xSb를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있고, x는 0 내지 1.1의 범위이다. 선택적으로, 호이슬러 화합물은 Mn₃ _.1- _xCo₁ _.1- _ySn(여기서, x ≤ 1.2 이고, y ≤ 1.0)과 같은 삼원 호이슬러 일 수 있다. 화학 템플레이팅층은 스위칭 전류가 자기 터널 접합부(MTJ) 소자를 통해 흐르기 때문에 스핀 전달 토크 - 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM) 애플리케이션에서의 실용성을 제한하는 시드층으로서 절연 MgO 층을 필요로 했다. 여기서 우리는 전도성인 Mn_xN(2.5 ≤ x ≤ 4)을 사용하여 스핀 전달 토크(STT)로 스위칭할 수 있는 자기 모멘트를 가진 초박막형 호이슬러 막의 성장을 허용하는 화학 템플레이팅층용 시드층으로 사용될 수 있음을 보여준다.

Mn-질화물 층은 전형적으로 약 1 × 10^-9 Torr의 베이스 압력을 갖는 초고(ultra-high) 진공 챔버에서 25 nm 두께의 열 산화된 SiO₂ 층을 갖는 Si 기판 상에 증착된다. Si 기판을 UV 오존 챔버에서 순차적으로 세정하여 흡착된 유기물을 제거하고, 탈 이온수 욕조에서 씻어서 수용성 오염 물질과 미립자를 제거하고, 뜨거운 IPA 증기에 노출시켜 물을 제거한 다음 ~ 60 ℃의 고온 질소로에서 건조시켰다. Mn-질화물 시드층은 3 × 10^-3 Torr의 가스 압력에서 Mn 금속 타겟으로부터의 Ar 및 질소의 가스 혼합물에서 반응성 직류 마그네트론(magnetron) 스퍼터링에 의해 증착된다. Mn-질화물 층 내의 Mn : N의 상대적 비율은 Ar과 N₂의 혼합물인 스퍼터링 가스의 N₂ 함유량을 조정함으로써 제어할 수 있다(도 1 참조). Mn-질화물 층의 조성은 그라파이트(graphite) 기판 상에 증착된 200 Å Mn-질화물 층의 일련의 러더포드 백스캐터링(Rutherford Backscattering, RBS)에 의해 측정되었고, 대기에 노출시 이들의 산화를 방지하기 위해 100 Å Pt로 캡핑된다. 질소보다 낮은 원자 번호를 갖는 원소인 탄소를 주로 함유하는 그라파이트 기판은 Mn-질화물 층의 질소 함량을 +/- 0.5 % 이내로 결정할 수 있다. 본 명세서에서 관심있는 조성을 갖는 MnN 층은 스퍼터링 가스의 N₂ 함량을 10 내지 20 %의 범위로 변화시킴으로써 얻어졌으며, 바람직한 조성은 Mn_xN이고, 2.5 ≤x ≤4이다. 선택적으로, MnN 타겟으로부터 스퍼터링에 의해 Mn-질화물을 성장시키는 것이 가능하다.

