KR20200141377A - 반도체 소자 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
수직 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(perpendicular bottom-free-layer STT-MRAM cell)은 하부-자유-층 자기 터널 접합(bottom-free-layer magnetic tunnel junction; BMTJ)을 포함한다. 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)은 복합 금속 산화물 시드 층, 및 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 포함한다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층은 제 1 금속 층; 상기 제 1 금속 층상의 금속 산화물 층; 및 상기 금속 산화물 층상의 제 2 금속 층을 포함한다. 상기 제 2 금속 층은 산소 처리된다.
Description
반도체 소자에 관한 것으로서, 복합 금속 산화물 시드 층을 갖는 수직 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(perpendicular bottom-free-layer STT-MRAM cell) 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
자기 메모리, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리 (MRAM)는 높은 읽기/쓰기 속도, 높은 내구성, 비-휘발성(예: 지속성) 및 낮은 전력 소비의 가능성을 가지고 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 정보 기록 매체로서 자성 재료를 이용하여 정보를 저장할 수 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 한 유형은 스핀-전달-토크 자기 랜덤 액세스 메모리(spin-transfer-torque magnetic random-access memory; STT-MRAM)이다. 에스티티-엠램(STT-MRAM)은 자기 접합을 통해 구동되는 전류에 의해 적어도 부분적으로 기록된 자기 터널 접합(MTJ)을 이용하는데, 자기 터널 접합(MTJ)은 자유 자기 층과 고정(또는 픽스드(fixed)) 자기 층 사이에 적층된 터널링 배리어(tunneling barrier)를 갖는다. 상기 전류는 상기 자유 층의 상기 자기 모멘트가 상기 고정 층의 상기 자기 모멘트(상기 전류의 영향을 받지 않음)와 정렬되거나 안티-정렬(anti-aligned)되도록 영향을 미친다. 상기 충전 전류가 없을 때 자기 모멘트의 정렬이 변하지 않기 때문에 상기 자기 터널 접합 스택(MTJ stack)은 메모리 저장에 적합한 쌍-안정 시스템(bi-stable system)으로 동작한다.
상기 자유 층의 위치에 따라, 상기 자기 터널 접합(MTJ)은 상부-자유-층 자기 터널 접합(top-free-layer MTJ; TMTJ) 및 하부-자유-층 자기 터널 접합(bottom-free-layer MTJ; BMTJ)을 포함한다.
도 1은 비교 하부-자유-층(또는 상부-고정-층; top-pinned-layer) 자기 터널 접합(BMTJ; 10)을 도시한다. 상기 비교 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ; 10)은 하부 전극(11) 상의 시드 층 스택(12), 자유 층(13), 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer; 14), 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택(15), 및 캐핑 층(16)을 포함한다. 상부 전극(17)은 상기 캐핑 층(16)과 접촉될 수 있다. 상기 상부 전극(17) 및 상기 하부 전극(11)은 선택 장치(예를들어, 트랜지스터)에 접속될 수 있다. 상기 합성 반 강자성 고정 층(SAF-PL) 스택(15)은 상부 고정 층(15-1), 스페이서 층(15-2), 하부 고정 층(15-3), 및 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL; 15-4)을 포함할 수 있다. 상기 스페이서 층(15-2)은 상기 상부 고정 층(15-1)과 상기 하부 고정 층(15-3)/상기 편광 강화 층(PEL; 15-4) 사이에 반 강자성 결합을 제공한다.
상기 비교 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)에서, 상기 자유 층(13)은 FeCoB와 같은 붕소(B) 함유 물질로 형성되고, 상기 시드 층 스택(12)은 아몰퍼스 금속 층(12-1) 위에 적층된 산화 마그네슘(MgO)(12-2)의 얇은 층으로 형성된다. 상기 산화 마그네슘(12-2)의 얇은 층은 단일 층이고, 부분적으로 결정화되거나 비정질이며 많은 핀 홀을 가지며, 이는 상기 메인 터널링 배리어 층(14)과 비교하여 확산 및 저 저항-영역 제품(RA)에서 열 견고성이 떨어진다. 또한, 상기 자유 층(13)에서 붕소에 대한 붕소(B) 친화도가 상대적으로 낮기 때문에, 상기 MgO -자유 층 계면에 더 많은 붕소가 축적되어 상기 MgO -자유 층 계면을 오염시킨다. 또한, 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)을 위한 터널 자기저항(TMR) 및 성능 지수(Figure-of-Merit; FOM)를 개선할 필요가 있다.
본 배경 섹션에 개시된 상기 정보는 단지 본 발명의 배경의 이해를 증진시키기 위한 것이며, 따라서 종래 기술의 구성이 아닌 정보를 포함할 수 있다.
본 발명 기술적 사상의 실시예들에 따른 과제는 TMR(tunnel magnetoresistance) 및 RA(resistance-area) 에서 웨이퍼 균일성의 공정 여유가 개선될 뿐만 아니라 개선된 터널 자기저항(TMR) 및 성능 지수(FOM)를 갖는 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(bottom-free-layer STT-MRAM cell) 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예는 TMR(tunnel magnetoresistance) 및 RA(resistance-area) 에서 웨이퍼 균일성의 공정 여유가 개선될 뿐만 아니라 개선된 터널 자기저항(TMR) 및 성능 지수(FOM)를 갖는 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(bottom-free-layer STT-MRAM cell)에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(bottom-free-layer STT-MRAM cell)의 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부-자유-층 자기 터널 접합(bottom-free-layer magnetic tunnel junction)은 복합 금속 산화물 시드 층, 및 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소 (B)를 포함하는 자유 층을 포함한다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층은 제 1 금속 층; 상기 제 1 금속 층 상의 금속 산화물 층; 및 상기 금속 산화물 층 상의 제 2 금속 층을 포함한다. 상기 제 2 금속 층은 산소 처리되었다.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 층은 MgO, MgAlO, MgAl2O4 및/또는 (MgAl)3O4를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층은 Nb, Ta, Hf, Zr 또는 Zr-X를 포함 할 수 있다. 여기서 X는 Nb, Ta 또는 Hf 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층은 금속-Ox를 포함할 수 있다. 여기서 x는 상기 제 2 금속 층에서 산소 원자 및 금속 원자의 몰비(molar ratio)를 나타내고, x는 Y 값보다 작고, Y는 상기 금속 원자의 원자가를 2로 나누어 얻어진다.
