KR20220069798A - Magnetic tunneling junctions based on spin-orbit torque and method manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, disclosed are a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) and a manufacturing method thereof. The present invention comprises: a spin-torque active layer formed on a substrate; a free layer formed on the spin-torque active layer; a tunnel barrier layer formed on the free layer; and a fixing layer formed on the tunnel barrier layer. The spin-torque active layer includes a W-X alloy, wherein W is tungsten and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor.

Description

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법{MAGNETIC TUNNELING JUNCTIONS BASED ON SPIN-ORBIT TORQUE AND METHOD MANUFACTURING THEREOF}Spin-orbit torque (SOT)-based magnetic tunnel junction and manufacturing method thereof

본 발명은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀 궤도 결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 갖는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spin-orbit torque (SOT)-based magnetic tunnel junction and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a W-X alloy having a large spin-orbit coupling (where W is tungsten and , wherein X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) thin film is used as a spin torque active layer to enable spin-orbit torque switching and high spin-orbit torque efficiency at low resistivity To a spin-orbit torque (SOT)-based magnetic tunnel junction and a method for manufacturing the same.

자기터널 접합은 기본적으로 강자성체/산화물/강자성체의 3중층 구조로 되어 있으며, 각각 자화 자유층(free layer, FL), 터널 베리어(tunnel barrier, TB) 및 자화 고정층(pinned layer, PL)을 포함하고, 자유층과 고정층의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 터널 베리어를 사이에 두고 이웃한 자유층과 고정층의 스핀 방향이 평행(parallel) 또는 반평행(antiparallel)으로 배열된 상태에 따라서 터널베리어를 통과하는 터널링 전류의 값이 달라지는 성질을 이용하며, 이때의 저항차이를 터널자기저항비(TMR)이라고 한다. 고정층의 스핀 방향은 고정되어 있고, 자유층의 스핀방향을 자기장 또는 전류를 흘려주어 조작함으로써 정보를 입력할 수 있다.The magnetic tunnel junction basically has a triple layer structure of ferromagnetic material/oxide/ferromagnetic material, and includes a magnetization free layer (FL), a tunnel barrier (TB), and a magnetization pinned layer (PL), respectively. , the positions of the free layer and the fixed layer can be interchanged. It uses the property that the value of the tunneling current passing through the tunnel barrier changes according to the state in which the spin directions of the adjacent free layer and the pinned layer are arranged in parallel or antiparallel with the tunnel barrier interposed therebetween. The resistance difference is called the tunnel magnetoresistance ratio (TMR). The spin direction of the pinned layer is fixed, and information can be input by manipulating the spin direction of the free layer by flowing a magnetic field or current.

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 스위칭 기반 MRAM(magnetic random access memory)의 핵심 소자인 자기터널접합(magnetic tunnel junction, MTJ)은 비자성 스핀토크 활성층/제1 자성층(자화 자유층, 이하 자유층)/터널배리어층/제2 자성층(자화 고정층, 이하 고정층)으로 구성되어 있으며, 자유층과 고정층의 상대적인 자화방향에 따라 절연층을 통과하는 터널링 전류의 전기저항 값이 달라지는 터널자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 현상을 이용하여 정보를 읽는다(reading).A magnetic tunnel junction (MTJ), a core element of a spin-orbit torque (SOT) switching-based magnetic random access memory (MRAM), is a non-magnetic spin torque active layer/first magnetic layer (magnetization free layer, hereinafter referred to as a magnetic tunnel junction). It is composed of free layer)/tunnel barrier layer/second magnetic layer (magnetization pinned layer, hereinafter referred to as pinned layer), and tunnel magnetoresistance ( Reading information using the phenomenon of tunneling magnetoresistance (TMR).

높은 터널 자기저항비, 높은 기록안정성, 낮은 기록 전류, 고집적화를 구현하기 위해서는 자기 터널 접합은 필수적으로 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 있어야 한다. 수직자기이방성이란 자성층의 자화 방향이 자성층 면에 수직인 것을 의미한다.In order to realize a high tunnel magnetoresistance ratio, high write stability, low write current, and high integration, a magnetic tunnel junction must have a characteristic perpendicular magnetic anisotropy (PMA). The perpendicular magnetic anisotropy means that the magnetization direction of the magnetic layer is perpendicular to the surface of the magnetic layer.

최근에는 자유층에 인접한 스핀토크 활성층의 면내 평행한 방향으로 전류가 흐를 때 발생하는 스핀 홀 효과(spin Hall effect) 또는 라쉬바 효과(Rashba effect)를 이용하여 자유층의 스위칭을 유도하는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 현상이 발견되어, 기존 스핀 전달 토크(spin-transfer torque, STT) 기록(writing) 방식보다 고속, 저전류 소모로 정보 기록이 가능한 기술로 관심을 받고 있다.Recently, spin orbital torque that induces switching of the free layer using the spin Hall effect or Rashba effect, which occurs when current flows in the in-plane parallel direction of the spin torque active layer adjacent to the free layer (Spin-orbit torque, SOT) phenomenon was discovered, and it is attracting attention as a technology capable of recording information at higher speed and lower current consumption than the existing spin-transfer torque (STT) writing method.

따라서, 스핀토크 활성층으로 낮은 비저항과 높은 스핀궤도 토크의 효율을 나타내는 물리량인 스핀 홀 각도(spin Hall angle, SHA)가 큰 물질을 이용하고자 하는 연구가 요구되고 있다.Therefore, research on using a material having a large spin Hall angle (SHA), which is a physical quantity indicating low specific resistance and high spin orbit torque efficiency, as the spin torque active layer is required.

대한민국 공개특허 제10-2020-0030277호, "스핀-궤도 토크 라인을 갖는 반도체 소자 및 그 동작 방법"Korean Patent Laid-Open Patent No. 10-2020-0030277, "Semiconductor device having spin-orbit torque line and operating method therefor" 대한민국 공개특허 제10-2020-0066848호, "스핀-궤도 토크 라인을 갖는 반도체 소자"Korean Patent Laid-Open Patent No. 10-2020-0066848, "Semiconductor device having spin-orbit torque line"

본 발명의 실시예는 스핀궤도결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금 (여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 효율을 나타내는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention uses a thin film of a W-X alloy (where W is tungsten, wherein X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) having high spin-orbit coupling. An object of the present invention is to provide a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction capable of switching spin-orbit torque by using it as an active layer and exhibiting high spin-orbit torque efficiency at low resistivity and a method for manufacturing the same.

본 발명의 실시예는 W-X 합금의 X 조성을 조절하여 스위칭 전류를 제어할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction capable of controlling the switching current by adjusting the X composition of the W-X alloy and a method for manufacturing the same.

본 발명의 실시예는 스핀토크 활성층으로 텅스텐-실리콘 합금을 사용하여 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention uses a tungsten-silicon alloy as a spin torque active layer to maintain a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in various heat treatment temperature ranges. A spin orbit torque-based magnetic tunnel junction and a manufacturing method thereof are provided. want to

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합은 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer); 상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 자유층; 상기 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층; 및 상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층; 을 포함하고, 상기 스핀토크 활성층은 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 포함한다.A spin-orbit torque (SOT)-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes a spin-orbit active layer formed on a substrate; a free layer formed on the spin torque active layer; a tunnel barrier layer formed on the free layer; and a pinned layer formed on the tunnel barrier layer. and, the spin torque active layer includes a W-X alloy (wherein W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor).

상기 스핀토크 활성층은 상기 자유층과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극일 수 있다.The spin torque active layer may be an electrode providing an in-plane current in contact with the free layer.

상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the composition content of X included in the W-X alloy increases, the switching current may be reduced.

상기 텅스텐-실리콘 합금 내에 포함되는 실리콘의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.The composition content of silicon included in the tungsten-silicon alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%.

상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, a switching current may be reduced as the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.

상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed may be 300 °C to 500 °C.

상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절될 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be adjusted according to the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed.

상기 스핀토크 활성층, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태일 수 있다.The spin torque active layer, the free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer may have a cross shape in plan view.

상기 스핀토크 활성층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 상기 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 배치될 수 있다.The spin torque active layer may have a cross shape in plan view, and the free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer may be disposed in an island shape at the center of the cross shape spin torque active layer.

상기 기판은 상기 스핀토크 활성층과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함할 수 있다.The substrate may include a native oxide layer on a surface in contact with the spin torque active layer.

상기 스핀토크 활성층은 하단에 버퍼층(buffer)층을 더 포함할 수 있다.The spin torque active layer may further include a buffer layer at a lower portion.

상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 고정층 상에 캐핑층을 더 포함할 수 있다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction may further include a capping layer on the pinned layer.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계; 상기 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계; 상기 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계; 상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계; 및 상기 자유층 및 상기 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계;를 포함하고, 상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 기판 상에 W-X 합금 박막(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 형성한다.A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes: forming a spin torque active layer on a substrate; forming a free layer on the spin torque active layer; forming a tunnel barrier layer on the free layer; forming a pinned layer formed on the tunnel barrier layer; and performing a heat treatment to develop perpendicular magnetic anisotropy to the free layer and the pinned layer, wherein the forming of the spin torque active layer on the substrate includes sputtering a W target and an X target in a vacuum chamber at the same time. A W-X alloy thin film (wherein W is tungsten and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) is formed on the substrate disposed in the vacuum chamber.

상기 텅스텐 타겟 및 상기 실리콘 타겟의 파워에 따라 상기 텅스텐-실리콘 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.The composition of the tungsten-silicon alloy thin film may be adjusted according to the power of the tungsten target and the silicon target.

상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be 0.1at% to 10.6at%.

상기 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the heat treatment temperature increases, the switching current may decrease.

상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature may be 300 °C to 500 °C.

상기 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절될 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be adjusted according to the heat treatment temperature.

상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, 상기 텅스텐-실리콘 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.The forming of the spin torque active layer on the substrate may further include patterning the tungsten-silicon alloy thin film in a cross shape.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀궤도결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 효율을 나타내는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, spin-orbit torque switching is possible by using a W-X alloy thin film with high spin-orbit coupling as a spin torque active layer, and high spin orbit torque ( It is possible to provide a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction exhibiting spin-orbit torque) efficiency and a method for manufacturing the same.

본 발명의 실시예에 따르면, W-X 합금의 X 조성을 조절하여 스위칭 전류를 제어할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction capable of controlling the switching current by adjusting the X composition of the W-X alloy and a method for manufacturing the same.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀토크 활성층으로 텅스텐-실리콘 합금을 사용하여 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, using a tungsten-silicon alloy as a spin torque active layer, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) can be maintained in various heat treatment temperature ranges, a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction and a method for manufacturing the same can provide

