KR20220125050A - 자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법이 개시된다. 개시된 자기터널접합 소자는, 제1 자성층; 상기 제1 자성층에 마주하여 배치된 제2 자성층; 및 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 배치되며 금속 산화물을 포함하는 제1 산화물층;을 포함하며, 상기 제1 산화물층의 금속 산화물은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 가지며, 상기 제2 자성층은 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
자기터널접합 소자의 저항은 자유층(free layer)의 자화 방향에 따라 달라진다. 예를 들어, 자유층의 자화 방향이 고정층(pinned layer)의 자화 방향과 동일할 때는 자기터널접합 소자가 낮은 저항값을 갖고, 서로 반대일 때에는 높은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 특성을 메모리 장치에 이용할 경우, 예를 들어, 자기터널접합 소자가 낮은 저항값을 가질 때 데이터 '0'에 대응될 수 있고, 높은 저항값을 가질 때 데이터 '1'에 대응될 수 있다.
MRAM(Magnetic random access memory)과 같은 자기메모리 장치는 자기터널접합 소자의 저항 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 메모리 장치이다. 이러한 자기메모리 장치는 비휘발성을 가지며 고속 동작이 가능하고 높은 내구성을 갖는 등의 장점이 있다. 예를 들어, 현재 양산 중인 STT-MRAM(Spin Transfer Torque-Magnetic RAM)은 약 50~100 nsec 정도 동작 속도를 가지며 10년 이상의 우수한 데이터 보존성(retention)을 가질 수 있다. 또한 10 nsec 미만의 더욱 빠른 동작 속도를 달성하기 위한 연구가 진행 중이다.
자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 제1 자성층; 상기 제1 자성층에 마주하여 배치된 제2 자성층; 및 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 배치되며 금속 산화물을 포함하는 제1 산화물층;을 포함하며, 상기 제1 산화물층의 금속 산화물은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 갖고, 상기 제2 자성층은 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 산화물층은 상기 제1 자성층에 인접한 제1 영역 및 상기 제2 자성층에 인접한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역 내의 산소 또는 질소의 비율이 상기 제1 영역 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높을 수 있다.
상기 제1 산화물층은 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 영역의 두께는 상기 제1 영역의 두께보다 작을 수 있다.
예를 들어, 상기 금속층의 두께는 2 Å 내지 3 Å일 수 있다.
상기 금속층의 금속 재료는 상기 제1 산화물층의 금속 산화물의 금속 재료와 동일할 수 있다.
상기 자기터널접합 소자는 상기 제2 자성층을 사이에 두고 상기 제1 산화물층과 마주하여 배치되며 금속 산화물을 포함하는 제2 산화물층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 산화물층의 금속 산화물은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 가질 수 있다.
상기 제2 산화물층은 상기 제2 자성층으로부터 더 멀리 배치된 제1 영역 및 상기 제2 자성층에 인접한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역 내의 산소 또는 질소의 비율이 상기 제1 영역 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높을 수 있다.
상기 제2 산화물층은 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 산화물층은 MgO를 포함하며, 상기 제1 산화물층 내에서 Mg의 비율은 50 at%보다 크고 O의 비율은 50 at%보다 작을 수 있다.
상기 제2 자성층의 금속 원소의 산소친화도는 상기 제2 자성층의 자성 물질의 산소친화도보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 자성층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러(Heusler) 합금 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 제2 자성층의 금속 원소는 Ca, Sc, Y, Mg, Sr, Ba, Zr, Be, Ti, Hf, V, Zn, Nb, Mn, Al, Cr, Li, Cd, Pb, In, Ga, 및 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 메모리 장치는, 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며, 상기 자기터널접합 소자는: 제1 자성층; 상기 제1 자성층에 마주하여 배치된 제2 자성층; 및 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 배치되며 금속 산화물을 포함하는 산화물층;을 포함하며, 상기 산화물층의 금속 산화물은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖고, 상기 제2 자성층은 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 제조 방법은, 금속 산화물을 포함하는 산화물층을 마련하는 단계; 상기 산화물층을 250 K 이하의 온도 범위로 냉각하는 단계; 상기 산화물층 위에 자성 물질을 포함하는 습식층을 증착하는 단계; 상기 습식층을 산화시키거나 질화시키는 단계; 상기 습식층 위에 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는 자성층을 증착하는 단계; 및 상기 자성층을 300 K 이상의 온도로 어닐링하는 단계;를 포함하며, 상기 금속 산화물은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 가질 수 있다.
상기 자기터널접합 소자의 제조 방법은, 상기 자성층을 어닐링하는 동안, 상기 습식층 내의 산소 또는 질소가 상기 산화물층으로 확산됨으로써, 상기 산화물층 내에서 상기 자성층에 인접하는 영역의 산소 또는 질소의 비율이 증가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 온도 범위는 50K 이상 150K 이하일 수 있다.
