KR20230012370A - 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치 - Google Patents

자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치 Download PDF

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KR20230012370A
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김광석
박성건
이승재
나오키 하세
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Abstract

또한 동작 속도를 빠르게 하면서 안정적인 수직 자기 이방성을 갖는 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치가 개시된다. 개시된 자기터널접합 소자는, 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속 X로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 제2 산화물층은 금속 Z의 산화물인 ZOx를 포함하며, 상기 금속 Z의 산소친화도는 상기 비자성 금속 X의 산소친화도보다 클 수 있다.

Description

자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치 {Magnetic tunneling junction device and memory device including the smae}
개시된 실시예들은 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치에 관한 것이다.
MRAM(Magnetic random access memory)과 같은 자기 메모리 장치는 자기터널접합 소자의 저항 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 메모리 장치이다. 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 소자는 낮은 저항값을 가질 때 데이터 '0'을 나타내고 높은 저항값을 가질 때 데이터 '1'을 나타낼 수 있다.
이러한 자기 메모리 장치는 비휘발성을 가지며 고속 동작이 가능하고 높은 내구성을 갖는 등의 장점이 있다. 예컨대, 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 STT-MRAM의 동작 속도를 더욱 향상시키기 위한 연구가 진행 중이다.
빠른 동작 속도를 갖는 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치를 제공한다.
또한 동작 속도를 빠르게 하면서 안정적인 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)을 갖는 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속의 산소친화도는 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 비자성 금속이 알루미늄(Al)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 비자성 금속이 몰리브덴(Mo)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Ti, Ga, Ta, Al, Zr, Sn, W, V, Nb, Cr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 비자성 금속이 탄탈륨(Ta)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Al, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Zn, Ga, Mo, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Ta, Al, Zr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 제2 산화물층의 금속 산화물은 상기 자유층 내의 비자성 금속의 산화물보다 더 큰 산화물 형성 에너지를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층에서 비자성 금속의 도핑 농도는 5 at% 내지 50 at%의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 자유층은 붕소(B)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층의 붕소 농도는 5 at% 내지 50 at%의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 제2 산화물층은 상기 자유층으로부터 흡수된 붕소를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 산화물층은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 산화물층은 상기 고정층에 인접한 제1 영역 및 상기 자유층에 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 산화물층은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며, 상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및 상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 캡핑 금속층은 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 금속을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및 상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고, 상기 캡핑 금속층의 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 메모리 장치는, 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며, 상기 자기터널접합 소자는: 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속의 산소친화도는 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 클 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 메모리 장치는, 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며, 상기 자기터널접합 소자는: 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층; 상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및 상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며, 상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고, 상기 캡핑 금속층은 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 금속을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 자기터널접합 소자의 자유층은 낮은 포화 자화(saturation magnetization) 특성을 가질 수 있다. 자유층이 낮은 포화 자화 특성을 갖기 때문에 자기터널접합 소자의 동작 속도가 향상될 수 있다. 또한 자유층과 산화물층 사이의 계면에서 산소의 상호 확산(interdiffusion)을 방지 또는 저감하여 자유층과 산화물층 사이의 계면에서 자유층과 산화물층이 명확히 분리되도록 함으로써, 자유층이 안정적인 수직 자기 이방성을 가질 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 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 또 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 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자를 포함하는 하나의 메모리 셀을 개략적으로 보인다.
도 9는 도 8에 도시된 복수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 구성을 개략적으로 보이는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치에 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 고정층(pinned layer)(101), 고정층(101) 위에 배치된 제1 산화물층(102), 제1 산화물층(102) 위에 배치된 자유층(free layer)(103), 및 자유층(103) 위에 배치된 제2 산화물층(104)을 포함할 수 있다.
여기서 "위에 배치된"이라는 표현은 설명의 편의를 위한 것으로 반드시 상하 관계를 의미하는 것은 아니다. 다르게 표현하면, 제1 산화물층(102)은 고정층(101)과 자유층(103) 사이에 배치되며, 자유층(103)은 제1 산화물층(102)과 제2 산화물층(104) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 자유층(103)은 서로 대향하는 제1 표면(S1)과 및 제2 표면(S2)을 포함할 수 있다. 고정층(101)은 자유층(103)의 제1 표면(S1)에 마주하여 배치될 수 있고, 제2 산화물층(104)은 자유층(103)의 제2 표면(S2) 상에 배치될 수 있다.