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위한 구조를 도시한 단면도이다.
도 5는 300℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합(이하에서, 실시예 1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체로 명명하기로 한다)에 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 6은 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 7은 400℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 8은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 9는 500℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 11a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 11b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 하모닉스(harmonics) 측정법을 이용하여 측정한 소자의 스핀 궤도 토크의 효율을 도시한 그래프이다.
도 12는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 4침법(four-point probe)을 이용하여 측정한 합금의 전기 비저항 값을 도시한 그래프이다.
도 13은 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 14는 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.
도 15는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 16은 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.
도 17a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 17b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 ±100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 스핀토크 활성층인 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스위칭 전류밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 18은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 19는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 20은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.
도 21은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 22는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 23은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.
도 24는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 25는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 4.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이며, 도 26은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 7.4 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 27은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 9.1 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이다.
도 28은 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 29는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에, 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 및 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때의 자기이력곡선을 도시한 그래프이며, 도 30 내지 도 32는 전류 인가 무자기장 자화 반전을 측정한 이력 곡선을 도시한 그래프이다.
도 33은 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 X선 회절분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 도시한 그래프이다.
도 34는 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이고, 도 35는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view illustrating a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a structure for measuring spin orbit torque efficiency of a spin orbit torque based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.
5 is a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 4 in which heat treatment was performed at 300° C. for 1 hour (hereinafter, W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1) It is a graph showing the magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied to the thin film in the out-of-plane direction. , FIG. 6 is a graph showing a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film.
7 shows the silicon content (0at) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the direction perpendicular to the plane of the thin film to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1, which was heat treated at 400° C. for 1 hour. % to 10.6 at%) is a graph showing the hysteresis curve, and FIG. 8 is a hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing
9 shows the silicon content (0at) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1, which was heat treated at 500° C. for 1 hour in the direction perpendicular to the plane of the thin film. % to 10.6 at%) is a graph showing the hysteresis curve, and FIG. 10 is a hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing
11A is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 11B is a vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour, FIG. Spin trajectory of the device measured using a harmonics measurement method in the composition range of the tungsten-silicon alloy layer in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having the perpendicular magnetic anisotropy shown in 11a It is a graph showing the efficiency of torque.
12 is a tungsten-silicon alloy in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having the perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a by performing vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour. It is a graph showing the electrical resistivity value of the alloy measured using a four-point probe in the composition range of the layer.
13 shows when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 300° C. for 1 hour, tungsten- It is a graph showing switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 14 is a tungsten-switching according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied. It is a graph showing characteristics.
15 shows that when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, tungsten- It is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, Figure 16 is when an external magnetic field of -100 Oe is applied, tungsten-switching according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer It is a graph showing characteristics.
17a is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 17b is a vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour, vertical When an external magnetic field of ±100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having magnetic anisotropy, the switching current density change according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer, which is the spin torque active layer, It is the graph shown.
18 is a view showing the change of an external magnetic field after heat treatment of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 0 at% at 300° C. for 1 hour; FIG. It is a graph measuring the switching current (current density), and FIG. 19 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 7.4 at% 1 at 300°C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field, and FIG. 20 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. This is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field after the /CoFeB/MgO/Ta structure was heat treated at 300° C. for 1 hour.
21 is a view showing the change of an external magnetic field after heat treatment of a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 0 at% at 500° C. for 1 hour; It is a graph measuring the switching current (current density), and FIG. 22 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 500°C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field, and FIG. 23 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. This is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field after the /CoFeB/MgO/Ta structure was heat treated at 500° C. for 1 hour.
24 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2, in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 3.0 at%, after vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, leader pod backscattering ( It is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, 25 shows a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2, in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 4.0 at%, after vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, followed by leader pod backscattering ( It is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering), and FIG. 26 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 7.4 at% at 500°C. After vacuum heat treatment for 1 hour, it is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, and FIG. 27 is a tungsten-silicon alloy layer in Example 2 in which the silicon composition is 9.1 at%. After vacuum annealing the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure at 500° C. for 1 hour, it is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering.
28 is a schematic diagram showing a CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 29 is a vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, in Example 3 A graph showing a hysteresis curve when a magnetic field is applied to the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to the out-of-plane and in-plane directions of the thin film 30 to 32 are graphs showing hysteresis curves measuring magnetization reversal of no magnetic field applied with current.
33 shows the silicon composition (0.0, 4.0) of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour. , 9.1 at%) is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD).
34 is a tungsten-silicon alloy layer of silicon composition (0.0, 4.0, 9.1 at%) is an image showing the phase of the thin film using an in-plane transmission electron microscope (TEM), and FIG. 35 is a vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour. , In-plane transmission of the thin film according to the silicon composition (0.0, 4.0, 9.1 at%) of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy It is an image showing the image of the thin film using an electron microscope (Transmission Electron Microscope, TEM).

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements, steps, or elements mentioned.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiment”, “example”, “aspect”, “exemplary”, etc. are to be construed as advantageous in any aspect or design described as being preferred or advantageous over other aspects or designs. is not doing

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any of natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, as used herein and in the claims, the singular expression "a" or "an" generally means "one or more," unless stated otherwise or clear from the context that it relates to the singular form. should be interpreted as

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and/or change of technology, customs, preferences of technicians, and the like. Therefore, the terms used in the description below should not be construed as limiting the technical idea, but as illustrative terms for describing the embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the corresponding description. Therefore, the terms used in the description below should be understood based on the meaning of the term and the content throughout the specification, rather than the simple name of the term.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to properly express the embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합은 기판(110) 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer; 120), 스핀토크 활성층(120) 상에 형성되는 자유층(130), 자유층(130) 상에 형성되는 터널 배리어층(140) 및 터널 배리어층(140) 상에 형성되는 고정층(150)을 포함하고, 스핀토크 활성층(120)은 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 포함한다.A spin-orbit torque (SOT)-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes a spin-orbit active layer 120 and a spin torque active layer 120 formed on a substrate 110 . A free layer 130 formed thereon, a tunnel barrier layer 140 formed on the free layer 130 , and a pinned layer 150 formed on the tunnel barrier layer 140 , and a spin torque active layer 120 . Silver includes a W-X alloy, wherein W is tungsten, and wherein X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀궤도결합이 큰 W-X 합금을 스핀토크 활성층(120)으로 사용하여 스핀궤도 토크 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 가질 수 있다.Therefore, the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention uses a W-X alloy with large spin orbit coupling as the spin torque active layer 120 to enable spin orbit torque switching and to achieve high spin orbit torque efficiency at low resistivity. can have

본 발명의 실시예에 따른 스핀 궤도 기반 자기 터널 접합은 기판(110) 상에 형성되는 스핀토크 활성층(120)을 포함한다.A spin orbit-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes a spin torque active layer 120 formed on a substrate 110 .

기판(110)은 반도체 기판을 포함할 수 있고, 반도체 기판은 실리콘(Si), 실리콘-온-인슐레이터(SOI), 실리콘게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함할 수 있다.The substrate 110 may include a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate may include silicon (Si), silicon-on-insulator (SOI), silicon germanium (SiGe), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), or the like. can

기판(110)은 스핀토크 활성층(120)과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함할 수 있고, 기판(110) 표면에 형성된 자연 산화층은 비정질일 수 있다.The substrate 110 may include a native oxide layer on a surface in contact with the spin torque active layer 120 , and the native oxide layer formed on the surface of the substrate 110 may be amorphous.

실시예에 따라, 기판(110) 상에 시드층(seed layer) 및 버퍼층(buffer layer) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, at least one of a seed layer and a buffer layer may be further included on the substrate 110 .

따라서, 시드층 및 버퍼층은 기판(110)과 활성층 사이에 형성될 수 있다.Accordingly, the seed layer and the buffer layer may be formed between the substrate 110 and the active layer.

시드층은 기판(110) 상에 형성될수도 있고, 스핀토크 활성층(120) 상에 형성될 수 있으며, 시드층은 결정 성장할 수 있도록 하는 물질로, 자성 물질이 원하는 결정 방향으로 성장할 수 있도록 할 수 있다.The seed layer may be formed on the substrate 110 or on the spin torque active layer 120 , and the seed layer is a material that allows crystal growth, and allows the magnetic material to grow in a desired crystal direction. .

시드층은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 시드층은 5 nm의 Ta일 수 있다.The seed layer may include at least one of tantalum (Ta), ruthenium (Ru), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), magnesium (Mg), cobalt (Co), aluminum (Al), and tungsten (W). It may include one, but is not limited thereto. Preferably, the seed layer may be 5 nm Ta.

버퍼층은 스핀토크 활성층(120)의 하단에 형성될 수 있고, 버퍼층이 스핀토크 활성층(120)의 하단에 형성되어 스핀토크 활성층(120)의 결정성을 향상시킬 수 있다.The buffer layer may be formed under the spin torque active layer 120 , and the buffer layer may be formed under the spin torque active layer 120 to improve crystallinity of the spin torque active layer 120 .

또한, 버퍼층은 층들의 격자 상수 불일치를 해소하기 위해 형성될 수 있다.In addition, a buffer layer may be formed to resolve the lattice constant mismatch of the layers.

또한, 시드층 및 버퍼층은 서로 구분되지 않고 단일층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층이 시드층의 기능도 포함할 수 있다.Also, the seed layer and the buffer layer are not separated from each other and may be formed as a single layer. For example, the buffer layer may also function as a seed layer.

버퍼층은 Ta, W 및 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 버퍼층은 10 nm의 Pd 또는 2 nm의 Ta 일 수 있다.The buffer layer may include at least one of Ta, W, and Pd, but is not limited thereto. Preferably, the buffer layer may be 10 nm of Pd or 2 nm of Ta.

스핀토크 활성층(120)은 자유층(130)과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극으로 사용될 수 있고, 면내 전류를 제공하여 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다.The spin torque active layer 120 may be used as an electrode providing an in-plane current in contact with the free layer 130 , and may cause a spin Hall effect or a Rashba effect by providing an in-plane current.

스핀토크 활성층(120)은 스핀 분극 전류를 제공하고, 스핀토크 활성층(120)의 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과에 의하여 자유층(130)에 스핀궤도 토크를 인가하여 자유층(130)의 자화 역전을 유도할 수 있다. 또한, 스핀토크 활성층(120)는 자유층(130)에 스핀토크 활성층(120)의 자화 방향으로 정렬된 스핀 축적을 제공하고, 스핀 축적은 결정론적인 스위칭(deterministic switching) 효과 또는 추가적인 토크를 제공하는 효과를 제공할 수 있다.The spin torque active layer 120 provides a spin polarization current, and applies a spin orbit torque to the free layer 130 by the spin Hall effect or Rashba effect of the spin torque active layer 120 to reverse the magnetization of the free layer 130 . can induce In addition, the spin torque active layer 120 provides the free layer 130 with spin accumulation aligned in the magnetization direction of the spin torque active layer 120 , and the spin accumulation provides a deterministic switching effect or additional torque. effect can be provided.

또한, 스핀토크 활성층(120)을 통해 면내에서 구동되는 전류 및 수반되는 스핀 궤도 상호 작용은 스핀 궤도 자기장(H)을 초래할 수 있다. 이 스핀 궤도 자기장(H)은 자화 상의 스핀궤도 토크(T)와 동등하다. 따라서 토크와 자기장은 스핀 궤도 자기장과 스핀궤도 토크로 상호 교환적으로 지칭될 수 있다. 이는 스핀 궤도 상호 작용이 스핀궤도 토크 및 스핀 궤도 자기장의 근원이라는 사실을 반영한다. 스핀궤도 토크는 스핀토크 활성층(120)의 평면에서 구동되는 전류 및 스핀 궤도 상호 작용에 대해 발생할 수 있다.In addition, the current driven in-plane through the spin-torque active layer 120 and the accompanying spin orbit interactions may result in a spin orbit magnetic field H. This spin orbit magnetic field (H) is equal to the spin orbit torque (T) on magnetization. Therefore, torque and magnetic field may be referred to interchangeably as spin orbital magnetic field and spin orbital torque. This reflects the fact that spin orbit interactions are the source of spin orbit torque and spin orbit magnetic field. Spin orbital torque may be generated with respect to the current driven in the plane of the spintorque active layer 120 and the spin orbital interaction.

스핀토크 활성층(120)은 강력한 스핀-궤도 상호작용을 가지고, 자유층(130)의 자기 모멘트 스위칭 시에 사용될 수 있는 전극일 수 있다.The spin torque active layer 120 may have a strong spin-orbit interaction and may be an electrode that can be used when switching the magnetic moment of the free layer 130 .

또한, 스핀토크 활성층(120)은 자유층(130) 내의 자기장을 스위칭하는 것을 용이하게 할 수 있고, 스핀토크 활성층(120)은 자유층(130)에서의 자기장의 극성 방향을 변경함으로써 스핀 트랜스퍼 토크 메모리를 구현할 수 있다.In addition, the spin torque active layer 120 may facilitate switching the magnetic field in the free layer 130 , and the spin torque active layer 120 changes the polarity direction of the magnetic field in the free layer 130 , thereby providing a spin transfer torque. memory can be implemented.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 MRAM 메모리 셀을 동작시키기 위해 스핀 전류를 사용하여 자유층(130)을 스위칭하기 위한 스핀궤도 토크(spin orbit torque, SOT)를 사용할 수 있다.Accordingly, the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention uses a spin orbit torque (SOT) for switching the free layer 130 using a spin current to operate the MRAM memory cell. can

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)으로 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 사용할 수 있고, 이에 따라, 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있다.Spin orbital torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention is a spin torque active layer 120 of a W-X alloy (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) ) can be used, and thus, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) can be maintained in various heat treatment temperature ranges.

바람직하게는, 4족 반도체는 탄소(C), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 또는 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 3-5족 반도체는 GaAs, GaP, InP, InGaAlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the group 4 semiconductor may include at least one of carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or an alloy thereof, and the group 3-5 semiconductor is GaAs, It may include at least one of GaP, InP, InGaAlN, and GaN, but is not limited thereto.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금(Alloy)이 사용될 수 있다.Preferably, in the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, a tungsten (W)-silicon (Si) alloy may be used as the spin torque active layer 120 .

보다 구체적으로, 스핀궤도 토크(SOT)는 스핀궤도 상호작용에 의한 스핀-홀 효과(Spin-Hall Effect) 및 라쉬바 효과(Rashba Effect)에 의해 나타나고, 이러한 현상은 원자 번호와 비례하여 강하게 나타날 수 있다. 이에, 종전에는 중금속 재료(W, Ta, Pt 등) 위주의 연구가 진행되고 있고, 중금속 단일 재료의 특성과 효율을 더욱 향상시키고자 다양한 재료의 합금 또는 삽입 등의 연구가 이루어지고 있다.More specifically, the spin orbital torque (SOT) is represented by the Spin-Hall Effect and the Rashba Effect by the spin orbital interaction, and this phenomenon can be strongly proportional to the atomic number. have. Therefore, in the past, studies focusing on heavy metal materials (W, Ta, Pt, etc.) have been conducted, and studies such as alloys or insertions of various materials are being made to further improve the properties and efficiency of a single heavy metal material.

