KR20220069863A - 호이슬러 화합물과 함께 합성 반강자성체(SAF)를 형성하기 위한 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl - Google Patents

호이슬러 화합물과 함께 합성 반강자성체(SAF)를 형성하기 위한 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl Download PDF

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시라그 가그
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Abstract

장치가 제공된다. 장치는 제1 자기층, 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체로, 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.4 이상 0.6 이하이고, E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기(nonmagnetic)이고, 및 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층으로, 적어도 하나의 제1 자기층 및 제2 자기층은 적어도 하나의 호이슬러 화합물 및 L10 화합물을 포함한다.

Description

호이슬러 화합물과 함께 합성 반강자성체(SAF)를 형성하기 위한 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl {IrAl AS A NON-MAGNETIC SPACER LAYER FOR FORMATION OF SYNTHETIC ANTI-FERROMAGNETS(SAF) WITH HEUSLER COMPOUNDS}
본 발명은 호이슬러 화합물과 함께 합성 반강자성체(SAF)를 형성하기 위한 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl을 포함하는 장치에 관한 것이다.
호이슬러 화합물(Heusler compounds)은 대표적인 화학식 X2YZ를 포함하는 물질의 종류로, 여기서 X 및 Y는 전이 금속 또는 란탄족 원소이고, Z는 전형 원소로부터 유래된다. X(또는 Y) 및 Z 사이의 화학적 차이로 인해 공간 그룹 대칭(space group symmetry) L21(또는 정방형으로 왜곡된 경우 D022)에 의해 정의되는 고유한 구조를 형성한다. 여기서 4개의 면중심 입방 구조가 서로 관통한다.　　호이슬러 화합물의 특성은 화합물을 구성하는 원소의 순서에 크게 의존한다.　따라서, 고품질의 호이슬러 막을 제조하려면 일반적으로 고온 열 공정, 예를 들어 실온보다 상당히 높은 온도에서의 증착 및/또는 고온(200℃ 이상)에서의 열적 어닐링이 필요하다. 이러한 높은 증착 온도는 호이슬러 화합물이 사용되기를 원하는 장치의 다른 부분의 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나 호이슬러 화합물과 L10 화합물은 다양한 스핀트로닉 응용 분야의 후보 물질로 여전히 관심을 끌고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 호이슬러 화합물 및 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 호이슬러 화합물 및 비자기 스페이서 층으로서의 IrAl을 포함하는 장치를 메모리 소자로 사용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 장치는, 제1 자기층, 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체로, 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.4 이상 0.6 이하이고, E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기(nonmagnetic)이고, 및 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층으로, 적어도 하나의 제1 자기층 및 제2 자기층은 적어도 하나의 호이슬러 화합물 및 L10 화합물을 포함한다.
본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 장치는, 복수의 메모리 소자들로, 각각의 복수의 메모리 소자들은 제1 자기층, 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체로, 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.47 이상 0.54 이하이고, E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이고, 및 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층으로, 적어도 하나의 제1 자기층 및 제2 자기층은 적어도 하나의 호이슬러 화합물 및 L10 화합물을 포함하고, 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층 중 적어도 하나는 템플레이팅 구조체와 접촉하고 실온에서 증착된 상태로 자기이다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법은, 제1 자기층을 제공하고, 제1 자기층 상에 템플레이팅 구조체를 제공하고, 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.4 이상 0.6 이하이고, E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이고, 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층을 제공하고, 적어도 하나의 제1 자기층 및 제2 자기층은 적어도 하나의 호이슬러 화합물 및 L10 화합물을 포함한다.
본 발명의 완전한 이해는 수반되는 특징들 및 양상들 중 다수가 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해되고 명백해질 것이다.
도 1은 템플레이팅 개념의 실시예를 도시한다. A 및 X는 전이 금속 원소들을 나타내고, E 및 Z는 전형 원소들을 나타낸다.
도 2는 IrAl 스페이서 층에 의해 분리된 호이슬러 화합물의 이중층을 갖는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnetic,　SAF) 구조의 실시예를 도시한다. X 및 X'는 전이 금속 원소들을 나타내고, Z 및 Z'는 전형 원소들을 나타낸다.
도 3은 MgO/ MgO(001) 기판 상의 300Å 두께의 Ir1-xAlx 막의 XRD 스캔을 나타낸다. IrAl 막은 실온에서 증착되고 진공에서 다양한 온도에서 인 시츄(in-situ)로 어닐링된다.
도 4는 MgO(001) 단결정 기판(미도시) 상에서 성장된 IrAl 템플레이팅 층 상의 20Å 두께의 Mn3Sn 막의 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다.
도 5는 IrAl 템플레이팅 층의 어닐링 온도에 대한 평균 제곱근(root mean square, RMS) 거칠기(rrms)를 나타낸다.
도 6은 300Å IrAl 템플레이팅 층 상의 20Å 두께 Mn3Sn 막의 실온 수직 자기광 Kerr 효과(P-MOKE) 히스테리시스 루프를 나타낸다. IrAl 층은 135㎜가 일반적인 값인 다양한 타겟-기판 거리에서 증착되었다.
도 7은 실온에서 MgO(001) 단결정 기판 상에서 성장된 IrAl 템플레이팅 층으로부터의 수직 MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 8은 본 명세서에 설명된 템플레이팅 및 호이슬러 층을 포함하는 장치의 일부를 도시한다.
도 9는 본 명세서에 설명된 템플레이팅 및 호이슬러 층을 포함하는 자기 터널 접합 장치의 실시예를 도시한다.
도 10은 IrAl 및 CoAl 템플레이팅 층 두께의 함수로서 c-축 격자 간격을 나타낸다.
도 11은 IrAl 및 CoAl/IrAl 이중층의 실시예의 상이한 두께에 대한 면-내(in-plane) 격자 상수를 나타낸다.
도 12는 MgO(001) 단결정 기판 상에서 성장된 CoAl/IrAl 템플레이팅 이중층 상의 30Å 두께 Mn3Ge 호이슬러 층의 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 13은 MgO(001) 단결정 기판 상에서 성장된 템플레이팅 층 IrAl, CoAl/IrAl 및 CoAl상의 20Å 두께의 Mn3Sn 호이슬러 층의 P-MOKE 히스테리시스 루프를 보여준다.
도 14는 본 명세서에서 하나의 방법(2개의 상이한 다층 구조체들을 포함한다)을 사용할 때 형성된 층을 도시하며, 여기서 타겟 면 내 격자 상수는 층의 증착 전에 선택된다.
도 15는 본 명세서에 설명된 다층 및 호이슬러 층을 포함하는 장치의 일부를 도시한다.
도 16은 레이스트랙 장치에서 메모리 소자로 사용될 수 있는 템플레이팅 구조체 및 호이슬러 층을 포함하는 장치의 실시예를 도시한다.
도 17은 본 명세서에 설명된 바와 같이 템플레이팅 구조체 및 호이슬러 층을 포함하는 자기 터널 접합 장치의 실시예를 도시한다.
도 18은 템플레이팅 구조체 및 고정층(pinning layer)으로 작용하는 호이슬러 층을 포함하는 자기 터널 접합 장치의 실시예를 도시한다.
도 19는 11Å IrAl 스페이서 층을 포함하는 도시된 호이슬러 스택으로부터의 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다. 히스테리시스 루프의 서로 다른 위치에 있는 2개의 호이슬러 함유층의 자기 모멘트는 두꺼운 화살표로 표시되고 얇은 화살표는 스캔 방향을 나타낸다. (좌측에 도시된 호이슬러 스택은 우측에 도시된 루프와 비교하여 제로 필드에 가까운 경우에 해당하는 자기 모멘트를 나타낸다.)
도 20은 두께가 7, 9 및 11Å로 상이한 IrAl 스페이서 층을 갖는 호이슬러 스택(예를 들어, 도 20의 좌측)의 실시예의 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 21은 두께가 최대 16Å까지 상이한 CoAl 스페이서 층을 갖는 호이슬러 스택(예를 들어, 도 21의 좌측)의 실시예의 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 22는 호이슬러 층의 자기 모멘트가 호이슬러 층을 분리하는 다층 구조체에 수직인 본 명세서에 설명된 템플레이팅 및 호이슬러 층을 포함하는 합성 반강자성체(SAF) 구조의 실시예를 도시한다.
도 23은 호이슬러 층의 자기 모멘트가 호이슬러 층을 분리하는 다층 구조체에 평행한 본 명세서에 설명된 템플레이팅 및 호이슬러 층을 포함하는 합성 반강자성체(SAF)의 실시예를 도시한다.
도 24는 본 명세서에 설명된 템플레이팅 및 호이슬러 층을 포함하는 합성 반강자성체(SAF)를 포함하는 메모리 소자를 형성하는 자기 터널 접합 장치의 실시예를 도시한다.