고정층(101)과 자유층(103)은 자성을 갖는 강자성(ferromagnetic) 금속 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고정층(101)과 자유층(103)은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러(Heusler) 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 강자성 재료를 포함할 수 있다. 고정층(101)과 자유층(103)은 동일한 자성 물질로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
고정층(101)은 고정된 자화 방향을 가지며, 자유층(103)은 변동 가능한 자화 방향을 가질 수 있다. 자유층(103)의 자화 방향은 자유층(103)에 인가되는 스핀 분극 전류(spin-polarized current)에 의해 발생한 스핀 토크(spin torque)로 인해 변동될 수 있다. 자기터널접합 소자(100)는, 고정층(101)과 자유층(103)의 자화 방향이 같은 경우에 상대적으로 낮은 저항을 갖고 자화 방향이 반대인 경우에 상대적으로 높은 저항을 가질 수 있다. 이러한 현상을 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR)이라고 부른다. 이 TMR 현상을 응용하여 자기터널접합 소자(100)가 메모리 장치에 사용될 수 있다.
또한, 고정층(101)과 자유층(103)은 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)을 가질 수 있다. 다시 말해, 고정층(101)과 자유층(103)의 수직 자기 이방성 에너지는 비평면 자기 소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과할 수 있다. 이 경우, 고정층(101)과 자유층(103)의 자기 모멘트는 층 방향에 수직한 방향으로 안정화될 수 있다. 이러한 자기터널접합 소자(100)는 STT-MRAM에 적용될 수 있다. 또한 자기터널접합 소자(100)는 STT-MRAM뿐만 아니라 SOT(spin-orbit coupling torque) MRAM에도 적용될 수 있다.
자기터널접합 소자(100)를 이용한 메모리 장치의 동작 속도는 자유층(103)의 포화 자화(saturation magnetization; Ms)에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 포화 자화가 낮을수록 자유층(103)의 자화 방향을 낮은 전류로도 쉽게 바꿀 수 있으며 메모리 장치의 동작 속도가 증가할 수 있다. 본 실시예의 경우, 자유층(103)은 포화 자화를 낮추기 위해 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 자유층(103)은 비자성 금속(X)으로 도핑된 FeX, CoX, 또는 CoFeX를 포함할 수 있다. 비자성 금속(X)은, 예를 들어, Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 자유층(103)에서 비자성 금속의 도핑 농도는, 예를 들어, 약 5 at% 내지 약 50 at%의 범위 내에 있을 수 있다. 자유층(103)은 Fe, Co, 및 CoFe 외에도 앞서 설명한 다른 다양한 강자성 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 후술하는 제조 공정에서 자유층(103)의 습윤(wetting) 특성을 향상시키기 위해, 자유층(103)은 붕소(B)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 자유층(103)은 FeBX, CoBX, 또는 CoFeBX를 포함할 수 있다.
고정층(101)과 자유층(103) 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 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물 재료를 포함할 수 있다.
자유층(103)의 제2 표면(S2)에 배치된 제2 산화물층(104)은 캡핑층(capping layer)의 역할을 할 수 있다. 또한 제2 산화물층(104)을 사용하는 경우, 제1 산화물층(102)과 자유층(103) 사이의 계면 및 제2 산화물층(104)과 자유층(103) 사이의 계면에서 강자성 원소의 3d 오비탈과 산소의 2p 오비탈의 혼성화(hybridization)에 의해 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy; IPMA)이 생성된다. 제2 산화물층(104)을 사용하여 자유층(103)의 양쪽 계면에 IPMA가 생성됨으로써 IPMA의 세기를 증가시킬 수 있다.
그런데, IPMA의 세기는 자유층(103)에 도핑되는 비자성 금속의 종류에 따라서도 달라질 수 있다. 특히, 비자성 금속의 산소친화도(oxygen affinity)가 Fe와 같은 자유층(103) 내의 자성 물질의 산소친화도보다 큰 경우에 IPMA가 약화될 수 있다. IMPA의 세기는 계면에서 자유층(103)과 제2 산화물층(104)이 명확히 분리될수록 증가할 수 있다. 자유층(103) 내의 비자성 금속이 높은 산소친화도를 가지면 제2 산화물층(104)의 산소 원자가 제2 산화물층(104)에 고정되지 않고 자유층(103)과 제2 산화물층(104) 사이의 계면에서 상호 확산(interdiffusion)될 수 있다. 이로 인해, 자유층(103)과 제2 산화물층(104) 사이의 계면이 선명하게 유지되지 못하여 IMPA 세기가 약화될 수 있다.