일 실시예에서, x는 0보다 크고 Y보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, x는 Y의 80 % 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층은 금속을 포함할 수 있으며 상기 제 2 금속 층의 상기 금속은 부분적으로 산화될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 층은 MgO를 포함할 수 있고, 상기 제 2 금속 층은 Nb, Ta, 또는 Hf를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 층은 MgAl2O4를 포함할 수 있고, 상기 제 2 금속 층은 Ta, Zr 또는 Zr-X를 포함할 수 있으며, 여기서 X는 Nb, Ta 또는 Hf 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층의 두께는 약 3.5Å 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자유 층은 FeB, FeB-X, FeCoB, FeCoB-X, Fe, Fe-X, FeCo 및 FeCo-X로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있으며, 여기서 X는 Be, Ni, Mo, Mg, Zr, Ta, V, Cr, W, Hf, Nb, 또는 Tb 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 금속 층은 Ta, W, Mo, Hf, NiW, NiTa, NiCrW, FeCo-Y, FeCoB, FeCoB-Y, FeB-Y 및 CoB-Y로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 여기서 Y는 Ta, Zr, Mo, W, V 또는 Ni의 하나 또는 다수의 원소 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(perpendicular bottom-free-layer STT-MRAM cell)은 본 발명의 실시예에 따른 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법은 하부 전극 상에 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하고, 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 증착하는 것을 포함한다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 것은 상기 하부 전극 상에 제 1 금속 층을 증착하고; 상기 제 1 금속 층 상에 금속 산화물 층을 증착하고; 상기 금속 산화물 층 상에 제 2 금속 층을 증착하고; 그리고 상기 제 2 금속 층에 산소 처리를 수행하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리를 수행하는 것은 자연(natural) 또는 라디칼(radical) 산화 공정을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리를 수행하는 것은 주위 온도(ambient temperature)에서 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리를 수행하는 것은 상기 제 2 금속 층의 증착 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은 산소가 상기 금속 산화물 층으로부터 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 상기 제 2 금속 층의 증착 후에 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리를 수행하는 것은 상기 제 2 금속 층의 증착 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키고; 그리고 상기 제 2 금속 층을 증착한 후 상기 제 2 금속 층을 산소에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은 산소가 상기 금속 산화물 층으로부터 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer), 편광 강화 층(polarization enhancing layer) 또는 하부 고정 층(bottom pinned layer)을 증착한 후 350℃ 내지 400℃의 온도에서 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
이 요약은 이하의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 본 발명의 실시예의 특징 및 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되도록 의도되지도 않았다. 설명된 특징들 중 하나 이상이 하나 이상의 다른 설명된 특징들과 조합되어 작동 가능한 장치를 제공할 수 있다.
본 발명 기술적 사상의 실시예들에 따르면, 복합 금속 산화물 시드 층 및 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 갖는 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)이 제공된다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층은 제 1 금속 층, 상기 제 1 금속 층 상의 금속 산화물 층, 및 상기 금속 산화물 층 상의 제 2 금속 층을 포함한다. 상기 제 2 금속 층은 산소 처리된다. TMR(tunnel magnetoresistance) 및 RA(resistance-area) 에서 웨이퍼 균일성의 공정 여유가 개선될 뿐만 아니라 개선된 터널 자기저항(TMR) 및 성능 지수(FOM)를 갖는 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(bottom-free-layer STT-MRAM cell)을 구현할 수 있다.
본 개시 내용의 실시예들의 이것들 및 다른 특징 및 장점은 하기 도면과 함께 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 명백해질 것이다. 도면에서, 유사한 특징 및 구성 요소를 참조하기 위해 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조 부호가 사용된다. 도면들이 반드시 축척대로 그려진 것은 아니다.
도 1은 비교 하부-자유-층(또는 상부-고정-층; top-pinned-layer) 자기 터널 접합(BMTJ; 10)을 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하부-자유-층 (또는 상부-고정-층; top-pinned-layer) 자기 터널 접합(BMTJ; 20)의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)의 형성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 비교예 1 과 실시예 1 및 2의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 6은 비교예 2 와 실시예 3 및 4의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 7은 비교예 3 과 실시예 5의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 8은 비교예 4 및 실시예 6의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 1은 비교 하부-자유-층(또는 상부-고정-층; top-pinned-layer) 자기 터널 접합(BMTJ; 10)을 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하부-자유-층 (또는 상부-고정-층; top-pinned-layer) 자기 터널 접합(BMTJ; 20)의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)의 형성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 비교예 1 과 실시예 1 및 2의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 6은 비교예 2 와 실시예 3 및 4의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 7은 비교예 3 과 실시예 5의 RA 및 TMR을 나타낸다.
도 8은 비교예 4 및 실시예 6의 RA 및 TMR을 나타낸다.
이하, 첨부 된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 도면 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 이들 실시예는 예시로서 제공되어 본 개시가 철저하고 완전하며, 본 발명의 양태 및 특징을 당업자에게 완전히 전달할 것이다. 따라서, 본 발명의 양태 및 특징을 완전히 이해하기 위해 당업자에게 필요하지 않은 프로세스, 요소 및 기술은 설명되지 않을 수도 있다. 달리 언급되지 않는 한, 유사한 참조 부호는 첨부된 도면 및 기재된 설명 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타내므로, 그 설명은 반복되지 않을 수도 있다.
도면에서, 요소, 층 및 영역의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장 및/또는 단순화될 수 있다. "비니쓰(beneath)", "빌로우(below)", "로워(lower)", "언더(under)", "어버브(above)", "어퍼(upper)", 등과 같은, 공간적으로 상대적인 용어들은, 도면들에 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소(들) 또는 특징(들)의 관계를 서술하기 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 방향 외에, 사용 중이거나 동작중인 장치의 상이한 방향을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 도면에서 장치가 뒤집히면, 다른 요소들 또는 특징들의 "빌로우(below)" 또는 "비니쓰(beneath)" 또는 "언더(under)"로 기술된 요소들은 다른 요소들 또는 특징들의 "어버브(above)"로 배향될 것이다. 따라서, "빌로우(below)" 및 "언더(under)"라는 예시적인 용어는 어버브(above)와 빌로우(below)의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 달리 배향될 수 있고 (예를들어, 90도 회전되거나 다른 배향으로), 본원에 사용된 공간적으로 상대적인 서술자는 이에 따라 해석되어야 한다.