본 발명은 장치, 방법, 시스템, 물질의 조성, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품 및/또는 프로세서, 예컨대 프로세서에 결합된 메모리에 저장 및/또는 제공되는 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 구현들 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술들로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 개시된 공정의 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 작업을 수행하도록 구성된 것으로 설명된 프로세서 또는 메모리와 같은 구성 요소는 주어진 시간에 작업을 수행하도록 일시적으로 구성되는 일반적인 구성 요소 또는 이를 수행하도록 제작된 특정의 구성 요소로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 '프로세서'는 컴퓨터 프로그램 명령과 같은 데이터를 처리하도록 구성된 하나 이상의 장치, 회로 및/또는 처리 코어를 의미한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는 첨부된 도면과 함께 아래에 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예와 관련하여 설명되지만, 본 발명은 임의의 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해서만 제한되며, 본 발명은 다수의 대안, 수정 및 균등 물을 포함한다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 다음의 설명에서 설명된다. 이러한 세부 사항은 예시를 위해 제공되며, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항의 일부 또는 전부 없이 청구 범위에 따라 실시될 수 있다. 명확화를 위해, 본 발명과 관련된 기술 분야에서 공지된 기술 물질은 본 발명이 불필요하게 불명료하게 되지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
20㎚ 노드 이상으로 스핀 전달 토크-자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)의 스케일링을 위해서는 새로운 자기 물질이 필요하다. 이러한 물질은 매우 큰 수직 자기 이방성(PMA)을 가져야 하고, 집적을 위해 기존 CMOS 기술과 호환되어야 한다. 이러한 자기 물질은 자기 터널 접합부(MTJ) 기반 메모리 소자의 전극을 형성한다. 자기 터널 접합부 소자의 상태를 스위칭하기 위한 중요한 메커니즘은 자기 터널 접합부를 통해 스핀 분극 터널링 전류를 통과시키는 것이다. 이러한 전류의 크기는 기록 전류를 제공하기 위해 사용되는 트랜지스터의 크기에 의해 제한된다. 이는 전극의 두께가 가용 전류에 의해 스위칭될 수 있을 정도로 충분히 작아야 함을 의미한다. 약 1000 emu/cm3의 자화 값의 경우, 전극의 두께는 약 1㎚를 초과하지 않아야 한다. 최근 CoAl, CoGa, CoSn 또는 CoGe와 같은 템플레이팅 층을 사용하면 벌크 같은 자기 특성을 갖는 초박막형 호이슬러 층(약 1㎚의 두께)을 증착할 수 있는 것으로 나타났다. 단일 단위 셀 두께의 이러한 초박막형 호이슬러 화합물은 수직 자기 이방성 및 스퀘어(square) 자기 히스테리시스 루프를 보여 STT-MRAM 및 레이스트랙(racetrack) 메모리 애플리케이션 분야에 사용하기에 적합한 물질이다.
더욱이, CoAl, CoGa, CoSn 또는 CoGe와 같은 템플레이팅 층 상에 증착 된 초박형 호이슬러 화합물 막은 에피택셜 성장한다. 즉, 초박형 호이슬러 화합물은 템플레이팅 층과 동일하거나 실질적으로 동일한 면 내 격자 상수를 갖는다. 이러한 템플레이팅 층과 MgO 터널 배리어 간에 상당한 격자 부정합(> 5%)이 존재하며, 터널 배리어를 통한 비 일관적인 터널링의 결과로 터널 자기 저항(TMR)이 낮아질 수 있다. 이러한 TMR의 감소는 장치의 성능에 바람직하지 않다.
전술한 바와 같이, 수직 자기 이방성 및 스퀘어(square) 자기 히스테리시스 루프를 갖는 초박형 호이슬러 화합물 막은 STT-MRAM 및 레이스트랙 메모리 애플리케이션에 사용될 수 있다. 이러한 애플리케이션에서, 합성 반강자성체(SAF)가 사용될 수 있다. STT-MRAM 애플리케이션에서, 기준층은 SAF 구조를 포함하는데, 이러한 구조는 매우 작은 프린징 필드(fringing fields)를 가지기 때문에, 이는 저장층의 측정된 히스테리시스 루프에서 관찰되는 오프셋 필드의 주요 원인이다. 레이스트랙 메모리에서, SAF 구조의 나노와이어에서의 도메인 벽(domain wall) 속도는 종래의 강자성체(ferromagnet)의 나노와이어의 도메인 벽 속도보다 상당히 높다. 종래의 강자성체로부터의 SAF 구조는 비자기 스페이서 층으로서 Ru를 사용한다. Z = Ge, Sn 및 Sb를 갖는 Mn3Z를 포함하는 정방형 호이슬러 화합물 그룹은 Mn-Mn 및 Mn-Z의 교번 층의 층상 구조를 갖는다. 알려진 원소 스페이서 층(예를 들어, Ru 단독 사용)의 사용은 Ru가 그 아래의 호이슬러 층의 정렬을 복제할 수 없기 때문에, 2개의 호이슬러 층을 포함하는 구조에는 효과가 없다. 따라서, Ru 스페이서 층 상에 성장한 호이슬러 층에서의 정렬을 촉진시킬 수 없다.
예시적인 실시예는 특정 구성 요소를 갖는 특정 방법, 자기 접합 및 자기 메모리와 관련하여 설명된다. 당업자는 본 발명이 본 발명과 일치하지 않는 다른 및/또는 추가 구성 요소 및/또는 다른 특징을 갖는 자기 접합 및 자기 메모리의 사용과 일치한다는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 방법과 시스템은 또한 스핀 전달 현상, 자기 이방성 및 기타 물리적 현상에 대한 현 시점의 이해의 맥락에서 설명된다. 결과적으로, 당업자는 방법 및 시스템의 거동에 대한 이론적 설명이 스핀 전달, 자기 이방성 및 기타 물리적 현상에 대한 이러한 현 시점의 이해를 기반으로 이루어짐을 쉽게 인식할 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 방법 및 시스템은 특정 물리적 설명에 의존하지 않는다. 당업자는 또한 방법 및 시스템이 기판에 대한 특정 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명된다는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 당업자는 방법 및 시스템이 다른 구조와 일치한다는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 추가로, 방법 및 시스템은 특정 층이 합성 및/또는 단순한 것인지의 맥락에서 설명된다. 그러나, 당업자는 층이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 더욱이, 방법 및 시스템은 특정 층을 갖는 자기 접합 및/또는 서브 구조의 맥락에서 설명된다. 당업자는 방법 및 시스템과 일치하지 않는 추가 및/또는 상이한 층을 갖는 자기 접합 및/또는 서브 구조가 또한 사용될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 또한 특정 구성 요소는 자성, 강자성 및 페리 자성으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 자기라는 용어는 강자성, 페리 자성 또는 이와 유사한 구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어 "자기" 또는 "강자성"은 강자성체 및 페리 자성체를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "면 내"는 자기 접합의 하나 이상의 층의 평면의 실질적으로 내부에 있거나 이와 평행하다. 반대로, "수직" 및 "평면에 수직"은 자기 접합의 하나 이상의 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응한다. 방법과 시스템 역시 특정 합금의 맥락에서 설명된다. 달리 명시되지 않는 한, 합금의 특정 농도가 언급되지 않은 경우, 방법 및 시스템과 일치하지 않는 화학량론이 사용될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 제공된 임의의 모든 예 또는 예시적인 용어의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 명시되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 달리 정의되지 않는 한 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 모든 용어를 과도하게 해석할 수 없다.
제1 자기층, 템플레이팅 구조체 및 제2 자기층을 포함하는 장치가 설명된다. 템플레이팅 구조체는 제1 자기층 상에 있다. 제2 자기층은 템플레이팅 구조체 상에 있다. 템플레이팅 구조체는 D와 E를 포함한다. D 대 E의 비율은 D1-xEx로 표시되며 x는 0.4 이상 0.6 이하이다. E는 주 성분을 포함한다. 주 성분은 Al, Ga 및 Ge 중 적어도 하나를 포함한다. E는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분을 포함한다. D는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. 일부 실시예에서, D는 Ir 및 IrRu 중 적어도 하나를 포함한다. 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기(nonmagnetic)이다. 제1 자기층 및 제2 자기층 중 적어도 하나는 호이슬러 화합물 및 L10 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 템플레이팅 구조체는 3 옹스트롬(Å) 이상 11 옹스트롬(Å) 이하의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 템플레이팅 구조체는 적어도 하나의 D층 및 적어도 하나의 E층을 포함하고, 적어도 하나의 E층은 적어도 하나의 D층과 계면을 공유한다. 일부 실시예에서, x는 0.47 이상 0.54 이하이다. 제1 자기층 및/또는 제2 자기층은 5㎚ 이하의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, E는 Al, AlGe 합금, 및 AlGa 합금 중 적어도 하나를 포함한다. E는 Al, AlSn, AlGe, AlGaGe, AlGaSn, AlGeSn, 및 AlGaGeSn 중에서 선택될 수 있다. 제1 및 제2 자기층 중 적어도 하나는 Mn3.1-yGe, Mn3.1-ySn, Mn3.1-zSb, Mn3.1-sCo1.1-tSn, MnGa 합금, MnAl 합금, FeAl 합금, MnGe 합금, MnSb 합금, 및 MnSn 합금 중 적어도 하나를 포함하고, y는 0 이상 0.6 이하이고, z는 0 이상 1.1 이하이고, s는 0 초과 1.2 이하이고, t는 0 초과이고 1.0 이하이다.
일부 실시예에서, 장치는 제1 자기층 아래의 추가 템플레이팅 구조체를 포함한다. 추가 템플레이팅 구조체는 D'와 E'를 포함한다. D' 대 E'의 비율은 D'1-x'E'x'로 나타나고, x'는 0.4 이상 0.6 이하이다. E'는 추가 주 성분을 포함한다. 추가 주 성분은 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함한다. E'는 추가 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. D'는 Ir, Co, 및 Ru 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 추가 성분을 포함한다. D'는 적어도 하나의 추가 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 추가 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이다. 장치는 추가 자기층 및 추가 자기층과 자기층 사이의 터널링 배리어층을 포함할 수 있다.
