WO2015122639A1 - 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 - Google Patents

수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 Download PDF

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WO2015122639A1
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magnetic anisotropy
mtj structure
ferromagnetic
seed layer
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홍진표
이자빈
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한양대학교 산학협력단
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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy, and more particularly, to an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy having thermal stability even at high temperatures.
  • Next-generation nonvolatile memories which are attracting attention for the demand for new information storage media, include ferroelectric memory (FeRAM), magnetic memory (MRAM), resistive memory (ReRAM), and phase change memory (PRAM). These memories have their respective advantages, and research and development are being actively conducted in a way that suits their purpose.
  • FeRAM ferroelectric memory
  • MRAM magnetic memory
  • ReRAM resistive memory
  • PRAM phase change memory
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • Magnetoresistance a memory device using a quantum mechanical effect called magnetoresistance
  • It is a large-capacity memory device that can replace DRAM, which is being used.
  • GMR Giant Magneto Resistive
  • TMR Tunneling Magneto Resistive
  • the GMR element has a low MR (magnetoresistance) ratio indicating the rate of change of the magnetoresistance value as low as 10%, the read signal of the stored information is small, and ensuring the read margin is the biggest problem of realizing the MRAM.
  • MTJ magnetic tunnel junction junction
  • This MTJ element has a laminated structure of ferromagnetic layer / insulation layer / ferromagnetic layer.
  • the tunnel probability between the two ferromagnetic layers via the tunnel insulating film is maximized, and as a result, the resistance value is minimized.
  • the spin direction is reversed, the tunnel probability is minimized and the resistance value is maximized.
  • one of the ferromagnetic layers has a fixed magnetization direction and is set so as not to be affected by external magnetization.
  • the ferromagnetic layer in which the magnetization direction is fixed is called a pinned layer or pinned layer.
  • the magnetization direction is the same as or opposite to that of the fixed layer depending on the direction of the applied magnetic field.
  • the ferromagnetic layer is generally called a free layer, and is responsible for storing information.
  • the spin transfer torque recording method refers to a method of inducing magnetization reversal by directly injecting a current into a magnetic tunnel junction instead of an external magnetic field. This STT recording method is advantageous in terms of high integration since no separate external conductor is required.
  • CoFeB is a material used for magnetic tunnel junction using such perpendicular magnetic anisotropy, which was previously studied as a horizontal magnetic anisotropy material, but found a characteristic of expressing vertical magnetic anisotropy at a very thin thickness (about 1.5 nm or less). It is actively studied.
  • the diffusion of B occurs at a high temperature of 350 ° C. to 400 ° C., which is the actual heat treatment temperature, thereby reducing the interfacial properties between the CoFeB layer and the Ta layer and the perpendicular magnetic anisotropy of the CoFeB layer.
  • the structure of Ta / CoFeB / MgO has a problem that the thermal stability is very weak.
  • An object of the present invention is to provide an MTJ structure having vertical magnetic anisotropy having thermal stability at high temperature.
  • the MTJ structure includes a seed layer including a tungsten-based material, a first ferromagnetic layer having a perpendicular magnetic anisotropy and a boron-based ferromagnetic material, and a tunneling barrier layer positioned on the first ferromagnetic layer. And a second ferromagnetic layer disposed on the tunneling barrier layer and having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the thickness of the seed layer is characterized in that 1 nm to 10 nm.
  • the tungsten based material may also be W or WB.
  • the boron-based ferromagnetic material may be CoFeB.
  • the tunneling barrier layer may include at least one selected from the group consisting of MgO, Al 2 O 3 , HfO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3, and Yb 2 O 3 .
  • the crystallinity of the first ferromagnetic layer is maintained at a heat treatment temperature of 350 °C to 400 °C.
  • the tungsten-based material of the seed layer is characterized in that it has a ⁇ phase or a phase mixed with the ⁇ phase and ⁇ phase.
  • the magnetic device may include a plurality of digit lines, a plurality of bit lines crossing the top of the digit lines, and the above-described MTJ structure interposed between the digit line and the bit line.