상기 습식층은 단일층 두께를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 습식층은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금 및 Mn 함유 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자기터널접합 소자의 제조 방법은, 상기 자성층 위에 금속 산화물을 포함하는 추가적인 산화물층을 증착하는 단계; 및 상기 추가적인 산화물층 위에 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는 추가적인 자성층을 증착하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 낮은 포화 자화(saturation magnetization) 특성을 갖는 자성층을 산화물층 위에 형성할 수 있다. 따라서, 자기터널접합 소자의 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 낮은 포화 자화 특성을 갖는 자성층을 산화물층 위에 형성하는 과정에서 산소 또는 질소가 자성층에 포획(trap)되는 것을 방지함으로써 자기터널접합 소자의 RA(resistance area product)를 적절하게 유지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 자기터널접합 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 자기터널접합 소자에 자성층에 산소 또는 질소가 포획된 상태를 개념적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자를 포함하는 하나의 메모리 셀을 개략적으로 보인다.
도 10은 도 9에 도시된 복수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 구성을 개략적으로 보이는 회로도이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 자기터널접합 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 자기터널접합 소자에 자성층에 산소 또는 질소가 포획된 상태를 개념적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자를 포함하는 하나의 메모리 셀을 개략적으로 보인다.
도 10은 도 9에 도시된 복수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 구성을 개략적으로 보이는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 자기터널접합 소자(100)는 제1 자성층(101), 제1 자성층(101) 위에 배치된 제1 산화물층(102), 제1 산화물층(102) 위에 배치된 제2 자성층(105), 및 제2 자성층(105) 위에 배치된 제2 산화물층(106)을 포함할 수 있다. 여기서 "위에 배치된"이라는 표현은 설명의 편의를 위한 것으로 반드시 상하 관계를 의미하는 것은 아니다. 다르게 표현하자면, 제1 산화물층(102)은 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 사이에 배치되며, 제2 자성층(105)은 제1 산화물층(102)과 제2 산화물층(106) 사이에 배치될 수 있다.
제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)은 자성을 갖는 강자성(ferromagnetic) 금속 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러(Heusler) 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 중에서 하나는 고정된 자화 방향을 갖는 고정층(pinned layer)이고, 다른 하나는 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층(free layer)일 수 있다. 자기터널접합 소자(100)는, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)의 자화 방향이 같은 경우에 낮은 저항을 갖고 자화 방향이 반대인 경우에 높은 저항을 갖는다. 이러한 현상을 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR)이라고 부른다. 이 TMR 현상을 응용하여 자기터널접합 소자(100)가 메모리 장치에 사용될 수 있다.
제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)은 동일한 자성 물질로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 자기터널접합 소자(100)를 이용한 메모리 장치의 동작 속도를 향상시키기 위하여, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 중에서 자유층으로서 역할을 하는 자성층은 낮은 포화 자화(saturation magnetization; Ms)를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 중 자유층의 역할을 하는 자성층은 붕소(B)를 함유하지 않도록 형성될 수 있다. 자유층 내의 붕소의 존재는 포화 자화를 높이고 자기터널접합 소자(100)의 스위칭 효율을 저하시킬 수 있다. 자유층의 포화 자화를 더욱 낮추기 위하여, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 중 자유층의 역할을 하는 자성층은 붕소를 제외한 다른 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 더 포함할 수 있다. 자유층뿐만 아니라 고정층의 역할을 하는 자성층도 붕소-프리(boron-free) 자성 물질, 또는 다른 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함할 수 있다.
제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)은 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)의 수직 자기 이방성 에너지는 비평면 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과할 수 있다. 이 경우, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)의 자기 모멘트는 층 방향에 수직한 방향으로 안정화될 수 있다. 이러한 자기터널접합 소자(100)는 STT-MRAM에 적용될 수 있다. 그러나 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)의 자화 방향이 층 방향에 수직한 방향으로 한정되는 것은 아니며, 제1 자성층(101)과 제2 자성층(105)은 층 방향과 평행한 자화 방향을 가질 수도 있다. 또한 자기터널접합 소자(100)는 STT-MRAM뿐만 아니라 SOT(spin-orbit coupling torque) MRAM에도 적용될 수 있다.
제1 자성층(101)과 제2 자성층(105) 사이에 배치된 제1 산화물층(102)은 자기 터널링 접합을 위한 터널 장벽층(tunnel barrier layer)의 역할을 할 수 있다. 제1 산화물층(102)은 결정질의 Mg 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 산화물층(102)은 MgO, MgAl2O4, 또는 MgTiOx를 포함할 수 있다. 또한, 제2 산화물층(106)은 캡핑층(capping layer)의 역할을 할 수 있다. 제2 산화물층(106)은 어떠한 산화물 재료로도 이루어질 수 있으나, 통상적으로는 제1 산화물층(102)과 동일한 재료로 이루어진다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 자기터널접합 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다. 이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 제1 자성층(101) 위에 제1 산화물층(102)을 형성한다. 제1 산화물층(102)은 후술하는 어닐링(annealing) 과정에서 발생하는 산소 또는 질소를 포획(trap)할 수 있도록 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 산화물층(102)이 MgO로 이루어지는 경우, 제1 산화물층(102) 내에서 마그네슘(Mg)의 비율은 50 at%보다 크고 산소(O)의 비율은 50 at%보다 작을 수 있다. 또한 예를 들어, 제1 산화물층(102) 내에서 마그네슘(Mg)의 비율은 약 52 at% 내지 약 65 at%일 수 있으며, 산소(O)의 비율은 약 40 at% 내지 약 35 at%일 수 있다. 제1 산화물층(102)이 MgAl2O4로 이루어지는 경우에는, 제1 산화물층(102) 내에서 산소(O)의 비율이 약 57 at%보다 작을 수 있다. 다시 말해, 제1 산화물층(102)을 형성하는 산화물 재료가 갖는 고유의 산소 조성보다 부족한 산소 조성을 갖도록 제1 산화물층(102)이 형성될 수 있다.