복수의 메모리 소자들을 포함하는 장치가 개시된다. 각각의 복수의 메모리 소자들은 제1 자기층, 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체 및 제1 자기층 상의 제2 자기층을 포함한다. 템플레이팅 구조체는 D와 E를 포함한다. D와 E의 비율은 D1-xEx로 나타나고, x는 0.47 이상 0.54 이하이다. E는 주 성분을 포함한다. 주 성분은 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함한다. E는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분을 포함한다. D는 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이다. 제1 자기층 및 제2 자기층 중 적어도 하나는 호이슬러 화합물 및 L10 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 자기층 및 제2 자기층 중 적어도 하나는 템플레이팅 구조체와 접촉하고 실온에서 증착된 상태로 자기이다.
장치를 제공하는 방법이 개시된다. 방법은 제1 자기층을 제공하고, 제1 자기층 상에 템플레이팅 구조체를 제공하고, 템플레이팅 구조체 상에 제2 자기층을 제공한다. 템플레이팅 구조체는 D와 E를 포함한다. D와 E의 비율은 D1-xEx로 나타나고, x는 0.4 이상 0.6 이하이다. E는 주 성분을 포함한다. 주 성분은 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함한다. E는 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분을 포함한다. D는 성분들의 적어도 50 원자 %를 포함한다. 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이다. 제1 자기층 및 제2 자기층 중 적어도 하나는 호이슬러 화합물 및 L10 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 자기층 및/또는 제2 자기층은 실온에서 증착될 수 있다.
템플레이팅 구조체를 제공하는 것은, D와 E의 층을 교대로 증착하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, x는 0.47 이상 0.54 이하이다. D는 Ir 및 IrRu 중 적어도 하나로 구성되거나 이들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 자기층 및 제2 자기층은 Mn3.1-yGe, Mn3.1-ySn, Mn3.1-zSb, Mn3.1-sCo1.1-tSn, MnGa 합급, MnAl 합금, FeAl 합금, MnGe 합금, MnSb 합금, 및 MnSn 합금 중 적어도 하나를 포함하고, y는 0 이상 0.6 이하이고, z는 0 이상 1.1 이하이고, s는 0 초과 1.2 이하이고, t는 0 초과이고 1.0 이하이다.
일부 실시예에서, 방법은 제1 자기층 아래의 추가 템플레이팅 구조체를 제공하는 것을 더 포함한다. 추가 템플레이팅 구조체는 D'와 E'를 포함한다. D'와 E'의 비율은 D'1-x'E'x'로 나타나고, x'는 0.4 이상 0.6 이하이다. E'는 추가 주 성분을 포함한다. 추가 주 성분은 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함한다. E'는 추가 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. D'는 Ir, Co, 및 Ru 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 추가 성분을 포함한다. D'는 적어도 하나의 추가 성분의 적어도 50 원자 %를 포함한다. 추가 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이다.
일부 실시예에서, 방법은 추가 자기층을 제공하는 것과 추가 자기층과 제1 자기층 및 상기 제2 자기층 중 적어도 하나 사이의 터널링 배리어층을 제공하는 것을 포함한다.
수직 자기 이방성 및 정방형 자기 히스테리시스 루프를 갖는 초박형 호이슬러 화합물 막들의 성장을 촉진하는 IrAl 템플레이팅 층(들)이 설명된다. 본 명세서에는 MgO 터널 배리어의 격자 상수를 포함하는 상당한 범위에 걸쳐 면 내 격자 상수가 미리 선택될 수 있는 템플레이팅 층이 개시된다. 본 명세서에는 호이슬러 층 사이에 SAF 구조의 형성을 촉진하는 스페이서 층이 개시되어 있다. 본 명세서에서 CsCl 구조를 갖는 IrAl 합금 스페이서 층은 스페이서 층에 의해 분리된 2개의 정방형 호이슬러 화합물 층 사이에 반강자성 결합을 유도하는 것으로 나타난다.
본 명세서에는 비자기 템플레이팅 층을 사용하여 열적 어닐링 공정 없이 (또는 저온 열적 어닐링 공정으로)제조될 수 있는 고도로 텍스쳐링되고, 매우 매끄럽고 고품질인 호이슬러 화합물의 초박형 막이 개시된다. 템플레이팅 층은 L10의 입방형인 B2 구조를 갖는 Ir-Al의 2성분 합금으로 형성될 수 있다. 템플레이팅 층은 실온에서 증착될 수 있으며 증착된 상태에서 정렬된다(즉, Ir과 Al의 원자 층이 교대로 형성된다). 이러한 템플레이팅 층에 증착된 호이슬러 화합물의 초박형 막은 고도로 에피택셜되고, 정렬되고, 우수한 자기 특성을 갖는 고품질인 막이고, 특히 높은 값의 수직 자기 이방성 및 정방형 자기 히스테리시스 루프를 포함한다(제로 자기장에서의 잔류 모멘트는 포화 모멘트에 가깝다). 이는 템플레이팅 층의 B2 대칭과 호이슬러 층의 L21 또는 D022 대칭 사이의 유사성에 기인한다.
하부층(예를 들어, 템플레이팅 층)의 특징은 호이슬러 화합물과 유사한 요소로 구성된다는 점이다. 예를 들어, IrAl 하부층에서 호이슬러 층으로의 Al의 혼합 또는 확산은 Al이 호이슬러가 형성되는 "Z 원소"의 부류에 속하기 때문에 호이슬러 층의 특성을 크게 변경하지 않는다. 유사하게, Al을 Ga, Ge 및/또는 Sn과 같은 다른 Z 원소로 부분적으로 대체하는 하부층이 하부층에 적합하다. IrAl 하부층 내의 Ir은 호이슬러 층의 자기 특성을 크게 저하시키지 않고 호이슬러로 확산될 수도 있다. 따라서, 하부층은 유리하게는 A-E 합금으로 형성되며, 여기서 A는 전이 금속이고 E는 전형 원소이다.
하부층의 또 다른 특성은 호이슬러 화합물의 원하는 정렬을 촉진할 수 있다는 것이다. 하부층은 일반적으로 이웃한 테라스(terraces) 사이에 원자 스텝이 있는 테라스를 가지며, 여기서 각 스텝은 Al로 형성된 테라스에서 Ir로 형성된 표면을 가진 테라스를 분리한다. X(또는 Y)의 Al에 대한 화학적 친화성 및 Z의 Ir에 대한 화학적 친화성으로 인해 하부층은 도 1에 도시된 바와 같이 실온과 같은 낮은 온도에서도 호이슬러 화합물의 원하는 정렬을 촉진한다. 어닐링은 호이슬러 화합물의 자기 특성을 크게 향상시키지 않는다.
이러한 호이슬러 화합물은 본 명세서에 개시된 메모리 저장 소자(예를 들어, 레이스트랙 및 MRAM) 및 합성 반강자성체를 형성하는 데 사용된다. 관련된 제조 방법으로, 원하는 격자 상수를 미리 선택할 수 있는 방법을 포함한 것이 또한 개시된다.
IrAl 템플레이팅 층
Ir1-xAlx 합금의 단결정 에피택셜 막은 약 1x10-9 Torr의 기본 압력을 갖는 초고진공(UHV) 챔버에서 MgO(001) 단결정 기판 상의 MgO 버퍼 층에 dc-마그네트론 스퍼터링함에 의해 성장된다. MgO 기판은 메탄올의 초음파 배스(ultrasonic bath)에서 30분 동안 세척되고, 이소프로필 알코올(IPA) 증기 탈지제로 2분 동안 처리되고, N2 가스로 65℃에서 15분 동안 건조된 후, 초고진공 (UHV)에서 650℃에서 30분 동안 어닐링되는 증착 챔버로 옮겨진다. MgO 타겟으로부터 rf-마그네트론 스퍼터링을 사용하여 실온에서 20Å 두께의 MgO를 증착하여 MgO 버퍼 층이 준비된다. 모든 마그네트론 스퍼터링 공정에서, 일반적인 가스 압력인 3m Torr에서 스퍼터링 가스로서 아르곤을 사용한다. 300Å 두께의 IrAl 막을 실온에서 증착한다. 이러한 막은 어닐링되지 않거나 30분간 TAN = 200, 300, 400 및 500℃의 다양한 온도에서 어닐링된다. IrAl 층의 조성은 러더포드 백스캐터링 측정(Rutherford backscattering measurement, RBS)에 의해 각각 Ir51.6Al48.4로 결정된다. 본 명세서에서 논의된 것 이외의 요소가 개시된 구조에 존재할 수 있다. 예를 들어, 순수한 Ir 및 Al 층이 종종 사용되지만, 이러한 층은 이들 층의 상당한 원자 %(예를 들어, 최대 50 원자 %)을 구성하는 다른 원소를 포함할 수 있다.