막의 거칠기는 초박막형 자기 전극 및 터널 베리어를 갖는 고품질 자기 터널 접합부(MTJ)를 얻기 위해 최소화되어야 하는 중요한 파라미터이다. 따라서 일련의 Mn₄N 층은 다양한 성장 온도에서 증착된 다음 주변 조건에 의한 Mn₄N 박막의 산화를 방지하기 위해 30 Å Ta 층으로 덮힌다. 이러한 일련의 막의 스택은 T_G = 실온, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃ 및 500 ℃에서 Si / 250 Å SiO₂ / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 300 Å Mn₄N / 30 Å Ta이다. 막의 거칠기는 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)으로 측정한다. 도 2는 다양한 성장 온도에 대한 제곱 평균 제곱근 거칠기(root mean squared roughness, RMS)를 도시한다. T_G ≤ 200 ℃에서 증착된 박막은 ~ 3 Å의 r_rms로 매우 매끄러운 표면을 나타낸다. 따라서 2.5 ≤ x ≤ 4의 Mn_xN 박막이 T_G ≤ 200 ℃의 기판 온도에서 증착된다. 표면 형태에 대한 Mn-질화물 층의 조성 의존성이 도 3에 도시된다. 여기에서 x = 1, 2, 3, 3.76, 4 및 4.75 인 300 Å Mn_xN 막을 실온에서 증착시킨다. 이러한 일련의 막의 스택은 Si / 250 Å SiO₂ / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 300 Å Mn_xN / 20 Å Ta이다. ~ 3 Å의 r_rms를 갖는 부드러운 막이 2 : 4의 Mn : N 비율로 얻어진다. 도 3은 또한 이러한 MnN 막의 저항률을 요약한다. 막의 저항은 4-포인트-인-라인(point-in-line) 프로브 기술에 의해 샘플의 중심에 가깝게 결정된다. 4 개의 접촉점 사이의 간격은 ~ 1mm였으며 표본 크기보다 훨씬 작다. Mn-질화물 층의 저항률은 1 : 2의 Mn : N 비를 갖는 막에 대한 N 함량에 따라 급격히 증가한다. 높은 Mn : N 비가 3 이상인 경우 MnN 박막의 저항은 조성에 둔감하다. 또한 2 : 4의 Mn : N 비를 갖는 막의 저항률은 자기 터널 접합부(MTJ) 스택에서 일반적으로 사용되는 금속 하부층(예를 들어, Ti의 전도도는 42μΩ-cm, Ta는 95μΩ-cm)와 유사하다. 또한 Mn-질화물 층의 저항은 자기 터널 접합부(MTJ) 스택에서도 사용되는 TaN 시드층보다 거의 5 배 낮다(예를 들어, 반응성 rf 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ar에서 10 % N₂로 성장한 TaN 박막의 전도도는 ~ 700 μΩ-cm). 따라서, Mn-질화물 층은 자기 터널 접합부(MTJ) 스택 내에서 사용에 적합하다.

X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) θ-2θ 스캔은 GADDS 영역 검출기를 갖는 브루커(Bruker) X-선 회절계 상에서 이들 막에 대해 측정된다. 이러한 X-선 회절(XRD) 측정은 대칭 면-외(out-of-plane) 형상으로 수행되었으며 막 텍스처(texture)에 민감하다. 도 4는 이러한 막에서 X-선 회절(XRD) 스캔의 세트를 도시하며 각각의 경우에 단일 회절 피크가 관찰된다. 모든 Mn_xN 층은 원하는 (001) 배향을 갖는다. 2θ 위치와 회절 피크의 강도는 도 5에 요약된 막의 면-외(out-of-plane) 격자 상수의 관련 변화를 나타내는 Mn-질화물 층의 조성에 강하게 의존한다. Mn-질화물 층의 면-외(out-of-plane) 격자 상수는 Mn : N 비에 거의 선형적으로 변화한다. 또한 2.5 : 4 범위의 Mn : N 비율을 갖는 막의 경우 면-외(out-of-plane) 격자 상수는 원뿔형 정사각형 호이슬러 화합물인 Mn₃Sn과 일치하고, CoAl CTL의 경우에도 ± ~ 2 %내에서 일치한다. 이러한 격자 상수의 일치는 원하는 면-외 방위(orientation of plane-out orientation)를 갖는 정방 결정체인 호이슬러 화합물의 성장을 촉진시킨다. 또한, Mn-질화물 조성을 조절하는 것은 Mn : N 비율을 조절함으로써 격자 부정합을 조절할 수 있는 유연성을 제공한다.