따라서, 스핀트로닉스 관점에서 텅스텐은 스핀-궤도 토크(SOT) 발현이 뛰어난 물질이기에, 스핀-궤도 상호작용에 의한 스핀-홀 효과가 강해 SOT-MRAM 소재로 사용하기 용이하고, X(Si과 Ge, Ga-As 등 4족, 3-5족) 반도체 물질은 스핀-궤도 토크의 원인으로 알려져 있는 스핀-홀 효과와 라쉬바 효과가 존재하므로, W-X 합금을 스핀토크 활성층(120)으로 사용하면 스핀궤도 토크 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 가질 수 있다.Therefore, from the spintronics point of view, tungsten is a material with excellent spin-orbit torque (SOT) expression. In semiconductor materials such as Ga-As, groups 4 and 3-5), the spin-Hall effect and the Rashba effect, which are known causes of spin-orbit torque, exist. Torque switching is possible and it can have high spin orbit torque efficiency at low resistivity.

바람직하게는, 텅스텐(W) 및 실리콘(Si)은 반도체 공정에 필수적인 물질이고, W-Si 합금 또한 고온에서 열처리를 진행하면 낮은 접촉 저항을 가져 반도체 공정에 매우 친화적인 물질이기에, 스핀토크 활성층(120)으로 W-Si 합금을 사용할 수 있다.Preferably, tungsten (W) and silicon (Si) are essential materials for the semiconductor process, and the W-Si alloy also has low contact resistance when heat-treated at a high temperature and is a very friendly material for the semiconductor process, so the spin torque active layer ( 120) as a W-Si alloy.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀토크 활성층(120)에 포함되는 X 원소는 반도체 물질로, X 원소는 외부(extrinsic) 스핀-홀 효과를 나타낼 수 있다.The X element included in the spin torque active layer 120 of the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention may be a semiconductor material, and the X element may exhibit an extrinsic spin-Hall effect.

따라서, 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하는 X의 외부(extrinsic) 스핀-홀 효과에 의해 텅스텐에 X(예; 실리콘) 조성의 함량이 증가될수록 스핀궤도 토크 효율이라 불리는 스핀-홀 각도(spin hall angle)가 증가될 수 있다. Therefore, as the content of X (e.g., silicon) composition in tungsten increases due to the extrinsic spin-Hall effect of X, which is partially present as an impurity inside tungsten, the spin-Hall angle called spin orbit torque efficiency. (spin hall angle) may be increased.

또한, 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하는 X에 의해 전자 산란이 증가되어 텅스텐에 X의 조성 함량이 증가함에 따라 W-X 합금 박막의 비저항이 증가될 수 있다.In addition, electron scattering is increased by X, which is partially present as an impurity in tungsten, and as the composition content of X in tungsten increases, the specific resistance of the W-X alloy thin film may be increased.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention, the switching current may be reduced as the composition content of X included in the W-X alloy increases.

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)에 의한 스위칭 전류는 하기 식 1로 표현될 수 있다.A switching current due to a spin-orbit torque (SOT) may be expressed by Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

식 1에서,

Figure pat00002
는 스핀궤도 토크에 의한 스위칭 전류,
Figure pat00003
는 스핀 홀 각도라 불리는 스핀 토크의 효율,
Figure pat00004
는 포화자화,
Figure pat00005
는 자성층의 두께,
Figure pat00006
는 전류가 인가되는 비자성층의 단면적,
Figure pat00007
는 일축 이방성 자기장의 크기,
Figure pat00008
는 스위칭 실험 시 필요한 외부 자기장의 크기를 의미한다.In Equation 1,
Figure pat00002
is the switching current by the spin orbit torque,
Figure pat00003
is the efficiency of the spin torque, called the spin Hall angle,
Figure pat00004
is the saturation magnetization,
Figure pat00005
is the thickness of the magnetic layer,
Figure pat00006
is the cross-sectional area of the non-magnetic layer to which the current is applied,
Figure pat00007
is the magnitude of the uniaxial anisotropic magnetic field,
Figure pat00008
is the magnitude of the external magnetic field required for the switching experiment.

W-X 합금 내에 X의 조성 함량이 증가됨에 따라 스핀 토크 효율인

Figure pat00009
가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인
Figure pat00010
가 감소되어 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the compositional content of X in the WX alloy increases, the spin torque efficiency is
Figure pat00009
is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropic magnetic field is
Figure pat00010
is reduced, so that the switching current may be reduced.

또한, W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6 at%일 수 있다. 다만, W-X 합금에서 X의 조성 함량은 이에 제한되지 않고, X 물질에 따라 조절될 수 있다.In addition, the composition content of X included in the W-X alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%. However, the composition content of X in the W-X alloy is not limited thereto, and may be adjusted according to the X material.

W-X 합금에서 X의 조성 함량이 증가함에 따라 수직자기이방성이 약해질 수 있고, 특정 조성 함량(예; 10.6at%) 범위를 벗어나면 수직자기이방성을 잃게되는 문제가 있다.As the composition content of X increases in the W-X alloy, perpendicular magnetic anisotropy may be weakened, and there is a problem in that perpendicular magnetic anisotropy is lost when out of a specific composition content (eg, 10.6 at%) range.

바람직하게는, W-X 합금에서 X의 조성은 후에 진행되는 열처리의 온도에 따라 조절될 수 있고, 열처리의 온도가 300 ℃또는 400℃인 경우, X의 조성이 0.1 at% 내지 9.6 at%일 때, 수직자기이방성이 발현되고, 500℃인 경우, 0.1 at% 내지 8.6 at%일 때, 수직자기이방성이 발현될 수 있다. 다만, 열처리 온도에 따른 W-X 합금에서 X의 조성 함량은 이에 제한되지 않고, X 물질에 따라 조절될 수 있다.Preferably, the composition of X in the W-X alloy can be adjusted according to the temperature of the heat treatment to be carried out later, and when the temperature of the heat treatment is 300 ° C or 400 ° C, the composition of X is 0.1 at% to 9.6 at%, Orthogonal magnetic anisotropy is expressed, and in the case of 500° C., when it is 0.1 at% to 8.6 at%, perpendicular magnetic anisotropy may be expressed. However, the composition content of X in the W-X alloy according to the heat treatment temperature is not limited thereto, and may be adjusted according to the X material.

W-X 합금에서 X의 조성 함량이 0.1 at% 미만의 경우, 텅스텐의 100at% 조성과 다름없어 X를 포함하지 않는 종래의 텅스텐 기반 스핀궤도 토크 소재이기에 스핀궤도 토크 효율이 낮아질 수 있다.If the composition content of X in the W-X alloy is less than 0.1 at%, it is the same as 100 at% of tungsten, and since it is a conventional tungsten-based spin orbit torque material that does not contain X, the spin orbit torque efficiency may be lowered.

열처리의 온도가 300℃ 또는 400℃인 경우, W-X 합금에서 X의 조성의 함량이 9.6at%를 초과하면, 수직자기이방성을 잃을 뿐만 아니라, W-X 합금 박막 상에 형성되는 자성층(자유층 및 고정층)이 자성 특성을 잃어 자기 터널 접합 소자로 사용할 수 없는 문제가 있다.When the temperature of the heat treatment is 300 ° C or 400 ° C, if the content of the composition of X in the W-X alloy exceeds 9.6 at%, the perpendicular magnetic anisotropy is lost as well as the magnetic layer (free layer and fixed layer) formed on the W-X alloy thin film There is a problem in that this magnetic property is lost and thus it cannot be used as a magnetic tunnel junction device.

또한, 열처리의 온도가 500℃인 경우, W-X 합금에서 X의 조성의 함량이 8.6at%를 초과하면, 수직자기이방성을 잃을 뿐만 아니라, W-X 합금 박막 상에 형성되는 자성층(자유층 및 고정층)이 자성 특성을 잃어 자기 터널 접합 소자로 사용할 수 없는 문제가 있다.In addition, when the temperature of the heat treatment is 500 ° C, if the content of the composition of X in the W-X alloy exceeds 8.6 at%, not only loses perpendicular magnetic anisotropy, but also the magnetic layer (free layer and fixed layer) formed on the W-X alloy thin film There is a problem in that it cannot be used as a magnetic tunnel junction device due to loss of magnetic properties.

예를 들어, 스핀토크 활성층(120)으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금이 사용되는 경우, 수직 자기 이방성이 발현되는 실리콘의 조성 비율은 열처리 온도가 300℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있고, 열처리 온도가 400℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있으며, 열처리 온도가 500℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%일 수 있다.For example, when a tungsten (W)-silicon (Si) alloy is used as the spin torque active layer 120, the composition ratio of silicon in which perpendicular magnetic anisotropy is expressed is the composition ratio of silicon when the heat treatment temperature is 300°C ( x, where x is a real number) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and when the heat treatment temperature is 400 ° C, the composition ratio of silicon (x) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, When the heat treatment temperature is 500° C., the composition ratio (x) of silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the switching current may be reduced as the heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반의 자기 터널 접합은 열처리 온도가 증가함에 따라 스핀 토크 효율인

Figure pat00011
가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인
Figure pat00012
가 감소되므로 스위칭 전류가 감소될 수 있다.The magnetic tunnel junction based on spin orbital torque according to an embodiment of the present invention shows that the spin torque efficiency increases as the heat treatment temperature increases.
Figure pat00011
is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropic magnetic field is
Figure pat00012
Since is reduced, the switching current may be reduced.

또한, 열처리 온도가 증가되면 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하던 X(예; 실리콘) 원자가 텅스텐 구조에 녹아들면서 금속간 화합물을 이루면서 구조적으로 안정화되어 비저항이 감소될 수 있다. In addition, when the heat treatment temperature is increased, X (eg, silicon) atoms, which were partially present as impurities in the tungsten, are melted into the tungsten structure to form an intermetallic compound, thereby structurally stabilizing and reducing the specific resistance.

수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed may be 300 °C to 500 °C.

반도체 소자 공정에 포함되어 있는 BEOL(Back End Of Line) 공정은 300℃ 내지 400℃ 의 열처리가 포함되기 때문에, 해당 온도에서도 자성 특성을 유지할 수 있는 소자 개발하는 것은 필수적이다.Since the BEOL (Back End Of Line) process included in the semiconductor device process involves heat treatment at 300° C. to 400° C., it is essential to develop a device capable of maintaining magnetic properties even at the corresponding temperature.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 CoFeB/MgO(자유층/터널 배리어층) 구조에서 수직자기이방성이 발현되기 위해서는 최소 250℃ 내지 300℃열처리를 진행하여 CoFeB(자유층)의 결정화가 진행되어야 하기 때문에 300℃이상으로 열처리를 진행하여야 되고, 열처리 온도가 500℃를 초과하는 경우, 자성층으로 활용된 CoFeB(자유층)이 견딜 수 있는 온도 범위를 벗어나 자성층의 특성을 잃는 문제가 있다.Therefore, in the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention, in order to express perpendicular magnetic anisotropy in the CoFeB/MgO (free layer/tunnel barrier layer) structure, heat treatment at least 250° C. to 300° C. Since the crystallization of the layer) must proceed, the heat treatment must be carried out at 300°C or higher. There is a loss problem.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)의 두께에 따라, 스핀토크 효율이 조절될 수 있고, 스핀토크 활성층(120)의 두께가 1 nm에서부터 증가함에 따라 스핀토크 효율이 증가되다가 포화되므로, 스핀토크 활성층(120)의 두께는 5 nm 내지 7 nm에서 최대의 스핀토크 효율을 가질 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the spin torque efficiency can be adjusted according to the thickness of the spin torque active layer 120 , and as the thickness of the spin torque active layer 120 increases from 1 nm, Since the spin torque efficiency is increased and then saturated, the thickness of the spin torque active layer 120 may have the maximum spin torque efficiency in the range of 5 nm to 7 nm.

바람직하게는, W의 경우, 스핀토크 효율이 높은 베타(beta) 상을 유지하기 위해서는 5 nm에서 최적의 두께를 가질 수 있기 때문에, 스핀토크 활성층(120)의 두께는 5 nm일 수 있다.Preferably, in the case of W, since it may have an optimal thickness at 5 nm in order to maintain a beta phase having high spin torque efficiency, the thickness of the spin torque active layer 120 may be 5 nm.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120) 상에 형성되는 자유층(130)을 포함한다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the free layer 130 formed on the spin torque active layer 120 .

자유층(130)은 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변화될 수 있다. 자유층(130)은 고정층(150)과 자화 방향이 동일(즉 평행)할 수 있고, 반대(즉 반평행)일 수도 있다.In the free layer 130 , the magnetization is not fixed in one direction, but may be changed in one direction opposite to the magnetization. The free layer 130 may have the same (ie, parallel) magnetization direction as the pinned layer 150 or may have the opposite (ie, antiparallel) magnetization direction.

자기 터널 접합은 자유층(130)과 고정층(150)의 자화 배열에 따라 변하는 저항값에 정보를 대응시킴으로써 메모리 소자로 활용될 수 있다. The magnetic tunnel junction may be used as a memory device by matching information to resistance values that change according to the magnetization arrangement of the free layer 130 and the pinned layer 150 .