X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) θ-2θ 스캔이 막에 대해 수행된다. 이러한 XRD 측정은 실온에서 Bruker D8 Discover 시스템을 사용하여 수행된다. 도 3은 다양한 온도 TAN에서 30분간 어닐링된 IrAl 막의 XRD 스캔을 나타낸다. 이러한 IrAl 막은 단일 IrAl 합금 타겟으로부터 증착된다. 데이터는 어닐링되지 않은 IrAl 막에서 가져온 데이터와 비교된다. 데이터는 2θ=57°부근에서의 주요 IrAl(002) 피크와 2θ=27.5° 부근에서의 IrAl(001) 피크를 나타낸다. IrAl(001) 초 격자 피크의 존재는 어닐링이 존재하지 않는 경우에도 Ir과 Al의 교번 층이 있음을 분명히 나타낸다. 또한 어닐링이 수행되는 경우에도, 교번 층 구조는 유지된다. 기판과 관련된 X-선 회절은 모든 샘플에서 관찰되었으며 MgO(002) 피크로 표시된다.
도 4는 IrAl 템플레이팅 층 상에서 성장된 일반적인 20Å Mn3Sn 층의 고해상도 주사 투과 전자 현미경(HR-STEM) 이미지이다. 이러한 샘플의 스택은 MgO(001)/ 20Å MgO/ 300Å IrAl/ 20Å Mn3Sn/ 20Å MgO/ 20Å Ta이다. IrAl 템플레이팅 층은 도 3에 구체화된 XRD 측정과 일치하는 Ir 및 Al의 교번 층으로 구성된다. 20Å 두께의 Mn3Sn 층과 IrAl 템플레이팅 층의 에피택셜 매칭이 명확하게 나타난다. 나아가, 호이슬러 층 내에서 원하는 정렬이 분명하게 나타난다. Mn-Sn 층은 Mn-Mn 층과 구별될 수 있으며, 교번 원자 층과 각 Mn-Sn 층 내에서 원하는 정렬을 나타낸다.
300Å 두께의 IrAl 템플레이팅 층의 표면 형태를 조사하기 위해 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM)이 사용되었다. 도 5는 다양한 어닐링 온도에 대한 평균 제곱근 표면 거칠기(root-mean-squared surface roughness, rrms)를 나타낸다. 막은 어닐링 온도와 관계없이 rrms가 1Å 정도의 매우 매끄러운 표면을 나타낸다.
Mn3Z 정방형 호이슬러
20Å 두께의 Mn3Sn 막은 IrAl 템츨레이팅 층 상에 마그네트론 스퍼터 증착에 의해 실온에서 증착된다. 스택은 호이슬러 층의 주변 산화를 방지하기 위해 20Å 두께의 MgO 및 20Å 두께의 Ta로 캡핑된다. 생성된 구조는 MgO(001)/ 20Å MgO/ 300Å IrAl/ 20Å Mn3Sn/ 20Å MgO/ 20Å Ta의 형태이다. IrAl 층은 다양한 기판 대 타겟 거리로 실온에서 증착된다. 일반적인 기판 대 타겟 거리는 증착 도구에서 약 135㎜이다. 135㎜, 125㎜, 120㎜ 및 113㎜의 4개의 증착 위치가 평가된다(즉, 기판은 또한 일반적인 기판 대 타겟 거리인 135㎜보다 10, 15 및 22㎜만큼 각각 타겟에 더 가깝게 배치된다). 표 1(본 명세서의 끝 부분을 참조)에는 이러한 4개의 증착 위치에서 IrAl 층의 RBS 구성이 포함된다. 기판 대 타겟 거리가 감소함에 따라 막의 Ir 함량이 감소한다. 도 6은 135㎜, 125㎜ 및 120㎜의 증착 위치에 대한 Mn3Sn 층의 수직 자기-광 Kerr 효과(perpendicular magneto-optic Kerr effect, P-MOKE) 히스테리시스 루프를 나타낸다. 흥미롭게도 Mn3Sn의 자기 특성은 이러한 증착 위치와 무관하게 IrAl 템플레이팅 층을 사용하는 모든 막에 대해 우수한 PMA를 나타낸다. 자기 모멘트의 급격한 전환은 중간 위상이 존재하지 않음을 의미한다. 이러한 결과는 1:1에 가까운 조성의 IrAl 층이 초박형 Mn3Sn 호이슬러 화합물 내에서 정렬을 촉진한다는 것을 명확하게 입증한다. 호이슬러 화합물은 후속 어닐링 없이 실온에서 증착된 경우에도 마찬가지로 우수한 PMA를 나타낸다. 도 7은 호이슬러 층이 존재하지 않는 샘플인 MgO(001)/ 20Å MgO/ 300Å IrAl/ 20Å MgO/ 20Å Ta 샘플의 P-MOKE 신호를 나타낸다. 자기장에 의존하는 MOKE 신호가 존재하지 않는다는 것은 IrAl 템플레이팅 층이 실온에서 비자기임을 분명히 나타낸다. 전술한 데이터는 IrAl 템플레이팅 층과 Mn3Sn 호이슬러 화합물을 포함하는 구조로 수집되었지만, IrAl 템플레이팅 층은 Mn3Ge, Mn3Sb 및 Mn3Ga 호이슬러 화합물과 함께 사용할 때 원하는 정렬을 촉진하는 데 마찬가지로 효과적이다. 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn, Mn3.1-xSb 및 Mn3.1-xGa 일 수 있으며 x는 0부터 1.1까지의 범위이다. 대안적으로, 사용된 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xCo1.1-ySn (여기서 x≤1.2 및 y≤1.0)과 같은 3성분 호이슬러일 수 있다. 또한 IrAl 템플레이팅 층은 구성 요소가 하나의 전이 금속 원소와 전형 원소를 포함하는 L10 화합물 내에서 정렬을 유도하는 데 효과적이다. 가능한 L10 화합물에는 MnAl 합금, MnGa 합금, MnSn 합금, MnGe 합금, MnSb 합금 및 FeAl 합금이 포함된다.
초박막 층의 구조적 정렬은 템플레이팅 층에서 원소 Ir 및 Al의 화학적 특성이 다르기 때문일 수 있다. Al의 대안으로 AlSn, AlGe, AlGaGe, AlGaSn, AlGeSn 및 AlGaGeSn과 같은 Al 합금이 사용될 수 있다. 또한 IrAl 템플레이팅 층 내에서 Ir 대신 Ir-Co 합금(Ir-Co 합금의 조성은 IrxCo1-x이고, x가 0.0001~0.9999 범위에 있음)을 사용하면 초박형 호이슬러 층의 구조적 정렬이 촉진된다. 2성분(X=Y) 및 3성분 호이슬러 합금은 각각 2개 또는 3개의 서로 다른 유형의 원자로 구성된다. X2YZ 호이슬러에서 전형 원소 Z는 일반적으로 X 및 Y에 대해 높은 화학적 친화성을 갖는다. 이러한 맥락에서 Z의 선택에 관계없이 정렬된 구조가 형성되어야 한다.
전술한 구조는 레이스트랙 메모리 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이스트랙은 기판, 선택적 시드층, 템플레이팅 층 및 호이슬러 화합물의 제1 자기층을 포함할 수 있는 나노와이어일 수 있다(도 8 참조). (도 9, 14 내지 18 및 22 내지 24를 마찬가지로 참조하면, 구조의 좌측에 있는 전극은 장치를 통해 흐르는 전류를 전달하는 데 사용되는 전기 회로의 일부이다. 여기에서 다양한 스택에서 표시된 전극은 자기층을 나타낸다.) 자기 도메인 벽은 미국 특허 6834005에 설명된 바와 같이 레이스트랙을 따라 이동될 수 있다. 데이터는 레이스트랙 내에서 이웃한 도메인 벽 사이의 자성 물질의 자기 모멘트의 방향을 조사(또는 변경)함으로써 레이스트랙에서 판독(및 저장)될 수 있다.
도 8은 기판 상에 놓인 선택적 시드층을 포함하는 장치를 도시한다. 상부의 2개 층은 본 명세서에 설명된 종류의 템플레이팅 층(다층 구조체) 상에 놓이는 자기(예를 들어, 호이슬러)층을 포함하는 장치를 형성한다. 이 다층 구조체는 실온에서 비자기이며 현재 정의된 D와 E의 교번 층을 포함한다. (도 8의 다층 구조체는 도 1에 더 구체적으로 나타나 있으며, 여기서 D는 문자 A로 표시된다.) E는, 조성이 D1-xEx로 표시되고, 여기서 x는 일부 실시예에서 0.47 내지 0.54의 범위(예를 들어, 일부 실시예에서 0.4 이상 및 0.6 이하)인 구조에서 Al, Ga 및 Ge 중 적어도 하나(예를 들어, 하나, 둘 또는 그 이상)를 포함하고, 이러한 전형 원소는 E의 50 원자 % 이상을 나타낸다. 반면에, D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 원소를 포함하며, Ir은 D의 50 원자 % 이상을 나타낸다. (D는 선택적으로 Co를 10% 이상 포함할 수 있다.) 자기층은 유리하게는 순수한 호이슬러 화합물일 수 있으며, 대안적으로, 이는 호이슬러 및/또는 L10 화합물 (예를 들어, MnGa, MnAl, FeAl, MnGe, MnSb 및 MnSn 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 화합물)을 포함할 수 있다. 이러한 자기층(자기층의 두께는 5㎚ 미만일 수 있다. 하나의 단위 셀 두께로 얻어진 데이터는 만족스러운 자성을 나타낸다)은 도 8에 도시된 바와 같이 다층 구조체와 접촉하고 그 위에 놓일 수 있다. 다른 두께 및 조성도 가능하다.