이러한 제1 산화물층(102)은, 예를 들어, RF(radio frequency) 스퍼터링을 통해 형성될 수 있으며, 챔버 내에서 제1 자성층(101) 위에 공급되는 재료의 양을 조절함으로써 제1 산화물층(102) 내의 산소 조성을 조절할 수 있다. 또는, 제1 자성층(101) 위에 산화물의 금속 재료를 먼저 증차한 후에, 금속 재료를 산화시킴으로써 제1 산화물층(102)을 형성할 수도 있다. 이 경우에, 금속 재료를 산화시키는 시간에 의해 제1 산화물층(102)의 산소 조성이 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 자성층(101) 위에 Mg을 먼저 증착한 후, Mg을 산화시킴으로써 MgO를 형성할 수 있다. 이때, Mg을 완전히 산화시키는 데 필요한 시간보다 짧은 시간 동안 산화를 수행하면, 제1 산화물층(102)의 MgO는 산소가 부족한 조성을 가질 수 있다.
제1 산화물층(102)을 형성한 후에는, 제1 자성층(101)과 제1 산화물층(102)을 저온으로 냉각시킨다. 일반적으로, 제1 산화물층(102)의 산화물은 표면 에너지가 상대적으로 낮은 반면 제2 자성층(105)의 금속 재료는 상대적으로 높은 표면 에너지를 갖는다. 이로 인해, 제1 산화물층(102) 위에 제2 자성층(105)을 형성할 때, 금속 재료가 제1 산화물층(102)의 표면 위에 고르게 분포하지 않을 수 있다. 제1 산화물층(102)의 온도를 낮추어 금속 재료의 이동성(mobility)를 저하시킴으로써 이러한 문제를 개선할 수 있다. 예를 들어, 제1 산화물층(102)을 약 250 K 이하, 또는 약 50 K 내지 약 150 K, 또는 약 70 K 내지 약 100 K의 온도를 냉각시킬 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제2 자성층(105)을 형성하기 전에 제1 산화물층(102) 위에 습식층(103)을 먼저 형성할 수 있다. 습식층(103)은 제1 산화물층(102)의 표면 에너지를 증가시켜 제1 산화물층(102) 위에 제2 자성층(105)의 증착을 돕는 역할을 할 수 있다. 습식층(103)은 스퍼터링, PVD(physical vapor deposion) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 습식층(103)은 제2 자성층(105)에 대한 전구체로서 사용될 수 있다. 이를 위해 습식층(103)은 3d 전이 금속 및/또는 그 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 습식층(103)은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe 함유 합금, Co 함유 합금, Ni 함유 합금 및 Mn 함유 합금 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다. 선택적으로, 습식층(103)은 붕소(B)를 제외한 비전이 금속과 같은 다른 재료들의 합금을 포함할 수 있다.
습식층(103)은 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 습식층(103)은 단지 2개 또는 3개의 단일층(monolayer)으로 형성될 수 있다. 이러한 습식층(103)은 제1 산화물층(102) 위에 대체로 균일하게 분포될 수 있지만, 매우 얇은 두께를 갖기 때문에 완전히 매끄럽고 연속적인 분포를 가질 필요는 없으며 습식층(103) 내부에 부분적으로 공극이 존재할 수도 있다.
도 2c를 참조하면, 습식층(103)을 산화시키거나 질화시켜 습식층(103)에 산소 또는 질소 원자(104)를 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 습식층(103)을 자연 산화시킬 수 있으며, 또는 반응 산화와 같은 다른 산화 방법이 사용될 수도 있다. 또는, 자연적으로 또는 의도적인 반응을 통해 습식층(103)을 질화시킬 수도 있다. 이러한 산화/질화 반응은 목표 RA(resistance area product)가 달성될 때까지 수행될 수 있다. 산화/질화 반응을 통해 습식층(103)이 완전히 산화되거나 질화될 수도 있지만, 습식층(103)이 완전히 산화/질화되지 않은 상태에서 산화/질화 반응을 종료할 수도 있다. 결과적으로, 제1 산화물층(102) 위에 산화/질화된 습식층(103')이 형성된다.