  • the tungsten-based material as the seed layer material, it is possible to prevent the problem that the crystallinity of the first ferromagnetic layer is maintained and the perpendicular magnetic anisotropy is reduced even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an MTJ structure according to a comparative example.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the MTJ structure according to the preparation example.
  • FIGS. 4 are graphs showing magnetic properties before and after heat treatment of an MTJ structure according to a comparative example.
  • Figure 5 is a graph showing the magnetic properties before the heat treatment of the MTJ structure according to the preparation example.
  • Figure 6 is a graph showing the magnetic properties after the heat treatment of the MTJ structure 350 °C according to the preparation example.
  • Figure 7 is a graph showing the magnetic properties after the MTJ structure 400 °C heat treatment according to the preparation example.
  • FIG 8 is an XRD graph of seed layers measured after 350 ° C. heat treatment of MTJ structures prepared by varying the thickness of the seed layer according to the preparation example.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
  • a / B / C multilayer structure used in the present invention means a structure in which the B layer and the C layer is also located on the A layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
  • the MTJ structure includes a substrate 100, a seed layer 200, a first ferromagnetic layer 300, a tunneling barrier layer 400, a second ferromagnetic layer 500, and a capping layer 600. do.
  • the substrate 100 may use a substrate of various known materials.
  • a substrate 100 may be implemented as a silicon substrate.
  • the substrate 100 may be implemented as an electrode.
  • the substrate 100 may be omitted.
  • the seed layer 200 is located on the substrate 100.
  • the seed layer 200 may include a tungsten (W) based material.
  • the tungsten (W) -based material has better crystallinity and lower solid solubility for boron (B) than the Ta material, which is a near-amorphous polycrystal that has been used as a seed layer material. Therefore, even at a high heat treatment temperature, the problem of crystallinity reduction due to material diffusion between the seed layer 200 and the first ferromagnetic layer 300 to be described later may be minimized.
  • the thickness of the seed layer 200 is characterized in that 1 nm to 10 nm. If the thickness of the seed layer 200 is less than 1 nm, there is a problem that the magnetic properties are not expressed. This is because the crystal structure of the seed layer deposited too thin is not properly formed.
  • the thickness of the seed layer 200 exceeds 10 nm, there is a problem in that the perpendicular magnetic anisotropy does not appear. This is because the seed layer, which is different from the ferromagnetic layer and the preference decision direction, becomes too thick, and thus does not have the preferred decision direction of the ferromagnetic layer.
  • the tungsten (W) used as the seed layer 200 material is a ⁇ -phase tungsten or a phase ( ⁇ / ⁇ mixed phase) in which ⁇ -phase and ⁇ -phase are mixed. desirable.
  • Tungsten has ⁇ phase tungsten and ⁇ phase tungsten.
  • ⁇ -phase tungsten is pure metallic W, has a bcc (110) structure, and the lattice constant (a) is 3.165 ⁇ .
  • ⁇ -phase tungsten has an A 3 B form such as W 3 W, W 3 O, and WO 3 , has an A15 structure, and the lattice constant a is 5.05 GPa.
  • an amorphous seed layer material is required for the CoFeB magnetic layer to exhibit perpendicular magnetic anisotropy.
  • bcc a proper crystal structure of CoFeB
  • the CoFeB layer formed on the ⁇ -phase tungsten has a bcc (001) crystal structure not only after heat treatment but also at the time of film formation. There is a possibility of having a crystal structure.
  • the CoFeB layer is deposited on the ⁇ -phase tungsten, the CoFeB layer is amorphous due to the discontinuity of the crystal structure, and then the possibility of having a bcc (001) crystal structure is increased by heat treatment. Therefore, it is more preferable to use ⁇ -phase tungsten as the seed layer 200 material than the ⁇ -phase tungsten.
  • the tungsten-based material of the seed layer 200 is characterized in that it has a ⁇ phase or a phase mixed with the ⁇ phase and ⁇ phase.