따라서, 자유층(103) 내의 비자성 금속으로 인한 이러한 IPMA의 약화를 방지하거나 저감하기 위해, 제2 산화물층(104)은 자유층(103) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 산소친화도를 갖는 금속(Z)의 산화물인 ZOx를 포함할 수 있다. 다시 말해, 제2 산화물층(104)의 산화물(ZOx)은 자유층(103) 내의 비자성 금속(X)의 산화물(XOx)보다 더 안정적일 수 있다. 또 다르게 표현하면, 제2 산화물층(104)의 산화물(ZOx)이 자유층(103) 내의 비자성 금속의 산화물(XOx)보다 더 큰 산화물 형성 에너지(oxide formation energy)를 가질 수 있다. 그러면 제2 산화물층(104) 내의 산소 원자가 자유층(103)으로 확산되는 것을 방지하거나 저감할 수 있어 높은 수직 자기 이방상을 확보할 수 있다.
예를 들어, 제2 산화물층(104)의 금속 산화물을 형성하기 위한 금속(Z)은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 제2 산화물층(104)의 금속 산화물을 형성하기 위한 금속(Z)은 자유층(103) 내의 비자성 금속을 고려하여 선택될 수 있다. 특히, 위에서 예시한 금속들 중에서, 자유층(103) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 금속을 제2 산화물층(104)의 금속 산화물을 형성하기 위한 금속(Z)으로서 선택할 수 있다. 자유층(103) 내의 비자성 금속의 종류에 따라, 제2 산화물층(104)의 산화물 재료는 제1 산화물층(102)의 산화물 재료와 상이할 수 있다.
위와 같은 조건을 만족하는 자유층(103)의 비자성 금속과 제2 산화물층(104)의 금속(Z)은 매우 다양한 조합들 중에서 선택이 가능하다. 예컨대, 자유층(103)이 알루미늄(Al)으로 도핑되는 경우, 제2 산화물층(104)의 금속(Z)은 Ti, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 자유층(103)이 몰리브덴(Mo)으로 도핑되는 경우에는, 제2 산화물층(104)의 금속(Z)은 Mg, B, Ti, Ga, Ta, Al, Zr, Sn, W, V, Nb, Cr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 자유층(103)이 탄탈륨(Ta)로 도핑되는 경우에, 제2 산화물층(104)의 금속(Z)은 Ti, Al, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 또한, 자유층(103)이 Mg, Ru, Ir, Zn, Ga, Mo, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 금속으로 도핑되는 경우, 제2 산화물층(104)의 금속(Z)은 Ti, Ta, Al, Zr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
자유층(103)의 비자성 금속과 제2 산화물층(104)의 금속(Z)이 상술한 조건을 만족하는 경우, 자기터널접합 소자(100)의 동작 속도가 향상될 수 있다. 예컨대, 실시예에 따른 자기터널접합 소자(100)을 포함하는 메모리 장치의 동작 속도 또는 스위칭 속도는 10 nsec 이하일 수 있다. 또한, 자유층(103)과 제2 산화물층(104) 사이의 계면에서 산소의 상호 확산을 방지 또는 저감함으로써, 자유층(103)이 안정적인 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 자기터널접합 소자를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다. 이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 고정층(101) 위에 MgO, MgAl2O4, 또는 MgTiOx 등과 같은 산화물을 증착함으로써 제1 산화물층(102)을 형성한다. 예를 들어, 제1 산화물층(102)은 RF(radio frequency) 스퍼터링을 통해 형성될 수 있다. 또는, 고정층(101) 위에 산화물의 금속 재료를 먼저 증차한 후에, 금속 재료를 산화시킴으로써 제1 산화물층(102)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 고정층(101) 위에 Mg을 먼저 증착한 후, Mg을 산화시킴으로써 MgO를 형성할 수 있다.