본 명세서에서 비록 "제 1", "제 2", "제 3"등의 용어가 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 부분을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 부분은 이러한 용어에 의해 제한되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다. 이들 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 이하에서 논의되는 제 1 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분으로 지칭될 수 있다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 "상에(on)", "연결된(connected to)", "접속된(coupled to)", 또는 "인접한(adjacent)" 것으로 언급 될 때, 이는 다른 요소 또는 층에 직접적으로 위에 있거나, 연결되거나, 접속되거나, 인접할 수 있고, 또는 하나 이상의 개재 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 또한, 요소 또는 층이 2 개의 요소 또는 층 "사이에(between)" 인 것으로 언급 될 때, 이는 2 개의 요소 또는 층 사이의 유일한 요소 또는 층, 또는 하나 이상의 개재 요소 또는 층일 수 있음이 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 형태의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하는(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(include)", 및 "포함하는(including)"이라는 용어는 언급된 특징, 정수, 단계, 운전, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 운전, 요소, 구성 요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 본원에 사용된 용어 "및/또는"은 관련된 열거 항목 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소 목록 앞에 오면, 전체 요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하는 것이 아니다.
본원에서 사용되는 용어 "실질적으로(substantially)", "약(about)"및 유사한 용어는 정도가 아닌 근사치로 사용되며, 측정 또는 계산된 값의 고유한 산포를 설명하기 위한 것임을 당업자는 인식하여야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명 할 때 "~일 수 있다(may)"의 사용은 "본 발명의 하나 이상의 실시예들"을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "사용하다(use)", "사용(using)"및 "사용된(used)"은 각각 "이용하다(utilize)", "이용(utilizing)"및 "이용된(utilized)"라는 용어와 동의어로 간주될 수 있다. 또한, "예시적인"이라는 용어는 예 또는 예시를 지칭하는 것으로 의도된다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 명시 적으로 정의되지 않는 한 이상적이거나 지나치게 공식적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 실시예는 특정 구성 요소를 갖는 특정 자기 접합 및 자기 메모리와 관련하여 설명된다. 당업자는 본 발명의 실시예가 본 발명의 실시예와 일치하지 않는 다른 및/또는 추가 구성 요소 및/또는 다른 특징을 갖는 자기 접합 및 자기 메모리의 사용과 일치한다는 것을 쉽게 인식 할 것이다. 방법 및 시스템은 스핀-궤도 상호 작용(spin-orbit interaction), 스핀 전달 현상(spin transfer phenomenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및 다른 물리적 현상의 현재 이해와 관련하여 설명된다. 결과적으로, 당업자는 방법 및 시스템의 거동에 대한 이론적 설명이 스핀-궤도 상호 작용, 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해에 기초하여 만들어진다는 것을 쉽게 인식 할 것이다. 그러나, 여기에 기술된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 당업자는 또한 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 당업자는 방법 및 시스템이 다른 구조와 일치한다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 특정 층이 합성(synthetic) 및/또는 단순하다는 맥락에서 설명된다. 그러나, 당업자는 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 특정 층을 갖는 자기 접합(magnetic junctions), 스핀 궤도 상호 작용 활성 층(spin-orbit interaction active layers) 및/또는 다른 구조와 관련하여 설명된다. 그러나, 당업자는 방법 및 시스템과 일치하지 않는 추가 및/또는 다른 층을 갖는 자기 접합, 스핀-궤도 상호 작용 활성 층, 및/또는 다른 구조가 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 특정 구성 요소는 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리마그네틱(ferrimagnetic) 인 것으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 자성(magnetic)이라는 용어는 강자성(ferromagnetic), 페리마그네틱(ferrimagnetic) 또는 유사한 구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본원에 사용된 용어 "자성(magnetic)"또는 "강자성(ferromagnetic)"은 페로마그네트(ferromagnets) 및 페리마그네트(ferrimagnets)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 방법 및 시스템은 또한 단일 자기 접합의 맥락에서 설명된다. 그러나, 당업자는 방법 및 시스템이 다수의 자기 접합을 갖는 자기 메모리의 사용과 일치한다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "평면-내(in-plane)"는 자기 접합의 하나 이상의 층의 평면 내에 있거나 실질적으로 평면에 평행하다. 반대로, "수직(perpendicular)"은 자기 접합의 하나 이상의 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(perpendicular bottom-free-layer STT-MRAM cell)은 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)를 포함하고, 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)은 하부 전극 상의 복합 금속 산화물 시드 층; 및 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소 (B)를 포함하는 자유 층을 포함한다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층은 상기 하부 전극 상의 제 1 금속 층, 상기 제 1 금속 층은 비정질이고; 상기 제 1 금속 층 상의 금속 산화물 층; 및 상기 금속 산화물 층 상에 산소 처리된 제 2 금속 층을 포함한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하부-자유-층(또는 상부-고정-층) 자기 터널 접합(BMTJ; 20)의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ; 20)은 하부 전극(21) 상에 배치되고 복합 금속 산화물 시드 층(22); 자유 층(23); 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer; 24); 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택(25); 및 캐핑 층(26)을 포함한다. 상기 합성 반 강자성 고정 층(SAF-PL) 스택(25)은 상부 고정 층(25-1); 스페이서 층(25-2); 하부 고정 층(25-3); 및 텍스처 브레이킹 층(texture breaking layer; TBL)을 갖는 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL; 25-4)을 포함할 수 있다.
상기 메인 터널링 배리어 층(24)은 MgO를 포함할 수 있다. 상기 자유 층(23)은 붕소(B) 함유 층일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 자유 층(23)은 철 붕소(FeB), FeB-X, 철 코발트 붕소(FeCoB), FeCoB-X, 철 (Fe), Fe-X, 철 코발트(FeCo), 또는 FeCo-X 로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 여기서 X는 베릴륨(Be), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 니오브(Nb), 및 테르븀(Tb)으로부터 선택된다. 예를들어, 상기 자유 층(23)은 철 코발트 붕소 / 철(FeCoB/Fe)을 포함할 수 있다.
상기 복합 금속 산화물 시드 층(22)은 제 1 금속 층(22-1), 상기 제 1 금속 층(22-1)은 비정질이고; 금속 산화물 층(22-2); 및 산소 처리된 제 2 금속 층(22-3)을 포함한다. 상기 금속 산화물 층(22-2)은 MgO 또는 마그네슘 알루미늄 산화물(MgAlO) (예를 들어, MgAl2O4, (MgAl)3O4, 다양한 비율의 Mg 및 Al을 갖는 스피넬 옥사이드(spinel oxide), 등)을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 층(22-2)은 부분적으로 결정화된(crystallized) 또는 비정질(amorphous) 층일 수 있다.