300 Å CoAl의 화학 템플레이팅층의 막은 이온-빔 증착(ion-beam deposition, IBD)에 의해 또는 x = 1, 2, 3, 3.76, 4, 및 4.75의 300 Å Mn_xN 막에 대한 dc-마그네트론 스퍼터링에 의해 실온에서 성장된다. 면-외(out-of-plane) 기하학에서의 X-선 회절(XRD) 측정을 수행하여 Mn_xN 막이 CoAl 층 내의 필요한 텍스처 및 교번층 구조를 촉진하는지 여부를 결정한다. X-선 회절(XRD) 데이터는 도 6에 도시되어 있으며 Si / 250 Å SiO₂ / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 300 Å Mn_xN / 300 Å CoAl / 10 Å Mn₃Sb / 20 Å MgO / 20 Å Ta 을 포함하는 스택의 막으로부터 얻는다. 도면에서 음영 영역으로 표시된 MnN 층의 X-선 회절(XRD) 피크 외에도 CoAl 층과 관련된 두 개의 피크가 x = 1을 제외한 Mn_xN의 모든 조성에서 관찰된다. 이러한 CoAl 피크는 (001) 및 (002) 반사에 해당하며 증착된 CoAl 층이 원하는 (001) 텍스처를 갖는다는 것을 증명한다. CoAl (001) 초격자(superlattice) 피크의 존재는 실온에서 성장하는 동안 호이슬러 화합물 내에서의 정렬을 촉진시키는 Co 및 Al의 교번층이 있음을 명확히 증명한다.

이러한 일련의 막으로부터 인가된 필드(H)의 함수로서의 수직 자기-광 Kerr 효과(perpendicular magneto-optical Kerr effect) 신호가 측정된다. 도 7은 1T의 인가된 필드에서 300 ℃에서 30 분 동안 진공로에서 어닐링 한 후 및 증착된 상태의 샘플에서 얻은 P-MOKE 루프를 도시한다. 어닐링 공정 후에도 x = 1 인 Mn_xN 막에 대해 어떠한 히스테리시스 루프(hysteresis loop)도 관찰되지 않는다. x ≥ 2 인 Mn_xN 박막의 경우 P-MOKE 히스테리시스 루프가 어닐링 고정 후에 관찰된다. P-MOKE 히스테리시스 루프는 초박막형 10 Å 두께의 Mn₃Sb 호이슬러 층이 수직 자기 이방성(PMA)임을 입증한다. 흥미롭게도, x = 3 및 4 P-MOKE를 갖는 Mn_xN 막의 경우, 초박막형 호이슬러 층으로부터의 히스테리시스 루프는 바람직한 Mn-질화물 조성으로 그들을 증착된 상태로 관찰된다.

호이슬러 화합물(Mn₃Ge)의 P-MOKE 히스테리시스 루프 및 Mn₃Ge의 두께에 대한 의존성으로부터 결정된 항자기성(coercivity)(H_c)의 열 안정성은 도 8에 도시된다. 이 연구에서 사용된 막의 스택은 Si / 250 Å SiO₂ / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 300 Å Mn₄N / 300 Å CoAl / t Å Mn₃Ge / 20 Å MgO / 20 Å Ta (여기서 t = 8, 10, 12, 15 Å)이다. 이러한 박막은 실온에서 증착되었고 P-MOKE 히스테리시스 루프는 300 ℃, 350 ℃ 및 400 ℃에서 30 분 동안 1T의 인가된 필드에서 증착된 상태 및 순차적인 어닐링 후에 측정되었다. 두께가 12 Å 이하인 Mn₃Ge 층을 갖는 막은 층의 항자기성에 현저한 변화를 보이지 않고 400 ℃에서 안정한 어닐링을 견뎌낸다. 따라서 비정질 기판(Si / 250 Å SiO₂)에서 실온에서 성장한 초박막형 호이슬러 막은 일반적으로 CMOS 제조 과정에서 사용되는 공정 조건을 견딜 수 있는 충분한 열적 안정성을 지니고 있다고 결론 지었다.