제1 산화물층(102)을 형성한 후에는, 고정층(101)과 제1 산화물층(102)을 저온으로 냉각시킨다. 일반적으로, 제1 산화물층(102)의 산화물은 표면 에너지가 상대적으로 낮은 반면 자유층(103)의 금속 재료는 상대적으로 높은 표면 에너지를 갖는다. 이로 인해, 제1 산화물층(102) 위에 자유층(103)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, 자유층(103)을 형성하기 전에 제1 산화물층(102) 위에 습윤층(105)을 먼저 형성할 수 있다. 습윤층(105)은 제1 산화물층(102)의 표면 에너지를 증가시켜 제1 산화물층(102) 위에 자유층(103)의 증착을 돕는 역할을 할 수 있다. 습윤층(105)은 스퍼터링, PVD(physical vapor deposion) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 습윤층(105)은 자유층(103)에 대한 전구체로서 사용될 수 있다. 이를 위해 습윤층(105)은 3d 전이 금속 및/또는 그 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 습윤층(105)은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe 함유 합금, Co 함유 합금, Ni 함유 합금 및 Mn 함유 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
습윤층(105)은 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 습윤층(105)은 단지 2개 또는 3개의 단일층(monolayer)으로 형성될 수 있다. 이러한 습윤층(105)은 제1 산화물층(102) 위에 대체로 균일하게 분포될 수 있지만, 매우 얇은 두께를 갖기 때문에 완전히 매끄럽고 연속적인 분포를 가질 필요는 없으며 습윤층(105) 내부에 부분적으로 공극이 존재할 수도 있다.
도 2c를 참조하면, 습윤층(105)을 산화시키거나 질화시켜 습윤층(105)에 산소 또는 질소 원자(106)를 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 습윤층(105)을 자연 산화시킬 수 있으며, 또는 반응 산화와 같은 다른 산화 방법이 사용될 수도 있다. 또는, 자연적으로 또는 의도적인 반응을 통해 습윤층(105)을 질화시킬 수도 있다. 이러한 산화/질화 반응은 목표 RA(resistance area product)가 달성될 때까지 수행될 수 있다. 산화/질화 반응을 통해 습윤층(105)이 완전히 산화되거나 질화될 수도 있지만, 습윤층(105)이 완전히 산화/질화되지 않은 상태에서 산화/질화 반응을 종료할 수도 있다. 결과적으로, 제1 산화물층(102) 위에 산화/질화된 습윤층(105')이 형성된다.
도 2d를 참조하면, 산화/질화된 습윤층(105') 위에 자유층(103)을 증착할 수 있다. 산화/질화된 습윤층(105') 위에 자유층(103)을 형성하기 위하여, 예를 들어, 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. 또한, Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 금속으로 자유층(103)을 도핑될 수 있다. 자유층(103)에서 비자성 금속의 도핑 농도는, 예를 들어, 약 5 at% 내지 약 50 at%의 범위 내에 있을 수 있다.
필요에 따라서는, 자유층(103)을 형성할 때, 챔버 내에 붕소를 더 제공할 수도 있다. 붕소는 자유층(103)의 표면 에너지를 낮추어 제1 산화물층(102) 위에 자유층(103)의 형성을 용이하게 만들 수 있다. 자유층(103)에서 붕소의 도핑 농도는, 예를 들어, 약 5 at% 내지 약 50 at%의 범위 내에 있을 수 있다.
자유층(103)을 형성하는 단계에서 제1 산화물층(102)은 여전히 극저온 냉각된 상태일 수 있다. 제1 산화물층(102)을 냉각시킨 후부터 자유층(103)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, 자유층(103)을 형성하는 단계에서 제1 산화물층(102)의 온도는 300 K 이하, 예를 들어 250 K 이하일 수 있다. 또는, 자유층(103)의 증착 시작 시 제1 산화물층(102)의 온도는 200 K 이하일 수 있다. 필요에 따라서는, 산화/질화된 습윤층(105')을 형성하고 자유층(103)을 증착하기 전에 추가적인 냉각을 수행할 수도 있다.
자유층(103)을 형성한 후에는, 자유층(103) 위에 제2 산화물층(104)을 더 형성할 수 있다. 제2 산화물층(104)은 RF 스퍼터링 방식으로 형성되거나, 또는 자유층(103) 위에 산화물의 금속 재료를 먼저 증차한 후에 금속 재료를 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 산화물층(104)의 금속 산화물을 형성하기 위한 금속 재료는 자유층(103) 내의 비자성 금속을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In 중에서, 자유층(103) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 선택하여 제2 산화물층(104)을 형성할 수 있다.