상기 제 1 금속 층(22-1)은 비정질(amorphous)이다. 일 실시예에서, 상기 제 1 금속 층(22-1)은 Ta, W, Mo, Hf, NiW, NiTa, NiCrW, FeCo-Y, FeCoB, FeCoB-Y, FeB-Y 및 CoB-Y로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 여기서 Y는 Ta, Zr, Mo, W, V 및 Ni로부터 선택된 하나 또는 다수의 원소이다.
일 실시예에서, 상기 제 1 금속 층(22-1)은 탄탈륨/철 코발트 붕소 탄탈륨/철 코발트 붕소(Ta/FeCoBTa/FeCoB)를 포함할 수 있다.
상기 제 2 금속 층(22-3)은 산소 및 붕소에 대한 친화성이 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf) 또는 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 금속 층(22-3)은 5Å미만, 예를들어 4Å미만의 두께를 갖는 얇은 층이다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 약 3Å의 두께를 갖는다.
상기 제 2 금속 층(22-3)은 산소 처리될 수 있다. 상기 산소 처리는 상기 제 2 금속 층(22-3)에서 금속 원자의 완전한 산화를 야기하지 않는 조건에서 산소 공급원(예를들어, 순수한 산소 또는 아르곤/산소 혼합 가스)에 대한 노출일 수 있다. 예를들어, 상기 산소 공급원에 대한 노출은 완전 산화를 야기하지 않는 온도(예를들어, 주위 온도(ambient temperature))에서 짧은 시간(예를들어, 1 분 미만 또는 50 초 미만) 동안만 있을 수 있다. 그것은 자연(natural) 또는 라디칼(radical) 산화 공정으로 수행될 수 있다. 결과적으로, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 상기 자유 층(23)과 산소가-풍부한 계면(oxygen-rich interface) 을 갖는 비정질 층(amorphous layer)이다. 상기 금속 산화물 층(22-2)과 달리, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 부분적으로 산화된 층일 수 있고 완전히 산화된 층이 아니다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 산화되지 않은 금속 원자 및 산소 원자에 결합된 금속 원자 모두를 포함한다.
상기 산소 처리를 통해, 산소에 대한 높은 친화성으로 인해 산소 원자는 상기 제 2 금속 층(22-3)의 금속 원자에 부착된다. 상기 제 2 금속 층(22-3)의 조성은 금속-Ox로 표시될 수 있다. 상기 제 2 금속 층(22-3)에 보유된 산소 원자는 붕소 친화도가 높다. 이는 상기 금속 산화물 층(22-2)의 낮은 붕소 친화성을 극복하고 붕소를 붕소 유인 제 2 금속 층(22-3)으로 당긴다. 따라서, 붕소는 상기 자유 층(23)으로부터 상기 복합 금속 산화물 시드 층(22) 내로 끌어 당겨진다.
상기 제 2 금속 층(22-3)에서, 산소 원자의 양은 상기 제 2 금속 층(22-3)에서 금속 원자를 완전히 산화시키는데 필요한 산소 원자의 양보다 적다. 바꾸어 말하면, 상기 제 2 금속 층(22-3)의 금속 원자는 부분적으로만 산화되고 완전히 산화되지는 않는다. 예를들어, 금속-Ox에서 "x"는 상기 제 2 금속 층(22-3)에서 산소 원자와 금속 원자 사이의 몰비(molar ratio)를 나타낸다. "x"는 "Y"값 보다 작을 수 있다. "Y"는 금속 원자의 원자가를 산소 원자의 원자가로 나눔으로써(즉, 금속 원자의 원자가를 2로 나눔) 얻어진다. 일 실시예에서, x는 Y 값의 약 80 % 이하, 60 % 이하, 50 % 이하 또는 30 % 이하이다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 Nb-Ox를 포함하고, x는 1보다 작다. 예를들어, x는 0.7, 0.5 또는 0.3 이하 이지만 0보다 크다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 Ta-Ox를 포함하고, x는 5/2 미만이다. 예를들어, x는 2, 1.5 또는 1 이하 이지만 0보다 크다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 Zr-Ox를 포함하고, x는 2보다 작다. 예를들어, x는 1.5, 1, 또는 0.5 이하 이지만 0보다 크다. 즉, 상기 제 2 금속 층(22-3)의 산소 원자의 양은 상기 제 2 금속 층(22-3)의 금속 원자를 완전히 산화시키기에는 충분하지 않다 그리고 상기 제 2 금속 층(22-3)은 부분 산화층이다.
산소가 풍부한 계면으로 인해, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 또한 상기 제 1 금속 층(22-1)으로부터의 금속이 상기 자유 층(23)으로 확산되는 것을 감소시키거나 차단할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명 기술적 사상의 실시예들에 따른 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ; 20) 에서, 상기 복합 금속 산화물 시드 층(22)은 인-시츄(in-situ) 및/또는 포스트 어닐링 공정(post annealing process) 동안 상기 자유 층 (23)으로부터 상기 복합 금속 산화물 시드 층(22)으로의 붕소 이동을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제 1 금속 층(22-1)으로부터 상기 자유 층 (23)으로의 금속(예를 들어, Ta)의 확산은 산소 처리된 상기 제 2 금속 층(22-3)의 포함으로 인해 감소되거나 방지될 수 있다. 이와 같이, 상기 메인 터널링 배리어 층(24)과 상기 자유 층(23) 사이의 더 나은 인터페이스 품질이 달성될 수 있다.
(산소 처리 된) 상기 비정질 제 2 금속 층(22-3)을 포함함으로써, 전체 시드 층(22)의 균일성이 향상된다. 예를들어, 금속 산화물 층(예를들어, MgO 층)이 자유 층과 접촉하는 종래의 핀-홀(pin-hole) 함유 시드 층과 비교하여, 상기 비정질 제 2 금속 층(22-3)은 시드 층과 자유 층의 계면의 균일 성을 향상 시키며, 또한, 자유 층과의 계면에서 종래의 부분적으로 결정화된 또는 비정질 MgO 시드 층보다는 비정질 시드 층을 제공한다. 더 나은 시드 층 품질의 결과로서, 더 높은 TMR이 달성된다. 또한, 더 나은 자유 층 품질의 결과로서, 더 낮은 전류 밀도(고정 층(reference layer)과 병렬로 측정됨) Jc 50 nm PAP 가 달성되고, 더 높은 소자 성능 또는 효율을 나타내는 더 높은FOM (Jc 50 nm PAP 에 반비례)을 초래한다.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 층(22-2)은 MgO를 포함하고, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 Nb, Ta 또는 Hf를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 층 (22-2)은 MgAl2O4를 포함하고, 상기 제 2 금속 층(22-3)은 Ta, Zr 또는 Zr-X를 포함하고, 여기서 X는 Nb, Ta 또는 Hf이다.