도 2d를 참조하면, 산화/질화된 습식층(103') 위에 제2 자성층(105)을 증착할 수 있다. 제2 자성층(105)은 붕소(B)를 포함하지 않는 붕소 프리 자성 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 산화/질화된 습식층(103') 위에 제2 자성층(105)을 형성하기 위하여, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)과 같은 3d 전이 금속, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금과 같은 3d 전이 금속 합금, 또는 Co2Fe, Co2MnSi, Co2FeMnSi, Co2FeSi, MnGa, MnGe 등와 같은 호이슬러 합금 중에서 적어도 하나를 증착할 수 있다. 붕소는 제2 자성층(105)의 표면 에너지를 낮추어 제1 산화물층(102) 위에 제2 자성층(105)의 형성을 용이하게 만들 수 있지만, 앞서 설명한 바와 같이, 자기터널접합 소자(100)의 스위칭 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
또한 앞서 설명한 바와 같이, 제2 자성층(105)은 붕소를 제외한 추가적인 금속 원소로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 자성층(105)에 도핑되는 추가적인 금속 원소는 칼슘(Ca), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 마그네??(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 지르코늄(Zr), 베릴륨(Be), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 아연(Zn), 나이오븀(Nb), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 리튬(Li), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 탄탈륨(Ta) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 추가적인 금속 원소는 비자성 금속일 수 있지만 반드시 비자성 금속에만 한정되는 것은 아니다. 특히, 제2 자성층(105)에 도핑되는 추가적인 금속 원소는, 후술하는 이유로, 제2 자성층(105) 내의 강자성 물질의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 가질 수 있다.
제2 자성층(105)을 형성하는 단계에서 제1 산화물층(102)은 여전히 극저온 냉각된 상태일 수 있다. 제1 산화물층(102)을 냉각시킨 후부터 제2 자성층(105)을 증착할 때까지의 시간이 제1 산화물층(102)의 온도가 자연적으로 실온으로 상승하는데 걸리는 시간에 비해 상당히 짧을 수 있기 때문이다. 제1 산화물층(102)의 온도가 자연적으로 상승하더라도, 제2 자성층(105)을 형성하는 단계에서 제1 산화물층(102)의 온도는 300 K 이하, 예를 들어 250 K 이하일 수 있다. 또는, 제2 자성층(105)의 증착 시작 시 제1 산화물층(102)의 온도는 200 K 이하일 수 있다. 필요에 따라서는, 산화/질화된 습식층(103')을 형성하고 제2 자성층(105)을 증착하기 전에 추가적인 냉각을 수행할 수도 있다.
제2 자성층(105)을 형성한 후에는, 제2 자성층(105) 위에 제2 산화물층(106)을 더 형성할 수 있다. 제2 산화물층(106)은 제1 산화물층(102)과 동일한 산화물 재료를 포함할 수도 있지만, 다른 산화물 재료를 포함할 수도 있다. 그러나, 제2 산화물층(106)은 필수적인 구성은 아니며, 경우에 따라서는 제2 산화물층(106)을 형성하는 단계가 생략될 수도 있다.
마지막으로 도 2e를 참조하면, 제2 자성층(105)의 결정성을 개선하기 위하여 실온(300 K) 이상의 온도에서 제2 자성층(105)을 어닐링할 수 있다. 예를 들어, 급속 열 어닐링을 수행할 수 있다. 어닐링 과정에서, 산화/질화된 습식층(103')에 결합되어 있는 산소 또는 질소 원자(104)가 제1 산화물층(102)으로 확산될 수 있다. 산화/질화된 습식층(103') 내의 산소 또는 질소 원자(104)가 제1 산화물층(102)으로 확산됨으로써, 제1 산화물층(102) 내에서는 제2 자성층(105)에 인접하는 영역의 산소 또는 질소의 비율이 증가할 수 있다. 산소 또는 질소 원자(104)가 빠져 나간 습식층(103)은 제2 자성층(105) 내에 융합되어 제2 자성층(105)과 사실상 구별되지 않을 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 제1 산화물층(102)은 산소가 부족한 조성을 가진다. 따라서, 제1 산화물층(102)은 산화/질화된 습식층(103')으로부터 빠져 나온 산소 또는 질소 원자(104)와 쉽게 결합할 수 있다. 산화/질화된 습식층(103')으로부터 빠져 나온 산소 또는 질소 원자(104)는 습식층(103)과 접하는 제1 산화물층(102)의 상부 영역에 주로 결합될 수 있다. 따라서, 도 2e에 도시된 단계 후에, 제1 산화물층(102)은 제1 자성층(101)에 인접한 제1 영역(102a) 및 제2 자성층(105)에 인접한 제2 영역(102b)을 포함하게 될 수 있으며, 제2 영역(102b) 내의 산소 또는 질소의 비율이 제1 영역(102a) 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높을 수 있다.
도 2a 내지 도 2e에 도시된 자기터널접합 소자(100)의 제조 방법에서 제1 자성층(101)은 고정층이고 제2 자성층(105)은 자유층일 수 있다. 도 2a 내지 도 2e에 도시된 방법에 따르면, 제1 산화물층(102)가 산소가 부족한 조성을 갖기 때문에, 산화/질화된 습식층(103')으로부터 빠져 나온 산소 또는 질소 원자(104)는 대부분 자유층인 제2 자성층(105)으로 확산되지 않고 제1 산화물층(102)으로 확산된 후 제1 산화물층(102) 내에 포획될 수 있다. 따라서, 자유층 내의 산소 또는 질소 원자로 인하여 자기터널접합 소자(100)의 RA가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 자기터널접합 소자에 자성층에 산소 또는 질소가 포획된 상태를 개념적으로 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 비교예에 따른 자기터널접합 소자는 제1 자성층(11), 제1 산화물층(12), 제2 자성층(15), 및 제2 산화물층(16)을 포함한다. 제1 산화물층(12)은 화학량론적으로 산소가 부족하지 않은 조성을 갖는다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 어닐링 과정에서 습식층으로부터 분리된 산소 또는 질소 원자(14)가 자유층인 제2 자성층(15)으로 확산될 수 있다. 제2 자성층(15)으로 확산된 산소 또는 질소 원자(14)는 비교예에 따른 자기터널접합 소자의 RA를 증가시키는 원인이 될 수 있다.