마지막으로 도 2e를 참조하면, 자유층(103)의 결정성을 개선하기 위하여 실온(300 K) 이상의 온도에서 자유층(103)을 어닐링(annealing)할 수 있다. 예를 들어, 급속 열 어닐링을 수행할 수 있다. 어닐링 과정에서, 산화/질화된 습윤층(105')에 결합되어 있는 산소 또는 질소 원자(106)가 제1 산화물층(102)으로 확산될 수 있다. 산소 또는 질소 원자(104)가 빠져 나간 습윤층(105)은 자유층(103) 내에 융합되어 자유층(103)과 사실상 구별되지 않을 수 있다. 또한, 산화/질화된 습윤층(105') 내의 산소 또는 질소 원자(106)가 제1 산화물층(102)으로 확산됨으로써, 제1 산화물층(102) 내에서는 자유층(103)에 인접하는 영역의 산소 또는 질소의 비율이 증가할 수 있다. 따라서, 도 2e에 도시된 단계 후에, 제1 산화물층(102)은 고정층(101)에 인접한 제1 영역(102a) 및 자유층(103)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.
일 실시예에서, 제1 산화물층(102)은 어닐링 과정에서 발생하는 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획(trap)할 수 있도록 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물로 이루어질 수도 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. 다시 말해, 제1 산화물층(102)을 형성하는 산화물 재료가 갖는 고유의 산소 조성보다 부족한 산소 조성을 갖도록 제1 산화물층(102)이 형성될 수 있다.
자유층(103)이 붕소를 더 포함하는 경우, 자유층(103) 내의 붕소가 어닐링 과정에서 제2 산화물층(104)으로 확산될 수도 있다. 이 경우, 제2 산화물층(104)은 자유층(103)으로부터 확산된 붕소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물의 금속 재료가 Z인 경우, 어닐링 후의 제2 산화물층(104)은 ZBOx를 포함할 수 있다. 특히, 제2 산화물층(104)이 HfOx, NbOx, TaOx, 및 WOx를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 경우, 자유층(103) 내의 붕소를 쉽게 흡수하여 자유층(103)의 붕소 농도를 크게 낮출 수 있다. 자유층(103)의 붕소 농도가 감소하면 자기터널접합 소자(100)의 스위칭 효율(switching efficiency)이 향상될 수 있다.
어닐링 과정에서 자유층(103) 내의 붕소가 제2 산화물층(104)으로 확산됨으로써, 자유층(103)의 내부에서 붕소의 농도가 일정하지 않고 점진적이고 연속적으로 변화할 수도 있다. 예를 들어, 자유층(103) 내에서 붕소의 농도는 제1 산화물층(102)과의 계면에서 최대일 수 있다. 그리고, 자유층(103) 내에서 붕소의 농도는 제2 산화물층(104)을 향해 점진적으로 낮아져서 제2 산화물층(104)과의 계면에서 최소일 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 2a 내지 도 2e에서는 고정층(101) 위에 제1 산화물층(102), 자유층(103), 및 제2 산화물층(104)을 순차적으로 적층하는 것으로 설명하였지만, 자기터널접합 소자(100)의 제조 공정은 반드시 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 제2 산화물층(104) 위에 자유층(103), 제1 산화물층(102), 및 고정층(101)을 순차적으로 적층하여 자기터널접합 소자(100a)를 제조할 수도 있다. 도 3에 도시된 자기터널접합 소자(100a)는 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)와 적층 순서만이 다르고 나머지 구성들은 거의 유사할 수 있다.
도 3에 도시된 자기터널접합 소자(100a)를 제조하는 공정에서, 습윤층(105) 및 습윤층(105)에 결합된 산소 또는 질소 원자(106)는 제2 산화물층(104)의 상부 표면에 형성될 수 있다. 또한, 어닐링 과정에서 발생하는 산소 또는 질소는 제2 산화물층(104)으로 확산될 수 있다. 이 경우, 제2 산화물층(104)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮은 제1 영역(104a)과 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높은 제2 영역(104b)을 포함하게 될 수 있다. 제2 영역(104b)은 자유층(103)에 인접하여 배치된 영역이다. 제2 산화물층(104)이 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획할 수 있도록, 제2 산화물층(104)은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물로 이루어질 수도 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 자기터널접합 소자(100b)는 제2 산화물층(104), 제2 산화물층(104) 위에 배치된 자유층(103), 자유층(103) 위에 배치된 제1 산화물층(102), 및 제1 산화물층(102) 위에 배치된 고정층(101)을 포함할 수 있다. 제2 산화물층(104)은 어닐링 과정에서 발생한 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획하기 위해 내부에 금속층(104c)을 더 포함할 수 있다. 다시 말해, 제2 산화물층(104)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮은 제1 영역(104a), 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높은 제2 영역(104b), 및 제1 영역(104a)과 제2 영역(104b) 사이에 배치된 금속층(104c)을 포함할 수 있다.