예를 들어, 자유층(130)의 자화 방향이 고정층(150)과 평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 작아지고, 이 경우를 데이터 '0' 이라 규정할 수 있다. 또한, 자유층(130)의 자화 방향이 고정층(150)과 반평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 커지고, 이 경우를 데이터 '1'이라 규정할 수 있다.For example, when the magnetization direction of the free layer 130 is parallel to the pinned layer 150 , the resistance value of the magnetic tunnel junction decreases, and this case may be defined as data '0'. Also, when the magnetization direction of the free layer 130 is antiparallel to the pinned layer 150 , the resistance value of the magnetic tunnel junction increases, and this case may be defined as data '1'.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자유층(130)이 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)를 가질 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the free layer 130 may have perpendicular magnetic anisotropy (PMA).

예를 들어, 자유층(130)의 자화 방향이 음의 z축 방향인 경우, 양의 z축 방향으로 자화 반전시키기 위하여, 전류의 회전 방향은 시계 방향일 수 있다. 면내 전류로부터 기인하여 자유층(130)의 자기 모멘트에 가해지는 토크는 스핀궤도 토크라 명명될 수 있다.For example, when the magnetization direction of the free layer 130 is the negative z-axis direction, the rotation direction of the current may be clockwise in order to reverse the magnetization in the positive z-axis direction. The torque applied to the magnetic moment of the free layer 130 due to the in-plane current may be referred to as a spin orbital torque.

자유층(130)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다.The free layer 130 may include a material having an interface perpendicular magnetic anisotropy. Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to the influence from an interface with another layer adjacent thereto.

자유층(130)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 자유층(130)은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.The free layer 130 may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). In addition, the free layer 130 includes boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), gold ( Au), copper (Cu), carbon (C), and may further include at least one of non-magnetic materials such as nitrogen (N).

예를 들어, 자유층(130)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기준층(126) 및 자유층(122)는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, the free layer 130 may include CoFe or NiFe, but may further include boron (B). In addition, the reference layer 126 and the free layer 122 may further include at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si). can

실시예에 따라, 자유층(130)은 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the free layer 130 may include at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a Hexagonal Close Packed lattice (HCP), and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. may include

자유층(130)의 두께는 수직자기이방이 발현되기 위해 0.9nm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The thickness of the free layer 130 may be 0.9 nm in order to express perpendicular magnetic anisotropy, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자유층(130) 상에 형성되는 터널 배리어층(140)을 포함한다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the tunnel barrier layer 140 formed on the free layer 130 .

터널 배리어층(140)은 자유층(130)과 고정층(160)을 분리하고, 자유층(130)과 고정층(160) 사이에 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)이 가능하게 한다.The tunnel barrier layer 140 separates the free layer 130 and the pinned layer 160 , and enables quantum mechanical tunneling between the free layer 130 and the pinned layer 160 .

터널 배리어층(140)은 자유층(130)과 고정층(150) 사이에 개재될 수 있다. 터널 배리어층(140)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al)의 산화물, 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 티타늄(Ti)의 질화물, 및 바나듐(V)의 질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터널 배리어층(140)은 결정성 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다.The tunnel barrier layer 140 may be interposed between the free layer 130 and the pinned layer 150 . The tunnel barrier layer 140 is an oxide of magnesium (Mg), an oxide of titanium (Ti), an oxide of aluminum (Al), an oxide of magnesium-zinc (MgZn), an oxide of magnesium-boron (MgB), and titanium (Ti). It may include at least one of a nitride of and a nitride of vanadium (V). For example, the tunnel barrier layer 140 may include crystalline magnesium oxide (MgO).

터널 배리어층(140)의 두께는 수직자기이방이 발현되기 위해 1.0 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The thickness of the tunnel barrier layer 140 may be 1.0 nm in order to express perpendicular magnetic anisotropy, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 터널 배리어층(140) 상에 형성되는 고정층(150)을 포함한다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the pinned layer 150 formed on the tunnel barrier layer 140 .

고정층(150)은 자기 메모리 소자의 쓰기 동작 시 고정된 자기 모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 고정층(150)의 자기 모멘트는 스핀토크 활성층(120)을 흐르는 전류들에 의한 스핀궤도 토크에 의하여 스위치 되지 않을 수 있다.The pinned layer 150 may have a fixed magnetic moment during a write operation of the magnetic memory device. For example, the magnetic moment of the pinned layer 150 may not be switched by the spin orbit torque caused by currents flowing through the spin torque active layer 120 .

고정층(150)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다.The pinned layer 150 may include a material having an interface perpendicular magnetic anisotropy.

계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다. 고정층(150)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to the influence from an interface with another layer adjacent thereto. The pinned layer 150 may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni).

또한, 고정층(150)은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In addition, the pinned layer 150 includes boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), and gold (Au). ), copper (Cu), carbon (C), and may further include at least one of non-magnetic materials such as nitrogen (N).

예를 들어, 고정층(150)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기준층(126) 및 자유층(122)는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, the pinned layer 150 may include CoFe or NiFe, but may further include boron (B). In addition, the reference layer 126 and the free layer 122 may further include at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si). can

고정층(150)은 단일 층 구조를 가질 수 있다. 실시예에 따라, 고정층(150)은 비자성 층(들)에 의해 분리된 강자성 층들을 갖는 합성 반강자성체를 포함할 수 있다.The pinned layer 150 may have a single layer structure. Depending on the embodiment, the pinned layer 150 may include a synthetic antiferromagnetic material having ferromagnetic layers separated by nonmagnetic layer(s).

실시예에 따라, 고정층(150)은 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the pinned layer 150 includes at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a Hexagonal Close Packed lattice (HCP), and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. can do.

고정층(150)은 자유층(130)보다 두껍게 형성되어 스위칭이 쉽게 일어나지 않게 형성될 수 있다.The pinned layer 150 may be formed to be thicker than the free layer 130 so that switching does not easily occur.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 고정층(150) 상에 캐핑층(160)을 더 포함할 수 있고, 바람직하게는, 캐핑층(160)은 Ta이 사용될 수 있다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction may further include a capping layer 160 on the pinned layer 150 , and preferably, Ta may be used for the capping layer 160 .

캐핑층(160)은 산화방지막으로 사용될 수 있고, 자연 산화에 의해 자성층(자유층 및 고정층)의 특성이 저감되는 것을 막고자 2 nm로 증착될 수 있다.The capping layer 160 may be used as an anti-oxidation layer, and may be deposited with a thickness of 2 nm to prevent the properties of the magnetic layer (free layer and pinned layer) from being reduced by natural oxidation.

캐핑층(160)의 두께가 2 nm보다 두껍게 형성되면, 산화 방지 효과는 증가될 수 있으나, 캐핑층(160) 증착 시, 터널 배리어층(140)에 영향을 미쳐 수직자기이방성 조건(자유층(130)과 터널 배리어층(140)의 두께)을 조절해야 된다.When the thickness of the capping layer 160 is formed to be thicker than 2 nm, the anti-oxidation effect may be increased. 130) and the thickness of the tunnel barrier layer 140) must be adjusted.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120), 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태일 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the spin torque active layer 120 , the free layer 130 , the tunnel barrier layer 140 , and the pinned layer 150 have a cross shape in plan view. can

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치될 수 있다.In addition, the spin torque active layer 120 of the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention has a cross shape in plan view, and the free layer 130, the tunnel barrier layer 140 and the pinned layer ( 150 ) may be disposed in the form of an island in the center of the spin torque active layer 120 having a cross shape.

도 2를 참조하여, 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치되는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합에 대해 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2 , the spin torque active layer 120 has a cross shape in plan view, and the free layer 130 , the tunnel barrier layer 140 , and the pinned layer 150 have a cross shape spin torque active layer 120 . ) will be described in detail with respect to the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention disposed in the form of an island in the center of the present invention.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자성층의 자화 방향에 따른 저항의 변화를 전기적으로 계측하게 되는데, 모든 층이 십자 형태(스핀토크 활성층(120), 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태)인 경우, 자성층의 부피가 커져 신호(시그널)이 잘 나와 특성 분석에 용이할 수 있다.The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction electrically measures the change in resistance according to the magnetization direction of the magnetic layer, and all layers have a cross shape (spin torque active layer 120, free layer 130, tunnel barrier layer 140 and When the pinned layer 150 has a cross shape when viewed in a plan view), the volume of the magnetic layer is increased, so that a signal (signal) is easily generated, which can facilitate characterization.

반면, 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치하는 경우, 스핀-궤도 토크를 이용한 스위칭 시에만 활용하는 것으로 자유층의 자화 방향이 스핀-궤도 토크가 아닌 자구벽 확산(domain wall propagation)에 의해 바뀌는 것을 막고 온전히 스핀-궤도 토크에 의한 자화 반전을 관측할 수 있다.On the other hand, the spin torque active layer 120 has a cross shape in plan view, and the free layer 130 , the tunnel barrier layer 140 , and the pinned layer 150 are in the center of the cross shape spin torque active layer 120 . When arranged in an island form, it is used only for switching using the spin-orbit torque. It prevents the magnetization direction of the free layer from being changed by domain wall propagation rather than the spin-orbit torque and completely spin-orbits. Magnetization reversal due to orbital torque can be observed.

또한, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)를 섬 형태로 배치하는 경우, 모든 층을 십자 형태로 제조한 후, 식각 단계를 한번 더 진행해야 하며, 식각을 진행하다가 스핀토크 활성층이 노출되기 시작하면 그 즉시 식각을 멈춰야 하기 때문에 소자 제작에 노하우가 필요하다.In addition, when the free layer 130 , the tunnel barrier layer 140 , and the pinned layer 150 are disposed in an island shape, after all the layers are manufactured in a cross shape, the etching step must be performed once more, and while the etching is performed, When the spin-torque active layer starts to be exposed, the etching must be stopped immediately, so know-how in device fabrication is required.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.

십자 형태의 스핀토크 활성층(120)은 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)를 포함할 수 있고, 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 서로 교차되도록 형성될 수 있다.The cross-shaped spin torque active layer 120 may include a first conductive line 121 and a second conductive line 122, such that the first conductive line 121 and the second conductive line 122 cross each other. can be formed.

따라서, 자화 스위칭 방법은, 제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류(jx)를 제1 도전 라인(121)에 인가하고, 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류(jy)를 제2 도전 라인(122)에 인가하여 자유층(130)은 자화반전을 수행할 수 있다.Accordingly, in the magnetization switching method, a first AC current jx having a first frequency is applied to the first conductive line 121 , and a second AC current jy having a first frequency is applied to the second When applied to the conductive line 122 , the free layer 130 may perform magnetization reversal.

제1 도전 라인(121)에 제1 각주파수(ω)를 가진 제1 전류를 주입하고, 제2 도전 라인(122)에 제1 각주파수(ω)를 가진 제2 전류를 주입하는 경우, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)이 배치된 위치에서 총 전류 벡터는 시간에 따라 회전할 수 있다.When a first current having a first angular frequency ω is injected into the first conductive line 121 and a second current having a first angular frequency ω is injected into the second conductive line 122 , free At positions where the layer 130 , the tunnel barrier layer 140 , and the pinned layer 150 are disposed, the total current vector may rotate with time.

총 전류 벡터의 위상과 같이 회전하는 좌표계 입장에서 문제를 바라보면, 교류전류는 직류전류의 문제로 바뀐다. 한편, 회전하는 좌표계 입장에서는, 회전 각속도에 대응하는 수직방향의 유효자기장이 나타난다. 즉, 교류전류의 효과는 수직방향의 유효자기장이 있는 시스템에서의 직류전류의 문제로 변환된다. 이 경우, 수직방향의 유효자기장의 효과 때문에 자유층의 자화는 매우 쉽게 반전될 수 있다.If we look at the problem from the point of view of a rotating coordinate system like the phase of the total current vector, AC current turns into a DC current problem. On the other hand, from the standpoint of the rotating coordinate system, an effective magnetic field in the vertical direction corresponding to the rotational angular velocity appears. That is, the effect of alternating current is converted into a problem of direct current in a system with an effective magnetic field in the vertical direction. In this case, the magnetization of the free layer can be reversed very easily due to the effect of the effective magnetic field in the vertical direction.

제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 물질일 수 있다. 제1 도전 라인(112)에 제1 전류가 흐르는 경우, 제1 도전 라인(121)의 진행하는 방향에 수직한 스핀 분극이 발생하고, 스핀 전류는 상기 자유층 방향(z축방향)으로 진행한다.The first conductive line 121 and the second conductive line 122 may be formed of a material that induces a Spin Hall effect or a Rashiba effect. When a first current flows in the first conductive line 112 , spin polarization perpendicular to the traveling direction of the first conductive line 121 occurs, and the spin current proceeds in the free layer direction (z-axis direction). .