특히, 높은 산소친화도를 갖는 금속이 제2 자성층(105)에 도핑된 경우에, 산소 또는 질소 원자(104)가 제2 자성층(105) 내의 높은 산소친화도를 갖는 금속에 포획될 가능성이 커진다. 본 실시예에 따르면, 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 제1 산화물층(102)이 거의 대부분의 산소 또는 질소 원자(104)와 결합하기 때문에, 높은 산소친화도를 갖는 금속으로 도핑된 제2 자성층(105)을 제1 산화물층(102) 위에 열화 없이 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제2 자성층(105) 내의 강자성 물질의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 금속을 제2 자성층(105)에 도핑시키더라도, 산소가 부족한 조성을 갖는 제1 산화물층(102)으로 인해 제2 자성층(105)으로는 산소 또는 질소 원자(104)가 거의 확산되지 않을 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 낮은 포화 자화 특성을 갖는 자유층을 산화물층 위에 형성할 수 있으며, 그 결과 자기터널접합 소자(100)의 동작 속도가 향상될 수 있다. 또한, 낮은 포화 자화 특성을 갖는 자유층을 산화물층 위에 형성하는 과정에서 산소 또는 질소가 자유층 내부에 포획되는 것을 방지함으로써 자기터널접합 소자(100)의 RA를 적절하게 유지할 수 있다. 또한, 표면 에너지가 상대적으로 낮은 산화물층 위에 붕소 프리 자유층을 비교적 얇은 두께로 균일하게 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 자유층은 개선된 안정성을 가질 수 있으며 개선된 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 이로 인해 자기터널접합 소자(100)의 동작 속도가 더욱 향상될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 자기터널접합 소자(200)는 제1 자성층(201), 제1 자성층(201) 위에 배치된 제1 산화물층(202), 제1 산화물층(202) 위에 배치된 제2 자성층(205), 및 제2 자성층(205) 위에 배치된 제2 산화물층(206)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 자성층(201)은 고정층이고 제2 자성층(205)은 자유층일 수 있다. 또한, 제1 산화물층(202)은 터널 장벽층이고 제2 산화물층(206)은 캡핑층일 수 있다. 필요에 따라 제2 산화물층(206)은 생략될 수도 있다.
제1 산화물층(202)은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 제1 산화물층(202)은 제1 자성층(201)에 인접한 제1 영역(202a), 제2 자성층(205)에 인접한 제2 영역(202b), 및 제1 영역(202a)과 제2 영역(202b) 사이에 배치된 금속층(202c)을 포함할 수 있다. 금속층(202c)은 제1 산화물층(202)을 형성하는 금속 산화물의 금속 재료와 동일한 금속 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 산화물층(202)이 MgO를 포함하는 경우, 금속층(202c)은 Mg로 이루어질 수 있다. 그러나 금속층(202c)의 재료는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 산화물층(202)의 금속 산화물 위에 증착하기 쉽고 산소 또는 질소와 결합하기 쉬운 다른 금속 재료를 포함할 수도 있다.
금속층(202c)은 제2 자성층(205)을 어닐링하는 과정에서 습식층(203)에서 빠져 나간 산소 또는 질소 원자(204)를 포획하는 역할을 할 수 있다. 금속층(202c)으로 인하여 제1 산화물층(202)은 더욱 많은 산소 또는 질소 원자(204)를 포획할 수 있으며, 제2 자성층(205)으로 확산되는 산소 또는 질소 원자를 더욱 줄일 수 있다. 어닐링 과정에서 금속층(202c)이 산소 또는 질소 원자(204)와 결합하기 때문에, 최종적인 금속층(202c)은 부분적으로 산화 또는 질화된 상태를 가질 수 있다.
제1 산화물층(202)의 내부에서 금속층(202c)은 제2 자성층(205)에 가능한 가깝게 배치될 수 있다. 이를 위해, 제1 산화물층(202)의 제2 영역(102b)의 두께는 제1 영역(102a)의 두께보다 작을 수 있다. 또한, 제1 산화물층(202)의 터널 장벽층 기능에 영향을 주지 않도록 금속층(202c)은 얇은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 금속층(202c)의 두께는 약 2 Å 내지 약 3 Å의 범위 내에 있을 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 산화물층(202)의 제2 영역(102b) 내의 산소 또는 질소의 비율은 제1 영역(102a) 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높을 수 있다. 자기터널접합 소자(200)의 나머지 구성들은 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)의 구성과 동일할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1 및 도 4에 도시된 자기터널접합 소자(100, 200)에서는 고정층이 하부에 배치되고 자유층이 상부에 배치된다. 그러나, 자유층이 하부에 배치되고 고정층이 상부에 배치되는 것도 가능하다. 도 5를 참조하면, 자기터널접합 소자(300)는 제2 산화물층(306), 제2 산화물층(306) 위에 배치된 제2 자성층(305), 제2 자성층(305) 위에 배치된 제1 산화물층(302), 및 제1 산화물층(302) 위에 배치된 제1 자성층(301)을 포함할 수 있다. 제1 자성층(301)은 고정층이고 제2 자성층(305)은 자유층일 수 있으며, 제1 산화물층(302)은 터널 장벽층이고 제2 산화물층(306)은 캡핑층일 수 있다.