금속층(104c)으로 인하여 제2 산화물층(104)은 더욱 많은 산소 또는 질소 원자를 포획할 수 있으며, 자유층(103)의 내부로 확산되는 산소 또는 질소 원자를 더욱 줄일 수 있다. 특히, 자유층(103)에 도핑된 비자성 금속이 강자성 물질의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 경우에도, 산소 또는 질소 원자가 자유층(103)의 내부로 확산되지 않고 제2 산화물층(104)으로 확산될 수 있다. 따라서, 자유층(103)의 내부로 확산된 산소 또는 질소 원자로 인해 자기터널접합 소자(100b)의 RA(resistance area product)가 증가하는 것을 방지할 수 있다. 도 4에 도시된 금속층(104c)은 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)의 제1 산화물층(102)에도 적용될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 자기터널접합 소자(200)는 고정층(201), 고정층(201) 위에 배치된 제1 산화물층(202), 제1 산화물층(202) 위에 배치된 자유층(203), 자유층(203) 위에 배치된 제2 산화물층(204), 및 제2 산화물층(204) 위에 접하여 배치된 캡핑 금속층(205)을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 자기터널접합 소자(200)의 고정층(201), 제1 산화물층(202), 및 자유층(203)은 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)의 고정층(101), 제1 산화물층(102), 및 자유층(103)과 동일한 구성을 갖는다.
제2 산화물층(204)은, 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)의 제2 산화물층(104)과 달리, 제1 산화물층(202)과 동일한 산화물 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 산화물층(204)은 MgO, MgAl2O4, 또는 MgTiOx를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물 재료를 포함할 수 있다.
제2 산화물층(204) 위에 배치된 캡핑 금속층(205)은 제2 산화물층(204) 내에 있는 산소 원자가 자유층(203) 내의 비자성 금속으로 인해 자유층(203)으로 확산되는 것을 방지하거나 또는 저감하는 역할을 한다. 이를 위해, 캡핑 금속층(205)은 자유층(203) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 산소친화도를 갖는 금속을 포함할 수 있다. 그러면 제2 산화물층(204) 내에 있는 산소 원자가 자유층(203)보다는 캡핑 금속층(205)을 향해 이동하려는 경향이 커지기 때문에 자유층(203)으로 산소 원자가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
캡핑 금속층(205)을 형성하기 위한 금속은 도 1에 도시된 제2 산화물층(104)의 금속 산화물을 형성하기 위한 금속 재료와 동일할 수 있다. 예를 들어, 캡핑 금속층(205)을 형성하기 위한 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 캡핑 금속층(205)의 금속 재료는 자유층(203) 내의 비자성 금속을 고려하여 선택될 수 있다. 특히, 위에서 예시한 금속들 중에서, 자유층(203) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 금속을 캡핑 금속층(205)의 금속 재료로서 선택할 수 있다.
위와 같은 조건을 만족하는 자유층(203)의 비자성 금속과 캡핑 금속층(205)의 금속은 매우 다양한 조합들 중에서 선택이 가능하다. 예컨대, 자유층(203)이 알루미늄(Al)으로 도핑되는 경우, 캡핑 금속층(205)의 금속은 Ti, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 자유층(203)이 몰리브덴(Mo)으로 도핑되는 경우에는, 캡핑 금속층(205)의 금속은 Mg, B, Ti, Ga, Ta, Al, Zr, Sn, W, V, Nb, Cr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 자유층(203)이 탄탈륨(Ta)로 도핑되는 경우에, 캡핑 금속층(205)의 금속은 Ti, Al, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다. 또한, 자유층(203)이 Mg, Ru, Ir, Zn, Ga, Mo, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 금속으로 도핑되는 경우, 캡핑 금속층(205)의 금속은 Ti, Ta, Al, Zr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함할 수 있다.