일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)의 두께는 약 3.5Å이하이다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층(22-3)의 두께는 약 2.2Å이다.
본 발명 기술적 사상의 일 실시예에 따르면, 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)의 형성 방법은 하부 전극 상에 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하고, 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 증착하는 것을 포함한다. 상기 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 것은 비정질인 제 1 금속 층을 증착하고; 상기 제 1 금속 층 상에 금속 산화물 층을 증착하고; 상기 금속 산화물 층 상에 제 2 금속 층을 증착하고; 그리고 산소 처리를 수행하는 것을 포함한다.
도 3은 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)의 형성 방법을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 상기 방법은 하부 전극 상에 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하고(301), 상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소 (B)를 포함하는 자유 층을 증착하는 것(303)을 포함한다. 도 4는 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 상기 방법은 하부 전극 상에 비정질인 제 1 금속 층을 증착하고(401); 상기 제 1 금속 층 상에 금속 산화물 층을 증착하고(403); 상기 금속 산화물 층 상에 제 2 금속 층을 증착하고(405); 그리고 산소 처리를 수행하는 것(407)을 포함한다.
상기 제 1 금속 층, 상기 금속 산화물 층, 상기 제 2 금속 층 및 상기 자유 층의 증착은 화학 기상 증착, 물리적 기상 증착, 스핀 코팅 등과 같은 임의의 적합한 방법을 이용할 수 있다.
상기 자유 층은 붕소(B) 함유 층일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 자유 층은 철 붕소(FeB), FeB-X, 철 코발트 붕소(FeCoB), FeCoB-X, 철(Fe), Fe-X, 철 코발트(FeCo) 및 FeCo-X 로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 여기서 X는 베릴륨(Be), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb) 및 테르븀(Tb)으로부터 선택된다. 예를들어, 상기 자유 층은 철 코발트 붕소/철(FeCoB/Fe)을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 층은 MgO 또는 마그네슘 알루미늄 산화물 (MgAlO) (예를들어, MgAl2O4, (MgAl)3O4, 다양한 비율의 Mg 및 Al을 갖는 스피넬 옥사이드(spinel oxide) 등)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 금속 층은 비정질(amorphous)이다. 일 실시예에서, 상기 제 1 금속 층은 Ta, W, Mo, Hf, NiW, NiTa, NiCrW, FeCo-Y, FeCoB, FeCoB-Y, FeB-Y 및 CoB-Y로부터 선택된 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 여기서, Y는 Ta, Zr, Mo, W, V 및 Ni로부터 선택된 하나 또는 다수의 원소이다.
일 실시예에서, 상기 제 1 금속 층은 탄탈륨/철 코발트 붕소 탄탈륨/철 코발트 붕소 (Ta/FeCoBTa/FeCoB)를 포함할 수 있다.
상기 제 2 금속 층은 산소 및 붕소에 대한 친화력이 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 제 2 금속 층은 니오븀(Nb), 탄탈룸(Ta), 하프늄(Hf) 또는 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 금속 층은 5Å미만, 예를 들어 4Å미만의 두께를 갖는 얇은 층이다. 일 실시예에서, 상기 제 2 금속 층은 약 3Å의 두께를 갖는다. 상기 제 2 금속 층은 산소 처리될 수 있다. 상기 산소 처리는 짧은 시간 동안 (예를 들어, 2 분 미만, 1 분 미만 또는 50 초 미만) 산소 공급원 (예를 들어, 순수한 산소 또는 아르곤/산소 혼합 가스)에 노출되는 것이다. 그것은 자연(natural) 또는 라디칼(radical) 산화 공정으로 수행될 수 있다.
상기 산소 처리의 수행은 자연(natural) 또는 라디칼(radical) 산화 공정 일 수 있다. 상기 자연 산화 공정(natural oxidation process)은 가스-유동 모드(gas-flow mode), 가스-혼입 모드(gas-confined mode) 등으로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리의 수행은 주위 온도(ambient temperature), 예를들어 약 25 ℃와 같은 실온(room temperature)에서 수행된다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리의 수행은 산소 원자(예를 들어, 상기 금속 산화물 층을 형성할 때 금속에 이미 결합된 것 외에 추가의 산소 원자)가 상기 금속 산화물 층에 부착되도록 상기 제 2 금속 층의 증착 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키고; 그리고 추가 산소 원자가 상기 금속 산화물 층으로부터 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합 스택(BMTJ stack)을 어닐링(annealing)하는 것을 포함한다. 어닐링(annealing) 온도는 약 350℃ 내지 약 400℃ 일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 어닐링은 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer), 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL) 또는 하부 고정 층(bottom pinned layer; bottom PL)의 증착 후에 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리는 상기 자유 층과 산소가-풍부한 금속 계면(oxygen-rich metal interface)을 제공하기 위해 상기 제 2 금속 층의 증착 후에 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리는 상기 제 2 금속 층의 증착 이전 및 이후에 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 처리를 수행하는 것은 추가 산소 원자가 상기 금속 산화물 층에 흡착되도록 상기 제 2 금속 층을 증착하기 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키고; 상기 제 2 금속 층을 증착 한 후 상기 제 2 금속 층을 산소에 노출시키고; 그리고 상기 금속 산화물 층에 흡착된 추가 산소가 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합 스택(BMTJ stack)을 어닐링(annealing)하는 것을 포함한다.
상기 산소 처리를 통하여, 산소에 대한 높은 친화성으로 인해 산소 원자가 상기 제 2 금속 층의 금속 원자에 부착된다. 상기 제 2 금속 층은 상기 자유 층과 산소가 풍부한 계면(oxygen-rich interface)으로 비정질이며, 금속-Ox를 포함한다. 상기 제 2 금속 층에 보유된 산소 원자는 높은 붕소 친화도를 갖는다. 그것은 상기 금속 산화물 층의 낮은 붕소 친화성을 극복하고 붕소를 상기 붕소 유인 제 2 금속 층(boron attracting second metal layer)으로 끌어 당긴다. 따라서, 붕소는 상기 자유 층으로부터 상기 복합 금속 산화물 시드 층으로 끌어 당겨진다. 그러나, 상기 제 2 금속 층의 산소 원자의 양은 상기 제 2 금속 층의 금속 원자를 완전히 산화시키는 데 필요한 산소의 양보다 적다. 즉, 상기 제 2 금속 층의 금속 원자는 부분적으로 만 산화되고 완전히 산화되지는 않는다. 예를들어, 금속-Ox에서 x는 상기 제 2 금속 층에서 금속 원자와 산소 원자 사이의 몰비(molar ratio)를 나타내고, x는 금속 원자의 원자가를 산소 원자의 원자가로 나눈 비율보다 작다.