본 실시예에서, 캡핑층인 제2 산화물층(306) 위에 자유층인 제2 자성층(305)을 형성할 수 있다. 이를 위해, 제2 산화물층(306)을 극저온 냉각한 상태에서, 제2 산화물층(306) 위에 습식층(303)을 형성하고 습식층(303)을 산화 또는 질화시킬 수 있다. 또한, 습식층(303) 위에 제2 자성층(305)을 형성한 후, 제2 자성층(305)을 어닐링 과정에서 습식층(303)으로부터 나오는 산소 또는 질소 원자(304)가 제2 산화물층(306) 내에 포획될 수 있도록 제2 산화물층(306)은 산소가 부족한 조성을 가질 수 있다. 어닐링 과정이 종료되면, 제2 산화물층(306)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮은 제1 영역(306a)과 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높은 제2 영역(306b)을 포함하게 된다. 제2 영역(306b)은 제2 자성층(305)에 인접하여 배치된 영역이다.
제1 산화물층(302)은 정량의 산소를 포함하는 금속 산화물 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 산화물층(302)이 MgO를 포함하는 경우, 제1 산화물층(302) 내에서 Mg의 비율과 O의 비율은 각각 약 50 at%일 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 5에 도시된 자기터널접합 소자(300)에서는 터널 장벽층인 제1 산화물층(302) 위에 고정층인 제1 자성층(301)이 통상적인 방법으로 증착될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서, 제1 자성층(301)은 붕소를 함유하는 강자성 물질을 포함할 수도 있으며, 또는 다른 금속 원소로 도핑되지 않을 수도 있다. 그러나, 고정층인 제1 자성층(301)에 대해서도 높은 품질이 요구되는 경우, 제1 자성층(301)도 붕소 프리 자성 물질을 포함할 수 있으며, 상대적으로 높은 산소친화도를 갖는 다른 금속 원소로 도핑될 수도 있다.
이를 위해, 도 6을 참조하면, 자기터널접합 소자(300')는 산소가 부족한 조성을 갖는 제1 산화물층(302)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 산화물층(302)을 극저온 냉각한 상태에서, 제1 산화물층(302) 위에 습식층(303)의 형성 및 산화/질화 과정을 수행하고, 습식층(303) 위에 제1 자성층(301)을 증착할 수 있다. 그 후, 제1 자성층(301)을 어닐링하면, 산소 또는 질소 원자(304)는 제1 자성층(301)으로 확산되지 않고 제1 산화물층(302) 내에 포획될 수 있다. 이에 따라, 제1 산화물층(302)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮은 제1 영역(302a)과 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높은 제2 영역(302b)을 포함하게 된다. 여기서, 제1 영역(302a)은 제2 자성층(305)에 인접하여 배치되고 제2 영역(306b)은 제1 자성층(301)에 인접하여 배치된다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 자기터널접합 소자(400)는 제2 산화물층(406), 제2 산화물층(406) 위에 배치된 제2 자성층(405), 제2 자성층(405) 위에 배치된 제1 산화물층(402), 및 제1 산화물층(402) 위에 배치된 제1 자성층(401)을 포함할 수 있다.
제2 산화물층(406)은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 제2 산화물층(406)은 산소 또는 질소의 비율이 비교적 낮은 제1 영역(406a), 산소 또는 질소의 비율이 비교적 높은 제2 영역(406b), 및 제1 영역(406a)과 제2 영역(406b) 사이에 배치된 금속층(406c)을 포함할 수 있다. 금속층(406c)은 도 4에서 설명한 제1 산화물층(202)의 금속층(202c)과 동일할 수 있다. 설명하지 않은 자기터널접합 소자(400)의 다른 구성들은 도 5에 도시된 자기터널접합 소자(300)의 구성들과 동일할 수 있다. 또한, 자기터널접합 소자(400)의 제1 산화물층(402)은 도 6에서 설명한 구성을 더 가질 수도 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 자기터널접합 소자(500)는 제1 자성층(501), 제1 자성층(501) 위에 배치된 제1 산화물층(502), 제1 산화물층(502) 위에 배치된 제2 자성층(505), 제2 자성층(505) 위에 배치된 제2 산화물층(512), 제2 산화물층(512) 위에 배치된 제3 자성층(511), 및 제3 자성층(511) 위에 배치된 제3 산화물층(506)을 포함할 수 있다.