일부 실시예에서, 도 8의 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn 및 Mn3.1-xSb로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으며, x는 0 부터 1.1을 초과하지 않는 범위이다. 대안적으로, 호이슬러 화합물은 3성분 호이슬러, 예를 들어 Mn3.1-xCo1.1-ySn(여기서 x≤1.2 및 y≤1.0)일 수 있다. 호이슬러는 또한 유리하게 Co를 포함할 수 있다.
아래에서 논의되는 바와 같이, 표준 증착 기술이 도 8 및 도 9의 장치를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, Ir 및 Al은 기판에 증착되어 그 위에 복합층을 형성할 수 있다. 복합층은 어닐링될 수 있으며(일부 실시예에서는 적어도 200℃ 및 적어도 400℃의 온도에서), 적어도 하나의 Ir층과 적어도 하나의 Al층이 복합층으로부터 형성되어 결과적으로 다층 구조체가 형성된다. 자기(호이슬러)층과 같은 추가층이 예를 들어, 증착을 통해 다층 구조체 상에 형성될 수 있다.
도 8과 관련하여 전술한 구조는 MRAM 메모리 장치의 일부로도 사용될 수 있으며, 이러한 MRAM 메모리 소자 중 하나가 도 9에 도시된다. MRAM 소자와 마찬가지로 일반적으로 터널 배리어는, 하나는 고정된 자기 모멘트를 갖고 다른 하나는 전환 가능한 자기 모멘트를 가지고 있어 데이터의 기록 및 삭제가 가능한 두 개의 자기 전극 사이에 위치한다. 강자성 또는 페리 자성일 수 있는 호이슬러 층은 기판 상의 템플레이팅 층 상에 놓인다. 호이슬러 층은 층 평면에 수직으로 정렬된 자기 모멘트를 갖는다. 선택적 시드층이 기판과 템플레이팅 층 사이에 개재될 수 있다. 선택적 편광 강화층이 성능을 높이기 위해 사용될 수 있으며 Fe, CoFe 합금 및/또는 Co2MnSi를 포함할 수 있다. 터널 배리어는 MgO(001)일 수 있지만, CaO 및 LiF와 같은 다른 (001) 방향성 터널 배리어가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, MgAl2O4는 터널 배리어로 사용될 수 있으며, 그 격자 간격은 Mg-Al 조성을 제어함으로써 선택되어 호이슬러 화합물과 더 나은 격자 매칭을 야기한다(예를 들어, 이러한 터널 배리어의 조성은 Mg1-zAl2+(2/3)zO4, 여기서 -0.5<z<0.5 와 같이 나타낼 수 있다.). 터널 배리어 상에 있는 자기 전극은 예를 들어 Fe, CoFe 합금 또는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다. 배리어 상의 자기층에 고정된 자기 모멘트가 있는 경우, 그 모멘트는 그와 근접한 곳, 예를 들어 그 위에 합성 반강자성체(SAF)를 배치하여 안정화할 수 있다. 캡핑층은 Mo, W, Ta, Ru 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 터널 배리어에 의해 분리된 두 자기 전극 사이에 전압을 인가하여 전류를 유도할 수 있다.
조정 가능한 격자 상수를 갖는 IrAl 템플레이팅 층
도 10은 Ir-Al 및 Co-Al 템플릿 층의 면 외(out-of plane) c-축 격자 간격을 도시한다. 결과인 구조는 MgO(001)/ 20Å MgO/ xÅ IrAl/ 20Å MgO/ 20Å Ta (여기서 x = 30, 45, 60, 75, 100, 200, 300 및 500Å이다) 및 MgO(001)/ 20Å MgO/ yÅ CoAl/ 20Å MgO/ 20ÅTa (여기서 y = 50, 100, 150 및 300Å이다)이다. c-축 격자 간격은 X-선 회절(XRD) θ-2θ 스캔에 의해 결정된다. 나타난 실시예에서, CoAl 템플레이팅 층에 대한 c-축 격자 간격은 여기에서 논의된 CoAl 두께와 무관한 반면, IrAl 템플레이팅 층에 대한 c-축 격자 간격은 IrAl 층 두께의 함수로 3.05에서 3.25Å까지 체계적으로 변한다. 이러한 변화는 CoAl/IrAl의 이중층을 사용하여 더욱 확장할 수 있다. Poisson 효과(즉, 단위 셀 부피가 보존됨)의 유효성을 가정하고 IrAl 단위 셀의 부피에 대해 알려진 값을 사용하여 IrAl 템플레이팅 층에 대한 면 내 격자 상수를 추정할 수 있다. 도 11은 단일 IrAl 층 또는 IrAl/CoAl 이중층 내에서 IrAl의 다양한 두께에 대해 계산된 면 내 격자 상수의 플롯이다. (CoAl만 및 MgO의 가능한 제한적인 경우도 비교를 위해 포함된다.) 일부 실시예에서, 면 내 격자 상수는 약 2.83 내지 약 3.05Å (예를 들어, 최소 2.8 옹스트롬이고, 일부 실시예에서 3.1 옹스트롬 이하)이 되도록 미리 선택될 수 있다. 이러한 범위에는 MgO 터널 배리어에 대한 격자 매칭이 포함(또는 중첩)된다.
Mn3Z 호이슬러 화합물
실온에서 증착될 때 초박형 Mn3Z(예를 들어, Mn3Ge, Mn3Sn 및 Mn3Sb) 호이슬러 막에서 정렬을 유도할 수 있는 IrAl 템플레이팅 층이 개시된다. 여기서 논의된 스택은 MgO(001)/ 20Å MgO/ 100Å CoAl/ 300Å IrAl/ 30Å Mn3Ge/ 20Å MgO/ 20Å Ta로 구성된다. 따라서 Mn3Ge가 논의된다. 도 12는 이러한 구조에 대해 얻은 P-MOKE 히스테리시스 루프를 나타낸다. 스퀘어 히스테리시스 루프는 적용 자기장이 0일 때 상당한 잔류 자화를 나타낸다. 이러한 결과는 IrAl 템플레이팅 층이 실온에서 호이슬러 화합물을 증착한 후에도 초박형 Mn3Ge 층에서 정렬을 유도할 수 있음을 나타낸다. 마찬가지로, IrAl 템플레이팅 층은 Mn3Sb 및 Mn3Ga 호이슬러 화합물 내에서 정렬을 촉진하는 데 효과적이다. 2성분 호이슬러 화합물은 유리하게는 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn, Mn3.1-xSb 및 Mn3.1-xGa에 의해 주어진 조성을 가질 수 있으며, x는 0 내지 1.1 이하의 범위이다. 대안적으로, 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xCo1.1-ySn (여기서 x≤1.2 및 y≤1.0)과 같은 3성분 호이슬러일 수 있다. CoAl 템플레이팅 층에 대해, IrAl 템플레이팅 층은 구성 원소가 1개의 전이 금속과 1개의 전형 원소를 포함하는 L10 화합물 내에서 정렬을 유도하는데 효과적일 수 있다. 가능한 L10 화합물에는 MnAl 합금, MnGa 합금, MnSn 합금, MnGe 합금, MnSb 합금 및 FeAl 합금이 포함된다.
도 13은 IrAl, CoAl/IrAl 및 CoAl 템플레이팅 층 상에 증착된 20Å Mn3Sn 호이슬러 층에 대한 P-MOKE 스퀘어 히스테리시스 루프를 포함한다. 이는 면 내 격자 상수가 약 2.84 내지 2.92Å(예를 들어, 일부 실시예에서 2.8Å 내지 2.95Å)에서 변할 때에도 Mn3Sn 호이슬러 층의 실시예가 PMA임을 예시한다.