캡핑 금속층(205)이 제2 산화물층(204) 내의 산소 원자의 확산을 충분히 억제하기 위하여, 캡핑 금속층(205)은 제2 산화물층(204)보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 제2 산화물층(204)의 두께는 약 0.5 nm 내지 2 nm의 범위 내에 있다. 캡핑 금속층(205)의 두께는 약 1 nm 내지 5 nm의 범위 내에 있다. 한편, 자유층(203)은 두께는 약 1 nm 내지 4 nm의 범위 내에 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 6에 도시된 자기터널접합 소자(200a)는 도 5에 도시된 자기터널접합 소자(200)와 비교할 때 제1 산화물층(202)의 구성만이 상이하고 나머지 구성은 동일하다. 자기터널접합 소자(200a)의 제1 산화물층(202)은 고정층(201)에 인접한 제1 영역(202a), 자유층(203)에 인접한 제2 영역(202b,) 및 제1 영역(202a)과 제2 영역(202b) 사이에 배치된 금속층(202c)을 포함할 수 있다. 제1 산화물층(202)은 자기터널접합 소자(200a)의 제조 과정에서 발생한 산소 또는 질소를 포획하여 자유층(203)으로 산소 또는 질소가 확산되는 것을 방지할 수 있다. 고정층(201)에 인접한 제1 산화물층(202)의 제1 영역(202a)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮으며, 자유층(203)에 인접한 제1 산화물층(202)의 제2 영역(202b)은 포획된 산소 또는 질소로 인해 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높을 수 있다. 또한, 제1 산화물층(202)은 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획하기 위하여 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물로 이루어질 수도 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 자기터널접합 소자(200b)는 캡핑 금속층(205), 캡핑 금속층(205) 위에 배치된 제2 산화물층(204), 제2 산화물층(204) 위에 배치된 자유층(203), 자유층(203) 위에 배치된 제1 산화물층(202), 및 제1 산화물층(202) 위에 배치된 고정층(201)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 자기터널접합 소자(200b)는 도 5에 도시된 자기터널접합 소자(200)와 적층 순서만이 다르고 나머지 구성들은 거의 유사할 수 있다.
제2 산화물층(204)은 자기터널접합 소자(200b)를 제조하는 과정에서 발생하는 산소 또는 질소를 포획하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 산화물층(204)은 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 낮은 제1 영역(204a)과 산소 또는 질소의 비율이 상대적으로 높은 제2 영역(204b)을 포함하게 될 수 있다. 제1 영역(204a)은 캡핑 금속층(205)에 인접하는 영역이고 제2 영역(204b)은 자유층(203)에 인접하는 영역이다. 자유층(203) 내의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 금속으로 형성된 캡핑 금속층(205)은 제2 산화물층(204)이 산소 또는 질소를 포획하는데 도움을 줄 수 있다.
제2 산화물층(204)이 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획할 수 있도록, 제2 산화물층(204)은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물로 이루어질 수도 있다. 또한, 제2 산화물층(204)이 산소 또는 질소를 더욱 쉽게 포획할 수 있도록 제2 산화물층(204)은 제1 영역(204a)과 제2 영역(204b) 사이에 배치된 금속층(204c)을 더 포함할 수도 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자를 포함하는 하나의 메모리 셀을 개략적으로 보인다. 도 8을 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 8에는 메모리 셀(MC)이 도 1에 도시된 자기터널접합 소자(100)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 다른 실시예들에 다른 메모리 셀(MC)은 자기터널접합 소자를 포함할 수도 있다.
도 9는 도 8에 도시된 복수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 구성을 개략적으로 보이는 회로도이다. 도 9를 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 8에 도시된 구성을 가질 수 있다.
도 9에 도시된 메모리 장치(600)는 MRAM(magnetic random access memory)일 수 있으며, 비휘발성 메모리를 사용하는 전자 장치들에 이용될 수 있다. 특히, 도 9에 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 9에는 STT-MRAM이 예시적으로 도시되었으나, 개시된 자기터널접합 소자는 SOT-MRAM에도 적용될 수 있다.