제1 자성층(501)과 제3 자성층(511)은 고정층이고 제2 자성층(505)은 자유층일 수 있다. 따라서, 자기터널접합 소자(500)는 2개의 고정층 및 그 사이에 배치된 하나의 자유층을 포함할 수 있다. 또한, 제1 산화물층(502)과 제2 산화물층(512)은 터널 장벽층이고, 제3 산화물층(506)은 선택적인 캡핑층일 수 있다. 산소 또는 질소 원자(504)를 포획하기 위하여, 자유층인 제2 자성층(505) 아래에 배치된 제1 산화물층(502)은 산소가 부족한 조성을 가질 수 있다.
도 8에는 고정층인 제3 자성층(511)의 아래에 배치된 제2 산화물층(512)도 산소가 부족한 조성을 가지며 제2 산화물층(512) 내에 산소 또는 질소 원자(504)가 포획된 것으로 도시되었다. 그러나, 이는 선택적이며 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 예를 들어, 제2 산화물층(512)은 정량의 산소를 포함하는 금속 산화물 재료로 이루어질 수 있다. 고정층인 제3 자성층(511)은 통상적인 방법으로 제2 산화물층(512) 위에 증착될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자를 포함하는 하나의 메모리 셀을 개략적으로 보인다. 도 9를 참조하면, 메모리 셀(MC)은 자기터널접합 소자(100) 및 이에 연결된 스위칭 소자(TR)를 포함할 수 있다. 스위칭 소자(TR)는 박막 트랜지스터일 수 있다. 메모리 셀(MC)은 비트 라인(BL)과 워드 라인(WL) 사이에 연결될 수 있다. 비트 라인(BL)과 워드 라인(WL)은 서로 교차하도록 배치될 수 있으며, 이들의 교차점에 메모리 셀(MC)이 배치될 수 있다. 비트 라인(BL)은 자기터널접합 소자(100)의 자유층인 제2 자성층(105)에 전기적으로 연결되고, 워드 라인(WL)은 스위칭 소자(TR)의 게이트에 연결될 수 있다. 또한, 스위칭 소자(TR)의 제1 소스/드레인 전극은 자기터널접합 소자(100)의 고정층인 제1 자성층(101)에 전기적으로 연결되고, 제2 소스/드레인 전극은 선택 라인(SL)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구조에서, 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL)을 통해 메모리 셀(MC)에 쓰기 전류, 읽기 전류, 소거 전류 등이 인가될 수 있다. 도 9에는 메모리 셀(MC)이 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 다른 실시예들에 다른 메모리 셀(MC)은 자기터널접합 소자(200, 300, 400, 500)를 포함할 수도 있다.
도 10은 도 9에 도시된 복수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 구성을 개략적으로 보이는 회로도이다. 도 10을 참조하면, 메모리 장치(600)는 복수의 비트 라인(BL), 복수의 워드 라인(WL), 복수의 선택 라인(SL), 복수의 비트라인(BL)과 복수의 워드라인(WL)의 교차점들에 각각 배치된 복수의 메모리 셀(MC), 복수의 비트 라인(BL)에 전류를 인가하는 비트 라인 드라이버(601), 복수의 워드 라인(WL)에 전류를 인가하는 워드 라인 드라이버(602), 및 복수의 선택 라인(SL)에 전류를 인가하는 선택 라인 드라이버(603)를 포함할 수 있다. 각각의 메모리 셀(MC)은 도 9에 도시된 구성을 가질 수 있다.
도 10에 도시된 메모리 장치(600)는 MRAM(magnetic random access memory)일 수 있으며, 비휘발성 메모리를 사용하는 전자 장치들에 이용될 수 있다. 특히, 도 10에 도시된 메모리 장치(600)는 자기터널접합 소자의 자유층에 직접 인가되는 스핀 전류에 의해 자유층의 자화 방향이 변화하는 STT-MRAM일 수 있다. STT-MRAM은 외부 자기장 발생을 위한 별도의 도선을 필요로 하지 않기 때문에, 고집적화에 유리하고 동작 방법이 단순하다. 도 10에는 STT-MRAM이 예시적으로 도시되었으나, 개시된 자기터널접합 소자는 SOT-MRAM에도 적용될 수 있다.