제1 도전 라인(121)은 x 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 제2 도전 라인(122)은 제1 도전 라인(121)에 교차하는 라인 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 도전 라인(122)은 y 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다.The first conductive line 121 may have a line shape extending along the x-direction. The second conductive line 122 may have a line shape crossing the first conductive line 121 . For example, the second conductive line 122 may have a line shape extending along the y-direction.

제1 도전 라인(121)과 제2 도전 라인(122)은 일 지점에서 서로 교차할 수 있으며, 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 동일한 평면(즉, x-y 평면) 상에 위치할 수 있다.The first conductive line 121 and the second conductive line 122 may cross each other at a point and may be connected to each other. For example, the first conductive line 121 and the second conductive line 122 may be positioned on the same plane (ie, an x-y plane).

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)을 십자 형태로 패터닝함으로써, 스핀홀 효과에 의한 특성을 전기적으로 측정할 수 있고, 스핀 토크에 의한 자화의 움직임을 전류 주입 방향과 수직한 방향으로 전압을 측정할 수 있다.In the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, by patterning the spin torque active layer 120 in a cross shape, the characteristics due to the spin Hall effect can be electrically measured, and the movement of magnetization due to the spin torque can be measured. Voltage can be measured in a direction perpendicular to the current injection direction.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합과 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since the method for manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the same components as the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the same components will be omitted. .

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110)를 진행한다.First, in the method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the step ( S110 ) of forming a spin torque active layer on a substrate is performed.

기판은 실리콘 기판일 수 있고, 실리콘 기판의 표면에는 자연 산화층이 형성될 수 있고, 실시예에 따라, 자연 산화층은 CVD, PVD 또는 열 산화함으로써 형성될 수 있다.The substrate may be a silicon substrate, and a native oxide layer may be formed on the surface of the silicon substrate, and according to an embodiment, the native oxide layer may be formed by CVD, PVD, or thermal oxidation.

실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하기 전에, 기판 상에 시드층을 형성하는 단계 및 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계 중 적어도 어느 하나의 단계를 진행할 수 있다.According to an embodiment, the method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a seed layer on the substrate and forming a buffer layer on the substrate before forming the spin torque active layer on the substrate At least one of the steps may be performed.

시드층 및 버퍼층은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The seed layer and the buffer layer include physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), and atomic layer deposition (ALD). layer deposition), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) or reduced pressure CVD ( Derived CVD processes including RPCVD (reduced pressure CVD), electroplating, coating, or any combination thereof.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110)는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 진공 챔버 내에 배치된 기판 상에 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 형성한다.The step of forming the spin torque active layer on the substrate (S110) is a W-X alloy (where W is tungsten, and X is a group 4 semiconductor) on the substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering the W target and the X target simultaneously in the vacuum chamber. and at least one of a group 3-5 semiconductor) to form a thin film.

바람직하게는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟 동시에 스퍼터링하는 동시 증착법(Co-deposition)으로 진공 챔버 내에 배치된 기판 상에 텅스텐-실리콘 합금 박막을 형성할 수 있다.Preferably, a tungsten-silicon alloy thin film may be formed on a substrate disposed in a vacuum chamber by a co-deposition method in which the W target and the X target are simultaneously sputtered in the vacuum chamber.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법은 W 타겟 및 X 타겟의 파워 및 두께에 따라 W-X 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.In the method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the composition of the W-X alloy thin film may be adjusted according to the power and thickness of the W target and the X target.

먼저, W 타겟 및 X 타겟의 파워에 따라 W-X 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.First, the composition of the W-X alloy thin film may be adjusted according to the power of the W target and the X target.

W 타겟의 파워는 0.1 W 내지 85 W(0 W/cm2 내지 4.19 W/cm2)일 수 있고, 0.1 W 미만이면 W 이 증착되지 않는 문제가 있고, W 타겟 파워가 85 W를 초과하면 W 타겟에 너무 큰 에너지가 가해져 균열이 생기는 문제가 있다.The power of the W target may be 0.1 W to 85 W (0 W/cm 2 to 4.19 W/cm 2 ), and if it is less than 0.1 W, there is a problem that W is not deposited, and if the W target power exceeds 85 W, W There is a problem in that cracks occur due to too much energy being applied to the target.

X 타겟의 파워는 0.1W 내지 86.2 W (0.1 W/cm2 내지 4.25 W/cm2)일 수 있고, 0.1 W 미만이면 X 가 증착되지 않는 문제가 있고, X 타겟 파워가 86.2 W를 초과하면 X 타겟에 너무 큰 에너지가 가해져 균열이 생기는 문제가 있다.The power of the X target may be 0.1 W to 86.2 W (0.1 W/cm 2 to 4.25 W/cm 2 ), and if it is less than 0.1 W, there is a problem that X is not deposited, and if the X target power exceeds 86.2 W, X There is a problem in that cracks occur due to too much energy being applied to the target.

예를 들어, 각 물질(W 및 X)의 물성치(밀도, 원자량)를 이용하여 몰(mole) 당 부피(mol/cm3)를 계산하고, 이를 두께와 나누어 특정 두께를 증착 할 때, 증착되는 몰(mole)의 값을 계산한 다음, 전체 W-X 합금 박막의 두께를 고정시키고 각 물질(W 및 X)의 두께를 조절하면 각 물질(W 및 X)의 몰 값이 계산되고, 이를 이용하여 W-X 합금 박막의 조성(at%)을 결정할 수 있다.For example, the volume per mole (mol/cm 3 ) is calculated using the physical properties (density, atomic weight) of each material (W and X) and divided by the thickness to deposit a specific thickness. After calculating the value of moles, if the thickness of the entire WX alloy thin film is fixed and the thickness of each material (W and X) is adjusted, the molar value of each material (W and X) is calculated, and using this, WX The composition (at%) of the alloy thin film can be determined.

W 타겟와 X 타겟 파워는 각 타겟의 증착 파워와 증착 속도가 정 비례한다는 가정하에, 50 W (2.47 W/cm2)로 증착 할 때의 증착 속도를 이용하여 두 물질의 증착 시간이 동일하게 되는 파워로 증착할 수 있다.Assuming that the W target and X target power are in direct proportion to the deposition power and deposition rate of each target, the power at which the deposition time of the two materials becomes the same using the deposition rate when depositing at 50 W (2.47 W/cm 2 ) can be deposited with

예를 들어, X로 실리콘을 사용하여, W-Si 합금 박막을 형성할 때, 스퍼터링 장비의 경우, 50 W의 파워에서 텅스텐(W)과 실리콘(Si)의 증착 속도는 각각 0.045778 nm/s 및 0.013678 nm/s이므로, 텅스텐과 실리콘의 원자 비를 50:50으로 맞추기 위해 W-Si 합금 박막의 두께를 5 nm로 고정시켰을 때, 텅스텐과 실리콘의 두께가 각각 3.72 nm 및 1.28 nm가 될 수 있다.For example, when using silicon as X to form a W-Si alloy thin film, in the case of sputtering equipment, the deposition rates of tungsten (W) and silicon (Si) at a power of 50 W are 0.045778 nm/s and 0.045778 nm/s, respectively. Since it is 0.013678 nm/s, when the thickness of the W-Si alloy thin film is fixed at 5 nm to match the atomic ratio of tungsten and silicon to 50:50, the thickness of tungsten and silicon can be 3.72 nm and 1.28 nm, respectively .

증착 속도를 고려하여 두 물질 모두 50 W로 증착을 진행하면, 각 두께를 증착하는데 81.3 초와 93.6 초가 걸리는데, 이 경우 증착 시간이 달라 W-Si 합금 박막이 균일하게 형성되지 않기 때문에, 각 물질의 파워를 조절하여 텅스텐 3.72 nm와 실리콘 1.28 nm를 증착하는데 같은 시간이 걸리는 파워를 설정하여 증착을 진행할 수 있다.If both materials are deposited at 50 W in consideration of the deposition rate, it takes 81.3 seconds and 93.6 seconds to deposit each thickness. By adjusting the power, the deposition can proceed by setting the power that takes the same time to deposit 3.72 nm of tungsten and 1.28 nm of silicon.

이때, 텅스텐 타겟의 파워는 60 W(2.96 W/cm2)일 수 있고, 실리콘 타겟의 파워는 69.1 W (3.41 W/cm2)일 수 있다.In this case, the power of the tungsten target may be 60 W (2.96 W/cm 2 ), and the power of the silicon target may be 69.1 W (3.41 W/cm 2 ).

또한, W-Si 합금 박막의 두께가 5nm인 경우, 텅스텐의 두께는 1.2 nm 내지 4.9 nm일 수 있고, 실리콘의 두께는 0.1 nm 내지 3.8 nm일 수 있다.In addition, when the thickness of the W-Si alloy thin film is 5 nm, the thickness of tungsten may be 1.2 nm to 4.9 nm, and the thickness of silicon may be 0.1 nm to 3.8 nm.

또한, 텅스텐 타겟와 실리콘 타겟을 동시에 스퍼터링 하는 증착 시간은 59초 내지 231초일 수 있다.In addition, the deposition time for sputtering the tungsten target and the silicon target at the same time may be 59 seconds to 231 seconds.

스퍼터링 챔버의 초기 진공도는 5Х10-9 Torr일 수 있고, 39 sccm의 아르곤을 흘렸을 때, 작업 압력(working pressure)은 1.4 mTorr일 수 있다.The initial vacuum degree of the sputtering chamber may be 5Х10 -9 Torr, and when 39 sccm of argon is flowed, the working pressure may be 1.4 mTorr.

따라서, W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.Accordingly, the composition content of X included in the W-X alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%.

예를 들어, W-X 합금으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금이 사용되는 경우, 수직 자기 이방성이 발현되는 실리콘의 조성 비율은 열처리 온도가 300℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있고, 열처리 온도가 400℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있으며, 열처리 온도가 500℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%일 수 있다.For example, when a tungsten (W)-silicon (Si) alloy is used as the W-X alloy, the composition ratio of silicon exhibiting perpendicular magnetic anisotropy is when the heat treatment temperature is 300° C., the composition ratio of silicon (x, where x is a real number) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and when the heat treatment temperature is 400 ° C, the composition ratio of silicon (x) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and the heat treatment temperature is 500 When it is ℃, the composition ratio (x) of the silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, W-X 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.The forming of the spin torque active layer on the substrate may further include patterning the W-X alloy thin film in a cross shape.

W-X 합금 박막은 포토리소그래피 및 식각을 진행하여 십자 형태로 패터닝될 수 있다.The W-X alloy thin film may be patterned in a cross shape by performing photolithography and etching.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계(S120), 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계(S130) 및 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계(S140)를 진행한다.A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a free layer on the spin torque active layer (S120), forming a tunnel barrier layer on the free layer (S130), and a tunnel barrier The step of forming the fixed layer formed on the layer (S140) proceeds.

자유층, 터널 배리어층 및 자유층은 각각 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The free layer, the tunnel barrier layer, and the free layer are each formed by physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), atom Atomic layer deposition (ALD), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum (UHVCVD) CVD) or a derivative CVD process including reduced pressure CVD (RPCVD), electroplating, or any combination thereof.

실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계(S140)를 진행한 다음, 고정층 상에 캐핑층을 형성하는 단계를 진행할 수 있다.According to an embodiment, in the method for manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the step of forming the pinned layer formed on the tunnel barrier layer (S140) is performed, and then the capping layer is formed on the pinned layer. You can proceed with the steps to

캐핑층은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The capping layer is formed by physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), and atomic layer deposition (ALD). ), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) or reduced pressure CVD (RPCVD, reduced pressure CVD), a method comprising electroplating, coating, or any combination thereof.

자유층 및 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계(S150)를 진행한다.In order to develop perpendicular magnetic anisotropy to the free layer and the pinned layer, a step (S150) of heat treatment is performed.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 자유층 및 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계(S150)를 진행한다.In the method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, a heat treatment step (S150) is performed to express perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the pinned layer.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 열처리 온도가 증가함에 따라 스핀 토크 효율인

Figure pat00013
가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인
Figure pat00014
가 감소되므로 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the method for manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, as the heat treatment temperature increases, the spin torque efficiency is
Figure pat00013
is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropic magnetic field is
Figure pat00014
Since is reduced, the switching current may be reduced.

또한, 열처리 온도가 증가되면 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하던 X(예; 실리콘) 원자가 텅스텐 구조에 녹아들면서 금속간 화합물을 이루면서 구조적으로 안정화되어 비저항이 감소될 수 있다. In addition, when the heat treatment temperature is increased, X (eg, silicon) atoms, which were partially present as impurities in the tungsten, are melted into the tungsten structure to form an intermetallic compound, thereby structurally stabilizing and reducing the specific resistance.

수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed may be 300 °C to 500 °C.