실시예
비교예1
시드 층을 형성함에 있어서, 20Å의 Ta, 40Å의 FeCoBTa, 및 5.5Å의 FeCoB (이하, "Ta (20Å)/ FeCoBTa(40Å)/ FeCoB(5.5Å)"라 함)를 상기 제 1 금속 층을 형성하기 위한 실리콘 웨이퍼 상에 증착하였다. 이어서 MgO를 400 초 동안 회전으로 고정된 전력으로 스퍼터 증착하여 균일하게 증착된 MgO 층을 제공하고, 또 다른 325 초 동안 회전하지 않고, 웨이퍼의 중심의 각 측면에서 55 mm 이상에 걸쳐, 웨이퍼를 가로질러 두껍고 얇은 두께를 갖는 웨지 형 MgO 층을 갖는 시드 층을 생성한다. MgO 시드 층의 평균 두께는 약 5-11Å이다. 30 % 붕소를 갖는 8.0Å의 철 코발트 붕소(FeCoB) 및 7.5Å의 철을 상기 시드 층 상에 증착하여 상기 자유 층을 형성하였다.
실시예 1 및 2
250 초 동안 회전하고 및 250 초 동안 회전하지 않고 MgO를 증착하고, 그리고 MgO와 상기 자유 층 사이에 산소 처리된 금속 층을 포함하는 것을 제외하고는, 실시예 1 및 2를 비교예 1과 유사하게 제조하였다. 실시예1에서, 상기 금속 층은 2.2Å의 두께를 갖는 Nb를 포함하고, 실시예 2에서, 상기 금속 층은 2.2Å의 두께를 갖는 Ta를 포함한다. 상기 산소 처리는 각각의 경우에 30 초 동안 수행되었다. 실시예 1 및 2에서, MgO 층의 증착 시간이 비교예 1의 시간에 비해 단축되었기 때문에, 더 얇은 MgO 층이 각각의 경우에 증착되었다.
비교예 2
상기 시드 층 형성 시 회전과 함께 725 초 동안 MgO를 스퍼터 증착하고, 상기 자유 층 형성 시 상기 시드 층 상에 코발트 철 붕소 층 (30 % 붕소 및 약 8Å의 두께) 및 철 층을 증착한 것을 제외하고는, 비교예 1과 유사하게 비교예 2를 제조하였다. 철 층을 회전시키지 않고 스퍼터링하여 웨이퍼 중심의 각 측면에서 55 mm 이상에 걸쳐서 웨이퍼를 가로 질러 9.5Å내지 5.5Å의 철 두께 웨지(iron thickness wedge)를 생성하였다.
실시예 3 및 4
회전과 함께 MgO를 증착하는 시간이 430 초로 단축되고 MgO와 상기 자유 층 사이에 산소 처리 된 금속 층을 포함하는 것을 제외하고는, 비교예 2와 유사하게 실시예 3 및 4를 제조하였다. 실시예 3에서, 상기 금속 층은 2.2Å에서 Nb를 포함하고, 실시예 4에서, 상기 금속 층은 2.2Å에서 Ta를 포함한다. 상기 산소 처리는 각각의 경우에 30 초 동안 수행되었다. 상기 MgO 두께는 비교예 2의 경우 약 7-8Å이고 실시예 3 및 4의 경우 약 4-6Å이다.
도 5는 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 RA 및 TMR을 나타낸다. 도 6은 비교예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 RA 및 TMR을 도시한다. 도 5-6에 나타난 바와 같이, 실시예에서 상기 복합 MgO 및 산소 처리된 Nb 또는 Ta (이하에서 "MgO/(Nb, Ta)/OT"로 지칭됨) 시드 층은 상응하는 비교예 (종래의 MgO 시드 층을 나타냄)와 비교하여 유사한 RA로 고유 TMR을 30-40% 개선시켰다. 또한, 실시예에서의 상기 복합 MgO/(Nb, Ta)/OT 시드 층은 상기 MgO 층 또는 상기 자유 층의 두께가 변할 때 TMR 및 RA의 균일성을 현저히 향상시켰음을 알 수 있다.
비교예 3
MgAlO(MgO 대신)가 먼저 210 초 동안 회전하여 고정 전력으로 균일하게 스퍼터링 된 후, 또 다른 180 초 동안 회전하지 않고, 웨이퍼의 중심의 각 측면에서 55 mm 이상에 걸쳐, 웨이퍼를 가로질러 두껍고 얇은 두께를 갖는 MgAlO 시드 층을 생성한 것을 제외하고는, 비교예 3은 비교예 1과 유사하게 제조되었다. 상기 MgAlO 층의 평균 두께는 약 5-11 Å이다. 30 % 붕소를 갖는 8.0Å의 철 코발트 붕소(FeCoB)가 증착되었고, 7.5Å의 철이 상기 시드 층 상에 증착되어 상기 자유 층을 형성 하였다.
실시예 5
200 초 동안 회전없이 MgAlO를 증착하고, MgAlO와 상기 자유 층 사이에 2.2Å두께의 산소 처리된 Zr 금속층을 포함하는 것을 제외하고는, 비교예 3과 유사하게 실시예 5를 제조하였다. 상기 산소 처리는 30 초 동안 수행되었다.
비교예 4
시드 층을 형성하기 위해 390 초 동안 회전하여 고정 전력으로 MgAlO (MgO 대신)를 균일하게 스퍼터링하고, 30 % 붕소를 갖는 8.0Å의 철 코발트 붕소 (FeCoB) 및 철을 증착하여 상기 자유 층을 형성한 것을 제외하고는 비교예 1과 유사하게 비교예 4를 제조하였다. 상기 철 층은, 웨이퍼의 중심의 각 측면에서 55 mm 이상에 걸쳐, 웨이퍼를 가로질러 9.5Å내지 5.5Å의 두께를 갖도록 회전 없이 증착되었다.
실시예 6
200 초 동안 회전하여 MgAlO를 증착하고, MgAlO와 상기 자유 층 사이에 2.2Å두께의 산소 처리된 Zr 금속층을 포함하는 것을 제외하고는, 비교예 4와 유사하게 실시예 6을 제조 하였다. 상기 산소 처리는 30 초 동안 수행되었다.