상술한 자기터널접합 소자, 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치, 및 자기터널접합 소자의 제조 방법은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500.....자기터널접합 소자
101, 105, 201, 205, 301, 305, 401, 405, 501, 505.....자성층
102, 106, 202, 206, 302, 306, 402, 406, 502, 506.....산화물층
103, 203, 303, 403, 503.....습식층
104.....산소 또는 질소 원자
600.....메모리 장치
601.....비트 라인 드라이버
602.....워드 라인 드라이버
603.....선택 라인 드라이버
BL.....비트 라인
MC.....메모리 셀
SL.....선택 라인
TR.....스위칭 소자
WL.....워드 라인
101, 105, 201, 205, 301, 305, 401, 405, 501, 505.....자성층
102, 106, 202, 206, 302, 306, 402, 406, 502, 506.....산화물층
103, 203, 303, 403, 503.....습식층
104.....산소 또는 질소 원자
600.....메모리 장치
601.....비트 라인 드라이버
602.....워드 라인 드라이버
603.....선택 라인 드라이버
BL.....비트 라인
MC.....메모리 셀
SL.....선택 라인
TR.....스위칭 소자
WL.....워드 라인
Claims (26)
- 제1 자성층;
상기 제1 자성층에 마주하여 배치된 제2 자성층; 및
상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 배치되며 금속 산화물을 포함하는 제1 산화물층;을 포함하며,
상기 제1 산화물층의 금속 산화물은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 가지며,
상기 제2 자성층은 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는, 자기터널접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 산화물층은 상기 제1 자성층에 인접한 제1 영역 및 상기 제2 자성층에 인접한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역 내의 산소 또는 질소의 비율이 상기 제1 영역 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높은, 자기터널접합 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 산화물층은 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 금속층을 더 포함하는, 자기터널접합 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 제2 영역의 두께는 상기 제1 영역의 두께보다 작은, 자기터널접합 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 2 Å 내지 3 Å인, 자기터널접합 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 금속층의 금속 재료는 상기 제1 산화물층의 금속 산화물의 금속 재료와 동일한, 자기터널접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 자성층을 사이에 두고 상기 제1 산화물층과 마주하여 배치되며 금속 산화물을 포함하는 제2 산화물층을 더 포함하는, 자기터널접합 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 제2 산화물층의 금속 산화물은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 갖는, 자기터널접합 소자. - 제8 항에 있어서,
상기 제2 산화물층은 상기 제2 자성층으로부터 더 멀리 배치된 제1 영역 및 상기 제2 자성층에 인접한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역 내의 산소 또는 질소의 비율이 상기 제1 영역 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높은, 자기터널접합 소자. - 제9 항에 있어서,
상기 제2 산화물층은 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 금속층을 더 포함하는, 자기터널접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 산화물층은 MgO를 포함하며, 상기 제1 산화물층 내에서 Mg의 비율은 50 at%보다 크고 O의 비율은 50 at%보다 작은, 자기터널접합 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 자성층의 금속 원소의 산소친화도는 상기 제2 자성층의 자성 물질의 산소친화도보다 큰, 자기터널접합 소자. - 제12 항에 있어서,
상기 제2 자성층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러(Heusler) 합금 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 제2 자성층의 금속 원소는 Ca, Sc, Y, Mg, Sr, Ba, Zr, Be, Ti, Hf, V, Zn, Nb, Mn, Al, Cr, Li, Cd, Pb, In, Ga, 및 Ta 중 적어도 하나를 포함하는, 자기터널접합 소자. - 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며,
상기 자기터널접합 소자는:
제1 자성층;
상기 제1 자성층에 마주하여 배치된 제2 자성층; 및
상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이에 배치되며 금속 산화물을 포함하는 산화물층;을 포함하며,
상기 산화물층의 금속 산화물은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 가지며,
상기 제2 자성층은 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는, 메모리 장치. - 금속 산화물을 포함하는 산화물층을 마련하는 단계;
상기 산화물층을 250 K 이하의 온도 범위로 냉각하는 단계;
상기 산화물층 위에 자성 물질을 포함하는 습식층을 증착하는 단계;
상기 습식층을 산화시키거나 질화시키는 단계;
상기 습식층 위에 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는 자성층을 증착하는 단계; 및
상기 자성층을 300 K 이상의 온도로 어닐링하는 단계;를 포함하며,
상기 금속 산화물은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 자성층을 어닐링하는 동안, 상기 습식층 내의 산소 또는 질소가 상기 산화물층으로 확산됨으로써, 상기 산화물층 내에서 상기 자성층에 인접하는 영역의 산소 또는 질소의 비율이 증가하는 단계를 더 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 산화물층은 그 내부에 매립된 금속층을 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제17 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 2 Å 내지 3 Å인, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제17 항에 있어서,
상기 금속층의 금속 재료는 상기 산화물층의 금속 산화물의 금속 재료와 동일한, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 산화물층은 MgO를 포함하며, 상기 산화물층 내에서 Mg의 비율은 50 at%보다 크고 O의 비율은 50 at%보다 작은, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 자성층의 금속 원소의 산소친화도는 상기 자성층의 자성 물질의 산소친화도보다 큰, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제21 항에 있어서,
상기 자성층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러(Heusler) 합금 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 자성층의 금속 원소는 Ca, Sc, Y, Mg, Sr, Ba, Zr, Be, Ti, Hf, V, Zn, Nb, Mn, Al, Cr, Li, Cd, Pb, In, Ga, 및 Ta 중 적어도 하나를 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 온도 범위는 50K 이상 150K 이하인, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 습식층은 단일층 두께를 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 습식층은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금 및 Mn 함유 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 자성층 위에 금속 산화물을 포함하는 추가적인 산화물층을 증착하는 단계; 및
상기 추가적인 산화물층 위에 금속 원소로 도핑된 자성 물질을 포함하는 추가적인 자성층을 증착하는 단계;를 더 포함하는, 자기터널접합 소자 제조 방법.
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| EP22153643.6A EP4053925A3 (en) | 2021-03-04 | 2022-01-27 | Magnetic tunneling junction device, memory device including the same, and method of manufacturing the magnetic tunneling junction device |
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