전술한 결과에 기초하여, 타겟 면 내 격자 상수는 도 14 및 15에 도시된 템플레이팅 구조체의 구성 중 하나로 달성될 수 있다. 템플레이팅 구조체의 제1 구성(도 14 참조)은 순서에 관계없이 서로 접촉하는 Ir 및 Co 함유 다층 구조체를 포함할 수 있다. Ir 및 Co 함유 다층 구조체의 두께는 타겟 면 내 격자 상수를 달성하기 위해 선택된다. 템플레이팅 구조체의 제2 구성(도 15 참조)은 Ir 함유 다층 구조체 또는 Co 함유 다층 구조체의 다양한 두께를 사용할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 설명된 기술은 관련된 격자 상수가 엔지니어링될 수 있는 장치를 형성하는 방법에 적합하다. 예를 들어, 적어도 하나의 다층 구조체 및 다층 구조체 상에 성장된 제1 자기층(예를 들어, 5㎚ 미만의 두께를 갖는 호이슬러 및/또는 L10 화합물)을 포함하는 장치의 경우, 이러한 방법은 제1 자기층에 대한 타겟 격자 상수를 선택하는 단계를 포함한다. 제1 자기층이 호이슬러 화합물인 경우, 제1 자기층은 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn 및 Mn3.1-xSb로 구성된 그룹에서 선택될 수 있으며, x는 0 이상 1.1 이하이다. 자기층은 또한 유리하게 Co로 도핑될 수 있다. 대안적으로, 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xCo1.1-ySn 형태의 3성분 호이슬러일 수 있으며, 여기서 x≤1.2 및 y≤1.0이다. 제 1 자기층이 L10 화합물인 경우 MnGa, MnAl, FeAl, MnGe, MnSb 및 MnSn 합금으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
격자 상수를 가지며 Ir과 E의 교번 층을 포함하는 다층의 Ir-함유 구조체(즉, 실온에서 비자기인)가 성장된다. Ir-함유 구조체는 Ir1-xEx로 표시되며, 여기서 E는 Al을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함하며, x는 0.4 내지 0.6 이하 (예를 들어, 적어도 0.47 내지 0.54 이하)의 범위이다. Ir-함유 구조체는 Ir-함유 구조체에서 Ir 층의 수와 Al 층의 수를 선택함으로써 그 격자 상수가 타겟 격자 상수와 매칭되도록 성장되고, 그 결과 Ir-함유 구조체의 원하는 두께가 획득된다. 일부 실시예에서, "매칭"은 정확한 매치 이외의 것을 포함한다. 예를 들어, "매칭"은 Ir-함유 구조체의 격자 상수가 타겟 격자 상수의 5% 이내인 경우를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, "매칭"은 Ir-함유 구조체의 격자 상수가 타겟 격자 상수와 3% 이하의 차이가 나는 경우를 포함한다. 이러한 일부 실시예에서, "매칭"은 Ir-함유 구조체의 격자 상수가 타겟 격자 상수와 1% 이하의 차이가 나는 경우를 포함한다. 도 11에 나타난 것과 같이, (주어진 구조에 대한)이러한 두께는 연관된 격자 상수를 결정한다. 자기층은 Ir-함유 구조체와 접촉하거나 추가 다층 구조체가 스택에 통합될 때와 같이 인접하여 Ir-함유 구조체 상에 성장한다. 일부 실시예에서, 구조체의 두께는 적어도 20 옹스트롬이고 600 옹스트롬 이하이다. 이러한 일부 실시예에서, 두께는 적어도 30 옹스트롬일 수 있다. 일부 실시예에서, 템플레이팅 구조체는 550 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 이러한 일부 실시예에서, 템플레이팅 구조체의 두께는 510 옹스트롬 이하이다. 일부 실시예에서, 템플레이팅 구조체는 500 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, Ir-함유 구조체를 성장시키기 전에, 실온에서 비자기인 다층 Co-함유 구조체가 성장된다. 이러한 Co-함유 구조체는 격자 상수를 가지며 Co와 E'의 교번 층을 포함한다. Co-함유 구조체의 조성은 Co1-yE'y로 표시되며, 여기서 E'는 Al을 포함하는 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고, y는 0.4 내지 0.6 이하 (예를 들어, 적어도 0.47 내지 0.54 이하). 일부 실시예에서, E 및/또는 E'는 AlGe 합금일 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서, E 및/또는 E'는 AlGa 합금일 수 있다.
Co-함유 구조체는 Co-함유 구조체에서 Co 층의 수와 Al 층의 수를 선택함으로써 성장되고, 그 결과 타겟 격자 상수에 대한 Co-함유 구조체의 원하는 두께가 획득된다(예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이). 일부 실시예에서, Co-함유 구조체는 Ir-함유 구조체와 접촉한다. 예를 들어, Ir-함유 구조체는 Co-함유 구조체 상에 놓일 수 있거나 Co-함유 구조체는 Ir-함유 구조체와 제1 자기층 사이에 개재될 수 있다. 일부 실시예에서, Ir-함유 구조체 및 Co-함유 구조체는 함께 적어도 10 옹스트롬 내지 600 옹스트롬(예를 들어, 적어도 20 내지 500Å 이하) 이하의 범위의 두께를 갖고 면 내 격자 상수는 2.7 옹스트롬에서 3.1 옹스트롬 이하 범위인(예를 들어, 최소 2.82Å에서 3.03Å 이하) 템플레이팅 구조체를 형성한다. 이러한 템플레이팅 구조체는 유리하게는 제1 자기층을 증착하기 전에 어닐링될 수 있다. 일부 실시예에서, 어닐링 온도는 적어도 200℃이다.
구조체가 터널 배리어를 포함하도록 확장되는 경우(도 17 및 18과 관련하여 이하 참조), 방법은 제1 자기층 상에 터널 배리어를 형성하는 단계를 포함한다. 작동 시, 전류는 터널 배리어와 제1 자기층을 모두 통과할 수 있다. 제1 자기층과 터널 배리어 사이에 선택적 편광 강화층이 또한 포함될 수 있다. 터널 배리어 상에(예를 들어, 접촉하는) 제2 자기층이 또한 포함될 수 있다. 터널 배리어는 MgO 또는 Mg1-zAl2+(2/3)zO4일 수 있으며, 여기서 -0.5<z<0.5이다. 도 17 및 18의 실시예에 도시된 바와 같이, 캡핑층은 제2 자기층 상에(예를 들어, 접촉하여) 증착될 수 있다. 방법의 한 측면에서, 구조체는 전류가 터널 배리어 및 두 자기층을 통과할 수 있도록 형성될 수 있다.
선택적 시드층을 갖는 기판 상에 배치된 호이슬러 층을 갖는 템플레이팅 구조체를 포함하거나 그로 구성된 구조체는 레이스트랙 메모리 장치를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 구조체의 실시예가 도 16에 도시되어 있다. 자기 도메인 벽은 이러한 레이스트랙을 따라 이동할 수 있다. 데이터는 레이스트랙 내의 이웃한 도메인 벽 사이에서 자성 물질의 자기 모멘트의 방향을 조사(또는 변경)함으로써 레이스트랙에서 판독(및 저장)될 수 있다.
도 16과 관련하여 전술한 구조체는 또한 MRAM 메모리 장치의 일부로서 사용될 수 있다. 두 가지 가능한 구성이 도 17 및 18에 나타난다. 여기서 전환 가능한 층은 서로 다르며, 전술한 호이슬러 층은 도 17에서는 전환 가능하지만 도 18에서는 전환할 수 없다. 일반적으로 MRAM 소자와 마찬가지로 터널 배리어는 하나는 고정된 자기 모멘트를 갖고 다른 하나는 전환 가능한 자기 모멘트를 갖는 두 자기 전극 사이에 배치되어, 데이터의 기록 및 삭제가 가능하다. 일부 실시예에서, 강자성 또는 페리 자성일 수 있는 호이슬러 층은 기판 위에 놓이는 템플레이팅 층 상에 놓이고, 호이슬러 층은 층의 평면에 수직으로 정렬된 자기 모멘트를 갖는다. 선택적 시드층이 기판과 템플레이팅 층 사이에 개재될 수 있다. 선택적 편광 강화층이 성능을 높이기 위해 사용될 수 있으며 Fe, CoFe 합금 및/또는 Co2MnSi를 포함할 수 있다. 터널 배리어는 MgO (001)일 수 있지만, CaO 및 LiF와 같은 다른 (001) 방향성 터널 배리어가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, MgAl2O4는 호이슬러 화합물과 더 나은 격자 매칭을 야기하도록 Mg-Al 조성을 제어함으로써 격자 간격을 조정할 수 있는 터널 배리어로 사용될 수 있다(예를 들어, 이러한 터널 배리어의 조성은 -0.5<z<0.5인 Mg1-zAl2+(2/3)zO4로 표현될 수 있음). 터널 배리어 상의 자기 전극은 예를 들어 Fe, CoFe 합금 및/또는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다. 배리어 상의 자기층에 고정된 자기 모멘트가 있는 경우 그 모멘트는 근처에 합성 반강자성체(SAF)를 배치하여 안정화할 수 있다. 캡핑층은 Mo, W, Ta, Ru 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 터널 배리어에 의해 분리된 두 자기 전극 사이에 전압을 인가하여 전류를 유도할 수 있다.
SAF 스페이서 층으로서의 IrAl 템플레이팅 층
도 2는 호이슬러 화합물 층 사이에 IrAl 스페이서 층을 사용하는 것이 합성 반강자성체(SAF) 구조의 형성을 촉진할 수 있음을 나타낸다. IrAl 합금 스페이서 층은 하부 호이슬러 층(도 2의 X3Z) 상에 CsCl 구조 유형(Ir과 Al이 교번 층을 형성한다)의 구조를 형성한다. 이러한 IrAl 합금 스페이서 층은 상단 호이슬러 층(도 2의 X'3Z')을 템플레이팅하고 두 개의 정방형 호이슬러 층 간의 반강자성 결합을 촉진한다. CsCl 구조를 가진 합금인 IrGa는 이론적 예측을 고려할 때 유사한 호이슬러 합성 반강자성체(SAF) 구조를 유도할 것으로 예상된다. 또한 IrAl 내에서 Ir 대신 Ir-Ru(0.0001 내지 0.9999 범위의 x를 갖는 IrxRu1-x)로 대체하면 두 개의 정방형 호이슬러 화합물 층 사이에 반강자성 결합이 유도된다. 마찬가지로 IrGe는 상부 호이슬러 층의 템플레이팅 층으로 작동할 것으로 예상된다. 또는, Al, Ga 및 Ge 중 둘 이상의 합금을 Ir 또는 Ir-Ru와 조합하여 사용할 수 있다.