  • the tungsten-based material of the seed layer 200 has an ⁇ phase.
  • the seed layer 200 After heat treatment, the phase transition of ⁇ -phase tungsten to ⁇ -phase tungsten occurs.
  • phase transition to ⁇ phase does not occur when the thickness of the tungsten seed layer 200 is 10 nm or less, and ⁇ phase or ⁇ / ⁇ maintains the mixed phase and exhibits PMA characteristics.
  • the thickness of the tungsten seed layer 200 exceeds 10 nm, phase transition occurs in the ⁇ phase, and the PMA characteristics do not appear.
  • the seed layer 200 may be formed through a conventional deposition method. For example, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or solution processing are possible.
  • the first ferromagnetic layer 300 is located on the seed layer 200.
  • the first ferromagnetic layer 300 includes boron (B) -based ferromagnetic material and has perpendicular magnetic anisotropy.
  • B boron
  • such boron-based ferromagnetic material may be CoFeB.
  • the first ferromagnetic layer 300 including CoFeB may be formed to a thickness of 1.5 nm or less in order to have perpendicular magnetic anisotropy.
  • the first ferromagnetic layer 300 may be formed through a conventional deposition method. For example, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or solution processing are possible.
  • the first ferromagnetic layer 300 may already have perpendicular magnetic anisotropy at the time of forming the layer, but may also have vertical magnetic anisotropy through heat treatment or the like after the formation of the layer.
  • the first ferromagnetic layer 300 may be a pinned layer or a free layer.
  • the pinned layer is set so that the magnetization direction is fixed and is not affected by external magnetization.
  • the free layer serves to store information by allowing the magnetization direction to be the same as or opposite to the magnetization direction of the fixed layer according to the direction of the applied magnetic field.
  • the tunneling barrier layer 400 is located on this first ferromagnetic layer 300. That is, the tunneling barrier layer 400 is interposed between the first ferromagnetic layer 300 and the second ferromagnetic layer 500 described later.
  • any material of the tunneling barrier layer 400 may be any insulating material.
  • the insulating material may be at least one selected from the group consisting of MgO, Al 2 O 3 , HfO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3, and Yb 2 O 3 .
  • the tunneling barrier layer 400 may be an MgO layer.
  • the tunneling barrier layer 400 may be formed through a conventional deposition method. For example, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or solution processing are possible.
  • the second ferromagnetic layer 500 is located on the tunneling barrier layer 400. If the first ferromagnetic layer 300 is a fixed layer, the second ferromagnetic layer 500 is a free layer, and if the first ferromagnetic layer 300 is a free layer, the second ferromagnetic layer 500 will be a fixed layer. .
  • the second ferromagnetic layer 500 has a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy as a main element. Therefore, the second ferromagnetic layer 500 is selected from the group selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta, and mixtures thereof to have perpendicular magnetic anisotropy. It may include at least one.
  • the second ferromagnetic layer 500 may include CoFeB.
  • the CoFeB layer may be set to a thin thickness in order to have a perpendicular magnetic anisotropy.
  • the thickness of the CoFeB layer may be set to 1.5 nm or less.
  • the second ferromagnetic layer 500 may be formed through a conventional deposition method. For example, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or solution processing are possible.
  • the second ferromagnetic layer 500 may already have perpendicular magnetic anisotropy at the time of forming the layer, but may have vertical magnetic anisotropy through heat treatment or the like after the formation of the layer.
  • the capping layer 600 is positioned on the second ferromagnetic layer 500.
  • the capping layer 600 functions as a protective layer and protects the second ferromagnetic layer 500 from being oxidized.
  • the capping layer 600 may be omitted in some cases.
  • Such a magnetic element may include a plurality of digit lines, a plurality of bit lines across the top of the digit lines, and a magnetic tunnel junction interposed between the digit line and the bit line.