반도체 소자 공정에 포함되어 있는 BEOL(Back End Of Line) 공정은 300℃ 내지 400℃의 열처리가 포함되기 때문에, 해당 온도에서도 자성 특성을 유지할 수 있는 소자 개발하는 것은 필수적이다.Since the BEOL (Back End Of Line) process included in the semiconductor device process includes heat treatment at 300° C. to 400° C., it is essential to develop a device capable of maintaining magnetic properties even at the corresponding temperature.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 CoFeB/MgO(자유층/터널 배리어층) 구조에서 수직자기이방성이 발현되기 위해서는 최소 250℃ 내지 300℃ 열처리를 진행하여 CoFeB(자유층)의 결정화가 진행되어야 하기 때문에 300℃ 이상으로 열처리를 진행하여야 되고, 열처리 온도가 500℃를 초과하는 경우, 자성층으로 활용된 CoFeB(자유층)이 견딜 수 있는 온도 범위를 벗어나 자성층의 특성을 잃는 문제가 있다.Therefore, in the method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, in order to exhibit perpendicular magnetic anisotropy in a CoFeB/MgO (free layer/tunnel barrier layer) structure, heat treatment is performed at at least 250° C. to 300° C. Since the crystallization of CoFeB (free layer) must proceed, heat treatment must be carried out at 300°C or higher. There is a problem of losing the characteristics of

실험예 1: 소자 제조Experimental Example 1: Device Manufacturing

[실시예 1-1]: Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(다층 박막 구조) 제조[Example 1-1]: Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (multilayer thin film structure) production

표면에 비정질의 자연 산화층이 형성된 Si 기판(Si/SiO2) 상에 텅스텐(W) 타겟을 스퍼터링 함과 동시에 실리콘(Si) 타겟을 함께 스퍼터링 하여 5nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층)을 형성하였고, 이때, 텅스텐 타겟과 실리콘 타겟은 각각 직류, 교류 마그네트론 스퍼터링을 이용하였으며, 아르곤 기체의 유량을 고정시킨 상태에서 동시 스퍼터링하는 원소 각각의 스퍼터링 파워를 조절하여 텅스텐계 합금 박막의 조성을 조절하였고, 텅스텐-실리콘 합금 층 제작에 사용한 타겟의 크기는 직경 2인치이다.A tungsten (W) target is sputtered on a Si substrate (Si/SiO 2 ) with an amorphous natural oxide layer formed on the surface, and a silicon (Si) target is sputtered together at the same time to form a 5 nm tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin Torque active layer) was formed, and at this time, DC and AC magnetron sputtering were used for the tungsten target and the silicon target, respectively, and the sputtering power of each element to be sputtered at the same time while the flow rate of argon gas was fixed was adjusted to form the tungsten-based alloy thin film. The composition was adjusted, and the size of the target used to fabricate the tungsten-silicon alloy layer was 2 inches in diameter.

텅스텐-실리콘 합금 층 상에 Co40Fe40B20 (at%) 타겟을 사용하여 0.9nm의 CoFeB 자유층을 형성한 다음, 1nm의 MgO 절연층 및 2nm의 Ta 캐핑층 층을 형성하였다.A 0.9 nm CoFeB free layer was formed on the tungsten-silicon alloy layer using a Co 40 Fe 40 B 20 (at%) target, followed by a 1 nm MgO insulating layer and a 2 nm Ta capping layer.

이에, 도 4에 도시한 바와 같은 Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(기판/자연 산화층/스핀토크 활성층/자유층/터널 배리어/캐핑층)을 형성하였다.Accordingly, Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (substrate/native oxide layer/spintorque active layer/free layer/tunnel barrier/capping layer) as shown in FIG. 4 was formed.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 제조 시, 금속층을 적층할 때는 직류(dc) 마그네트론 스퍼터링(sputtering)을 사용하고, 절연체를 적층할 때는 교류(ac) 마그네트론 스퍼터링을 사용하였고, 초기 진공(base pressure)은 각각 5x10-9 Torr 이하이며, 아르곤(Ar) 분위기에서 증착 하였다. 각 층의 두께는 증착 시간과 스퍼터링 파워를 이용해 조절하였다.In manufacturing the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, direct current (dc) magnetron sputtering was used for laminating the metal layer, and alternating current (ac) magnetron sputtering was used for laminating the insulator, and the initial vacuum (base pressure) was Each was 5x10 -9 Torr or less, and was deposited in an argon (Ar) atmosphere. The thickness of each layer was controlled using the deposition time and sputtering power.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위한 구조를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a structure for measuring spin orbit torque efficiency of a spin orbit torque based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention.

[실시예 1-2]: Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(십자 패턴 구조) 제조[Example 1-2]: Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (cross pattern structure) production

스핀토크 활성층, CoFeB 자유층 및 MgO 절연층을 포함한 다층 박막 구조는 모두 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다. 도 11a와 같이 소자의 전체 구조를 십자 모양으로 패터닝하여 스핀 궤도 토크 효율과 비저항을 측정하였다.The multilayer thin film structure including the spin torque active layer, the CoFeB free layer, and the MgO insulating layer were all prepared in the same manner as in Example 1-1. As shown in FIG. 11a, the spin orbit torque efficiency and specific resistance were measured by patterning the entire structure of the device in a cross shape.

[실시예 1-3]: Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(자유층 자기터널접합 구조) 제조[Example 1-3]: Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (free layer magnetic tunnel junction structure) manufacturing

스핀토크 활성층, CoFeB 자유층 및 MgO 절연층을 포함한 다층 박막 구조는 모두 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다. 도 17a와 같이 소자 전체 구조를 십자 모양으로 패터닝 한 후, 스핀토크 활성층을 제외한 모든 층을 스핀궤도 토크 활성층 상에 섬 형태로 형성하였다. 해당 시편을 이용하여 전류-인가 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전을 측정하였다.The multilayer thin film structure including the spin torque active layer, the CoFeB free layer, and the MgO insulating layer were all prepared in the same manner as in Example 1-1. After patterning the entire structure of the device in a cross shape as shown in FIG. 17A, all layers except the spin torque active layer were formed in an island shape on the spin orbit torque active layer. Magnetization reversal due to current-applied spin orbital torque was measured using the specimen.

[실시예 2][Example 2]

25nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층) 단일막을 형성하였으며 패터닝 공정을 제외하면 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다.A 25 nm tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin torque active layer) single layer was formed, and was prepared in the same manner as in Example 1-1 except for the patterning process.

[실시예 3]: CoFeB 4/W96Si4.0 1.5/CoFeB 0.9/MgO 1/Ta 2 (단위: nm)[Example 3]: CoFeB 4/W 96 Si 4.0 1.5/CoFeB 0.9/MgO 1/Ta 2 (unit: nm)

표면에 비정질의 자연 산화층이 형성된 Si 기판(Si/SiO2) 상에 Co40Fe40B20 (at%) 타겟을 사용하여 4 nm의 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖는 자성층을 직류 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 증착한다. 이때 자성층의 두께는 자화 용이축이 면내 방향인 상태에서 바뀔 수 있다.A magnetic layer having an easy magnetization axis in the in-plane direction of 4 nm using a Co 40 Fe 40 B 20 (at%) target on a Si substrate (Si/SiO 2 ) having an amorphous natural oxide layer formed on the surface was formed by direct current magnetron sputtering. to deposit In this case, the thickness of the magnetic layer may be changed in a state in which the easy axis of magnetization is in the in-plane direction.

텅스텐(W) 타겟을 스퍼터링 함과 동시에 실리콘(Si) 타겟을 함께 스퍼터링 하여 1.5nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층)을 형성하였고, 이때, 텅스텐 타겟과 실리콘 타겟은 각각 직류, 교류 마그네트론 스퍼터링을 이용하였으며, 아르곤 기체의 유량을 고정시킨 상태에서 동시 스퍼터링하는 원소 각각의 스퍼터링 파워를 조절하여 텅스텐계 합금 박막의 조성을 조절하였고, 텅스텐-실리콘 합금 층 제작에 사용한 타겟의 크기는 직경 2인치이다. 텅스텐-실리콘 합금층의 두께 역시 변화될 수 있다(1nm, 1.5nm, 2nm, 3 nm의 두께).A tungsten (W) target was sputtered and a silicon (Si) target was sputtered at the same time to form a tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin torque active layer) of 1.5 nm, at this time, the tungsten target and the silicon target were each DC , alternating current magnetron sputtering was used, and the composition of the tungsten-based alloy thin film was adjusted by adjusting the sputtering power of each sputtering element at the same time while the flow rate of argon gas was fixed. It is 2 inches. The thickness of the tungsten-silicon alloy layer can also be varied (thickness of 1 nm, 1.5 nm, 2 nm, 3 nm).

텅스텐-실리콘 합금 층 상에 Co40Fe40B20 (at%) 타겟을 사용하여 0.9nm의 CoFeB 자유층을 형성한 다음, 1nm의 MgO 절연층 및 2nm의 Ta 캐핑층 층을 형성하였다.A 0.9 nm CoFeB free layer was formed on the tungsten-silicon alloy layer using a Co 40 Fe 40 B 20 (at%) target, followed by a 1 nm MgO insulating layer and a 2 nm Ta capping layer.

이에, 도 4에 도시한 바와 비슷하나 SiO2와 W-Si 사이에 CoFeB이 추가된 Si/SiO2/CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(기판/면내 방향으로 자화 용이축을 갖는 자성층/자연 산화층/스핀토크 활성층/자유층/터널 배리어/캐핑층)을 형성하였다.Accordingly, Si/SiO 2 /CoFeB/W - Si/CoFeB/MgO/Ta (substrate/magnetic layer having an easy axis of magnetization in the in-plane direction/ A native oxide layer/spintalk active layer/free layer/tunnel barrier/capping layer) was formed.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 제조 시, 금속층을 적층할 때는 직류(dc) 마그네트론 스퍼터링(sputtering)을 사용하고, 절연체를 적층할 때는 교류(ac) 마그네트론 스퍼터링을 사용하였고, 초기 진공(base pressure)은 각각 5x10-9 Torr 이하이며, 아르곤(Ar) 분위기에서 증착 하였다. 각 층의 두께는 증착 시간과 스퍼터링 파워를 이용해 조절하였다.In manufacturing the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, direct current (dc) magnetron sputtering was used for laminating the metal layer, and alternating current (ac) magnetron sputtering was used for laminating the insulator, and the initial vacuum (base pressure) was Each was 5x10 -9 Torr or less, and was deposited in an argon (Ar) atmosphere. The thickness of each layer was controlled using the deposition time and sputtering power.

본 발명의 실시예 1-2와 같이 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위해서 전체 박막 구조를 십자 패턴 모양으로 패터닝하였다.As in Example 1-2 of the present invention, in the spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, the entire thin film structure was patterned in a cross pattern in order to measure the spin orbit torque efficiency.

이 후, 전류-인가 스핀궤도토크에 의한 자화 반전을 측정하기 위해 실시예 1-3과 같이 스핀토크 활성층을 제외한 모든 층을 스핀토크 활성층 상에 섬 형태로 형성하였다.Thereafter, in order to measure magnetization reversal due to current-applied spin orbital torque, all layers except for the spin torque active layer were formed in an island form on the spin torque active layer as in Example 1-3.

[실험예 4]: 열처리[Experimental Example 4]: heat treatment

도 4에 도시한 바와 같은 Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta을 모두 형성한 다음, 300℃, 400℃ 및 500℃의 온도로 1시간동안 열처리를 진행하였고, 열처리 시 초기 진공은 10-6 Torr 대역이며, 열처리 중 6 kOe의 외부자기장이 Si/SiO2/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합)에 수직인 방향으로 가해졌다.All Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta as shown in FIG. 4 were formed, and then heat treatment was performed at a temperature of 300° C., 400° C. and 500° C. for 1 hour, and initial vacuum during heat treatment is in the 10 -6 Torr band, and an external magnetic field of 6 kOe was applied in a direction perpendicular to Si/SiO 2 /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (spin orbit torque-based magnetic tunnel junction) during the heat treatment.

300℃, 400℃ 및 500℃에서 열처리를 진행한 후 수직자기이방성이 유지되는 시편에 대해서 스핀 궤도 토크의 효율을 확인하기 위해 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 5 x 35 ㎛2 크기의 십자가 모양의 홀 바(Hall bar)를 제작하였다. 동일한 시편을 이용하여 십자가 모양의 홀 바를 제작한 후, CoFeB/MgO/Ta 층은 직경 4 ㎛의 섬(island) 형태로 제작하여 스핀-궤도 토크에 의한 자화 반전을 측정하였다.A cross-shaped hole with a size of 5 x 35 μm 2 was performed using a photolithography process to check the efficiency of spin orbital torque for a specimen maintaining perpendicular magnetic anisotropy after heat treatment at 300°C, 400°C, and 500°C A bar (Hall bar) was manufactured. After fabricating a cross-shaped Hall bar using the same specimen, the CoFeB/MgO/Ta layer was fabricated in the form of an island with a diameter of 4 μm, and magnetization reversal by spin-orbit torque was measured.

도 5 내지 도 10은 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)로 측정한 열처리 온도에 따른 자기이력(magnetic hysteresis) 곡선이다.5 to 10 are magnetic hysteresis curves according to heat treatment temperature measured with a vibrating sample magnetometer (VSM).