도 19는 IrAl의 비자기 스페이서 층에 의해 분리된 호이슬러 화합물의 2 개의 상이한 층을 갖는 샘플로부터 수득된 P-MOKE 히스테리시스 루프를 포함한다. 이 샘플의 스택은 MgO(001)/ 20Å MgO/ 100Å CoA/ 12Å Mn3Sn/ t = 11Å IrAl/ 20Å Mn2.4Sb/ 20Å MgO/ 20Å Ta(여기서 "t"는 두께를 나타냄)이다. 세 개의 뚜렷한 히스테리시스 루프가 관찰되고, 도 19에 겹쳐진 화살표 쌍 세트는 Mn3Sn 및 Mn2.4Sb 층의 자화 방향을 나타낸다. 높은 적용 필드(예를 들어, 1.5kOe보다 큰)에서 두 호이슬러 화합물의 자화는 서로 평행하고 외부에서 적용된 필드와 정렬된다. 제로로 적용된 필드에서, 잔류 상태에서 두 호이슬러 화합물의 자화는 서로 반평행(anti-parallel)하다. 따라서 두 호이슬러 화합물을 분리하는 11Å IrAl 스페이서 층의 존재는 합성 반강자성체(SAF)의 형성을 촉진한다. 더욱이, 호이슬러 화합물은 상응하는 스페이서 층과 함께 실온에서 증착되었으며, 결과적인 합성 반강자성체(SAF) 구조는 후속 어닐링이 필요하지 않다. 또한, 면 내에 있는 자기 모멘트를 갖는 호이슬러 화합물의 두 층의 경우, 이 두 호이슬러 층을 분리하는 11Å IrAl 스페이서 층의 존재는 또한 합성 반강자성체(SAF)의 형성으로 이어진다. 보다 명확하게, 여기서 호이슬러 층의 자기 모멘트는 호이슬러 층과 그들을 분리하는 IrAl 스페이서 층 사이의 계면과 실질적으로 평행하다. 일부 실시예에서, 2 개의 호이슬러 층의 자기 모멘트는 IrAl 스페이서 층이 적어도 3Å 내지 11Å 이하 범위의 두께를 가질 때 서로에 대해 실질적으로 반평행할 수 있다. 일부 실시예에서, IrAl 스페이서는 적어도 8 옹스트롬 내지 10 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 나아가, 두 호이슬러 화합물 사이에 반강자성 결합을 제공하는 스페이서 층은 D'Al (여기서 D '는 Ir 또는 IrRu 합금을 나타낸다) 또는 IrE'(여기서 E '는 Al, Ga, Ge 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된다) 또는 D'E'(예를 들어, D'는 IrRu 합금이고 E '는 AlGa 합금 임)의 형태일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 SAF 구조 내의 각각의 호이슬러 층의 두께는 1-2 ㎚였지만, 호이슬러 층의 다른 두께(예를 들어 상당히 더 두꺼운)를 갖는 SAF 구조를 형성하는 것이 가능하다. 이중층 내의 호이슬러 층은 5㎚ 미만, 또는 3㎚ 미만, 또는 단일 단위 셀의 두께(예를 들어, 0.7-0.8㎚)만큼 작은 두께를 가질 수 있다. 비록 2개의 호이슬러 화합물에 대해 SAF의 형성이 입증되었지만, 일반적으로 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn 및 Mn3.1-xSb를 포함하거나 구성된 그룹에서 선택될 수 있으며, x는 0 내지 1.1의 범위이다. 대안적으로, 호이슬러 화합물은 Mn3.1-xCo1.1-ySn(여기서 x≤1.2 및 y≤1.0)과 같은 3성분 호이슬러일 수 있다. 호이슬러 SAF 구조는 제1 호이슬러 층, 제2 호이슬러 층 또는 둘 다의 3성분 호이슬러 화합물을 포함할 수 있다.
Mn2.3-2.4Sb는 호이슬러 또는 L10 화합물 계열의 일부로 간주될 수 있다. 따라서 전술한 결과는 IrAl 템플레이팅 스페이서 층이 두 L10 화합물(구성 요소가 하나의 전이 금속 원소와 전형 원소를 포함하는 구성 요소) 사이의 SAF 정렬을 유도하는 데에도 효과적이라는 것을 나타낸다. 가능한 L10 화합물에는 MnAl 합금, MnGa 합금, MnSn 합금, MnGe 합금 및 FeAl 합금이 포함된다.
도 20은 IrAl의 비자기 스페이서 층(다양한 두께를 갖는 t)에 의해 분리된 상이한 호이슬러 화합물의 두 층을 갖는 샘플로부터 측정된 P-MOKE 히스테리시스 루프를 요약한 것이다. 이 샘플의 스택은 MgO (001)/ 20Å MgO/ 100Å CoAl/ 12Å Mn3Sn/ t = 7, 9 및 11Å IrAl/ 20Å Mn2.4Sb / 20Å MgO/ 20Å Ta이다. t = 7, 9, 11Å의 IrAl을 갖는 모든 샘플의 경우 호이슬러 층 간의 결합은 반강자성이다.
도 21은 CoAl의 비자기 스페이서 층에 의해 분리된 2개의 호이슬러 화합물 층을 갖는 샘플로부터 측정된 P-MOKE 히스테리시스 루프를 비교한다. 스페이서 층의 두께 t는 0에서 16Å(t = 0, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 14 및 16Å)까지 다양하다. 이 샘플의 스택은 MgO (001)/ 20Å MgO/ 50Å CoAl/ 12Å Mn3Ge/ t CoAl/ 20Å Mn2.3Sb/ 20Å MgO/ 20Å Ta이다. CoAl 스페이서 층이 있는 샘플에 대해 얻은 히스테리시스 루프는 논의된 모든 CoAl 두께에서 단일 스퀘어 히스테리시스 루프를 나타내며, 이는 IrAl 스페이서 층이 있는 샘플에 대해 얻은 히스테리시스 루프와 상이하다. CoAl 스페이서 층에 의해 분리된 호이슬러 화합물 층은 모든 두께에 대해 강자성적으로 결합되며 SAF 구조가 형성되었다는 증거는 존재하지 않는다.
선택적 시드층을 갖는 기판 상에서 성장된 템플레이팅 층 및 호이슬러 SAF를 포함하는 구조는 레이스트랙 메모리 장치(예를 들어, 도 22 및 23에 도시 된 장치)를 제조하는 데 사용될 수 있다. 자기 도메인 벽은 이러한 레이스트랙을 따라 이동할 수 있다. 데이터는 레이스트랙 내의 이웃한 도메인 벽 사이에서 자성 물질의 자기 모멘트의 방향을 조사(또는 변경)함으로써 레이스트랙에서 판독(및 저장)될 수 있다.
도 22는 본 명세서에서 설명된 자기 호이슬러 층을 사용하는 합성 반 강자성체를 나타낸다. 이하 도 22에 도시된 구조의 상위 3개 층이 차례로 설명된다. 이 세 가지 구조의 최하부는 호이슬러 화합물(및/또는 MnGa, MnAl, FeAl, MnGe, MnSb 및 MnSn 중 하나 또는 그 이상의 L10 화합물)을 포함하는 제1 자기층이다.
제1 자기층 상에는 실온에서 비자기인 제1 다층 구조체가 존재한다. 제1 다층 구조체는 (i) 제1 자기층 상에 있고 (ii) D'와 E'의 교번 층을 포함하며, 여기서 E'는 Al, Ga, Ge 및 조합으로 구성된 제1 그룹에서 선택된 구성원을 포함한다. 제1 다층 구조체의 조성은 D'1-yE'y로 표시될 수 있으며, y는 0.4 이상 0.6 이하의 범위(예를 들어, 0.47 이상 0.54 이하)이며, 제1 그룹에서 선택된 구성원은 E'의 50 원자 % 이상을 나타낸다. 한편, D'는 Ir 및 IrRu 합금으로 구성된 제2 그룹에서 선택된 구성원을 포함하며, 여기서 제2 그룹의 선택된 구성원은 D'의 50 원자 % 이상을 나타낸다.
제1 다층 구조체 상에 호이슬러 화합물(및/또는 제1 자기층과 관련하여 전술한 것과 같은 L10 화합물)을 포함하는 제2 자기층이 존재한다. 제2 자기층은 제1 다층 구조체와 접촉하고 그 위에 놓인다. 제1 자기층, 제1 다층 구조체, 및 제2 자기층(도 22에 표시된 상위 3개 층)은 합성 반강자성체(SAF)를 형성한다.
일부 실시예에서, 제2 다층 구조체는 SAF의 하부에서 그와 접촉한다(예를 들어, 도 22의 템플레이팅 층). 제2 다층 구조체는 SAF의 템플레이팅 층의 역할을 한다. 이는 실온에서 비자기이며 D와 E의 교번 층을 포함하며, 여기서 E는 Al, Ga, Ge 및 이들의 조합으로 구성된 제3 그룹에서 선택된 구성원을 포함한다. 제2 다층 구조체의 조성은 D1-xEx로 표시되며, x는 0.4에서 0.6 이하 (예를 들어, 0.47에서 0.54)의 범위이며, 제3 그룹에서 선택된 구성원은 E의 적어도 50 원자 %를 나타낸다(즉, E는 적어도 50 원자 %의 Al, Ga, Ge, 또는 이들의 조합을 포함한다). D는 Ir, Co, Ru 및 이들의 조합으로 구성된 제4 그룹에서 선택된 구성원을 포함하며, 제4 그룹에서 선택된 구성원은 D의 50 원자 % 이상을 나타낸다(즉, D는 적어도 50 원자 %의 Ir, Co, Ru 또는 이들의 조합을 포함한다). 이러한 제2 다층 구조체는 제1 자기층의 하부에 존재하고 제1 자기층과 접촉한다.