상술한 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치는 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, 100a, 100b, 200, 200a, 200b.....자기터널접합 소자
101, 201.....고정층
102, 104, 202, 204.....산화물층
103, 203.....자유층
105.....습윤층
106.....산소 또는 질소 원자
205.....캡핑 금속층
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 (28)

  1. 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속의 산소친화도는 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰, 자기터널접합 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속이 알루미늄(Al)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하며,
    상기 자유층의 비자성 금속이 몰리브덴(Mo)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Ti, Ga, Ta, Al, Zr, Sn, W, V, Nb, Cr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 자유층의 비자성 금속이 탄탈륨(Ta)이면, 상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Al, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Zn, Ga, Mo, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Ti, Ta, Al, Zr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물은 상기 자유층 내의 비자성 금속의 산화물보다 더 큰 산화물 형성 에너지를 갖는, 자기터널접합 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층에서 비자성 금속의 도핑 농도는 5 at% 내지 50 at%의 범위 내에 있는, 자기터널접합 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층은 붕소(B)를 더 포함하는, 자기터널접합 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 자유층의 붕소 농도는 5 at% 내지 50 at%의 범위 내에 있는, 자기터널접합 소자.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 산화물층은 상기 자유층으로부터 흡수된 붕소를 더 포함하는, 자기터널접합 소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 산화물층은 화학량론(stoichiometry)적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함하는, 자기터널접합 소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 산화물층은 상기 고정층에 인접한 제1 영역 및 상기 자유층에 인접한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역 내의 산소 또는 질소의 비율이 상기 제1 영역 내의 산소 또는 질소의 비율보다 높은, 자기터널접합 소자.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 산화물층은 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 금속층을 더 포함하는, 자기터널접합 소자.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 산화물층은 화학량론적으로 산소가 부족한 조성을 갖는 금속 산화물을 포함하는, 자기터널접합 소자.
  16. 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  17. 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층;
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및
    상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 캡핑 금속층은 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 금속을 포함하는, 자기터널접합 소자.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층의 자성 물질은 Fe, Co, Ni, Mn, Fe-함유 합금, Co-함유 합금, Ni-함유 합금, Mn-함유 합금 및 호이슬러 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 캡핑 금속층의 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속 X의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속이 알루미늄(Al)이면, 상기 캡핑 금속층의 금속은 Ti, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하며,
    상기 자유층의 비자성 금속이 몰리브덴(Mo)이면, 상기 캡핑 금속층의 금속은 Mg, B, Ti, Ga, Ta, Al, Zr, Sn, W, V, Nb, Cr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 자유층의 비자성 금속이 탄탈륨(Ta)이면, 상기 캡핑 금속층의 금속은 Ti, Al, Zr, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Zn, Ga, Mo, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Rh, 및 In를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 캡핑 금속층의 금속은 Ti, Ta, Al, Zr, Si, Hf, Tb, Sc, 및 Y를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  23. 제17 항에 있어서,
    상기 자유층에서 비자성 금속의 도핑 농도는 5 at% 내지 50 at%의 범위 내에 있는, 자기터널접합 소자.
  24. 제17 항에 있어서,
    상기 자유층은 붕소(B)를 더 포함하는, 자기터널접합 소자.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 제2 산화물층은 상기 자유층으로부터 흡수된 붕소를 더 포함하는, 자기터널접합 소자.
  26. 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층;
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및
    상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 자유층의 비자성 금속은 Mg, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Rh, In, Ca, Sr, Ba, Be, V, Mn, Li, Cd, Pb, Ga, 및 Mo를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고,
    상기 캡핑 금속층의 금속은 Mg, B, Fe, Co, Ni, Ru, Ir, Ti, Zn, Ga, Ta, Al, Mo, Zr, Sn, W, Sb, V, Nb, Cr, Ge, Si, Hf, Tb, Sc, Y, Ru, Rh, 및 In를 포함하는 그룹 내에서 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 높은 산소친화도를 갖는 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는, 자기터널접합 소자.
  27. 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며,
    상기 자기터널접합 소자는:
    제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층; 및
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 제2 산화물층은 금속 산화물을 포함하며,
    상기 제2 산화물층의 금속 산화물을 형성하는 금속의 산소친화도는 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰, 메모리 장치.
  28. 자기터널접합 소자 및 상기 자기터널접합 소자에 연결된 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 메모리 셀을 포함하며,
    상기 자기터널접합 소자는:
    제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 자유층;
    상기 자유층의 제1 표면에 마주하여 배치된 고정층;
    상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치된 제1 산화물층;
    상기 자유층의 제2 표면 상에 배치된 제2 산화물층; 및
    상기 제2 산화물층에 접하여 배치된 캡핑 금속층;을 포함하며,
    상기 자유층은 비자성 금속으로 도핑된 자성 물질을 포함하고,
    상기 캡핑 금속층은 상기 자유층의 비자성 금속의 산소친화도보다 큰 금속을 포함하는, 메모리 장치.
KR1020210093139A 2021-07-15 2021-07-15 자기터널접합 소자 및 자기터널접합 소자를 포함하는 메모리 장치 KR20230012370A (ko)

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