  • the magnetic tunnel junction at this time is a seed layer comprising a tungsten-based material, located on this seed layer, a first ferromagnetic layer containing boron-based ferromagnetic material and having perpendicular magnetic anisotropy, located on the first ferromagnetic layer. And a tunneling barrier layer and a second ferromagnetic layer located on the tunneling barrier layer and having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the thickness of the seed layer is characterized in that 1 nm to 10 nm.
  • the magnetic tunnel junction is the magnetic tunnel junction described above with reference to FIG. 1, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the crystallinity of the first ferromagnetic layer can be maintained even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C, and the problem of decreasing the perpendicular magnetic anisotropy can be prevented. .
  • a Ta seed layer / first ferromagnetic layer / tunneling barrier layer / cap layer structure was prepared.
  • the step of forming the second ferromagnetic layer on the tunneling barrier layer was omitted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an MTJ structure according to a comparative example.
  • an MTJ structure was prepared in which a Ta seed layer having a thickness of 5 nm, a CoFeB layer having a thickness of 1.2 nm, a MgO layer having a thickness of 2 nm, and a Ta cap layer having a thickness of 3 nm were sequentially stacked on a substrate.
  • W seed layer / first ferromagnetic layer / tunneling barrier layer / cap layer structure was prepared as the MTJ structure having perpendicular magnetic anisotropy using W material as the seed layer material.
  • the step of forming the second ferromagnetic layer on the tunneling barrier layer was omitted.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the MTJ structure according to the preparation example.
  • MTJ structures in which W seed layers of various thicknesses (X nm), a CoFeB layer of 1.2 nm thickness, a MgO layer of 2 nm thickness, and a Ta cap layer of 3 nm thickness were stacked in this order were prepared.
  • the thickness of the W seed layer (t w ), was prepared by setting to 1.9 nm, 3.7 nm, 5.6 nm, 10.0 nm and 18.0 nm, respectively.
  • the magnetic properties of the MTJ structure according to the comparative example before and after the heat treatment were analyzed.
  • FIGS. 4 are graphs showing magnetic properties before and after heat treatment of an MTJ structure according to a comparative example.
  • FIG. 4 it can be seen that the horizontal magnetic anisotropy property is observed when not subjected to heat treatment (as-deposited), and the vertical magnetic anisotropy property is performed when the heat treatment is performed at 250 ° C. and when the heat treatment is performed at 300 ° C.
  • FIG. 4 it can be seen that the horizontal magnetic anisotropy property is observed when not subjected to heat treatment (as-deposited), and the vertical magnetic anisotropy property is performed when the heat treatment is performed at 250 ° C. and when the heat treatment is performed at 300 ° C.
  • the magnetic properties of the MTJ structure according to the preparation example were as-deposited and after heat treatment at 350 ° C. and 400 ° C.
  • Figure 5 is a graph showing the magnetic properties before the heat treatment of the MTJ structure according to the preparation example.
  • Figure 6 is a graph showing the magnetic properties after the heat treatment of the MTJ structure 350 °C according to the preparation example.
  • Figure 7 is a graph showing the magnetic properties after the MTJ structure 400 °C heat treatment according to the preparation example.
  • the thickness of the W seed layer is 1.9 nm, 3.7 nm, 5.6 nm, 10 nm, and 18.0 nm, it can be seen that the horizontal magnetic anisotropy is exhibited.
  • the thickness of the W seed layer is 10.0 nm
  • the perpendicular magnetic anisotropy was maintained at 350 ° C. heat treatment, and the vertical magnetic anisotropy property began to collapse at 400 ° C. heat treatment.
  • the perpendicular magnetic anisotropy property collapses at both 350 ° C. and 400 ° C. heat treatment temperatures, and exhibits horizontal magnetic anisotropy.
  • FIG 8 is an XRD graph of seed layers measured after 350 ° C. heat treatment of MTJ structures prepared by varying the thickness of the seed layer according to the preparation example.
  • FIG. 8 (a) is an XRD graph when the thickness of the seed layer is 3.7 nm and 5.6 nm
  • FIG. 8 (b) is an XRD graph when the thickness of the seed layer is 10 nm and 18 nm.