도 7은 비교예 3 및 실시예 5의 RA 및 TMR을 나타낸다. 도 8은 비교예 4 및 실시예 6의 RA 및 TMR을 도시한다. 도 7 및 도 8에서, 실시예에서의 상기 복합 MgAlO/Zr/OT (MgAlO 및 산소 처리 Zr 층) 시드 층은 상응하는 비교예 (종래의 MgAlO 시드 층을 나타냄)와 비교하여 유사한 RA로 고유 TMR을 17-60% 개선시켰다. 또한, 실시예에서의 상기 복합 MgAlO/Zr/OT 시드 층은 상기 MgAlO 층 또는 상기 자유 층의 두께가 변할 때 TMR 및 RA의 균일성을 현저하게 향상시켰음을 알 수 있다.
비교예 5-6 및 실시예 7-11
표 1에 나타낸 비교예 5-6 및 실시예 7-11은 상기 산소 처리된 제 2 금속 층이 없는 시드 층("MgO 만"으로 지칭됨)과 본 발명 기술적 사상의 실시예들에 따른 상기 산소 처리된 제 2 금속 층을 포함하는 시드 층 사이의 파라미터 차이를 보여주는 추가적인 실시예이다.
표 1에서, MgO 다음의 시간(초)은 MgO 층을 증착시키기위한 지속 시간을 나타내고, OT 다음의 시간(초)은 산소 처리를 위한 지속 시간을 나타낸다. Nb 층의 두께는 2.2Å이다.
표 1은 또한 필름-레벨 파라미터(film-level parameters)를 보여준다. Hk FL(자유 층의 유효 수직 자기 이방성 필드), 알파(감쇠 상수; damping constant), 및 ΔHo(불균일한 선폭 확장; inhomogeneous linewidth broadening)는 강자성 공명 분광법(ferromagnetic resonance spectroscopy)을 사용하여 각각 측정되었다. Hk FL의 음수 값은 수직 이방성(perpendicular anisotropy)을 나타낸다. 표 1에서 알 수 있듯이, 상기 복합 MgO/Nb-Ox 시드 층은 유사한 RA에서 Hk FL 및 Kut (유효 자기 이방성 일정한 자유 층 두께 제품)을 개선하고 ΔHo를 현저하게 감소시켰으며, 이는 MgO만을 갖는 비교 시드 층과 비교하여 유사한 감쇠 상수(damping constant; α)를 유지하면서도 자기 불균일성이 적음을 나타낸다.
상기 MgO 층 증착 시간의 감소에 기인하여, 상기 MgO 두께가 실시예 7에서 실시예 11로 감소함을 또한 표 1로부터 관찰할 수 있다. MgO/Nb-Ox 복합 시드 층에서의 상기 MgO 두께 효과는 Hk FL과 ΔHo사이의 트레이드-오프(trade-off) 관계를 보여준다.
비교예 7
하부 전극 상에 Ta(20Å)/FeCoBTa(40Å)/FeCoB(5.5Å) 층을 증착하여 제 1 금속 층을 형성하고, 상기 제 1 금속 층 상에 MgO 층을 증착하여 상기 금속 산화물 층을 형성하고, 상기 금속 산화물 층 상에 FeCoB(8Å)/Fe(7.5Å)층을 증착하여 상기 자유 층을 형성하고, 상기 자유 층 상에 약 10-12Å두께의 MgO 층을 증착하여 상기 메인 터널링 배리어 층을 형성하고, 상기 메인 터널링 배리어 층 상에 약 12Å두께의 FeCoB 층을 증착하여 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL)을 형성하고, 상기 PEL 층 상에 Ta를 증착하여 텍스처 브레이킹 층 (texture breaking layer; TBL)을 형성하고, 상기 TBL 상에 Co/Pt 멀티층을 증착하여 상기 하부 고정층을 형성하고, 상기 하부 고정층 상에 Ir을 증착하여 상기 스페이서 층을 형성하고, 상기 스페이서 층 상에 Co/Pt 멀티층을 증착하여 상기 제 2 고정층을 형성하고, 상기 제 2 고정층 상에 Ta/Ru를 증착하여 캐핑 층을 형성하고, 이에 의해 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ) 장치를 제조한다.
실시예12
상기 자유 층 증착 전에, 상기 MgO 시드 층 상에 Nb 층을 증착하고 30 초 동안 산소 처리("MgO/Nb/OT"라 함)를 수행한 것을 제외하고는, 비교예 7과 유사하게 장치를 제조하였다. Nb 층의 증착 후 장치를 350 내지 400℃에서 어닐링 하였다.
표 2는 종래의 MgO 시드 층을 갖는 장치인 비교예 7과 상기 복합 산화물 MgO/Nb/OT 시드 층을 갖는 장치인 실시예 12 사이의 비교이다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 복합 MgO/Nb-Ox 시드 층을 갖는 약 40 nm의 임계 치수(critical dimension; CD)에 대한 소자 데이터는 종래의 MgO 시드 층을 이용하는 장치와 비교하여 Jc50ns 를 감소시킴으로써 개선된 TMR (전체 필름 데이터에 도시된 바와 같이) 및 개선된 FOM(=Delta 85°C/Jc50ns) 을 분명하게 보여준다. 또한 85°C에서 우수한 열 안정성 계수(델타로 표시)를 보여준다.