자기 터널 접합부(MTJ) 스택의 자기 특성 및 스위칭 특성을 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 또 다른 유형의 기판은 CIPT 기판(CIPT는 전류 면-내 터널링(current in-plane tunneling)을 의미한다)이다. 이러한 기판은 매우 매끄러운 표면 처리 (r_rms ~ 2 Å)로 높은 전도도를 나타내는 두꺼운(> 1000 Å) W 및 TiN 층으로 코팅된 Si 기판이다. 도 9는 CIPT 기판(샘플 번호 G1757-37)에서 성장한 전형적인 물질 스택의 개략도를 도시한다. 이러한 물질 스택은 CIPT 기판 / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 200 Å Mn₄N / 300 Å CoAl / 10 Å Mn₃Ge / 11.5 Å MgO / 11.5 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 2 Å Ta / [2.7 Å Co / 7 Å Pt]₃ / 9 Å Ru / 5 Å Co / 6 Å Pt / [2.7 Å Co / 6 Å Pt]₄ / 5 Å Pt / 100 Å Ru 이다. 여기에 개시된 시드층(200 Å Mn₄N / 300 Å CoAl)은 큰 수직 자기 이방성(PMA)를 갖는 호이슬러 화합물(10 Å Mn₃Ge)의 성장을 촉진시킨다. 이러한 호이슬러 화합물은 자기 메모리 전극 또는 스위칭 가능한 자기층이다. 사용된 터널 베리어는 CaO 및 LiF와 같은 다른 (001)-방향 터널 베리어가 사용될 수 있지만, 바람직하게는 (001) 텍스처를 갖는 MgO이다. 선택적으로, MgAl₂O₄는 호이슬러 화합물과 더 좋은 격자 매칭을 초래할 수 있는 Mg-Al 조성을 제어함으로써 격자 간격이 조정될 수 있는 터널 베리어로 사용될 수 있다. 터널 베리어 상에 놓이는 기준 자기 전극은 예를 들어 Fe, CoFe 합금 또는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다. 기준 전극의 자기 모멘트는 합성 반강자성(synthetic anti-ferromagnet, SAF) 구조에 접촉시킴으로써 높은 자기장(즉, 항자기성이 스위칭 가능한 자기층의 항자기성보다 상당히 높게)으로 안정화된다. 여기서 사용된 합성 반강자성(SAF) 구조는 [2.7 Å Co / 6 Å Pt]₃ / 9 Å Ru / 5 Å Co / 6 Å Pt / [2.7 Å Co / 6 Å Pt]₄ 이다. 여기에서 설명되지 않은 다른 합성 반강자성(SAF) 구조도 대신 사용될 수 있다. 캡핑층은 Mo, W, Ta, Ru, Pt, 전도성 질화물 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 양호한 성능(즉, TMR 또는 자기 터널 접합부(MTJ)의 스위칭 특성을 개선)을 위해 선택적인 (제2) 자기층 또는 소위 "분극 강화층(polarization enhancement layer)"이 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 선택적인 제2 자성층은 Fe, CoFe 합금, Co₂FeAl, Co₂MnSi 또는 다른 호이슬러 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 선택적인 자기층은 터널 베리어의 어느 한쪽 또는 양쪽에 위치할 수 있다. 전류는 터널 베리어에 의해 분리된 두 개의 자기 전극 사이에 전압을 인가함으로써 유도될 수 있다.

도 10은 표준 샘플(sample normal)을 따라 인가된 1T의 필드를 갖는 고진공 챔버에서 350 ℃에서 30 분 동안 어닐링된 후 이러한 샘플에 대해 측정된 자기 히스테리시스 루프를 도시한다. 이러한 진동 샘플 자력계(vibrating sample magnetometer, VSM) 측정은 샘플 온도에 따라 적용된 자기장으로 실온에서 이루어진다. 합성 반강자성(SAF) 층의 스위칭은 3 내지 4 kOe의 영역에서 관찰되었지만, 10 Å Mn₃Ge 호이슬러 화합물의 히스테리시스 루프는 낮은 자기 모멘트로 인해 보이지 않는다. 호이슬러 화합물의 스위칭 필드는 전류 면-내 터널링(current in-plane tunneling, CIPT) 측정치로부터 <300 Oe로 결정되었다(표 1 참조). 이러한 측정은 CAPRES A / S가 제공한 상업용 기기에서 수행된다. 자기장은 샘플 상의 영구 자석으로 표준 샘플을 따라 가해졌으며, 샘플에 대한이 자석의 위치를 변화시킴으로써 전기장 세기가 조정된다. 이러한 샘플에 대한 TMR은 ~ 10 %로 결정되었고 저항-면적 곱(RA)은 ~ 25 Ωμm² 이다.