도 22의 장치에서, 제1 및 제2 자기층의 자기 모멘트는 각각 (i) 제1 다층 구조체와 (ii) 제1 및 제2 자기층 사이의 계면에 실질적으로 수직이다. 도 23에서, 제1 및 제2 자기층의 자기 모멘트가 각각 (i) 제1 다층 구조체와 (ii) 제1 및 제2 자기층 사이의 계면에 실질적으로 평행한 유사한 장치가 도시된다. 도 22 및 23의 장치는 일부 실시예에서 동일하다. 일반적으로 SAF 구조와 마찬가지로, 제1 및 제2 자기층의 자기 모멘트는 실질적으로 서로 반평행(anti-parallel)하다.
일부 실시예에서, 도 22 및 23의 장치는 다음 특성 중 하나 이상을 갖는다. 제1 및 제2 자기층 각각의 두께는 5㎚ 미만 또는 심지어 3㎚일 수 있는 반면, 제1 다층 구조체의 두께는 3 내지 11Å 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 다층 구조체는 적어도 8Å 및 10Å 이하의 두께를 갖는다. 제1 및 제2 자기층은 Mn3.1-xGe, Mn3.1-xSn 및 Mn3.1-xSb(Mn3.1-xSb의 경우, x는 0에서 1.1 사이의 범위이고, Mn3.1-xGe 및 Mn3.1-xSn의 경우, x는 0에서 0.6 사이의 범위이다)로 구성된 그룹에서 독립적으로 선택된 호이슬러 화합물(선택적으로 Co로 도핑된다)을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 및/또는 제2 자기층은 x≤1.2 및 y≤1.0 인 Mn3.1-xCo1.1-ySn과 같은 3성분 호이슬러 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및/또는 제2 자기층은 MnAl 합금, MnGa 합금, MnSn 합금, MnGe 합금 및 FeAl 합금과 같은 L10 화합물을 포함할 수 있다.
도 22 및 23에 도시된 구조의 일부 실시예에서, E 및 E' 중 적어도 하나는 AlGe 합금 및/또는 AlGa 합금이다. 대안적으로, E 및 E' 중 적어도 하나는 AlSn, AlGe, AlGaGe, AlGaSn, AlGeSn 및 AlGaGeSn으로 구성된 군에서 선택된 합금을 포함한다. 또한, 유리하게, 시드층이 기판 상에 사용될 수 있다. 도 22 및 23의 장치는 예를 들어 레이스트랙 메모리 장치의 일부로서 메모리 소자로서 사용될 수 있다.
도 22 및 23에서 전술한 구조는 또한 MRAM 소자의 일부를 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 24에 도시된 바와 같은 추가 구성 요소가 도입될 때, MRAM 소자가 형성될 수 있으며, 여기서 전류는 터널 배리어 및 인접한 요소를 차례로 통과한다. 일반적으로 MRAM 메모리 소자와 마찬가지로 터널 배리어 (또는 다른 비자기층)는 두 개의 자기 전극 사이에 위치하며, 자기 전극 중 하나는 고정된 자기 모멘트를 갖고 다른 하나는 전환 가능한 자기 모멘트를 가지고 있어 데이터의 기록 및 삭제가 가능하다. 기존의 MRAM 소자와 달리, 고정된 자기 모멘트를 갖는 도 24의 자기층(예를 들어, SAF 고정층 내)은 각각 호이슬러 화합물층을 포함하고 비자기 스페이서에 의해 분리된다. 강자성 또는 페리 자성 일 수 있는 호이슬러 층은 기판 상의 템플레이팅 층 상에 놓여진다. 호이슬러 층은 층 평면(또는 면 내)에 수직으로 배향된 각각의 자기 모멘트를 갖는다. 일부 실시예에서, 호이슬러 기반 SAF 구조가 저장층으로 사용될 수 있다. 선택적 시드층이 기판과 템플레이팅 층 사이에 개재될 수 있다. Fe, CoFe 합금 및/또는 Co2MnSi를 포함할 수 있는 선택적 편광층을 사용하여 성능을 높일 수 있다. 터널 배리어는 MgO (001)일 수 있지만, CaO 및 LiF와 같은 다른 (001) 방향성 터널 배리어가 사용될 수 있다. 또는, MgAl2O4를 터널 배리어로 사용할 수 있고, 이의 격자 간격은 Mg-Al 조성을 제어하여 호이슬러 화합물과 더 나은 격자 매칭을 가져옴으로써 선택할 수 있다(예를 들어, 이 터널 배리어의 조성은 Mg1-zAl2+(2/3)zO4이고, 여기서 -0.5<z<0.5이다). 터널 배리어 상의 자기 전극은 유리하게 전환 가능할 수 있으며, 예를 들어 Fe, CoFe 합금 및/또는 CoFeB 합금을 포함할 수 있다. 캡핑층은 Mo, W, Ta, Ru 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 터널 배리어에 의해 분리된 두 자기 전극 사이에 전압을 인가하여 전류를 유도할 수 있다.
본 명세서에 기술된 다양한 층들은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 전착(electrodeposition), 이온 빔 스퍼터링, 원자층 증착, 화학 기상 증착 및 열 증발을 포함하는 다수의 방법 중 임의의 하나 이상을 통해 증착될 수 있다.
본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 측면에서 제한적이지 않고 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타난다. 청구범위의 의미 내의 모든 변경 및 동등한 범위 내의 모든 변경은 해당 범위 내에 포함되어야 한다.
Target Material Target to Substrate Distance Ir-RBS (%) Al-RBS (%)
IrAl 135 mm 52.5 47.5
IrAl 125 mm 49.9 50.1
IrAl 120 mm 49.5 50.5
IrAl 113 mm 49.6 53.4
전술한 실시예가 이해의 명확성을 위해 일부 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 제공된 세부 사항에 제한되지 않는다. 발명을 구현하는 많은 대안이 있다. 개시된 실시예는 예시적이고 제한적인 것이 아니다.
H: 인가된 필드
P-MOKE: 수직 자기-광 Kerr 효과

Claims (10)

  1. 제1 자기층;
    상기 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체로, 상기 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.4 이상 0.6 이하이고, 상기 E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분을 포함하고, 상기 E는 상기 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분을 포함하고, 상기 D는 상기 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기(nonmagnetic)이고; 및
    상기 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층으로, 적어도 하나의 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층은 적어도 하나의 호이슬러 화합물 및 L10 화합물을 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 템플레이팅 구조체는 적어도 하나의 D의 층과 적어도 하나의 E의 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 E의 층은 상기 적어도 하나의 D의 층과 계면을 공유하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 x는 0.47 이상 0.54 이하인 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층은 5㎚ 이하의 두께를 가지는 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 D는 적어도 하나의 Ir 및 IrRu를 포함하는 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 자기층 아래의 추가 템플레이팅 구조체로, 상기 추가 템플레이팅 구조체는 D' 대 E'의 비율이 D'1-x'E'x'로 나타나는 D' 및 E'를 포함하고, x'는 0.4 이상 0.6 이하이고, 상기 E'는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 추가 주 성분을 포함하고, 상기 E'는 상기 추가 주성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 D'는 Ir, Co, 및 Ru 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 추가 성분을 포함하고, 상기 D'는 상기 적어도 하나의 추가 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 추가 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기인 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 E는 Al, AlGe 합금, 및 AlGa 합금 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 자기층 및 상기 제2 자기층은 Mn3.1-yGe, Mn3.1-ySn, Mn3.1-zSb, Mn3.1-sCo1.1-tSn, MnGa 합금, MnAl 합금, FeAl 합금, MnGe 합금, MnSb 합금, 및 MnSn 합금 중 적어도 하나를 포함하고, y는 0 이상 0.6 이하이고, z는 0 이상 1.1 이하이고, s는 0 초과 1.2 이하이고, t는 0 초과이고 1.0 이하인 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    추가 자기층; 및
    상기 추가 자기층과 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층 중 적어도 하나 사이의 터널링 배리어층을 더 포함하는 장치.
  10. 복수의 메모리 소자들로, 각각의 상기 복수의 메모리 소자들은
    제1 자기층;
    상기 제1 자기층 상의 템플레이팅 구조체로, 상기 템플레이팅 구조체는 D 대 E의 비율이 D1-xEx로 나타나는 D 및 E를 포함하고, x는 0.47 이상 0.54 이하이고, 상기 E는 Al, Ga, 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하는 주 성분을 포함하고, 상기 E는 상기 주 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 D는 Ir을 포함하는 적어도 하나의 성분을 포함하고, 상기 D는 상기 적어도 하나의 성분의 적어도 50 원자 %를 포함하고, 상기 템플레이팅 구조체는 실온에서 비자기이고; 및
    상기 템플레이팅 구조체 상의 제2 자기층으로, 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층 중 적어도 하나는 호이슬러 화합물 및 L10 화합물 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 자기층 및 상기 제2 자기층 중 적어도 하나는 상기 템플레이팅 구조체와 접촉하고 실온에서 증착된 상태로 자기인 장치.
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