도 5는 300℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합(이하에서, 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체로 명명하기로 한다)에 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 6은 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.5 is a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 4 in which heat treatment was performed at 300° C. for 1 hour (hereinafter, W-Si/CoFeB/W-Si/CoFeB/according to Example 1-1). When a magnetic field is applied in the out-of-plane direction to the MgO/Ta structure), the magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer is obtained 6 is a graph showing a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film.

도 5 및 도 6은 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)를 이용하여 박막 면 수직 방향(out-of-plane), 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하여 측정한 자기이력곡선이다.5 and 6 are hysteresis curves measured by applying a magnetic field in the out-of-plane and in-plane directions of the thin film using a vibrating sample magnetometer (VSM). to be.

도 5 및 도 6을 참조하면, 300℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 발현되는 것을 알 수 있다.5 and 6, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which the heat treatment was performed at 300° C., the composition of silicon It can be seen that perpendicular magnetic anisotropy is expressed from 0 at% to 10.6 at%.

도 7은 400℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 8은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.7 shows the silicon content (0at) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the direction perpendicular to the plane of the thin film to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1, which was heat treated at 400° C. for 1 hour. % to 10.6 at%) is a graph showing the hysteresis curve, and FIG. 8 is a hysteresis curve according to the silicon content (0at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing

도 7 및 도 8을 참조하면, 400℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 유지되며 그 이상부터는 수직자기이방성이 사라지는 것을 알 수 있다.7 and 8, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which the heat treatment was performed at 400° C., the composition of silicon It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy is maintained from 0 at% to 10.6 at%, and the perpendicular magnetic anisotropy disappears thereafter.

또한, 실리콘의 조성이 10.6 at% 이상인 조성 범위에서는 실리콘의 조성 범위가 늘어날수록 이방성을 갖지 않고 자성 특성이 감소될 수 있다.In addition, in a composition range in which the composition of silicon is 10.6 at% or more, as the composition range of silicon increases, it does not have anisotropy and magnetic properties may be reduced.

도 9는 500℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.9 shows the silicon content (0at) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1, which was heat treated at 500° C. for 1 hour in the direction perpendicular to the plane of the thin film. % to 10.6 at%) is a graph showing the hysteresis curve, and FIG. 10 is a hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing

도 9 및 도 10을 참조하면, 500℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 유지되며 그 이상부터는 수직자기이방성이 사라지는 것을 알 수 있다.9 and 10, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which the heat treatment was performed at 500° C., the composition of silicon It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy is maintained from 0 at% to 10.6 at%, and the perpendicular magnetic anisotropy disappears thereafter.

도 11a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 11b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 하모닉스(harmonics) 측정법을 이용하여 측정한 소자의 스핀 궤도 토크의 효율을 도시한 그래프이다. 이때, DLWS3, FL WS3, DLWS5 및 FL WS5 는 각각 300℃ 열처리한 시편의 damping-like 토크, 300℃ 열처리한 시편의 field-like 토크, 500

Figure pat00015
열처리한 시편의 damping-like 토크, 500℃ 열처리한 시편의 field-like 토크의 효율이다.11A is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 11B is a vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour, FIG. Spin trajectory of the device measured using a harmonics measurement method in the composition range of the tungsten-silicon alloy layer in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having the perpendicular magnetic anisotropy shown in 11a It is a graph showing the efficiency of torque. At this time, DL WS3 , FL WS3 , DL WS5 and FL WS5 are respectively the damping-like torque of the specimen heat treated at 300°C, the field-like torque of the specimen heat treated at 300°C, and 500
Figure pat00015
The efficiency of the damping-like torque of the heat treated specimen and the field-like torque of the 500 °C heat treated specimen.

도 11a를 참조하면, 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후에 하모닉스 측정법을 이용하여 측정하였다. Referring to FIG. 11A , the W-Si/CoFeB/MgO layer according to Example 1-2 was patterned in a cross shape and then measured using a harmonics measurement method.

실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO 층을 십자 형태로 패터닝하여 제조된 다층 박막 구조는 전류를 x 방향으로 흘릴 때, x, y 방향으로 전압을 측정할 수 있고, x 방향 전압은 소재의 비저항을 측정할 수 있으며, y 방향 전압은 소재의 스핀 궤도 토크 효율을 측정할 수 있다.The multilayer thin film structure prepared by patterning the W-Si/CoFeB/MgO layer according to Example 1-2 in a cross shape can measure the voltage in the x and y directions when a current flows in the x direction, and the voltage in the x direction The resistivity of the silver material can be measured, and the y-direction voltage can measure the spin orbital torque efficiency of the material.

도 11b를 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층에서 500℃에서 열처리를 진행하였을 때, 모든 실리콘의 조성에서 텅스텐 단일층을 사용한 경우(30%)보다 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11b , when the tungsten-silicon alloy layer was subjected to heat treatment at 500° C., it can be seen that the composition of all silicon increased compared to the case where a tungsten single layer was used (30%).

특히, Si의 조성이 4.0 at% 일 경우, 텅스텐 단일층보다 약 100% 증가한 0.58의 스핀 궤도 토크의 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.In particular, when the Si composition is 4.0 at%, it can be seen that the spin orbital torque efficiency of 0.58 is increased by about 100% compared to the tungsten single layer.

도 12는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 4침법(four-point probe)을 이용하여 측정한 합금의 전기 비저항 값을 도시한 그래프이다.12 is a tungsten-silicon alloy in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having the perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a by performing vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour. It is a graph showing the electrical resistivity value of the alloy measured using a four-point probe in the composition range of the layer.

도 12는 W-Si층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후에 하모닉스 측정법을 이용하여 측정하였다.12 shows the W-Si layer was patterned in a cross shape and then measured using the harmonics measurement method.

전류를 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 흘려주었을 때, 절연층(MgO)과 캐핑층(Ta)에는 전류가 흐르지 않는다는 가정을 바탕으로, 스핀토크 활성층(전극) W-Si층과 자유층 CoFeB(ρ = 170 μΩ·cm)을 병렬 저항 계산을 진행하여 텅스텐-실리콘 합금층의 비저항을 계산한 결과이다.Based on the assumption that no current flows in the insulating layer (MgO) and the capping layer (Ta) when a current is passed through the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure, the spin torque active layer (electrode) is free from the W-Si layer This is the result of calculating the specific resistance of the tungsten-silicon alloy layer by performing parallel resistance calculation of the layer CoFeB (ρ = 170 μΩ·cm).

도 12를 참조하면, 300℃ 및 500℃의 열처리 조건에 대해 실리콘의 조성이 늘어남에 따라 비저항이 증가하나, 500℃에서 열처리를 진행한 경우, 실리콘의 조성 7.6 at%까지 300℃에서 열처리를 진행한 텅스텐 단일층의 비저항보다 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12 , the specific resistance increases as the composition of silicon increases for heat treatment conditions of 300° C. and 500° C., but when heat treatment is performed at 500° C., heat treatment is performed at 300° C. up to 7.6 at% of the silicon composition. It can be seen that the specific resistance of a single tungsten layer is lower than that of the tungsten single layer.

도 13 내지 도 22은 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 스위칭 특성을 측정한 것으로, 스핀 토크 활성층을 제외한 층(자유층, 터널배리어 등)이 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 패터닝 된 후 측정이 진행되었다.13 to 22 are measurements of the switching characteristics of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-3. Layers (free layers, tunnel barriers, etc.) excluding the spin torque active layer have a cross-shaped spin. After patterning in the form of an island in the center of the torque active layer, measurement was carried out.

도 13은 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 14는 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.13 shows when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 300° C. for 1 hour, tungsten- It is a graph showing switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 14 is a tungsten-switching according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied. It is a graph showing characteristics.

도 13 및 도 14를 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스핀궤도 토크 스위칭 특성으로 모든 실리콘의 조성에 대하여 텅스텐 단일층보다 작은 전류에서 스위칭이 일어나는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 13 and 14 , it can be seen that switching occurs at a current smaller than that of a tungsten single layer for all silicon compositions due to spin orbit torque switching characteristics according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer.

도 15는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 16은 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.15 shows that when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, tungsten- It is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, Figure 16 is when an external magnetic field of -100 Oe is applied, tungsten-switching according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer It is a graph showing characteristics.

도 15 및 도 16을 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스핀궤도 토크 스위칭 특성은 모든 실리콘의 조성에 대하여 텅스텐 단일층보다 작은 전류에서 스위칭이 일어나는 것을 알 수 있다.15 and 16 , it can be seen that the tungsten-silicon alloy layer has a spin orbital torque switching characteristic according to the composition, and the switching occurs at a current smaller than that of the tungsten single layer for all silicon compositions.

도 17a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 17b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 ±100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 스핀토크 활성층인 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스위칭 전류밀도 변화를 도시한 그래프이다.17A is a schematic view showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 17B is a vacuum heat treatment at 300° C. and 500° C. for 1 hour, vertical When an external magnetic field of ±100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having magnetic anisotropy, the switching current density change according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer, which is the spin torque active layer, It is the graph shown.

스위칭 전류 밀도는 실리콘의 조성 증가에 따른 비저항 변화를 고려하였으며, 병렬 저항 계산을 하여 텅스텐-실리콘 합금층에 실제로 흐르는 전류의 크기를 이용하여 계산하였다.The switching current density was calculated using the magnitude of the current actually flowing through the tungsten-silicon alloy layer by calculating the parallel resistance by considering the change in resistivity according to the increase in the composition of silicon.

도 17a를 참조하면, W-Si 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후, CoFeB/MgO는 W-Si 층의 십자 형태의 교차부에만 형성되었다.Referring to FIG. 17A , after patterning the W-Si layer in a cross shape, CoFeB/MgO was formed only at the cross section of the W-Si layer.

W-Si 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후, CoFeB/MgO는 W-Si 층의 십자 형태의 교차부에만 형성하여 제조된 다층 박막 구조는 전류를 x 방향으로, 전압을 y 방향으로 측정하면 전류 주입에 따른 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전을 관측할 수 있고, 동일한 구조에서 자기장을 x 방향으로 걸어주면 유자기장 자화 반전, 자기장을 가하지 않으면 무자기장 자화 반전을 측정할 수 있다.After patterning the W-Si layer in a cross shape, CoFeB/MgO is formed only at the cross-shaped intersection of the W-Si layer. Magnetization reversal due to spin orbital torque according to current injection can be observed. In the same structure, if a magnetic field is applied in the x direction, magnetization reversal of a magnetic field can be measured, and reversal of magnetization without a magnetic field can be measured if no magnetic field is applied.

도 17b를 참조하면, 실리콘의 조성이 증가할수록 스위칭 전류가 감소되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 17B , it can be seen that the switching current decreases as the silicon composition increases.

보다 구체적으로, 300℃에서 열처리가 진행된 경우, 실리콘이 포함되지 않을 때, 스위칭 전류 밀도가 43.5 MA/cm2이었으나, 실리콘(Si)의 조성이 9.6 at% 일 때, 14.0 MA/cm2까지 감소되었다.More specifically, when heat treatment was performed at 300° C., when silicon was not included, the switching current density was 43.5 MA/cm 2 , but when the composition of silicon (Si) was 9.6 at%, it decreased to 14.0 MA/cm 2 became

500℃에서 열처리가 진행된 경우, 실리콘이 포함되지 않을 때, 스위칭 전류 밀도가 33.2 MA/cm2이었으나, 실리콘(Si)의 조성이 7.4 at% 일 때, 10.8 MA/cm2까지 감소되었다.When the heat treatment was performed at 500° C., when silicon was not included, the switching current density was 33.2 MA/cm 2 , but when the composition of silicon (Si) was 7.4 at%, it was reduced to 10.8 MA/cm 2 .

따라서, 500℃에서 열처리가 진행된 경우, 300℃에서 열처리가 진행되었을 때보다 스위칭 전류 밀도보다 모든 조성에 대하여 낮은 값을 갖는 것을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that when the heat treatment is performed at 500° C., it has a lower value for all compositions than the switching current density when the heat treatment is performed at 300° C.

도 18은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 19는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 20은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.18 is a view showing the change of an external magnetic field after heat treatment of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 0 at% at 300° C. for 1 hour; FIG. It is a graph measuring the switching current (current density), and FIG. 19 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 7.4 at% 1 at 300°C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field, and FIG. 20 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. This is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field after the /CoFeB/MgO/Ta structure was heat treated at 300° C. for 1 hour.

도 18 내지 도 20을 참조하면, 10 Oe에서부터 150 Oe까지 크기를 증가하면서 인가한 외부자기장에 따라 자화 반전에 필요한 스위칭 전류 또는 전류밀도의 값이 감소되고, 인가된 모든 외부자기장 하에서 스핀궤도 토크 스위칭현상이 나타나는 것을 알 수 있다.18 to 20 , while increasing the size from 10 Oe to 150 Oe, the value of the switching current or current density required for magnetization reversal decreases according to the applied external magnetic field, and spin orbit torque switching under all applied external magnetic fields phenomenon can be seen.