Sample	Field [Oe]	TMR [%]	RA[Ωμm²]
1757-37	±300	8.4	25.4
	±450	8.7	25.4
	±750	9.7	25.4
	±1500	9.2	25.5
	±2100	8.7	25.4
	±2400	9.3	25.4
	±2790	9.4	25.4

나노 필러(nano-pillar)와 같은 형상의 자기 터널 접합부(MTJ) 소자는 직경 30 nm 내지 250 nm의 크기를 갖는 전자빔 리소그래피에 의해 패턴화된다. 자기 터널 접합부(MTJ) 스택 에칭은 CoAl 층의 명목상 10 %가 제거되어 측벽 침착을 최소화한 후에 종료된다. 15 x 15 mm² 크기의 단일 CIPT 기판에는 총 256 개의 소자가 있다. 도 11은 모든 패턴화된 자기 터널 접합부(MTJ) 소자의 전도도 대 디바이스 직경의 도표로서 수율 맵을 도시한다. 이러한 전기적 테스트는 맞춤형 프로브 스테이션에서 수행된다. 자기 터널 접합부(MTJ) 소자의 80 %는 ~ 25 Ωμm² 의 예상 RA 값을 나타낸다. 또한 자기 터널 접합부(MTJ) 소자 컨덕턴스의 변화는 이러한 로그-로그 플롯에서 소자 직경과 선형이다. 실선은 이러한 데이터에 맞는 선형 최소 제곱수(linear least squares fit)이고 예상 값 1에 가까운 1.07의 기울기를 가진다. 필드 및 전류에 의한 자기 상태의 스위칭은 여러 가지 동작 장치에 대해 조사된다.도 12는 호이슬러 저장층(샘플 G1746-39)을 포함하는 다른 샘플로부터의 스핀 전달 토크(STT) 스위칭 가능한 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 장치(장치 번호 614)의 투과 전자 현미경 이미지이다. 상술한 것과 약간의 차이가 있는 이러한 물질 스택은 CIPT 기판 / 50 Å Ta / 3 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 200 Å Mn₄N / 300 Å CoAl / 14 Å Mn₃Ge / 12 Å MgO / 11 Å Co₂₀Fe₆₀B₂₀ / 3 Å Ta / 2.5 Å Co / 5 Å Pt]₂ / 9 Å Ru / 5 Å Co / 5 Å Pt / [2.5 Å Co / 5 Å Pt]₄ / 5 Å Pt / 100 Å Ru 이다. 증착된 물질 스택은 나노 필라(nano-pillar) 자기 터널 접합부(MTJ) 소자에 전자빔 리소그래피 패터닝을 하기 전에 표준 샘플을 따라 1T의 필드가 인가된 고진공 챔버에서 350 ℃에서 30 분 동안 어닐링된다. 이러한 자기 터널 접합부(MTJ) 소자의 직경은 공칭(nominal) 지름 100 nm와 잘 일치하여 102 nm로 결정된다. 소자 형상의 약간의 언더컷(undercut)은 측벽 제거 단계에서 발생한다. 고해상도 이미지는 증착된 물질 스택을 포함하는 다양한 층을 도시한다. CoAl 층은 표준 샘플을 따라 (001) 배향을 갖는 bcc 텍스처를 갖는다. 또한, 우측 하단의 확대보기는 Mn₃Ge 층이 기본 CoAl 층의 구조와 매우 유사하며 표준 샘플을 따라 정사각형 축과 함께 성장한다는 것을 나타낸다.