본 발명이 그 예시적인 실시예를 특히 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는 개시된 정확한 형태로 본 발명의 범위를 한정하거나 제한하려는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 기술된 구조와 조립 및 작동 방법의 개조 및 변경이, 다음의 청구 범위에 기재된 바와 같이, 본 발명의 원리, 사상, 및 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
10: 비교 하부-자유-층 자기 터널 접합
11: 하부 전극
12: 시드 층 스택
12-1: 아몰퍼스 금속 층
12-2: 산화 마그네슘
13: 자유 층
14: 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer)
15: 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택
15-1: 상부 고정 층
15-2: 스페이서 층
15-3: 하부 고정 층
15-4: 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL)
16: 캐핑 층
17: 상부 전극
20: 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)
21: 하부 전극
22: 복합 금속 산화물 시드 층
22-1: 제 1 금속 층
22-2: 금속 산화물 층
22-3: 제 2 금속 층
23: 자유 층
24: 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer)
25: 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택
25-1: 상부 고정 층
25-2: 스페이서 층
25-3: 하부 고정 층
25-4: 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL)
26: 캐핑 층
11: 하부 전극
12: 시드 층 스택
12-1: 아몰퍼스 금속 층
12-2: 산화 마그네슘
13: 자유 층
14: 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer)
15: 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택
15-1: 상부 고정 층
15-2: 스페이서 층
15-3: 하부 고정 층
15-4: 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL)
16: 캐핑 층
17: 상부 전극
20: 하부-자유-층 자기 터널 접합(BMTJ)
21: 하부 전극
22: 복합 금속 산화물 시드 층
22-1: 제 1 금속 층
22-2: 금속 산화물 층
22-3: 제 2 금속 층
23: 자유 층
24: 메인 터널링 배리어 층(main tunneling barrier layer)
25: 합성 반 강자성 고정 층(synthetic antiferromagnetic pinned layer; SAF-PL) 스택
25-1: 상부 고정 층
25-2: 스페이서 층
25-3: 하부 고정 층
25-4: 편광 강화 층(polarization enhancing layer; PEL)
26: 캐핑 층
Claims (20)
- 복합 금속 산화물 시드 층; 및
상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 포함하되,
상기 복합 금속 산화물 시드 층은
제 1 금속 층;
상기 제 1 금속 층 상의 금속 산화물 층; 및
상기 금속 산화물 층 상의 제 2 금속 층을 포함하고,
상기 제 2 금속 층은 산소 처리된 하부-자유-층 자기 터널 접합(bottom-free-layer magnetic tunnel junction). - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물 층은 MgO, MgAlO, MgAl2O4 및 / 또는 (MgAl)3O4를 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 금속 층은 Nb, Ta, Hf, Zr 또는 Zr-X를 포함하되, 여기서 X는 Nb, Ta 또는 Hf 인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 금속 층은 금속-Ox를 포함하고,
여기서 x는 상기 제 2 금속 층에서 산소 원자 및 금속 원자의 몰비(molar ratio)를 나타내고, x는 Y 값보다 작고, Y는 상기 금속 원자의 원자가를 2로 나눔으로써 얻어지는 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 4 항에 있어서,
x는 0보다 크고 Y보다 작은 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 4 항에 있어서,
x는 Y의 80 % 이하인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 금속 층은 금속을 포함하고 상기 제 2 금속 층의 상기 금속은 부분적으로 산화된 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물 층은 MgO를 포함하고, 상기 제 2 금속 층은 Nb, Ta 또는 Hf를 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제1 항에 있어서,
상기 금속 산화물 층은 MgAl2O4를 포함하고, 상기 제 2 금속 층은 Ta, Zr 또는 Zr-X를 포함하되, 여기서 X는 Nb, Ta 또는 Hf인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 금속 층의 두께는 3.5Å이하인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 자유 층은 FeB, FeB-X, FeCoB, FeCoB-X, Fe, Fe-X, FeCo 및 FeCo-X에서 선택된 하나 또는 다수의 층들을 포함하되, 여기서 X는 Be, Ni, Mo, Mg, Zr, Ta, V, Cr, W, Hf, Nb, 또는 Tb 인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 금속 층은 Ta, W, Mo, Hf, NiW, NiTa, NiCrW, FeCo-Y, FeCoB, FeCoB-Y, FeB-Y, 및 CoB-Y 에서 선택된 하나 또는 다수의 층들을 포함하되, 여기서 Y는 Ta, Zr, Mo, W, V 또는 Ni의 하나 또는 다수의 원소인 하부-자유-층 자기 터널 접합. - 제 1 항의 상기 하부-자유-층 자기 터널 접합을 포함하는 수직 하부-자유-층 에스티티-엠램 셀(perpendicular bottom-free-layer STT-MRAM cell).
- 하부 전극 상에 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하고,
상기 복합 금속 산화물 시드 층 상에 붕소(B)를 포함하는 자유 층을 증착하는 것을 포함하되,
상기 복합 금속 산화물 시드 층을 증착하는 것은
상기 하부 전극 상에 제 1 금속 층을 증착하고,
상기 제 1 금속 층 상에 금속 산화물 층을 증착하고,
상기 금속 산화물 층 상에 제 2 금속 층을 증착하고,
상기 제 2 금속 층에 산소 처리를 수행하는 것을 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 산소 처리를 수행하는 것은 자연(natural) 또는 라디칼(radical) 산화 공정을 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 산소 처리를 수행하는 것은 주위 온도(ambient temperature)에서 수행되는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 산소 처리를 수행하는 것은 상기 제 2 금속 층을 증착하기 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키는 것을 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 17 항에 있어서,
산소가 상기 금속 산화물 층으로부터 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 상기 제 2 금속 층의 증착 후에 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 산소 처리를 수행하는 것은
상기 제 2 금속 층을 증착하기 전에 상기 금속 산화물 층을 산소에 노출시키고,
상기 제 2 금속 층을 증착한 후 상기 제 2 금속 층을 산소에 노출시키는 것을 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법. - 제 19 항에 있어서,
산소가 상기 금속 산화물 층에서 상기 제 2 금속 층으로 이동하도록 어닐링(annealing)을 수행하는 것을 더 포함하는 하부-자유-층 자기 터널 접합 형성 방법.
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170057464A (ko) * | 2014-10-16 | 2017-05-24 | 마이크론 테크놀로지, 인크 | 메모리 셀들, 반도체 디바이스들, 및 제조 방법들 |
| US20180006213A1 (en) * | 2015-03-18 | 2018-01-04 | Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University | Memory device |
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|---|---|---|---|---|
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| US8947914B2 (en) | 2011-03-18 | 2015-02-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic tunneling junction devices, memories, electronic systems, and memory systems, and methods of fabricating the same |
| US9490054B2 (en) * | 2012-10-11 | 2016-11-08 | Headway Technologies, Inc. | Seed layer for multilayer magnetic materials |
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| WO2019049740A1 (ja) * | 2017-09-11 | 2019-03-14 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 垂直磁化膜の前駆体構造、垂直磁化膜構造、およびその製造方法、これらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合膜およびその製造方法、ならびにこれらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合素子 |
| JP2019057601A (ja) * | 2017-09-20 | 2019-04-11 | 東芝メモリ株式会社 | 磁気記憶装置 |
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| US10923649B2 (en) * | 2018-05-22 | 2021-02-16 | Tdk Corporation | Spin current magnetization rotation magnetoresistance effect element, and magnetic memory |
| US10522752B1 (en) * | 2018-08-22 | 2019-12-31 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Magnetic layer for magnetic random access memory (MRAM) by moment enhancement |
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-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170057464A (ko) * | 2014-10-16 | 2017-05-24 | 마이크론 테크놀로지, 인크 | 메모리 셀들, 반도체 디바이스들, 및 제조 방법들 |
| US20180006213A1 (en) * | 2015-03-18 | 2018-01-04 | Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University | Memory device |
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