도 21은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 22는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 23은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.21 is a view showing the change of an external magnetic field after heat treatment of a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 0 at% at 500° C. for 1 hour; It is a graph measuring the switching current (current density), and FIG. 22 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 500°C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field, and FIG. 23 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. This is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field after the /CoFeB/MgO/Ta structure was heat treated at 500° C. for 1 hour.

도 21 내지 23를 참조하면, 10 Oe에서부터 150 Oe까지 크기를 증가하면서 인가한 외부자기장에 따라 자화 반전에 필요한 스위칭 전류 또는 전류밀도의 값이 감소되는 것을 알 수 있다.21 to 23 , it can be seen that the value of the switching current or current density required for magnetization reversal decreases according to the applied external magnetic field while increasing the size from 10 Oe to 150 Oe.

또한, 인가된 모든 외부자기장 하에서 스핀궤도 토크 스위칭 현상이 나타나고, 도 18 내지 도 23과 비교하였을 때, 열처리 온도가 증가하면 스위칭 전류 값이 감소되는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the spin orbit torque switching phenomenon appears under all applied external magnetic fields, and as compared with FIGS. 18 to 23 , when the heat treatment temperature increases, the switching current value decreases.

도 24는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 25는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 4.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500

Figure pat00016
에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이며, 도 26은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 7.4 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 27은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 9.1 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이다.24 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2, in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 3.0 at%, after vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, leader pod backscattering ( It is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, 25 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 4.0 at% 500
Figure pat00016
After vacuum heat treatment for 1 hour in a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, FIG. 26 is a tungsten-silicon alloy layer in which the silicon composition is 7.4 at% Example 2 After vacuum annealing the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure at 500° C. for 1 hour according to - After vacuum heat treatment of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 in which the silicon composition of the silicon alloy layer was 9.1 at% at 500° C. for 1 hour, Rutherford Backscattering was performed. It is a graph showing the Si content in the used W.

도 24 내지 도 27을 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at% 및 9.1 at%인 것을 알 수 있다.24 to 27, it can be seen that the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at%, and 9.1 at%.

도 28은 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 29는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에, 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 및 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때의 자기이력곡선을 도시한 그래프이며, 도 30 내지 도 32는 전류 인가 무자기장 자화 반전을 측정한 이력 곡선을 도시한 그래프이다.28 is a schematic diagram showing a CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 29 is a vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, in Example 3 A graph showing a hysteresis curve when a magnetic field is applied to the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to the out-of-plane and in-plane directions of the thin film 30 to 32 are graphs showing hysteresis curves measuring magnetization reversal in no magnetic field applied with current.

도 28을 참조하면, 박막 면 수직 방향과 박막 면 내 방향 모두 자기장을 인가했을 때 잔류 자화가 남아있다는 점에서 두 방향(예; x 방향 및 y 방향) 모두에 대해 자화 용이 방향이 존재한다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 28 , it can be seen that magnetization easy directions exist for both directions (eg, x and y directions) in that residual magnetization remains when a magnetic field is applied to both the direction perpendicular to the plane of the thin film and the direction within the plane of the thin film. can

또한, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체는 스핀 토크 활성화 층 하부에 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖는 자성층을 증착하여 무자기장 자화 반전이 가능하고, 하부 자성층과 스핀 토크 활성화 층의 두께에 따라 특성이 조절될 수 있다. 따라서, 디자인에 따라 W-Si 합금층 하부의 자성층이 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖고 W-Si 합금층 위의 자성층 이면에 수직 방향으로 자화 용이 축을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, in the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 3, by depositing a magnetic layer having an easy magnetization axis in an in-plane direction under the spin torque activation layer, magnetization inversion without a magnetic field is possible, and the lower magnetic layer and the spin torque The properties can be adjusted according to the thickness of the activation layer. Accordingly, it can be seen that the magnetic layer under the W-Si alloy layer has an easy magnetization axis in the in-plane direction and has an easy magnetization axis perpendicular to the back surface of the magnetic layer above the W-Si alloy layer according to the design.

도 30 및 도 31은 각각 W-Si 합금층의 하부에 존재하는 자성층의 초기 자화 방향이 - x 또는 + x 방향으로 존재할 때 외부자기장을 인가하지 않은 상태에서 스핀궤도 토크에 의해 자화 반전이 일어나는 상황으로, 도 30 및 도 31을 참조하면, 하부의 자성층의 초기 자화가 스위칭 방향을 결정한다는 것을 알 수 있다.30 and 31 show a situation in which magnetization reversal occurs due to spin orbital torque without applying an external magnetic field when the initial magnetization direction of the magnetic layer present under the W-Si alloy layer is in the -x or +x direction, respectively. As such, referring to FIGS. 30 and 31 , it can be seen that the initial magnetization of the lower magnetic layer determines the switching direction.

도 32를 참조하면, 외부 자기장을 -200 Oe 에서부터 +200 Oe 까지 변화시켰을 때의 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전으로 0 Oe에서도 자화 반전이 일어나는 것을 알 수 있다. 또한, +30 Oe에서 스위칭의 방향이 바뀌는 것은 하부 자성층의 자화의 방향이 30 Oe 부근에서 바뀌기 때문이다. 이때, 30 Oe는 하부 자성층의 보자력을 의미한다.Referring to FIG. 32 , it can be seen that magnetization reversal occurs even at 0 Oe due to magnetization reversal due to spin orbital torque when the external magnetic field is changed from -200 Oe to +200 Oe. In addition, the switching direction is changed at +30 Oe because the magnetization direction of the lower magnetic layer is changed around 30 Oe. In this case, 30 Oe means the coercive force of the lower magnetic layer.

도 33은 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0 at%, 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at%, 9.1 at%, 100 at%)에 따른 X선 회절분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 도시한 그래프이다.33 shows the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour (0.0 at% , 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at%, 9.1 at%, 100 at%) is a graph showing the results of X-ray diffraction (X-ray Diffraction, XRD).

도 33의 하부에 바 그래프로 표기되어 있는 데이터는 표준 데이터로 각각의 표준 데이터 코드는 그래프 내에 명시되어 있다.Data indicated by a bar graph in the lower part of FIG. 33 is standard data, and each standard data code is indicated in the graph.

도 33을 참조하면, 엑스선 회절 분석법을 이용하여 텅스텐-실리콘 합금층의 상을 확인한 결과, 실리콘(Si)의 함량이 늘어남에 따라 7.4 at%까지는 베타-W(beta-W) 상이 유지가 되나 (40도 부근의 삼지창 피크) 9.1 at% 부터는 알파-W(alpha-W) 상으로 변화하며 이는 실리콘(Si) 이 초기에는 베타(beta) 상을 안정화 시키지만 실리콘(Si)의 함량이 많아질수록 베타-W(beta-W) 상 형성을 방해하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 33, as a result of confirming the phase of the tungsten-silicon alloy layer using X-ray diffraction analysis, as the content of silicon (Si) increases, the beta-W (beta-W) phase is maintained up to 7.4 at% ( Trident peak around 40 degrees) From 9.1 at%, it changes to alpha-W (alpha-W) phase, which means that silicon (Si) initially stabilizes the beta phase, but as the content of silicon (Si) increases, the beta phase changes. It can be seen that -W (beta-W) prevents phase formation.

도 34는 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이고, 도 35는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이다.34 shows the composition of the tungsten-silicon alloy layer of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 300° C. for 1 hour ( 0.0, 4.0, 9.1 at%) is an image showing the phase of the thin film using an in-plane transmission electron microscope (TEM), and FIG. 35 is a vacuum at 500° C. for 1 hour. By heat treatment, according to the composition (0.0, 4.0, 9.1 at%) of the tungsten-silicon alloy layer of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy It is an image showing the phase of the thin film using an in-plane transmission electron microscope (TEM).

도 34 및 도 35에서 W-Si의 두께는 25nm이다.34 and 35, the thickness of W-Si is 25 nm.

도 34 및 도 35를 참조하면, 두께가 25 nm로 두껍거나 열처리 온도가 300도 이상인 경우, 텅스텐(W)은 알파(alpha) 상을 선호하는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 34 and 35 , when the thickness is 25 nm or the heat treatment temperature is 300 degrees or more, it can be seen that tungsten (W) prefers an alpha phase.

또한, 도 34와 및 도 35의 첫번째 이미지인 실리콘(Si)의 함량이 0 at%인 경우에는 텅스텐(W)이 알파(alpha) 상으로 존재하는 것을 알 수 있고, 실리콘(Si)의 함량이 4.0 at%로 늘어남에 따라 25 nm의 두꺼운 박막임에도 불구하고 베타-W(beta-W) 상이 나타나는 것을 알 수 있으며, 9.1 at%로 실리콘(Si)의 함량이 늘어나자 다시 알파-W(alpha-W) 상으로 변화하는 것으로 보아 상 분리가 일어나는 것을 알 수 있다.In addition, when the content of silicon (Si), which is the first image in FIGS. 34 and 35, is 0 at%, it can be seen that tungsten (W) is present in an alpha phase, and the content of silicon (Si) is As it is increased to 4.0 at%, it can be seen that a beta-W (beta-W) phase appears even though it is a 25 nm thick thin film. W) It can be seen that phase separation occurs by looking at the phase change.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions are provided by those skilled in the art to which the present invention pertains. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.

110: 기판 120: 스핀토크 활성층
121: 제1 방향 122: 제2 방향
130: 자유층 140: 터널 배리어
150: 고정층 160: 고정층
110: substrate 120: spin torque active layer
121: first direction 122: second direction
130: free layer 140: tunnel barrier
150: fixed bed 160: fixed bed

Claims (19)

기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer);
상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 자유층;
상기 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층; 및
상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층;
을 포함하고,
상기 스핀토크 활성층은 W-X 합금을 포함(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합.
a spin-orbit active layer formed on the substrate;
a free layer formed on the spin torque active layer;
a tunnel barrier layer formed on the free layer; and
a pinned layer formed on the tunnel barrier layer;
including,
The spin-torque active layer includes a WX alloy (wherein W is tungsten, and wherein X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor). SOT) based magnetic tunnel junction.
제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 상기 자유층과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin torque active layer is an electrode providing an in-plane current in contact with the free layer.
제1항에 있어서,
상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
Spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current is reduced as the composition content of X included in the WX alloy increases.
제1항에 있어서,
상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1 at% 내지 10.6 at%인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
A spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X included in the WX alloy is 0.1 at% to 10.6 at%.
제1항에 있어서,
상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction is a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current decreases as the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.
제5항에 있어서,
상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
6. The method of claim 5,
A spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed is 300 °C to 500 °C.
제6항에 있어서,
상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
7. The method of claim 6,
Spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X included in the WX alloy is controlled according to the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed.
제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin torque active layer, the free layer, the tunnel barrier layer and the pinned layer have a cross shape in plan view.
제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고,
상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 상기 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 배치되는 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin torque active layer has a cross shape when viewed in a plan view,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, wherein the free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer are disposed in an island shape at the center of the cross-shaped spin torque active layer.
제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 스핀토크 활성층과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque based magnetic tunnel junction, characterized in that the substrate includes a natural oxide layer on a surface in contact with the spin torque active layer.
제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 하단에 버퍼층(buffer)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin torque active layer further comprises a buffer layer at the bottom.
제1항에 있어서,
상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 고정층 상에 캐핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin orbit torque-based magnetic tunnel junction further comprises a capping layer on the pinned layer.
기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계;
상기 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계;
상기 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계;
상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계; 및
상기 자유층 및 상기 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계;
를 포함하고,
상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는,
진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 기판 상에 W-X 합금 박막(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 형성하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법.
forming a spin torque active layer on a substrate;
forming a free layer on the spin torque active layer;
forming a tunnel barrier layer on the free layer;
forming a pinned layer formed on the tunnel barrier layer; and
performing heat treatment to express perpendicular magnetic anisotropy to the free layer and the pinned layer;
including,
The step of forming a spin torque active layer on the substrate,
A WX alloy thin film on the substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering a W target and an X target simultaneously in a vacuum chamber (where W is tungsten, and X is at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that it forms.
제13항에 있어서,
상기 W 타겟 및 상기 X 타겟의 파워에 따라 상기 W-X 합금 박막의 조성이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition of the WX alloy thin film is adjusted according to the power of the W target and the X target.
제13항에 있어서,
상기 W-X 합금 박막 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1 at% 내지 10.6 at%인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X included in the WX alloy thin film is 0.1 at% to 10.6 at%.
제13항에 있어서,
상기 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
A method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current is reduced as the heat treatment temperature increases.
제13항에 있어서,
상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the heat treatment temperature is 300 °C to 500 °C.
제17항에 있어서,
상기 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
The method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X included in the WX alloy is adjusted according to the heat treatment temperature.
제13항에 있어서,
상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는,
상기 W-X 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The step of forming a spin torque active layer on the substrate,
The method of manufacturing a spin orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that it further comprises the step of patterning the WX alloy thin film in a cross shape.
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