도 13은 기판에 수직을 따라 인가된 필드를 갖는 110 nm 직경(공칭) 소자(장치 번호 501 및 샘플 번호 G1757-37)로부터 측정된 저항(R) 대 인가된 필드(H) 루프를 도시한다. 이러한 R-H 루프는 50 mV의 감지 전압(sense voltage, V_sense)으로 정전류 모드에서 측정된다. 낮은 저항 상태와 높은 저항 상태 사이의 스위칭은 외부 자기장의 적용에 의한 호이슬러 층의 자기 모멘트의 회전으로 인한 것이다(도 13에 포함된 두 개의 인세트 참조). 호이슬러 층은 급격하게 스위칭되는 반면 합성 반강자성(SAF) 구조는 훨씬 더 점진적으로 스위칭된다(< -2 kOe 필드의 데이터 참조). 이러한 소자의 TMR은 블랭킷(blanket) 막의 CIPT 측정치와 9.6 % 일치한다. 도 14는 1 msec 지속 시간(R-V 루프)의 바이어스 전압(V_bias) 펄스를 인가한 후 측정한 동일한 소자의 저항을 도시한다. 오른쪽의 회로도는 소자와 직렬로 연결된 펄스 발생기가 V_bias 펄스를 발생시켰음을 보여준다. 전류의 흐름 방향은 V_bias의 반대 극성에 대해 반대이다. 소자의 저항은 임계값 V_bias 이상으로 전환되고 두 상태의 저항(도 14의 두 개 그림 참조)은 R-H 루프의 두 상태의 저항과 유사하다(도 13). 이것은 호이슬러 층의 자화가 자기장 유도 스위칭과 같은 스핀 전달 토크(STT) 스위칭 동안 동일한 두 상태 사이에서 토글링(toggle) 함을 나타낸다. 호이슬러 층의 스핀 전달 토크(STT) 스위칭은 또한 외부에서 인가된 자기장에 강하게 의존하는 것으로 발견된 고 저항 상태와 저 저항 상태 및 저 저항 상태와 고 저항 상태(평행-역평행 및 역평행-평행 자화상태) 사이의 스위칭을 위한 임계 스위칭 전압이 나타나는 스위칭 상태도를 결정함으로써 독립적으로 확인된다. R-V 루프(도 14)의 포인트 투 포인트(point to point) 노이즈는 이러한 측정에서 사용되는 통합 시간이 낮기 때문에 R-H 루프(도 13)보다 높다. 1 msec 전압 펄스를 사용하는 소자의 스핀 전달 토크(STT) 스위칭에 필요한 전류 밀도(J_c)는 ~ 6 × 10⁵ Acm^- ²이다. 이러한 전류 밀도(J_c)는 CoFeB 스위칭 가능한 자기 메모리 전극을 갖는 유사한 크기의 소자보다 한 단계 낮은 수준이다. 이러한 낮은 전류 밀도(J_c)는 자기 터널 접합부(MTJ) 소자가 20 nm 리소그래피 노드 이하로 스케일링되기 때문에 매우 바람직하다.

도 15는 나노-초 전압 펄스(장치 번호 602 및 샘플 번호 G1757-37)의 함수로서 100 nm의 소자 직경(공칭)을 갖는 자기 터널 접합부(MTJ) 소자를 스위칭할 확률을 측정한다. 사용된 측정 설정의 개략도가 오른쪽에 도시된다. 자기 터널 접합부(MTJ) 소자는 먼저 1 ms 리셋 펄스를 소자에 통과시킴으로써 저 저항 또는 고 저항 상태(평행 또는 역평행 자화 상태)로 설정된다. 소자의 저항 / 자화 상태를 스위칭하는데 필요한 극성 및 2 내지 100 ns 사이의 펄스 폭을 갖는 다음 스위칭 전압 펄스(V_p)가 소자를 통과한다. 총 100 개의 펄스가 사용되고, 자기 터널 접합부(MTJ) 소자 저항을 스위칭할 확률은 각 펄스 후에 소자 저항을 판독함으로써 결정된다. 임의의 주어진 V_p에서 스위칭의 50 % 확률에 대한 펄스 폭 인 t₍ _{50 %} ₎는 낮은 V_p에 대해 증가한다.

도 16은 스위칭 전류(I_c) 대 펄스 폭(t_p) 데이터를 요약한 것이다. 이러한 데이터는 세차 운동(precessional)(t_p <~ 100 ns) 및 열 활성화(t_p > ~ 1ms)의 두 가지 영역으로 나누어져 있다(도 16의 왼쪽의 도면 참조). 점선은 매크로 스핀 모델의 적합성을 보여준다(D. Bedau et al, Appl. Phys. Lett. 97, 262502 (2010) 참조). t_p의 역수(tp <~ 100 ns에 대한)는 각운동량의 보존을 나타내는 I_c와 선형으로 변한다(도 16의 오른쪽 도면 참조).

본 명세서에 설명된 특정 구조는 레이스 트랙(racetrack) 메모리 장치에도 사용될 수 있다. 이 경우, 레이스 트랙은 기판, 선택적 시드층, 2.5 ≤ x ≤ 4 인 Mn_xN / CoAl 층, 및 호이슬러 화합물의 제1 자기층을 포함할 수 있는 나노 와이어이다. (이들 층의 가능한 조성에 대해서는 도 9와 관련하여 상기 논의를 참조한다. 레이스 트랙 메모리 장치에서, 도 9에 도시된 터널 베리어 및 스위칭 가능한 자기층은 일반적으로 존재하지 않을 것이지만, 이 경우에는 제1 자기 층은 고정되기보다 스위칭 가능한 자기 모멘트를 가질 것이다.) 자벽(Magnetic domain wall)은 미국 특허 제6834005 호에 설명된 것처럼 이러한 레이스 트랙을 따라 이동할 수 있다. 데이터는 레이스 트랙 내의 인접한 도메인 벽(domain wall)들 사이의 자기 물질의 자기 모멘트의 방향을 조사(또는 스위칭)함으로써 레이스 트랙 밖으로 판독될 수 있다(및 저장될 수 있다).

본 명세서에 기재된 다양한 층들은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 전착(electrodeposition), 이온빔 스퍼터링(ion beam sputtering), 원자층 증착(atomic layer deposition), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition) 및 열 증발(thermal evaporation)을 포함하는 다수의 방법 중 임의의 하나 이상을 통해 증착될 수 있다.

본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 기술된 실시예들은 모든 면에서 단지 예시적인 것으로서 제한적이지는 않다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 지시된다. 청구 범위의 의미 및 범위 내의 모든 변경은 그 범위 내에 포함되어야 한다.

H: 인가된 필드 H_c: 항자기성

Claims

기판;
상기 기판 상의 Mn_xN 층으로, 2 = x ≤= 4.75이고;
실온에서 비자기인 다층 구조체로서, 상기 구조체는 코발트(Co) 및 E의 교번층(alternating layers)을 포함하고, 상기 E는 알루미늄(Al)을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고, 상기 구조체의 조성은 Co₁ _- _yE_y로 표시되고, y는 0.45 내지 0.55의 범위이고; 및
호이슬러 화합물(Heusler compound)을 포함하고, 상기 구조체와 접촉하고, 자기 터널 접합부의 일부를 형성하는 제1 자기층을 포함하는 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 자기층의 자기 모멘트는 상기 구조체와 상기 제1 자기층 사이의 계면에 수직인 장치.
제 1항에 있어서,
상기 호이슬러 화합물은 Mn₃ _.1- _zGe, Mn₃ _.1- _zSn 및 Mn₃ _.1- _zSb를 포함하는 그룹에서 선택되고, z는 0 내지 1.1의 범위인 장치.
제 1항에 있어서,
상기 호이슬러 화합물은 3성분 호이슬러(ternary Heusler)인 장치.
제 4항에 있어서,
상기 3성분 호이슬러는 Mn₃ _.1- _sCo₁ _.1- _tSn이고, s = 1.2 이고, t = 1.0인 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 자기층 상의 터널 베리어를 더 포함하고, 전류가 상기 터널 베리어 및 상기 제1 자기층 모두를 통과하는 장치.
제 6항에 있어서,
상기 터널 베리어와 접촉하는 제2 자기층을 더 포함하는 장치.
제 7항에 있어서,
상기 터널 베리어는 Mg₁ _- _zAl₂ _- _zO₄이고, 0.5 < z < 0.5 인 장치.
기판;
실온에서 비자기인 다층 구조체로서, 상기 구조체는 코발트(Co) 및 E의 교번층(alternating layers)을 포함하고, 상기 E는 알루미늄(Al)을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고, 상기 구조체의 조성은 Co₁ _- _xE_x로 표시되고, x는 0.45 내지 0.55의 범위이고, 상기 구조체는 상기 기판 상에 있고;
호이슬러 화합물(Heusler compound)을 포함하고, 상기 구조체와 접촉하는 제1 자기층;
상기 제1 자기층 상의 터널 베리어; 및
상기 터널 베리어와 접촉하고, 스위칭 가능한 자기 모멘트를 갖는 제2 자기층을 포함하는 장치.
제 9항에 있어서,
상기 제2 자기층과 접촉하는 캡핑층을 더 포함하는 장치.