  • the tungsten-based material as the seed layer material, it is possible to prevent the problem that the crystallinity of the first ferromagnetic layer is maintained and the perpendicular magnetic anisotropy is reduced even at a high temperature of 350 ° C to 400 ° C.
  • substrate 200 seed layer
  • first ferromagnetic layer 400 tunneling barrier layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 텅스텐 계열 물질을 포함하는 씨앗층, 이러한 씨앗층 상에 위치하며, 보론 계열 물질을 포함하면서 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 이러한 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 이러한 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하되, 이때의 씨앗층의 두께는 1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 한다. 따라서, 씨앗층 물질로 텅스텐 계열 물질을 이용함으로써, 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지하여 열적 안정성이 향상된 MTJ 구조를 제공할 수 있다.

Description

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조
본 발명은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고온에서도 열적 안정성을 갖는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것이다.
새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.
GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층의 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.
한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 자기터널접합Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자가 알려져 있다.
이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.
이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀드층(Pinned layer)이라 한다.
다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이때의 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.
MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.
한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.
특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
스핀전달토크형 기록방식은 외부 자기장이 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 방식을 말한다. 이러한 STT 기록방식은 별도의 외부 도선이 필요없어 고집적화에 유리한 특징이 있다.
이러한 수직자기이방성을 이용한 자기터널접합에 사용되는 물질로써 CoFeB를 들 수 있는데, 이는 종래에는 수평자기이방성 물질로 연구되었으나, 매우 얇은 두께(약 1.5 nm 이하)에서 수직자기이방성을 발현하는 특성이 발견되어 활발히 연구되고 있다.
현재까지 알려진 바로는 이러한 CoFeB에서 수직자기이방성을 발현시키기 위해서는 Ta/CoFeB/MgO의 구조를 가지는 접합이 필요하다.
이러한 구조의 경우, 실제 공정상 열처리 온도인 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서, B의 확산이 일어나게 되고, 그로 인해 CoFeB층과 Ta층 사이의 계면 특성 및 CoFeB층의 수직자기이방성이 감소할 수 있는 문제점이 있다. 즉, Ta/CoFeB/MgO의 구조는 열적안정성이 매우 취약한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온에서 열적 안정성을 갖는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 이러한 MTJ 구조는 텅스텐 계열 물질을 포함하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하며, 보론 계열 강자성 물질을 포함하면서 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 이때의 씨앗층의 두께는 1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 텅스텐 계열 물질은 W 또는 WB일 수 있다.
또한, 보론 계열 강자성 물질은 CoFeB일 수 있다.
또한, 터널링 배리어층은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도에서 상기 제1 강자성층의 결정성이 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도를 수행한 후에, 상기 씨앗층의 텅스텐 계열 물질은 β상 또는 α상과 β상이 혼합된 상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 상술한 MTJ 구조를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 씨앗층 물질로 텅스텐 계열 물질을 이용함으로써, 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.
따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 비교예에 따른 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 제조예에 따른 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 MTJ 구조를 열처리한 전, 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5는 제조예에 따른 MTJ 구조를 열처리 전의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 6은 제조예에 따른 MTJ 구조를 350 ℃ 열처리한 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 7은 제조예에 따른 MTJ 구조를 400 ℃ 열처리한 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 8은 제조예에 따라 씨앗층의 두께를 다르게 하여 제조된 MTJ 구조들을 350 ℃ 열처리한 후에 씨앗층을 측정한 XRD 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "A/B/C 다층구조"는 A층 상에 B층 및 C층이 차례도 위치하는 구조를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, MTJ 구조는 기판(100), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400), 제2 강자성층(500) 및 캡핑층(600)을 포함한다.
기판(100)은 공지된 다양한 물질의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기판(100)은 실리콘 기판으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 기판(100)은 전극으로 구현될 수도 있다. 한편, 경우에 따라, 이러한 기판(100)은 생략될 수 있다.
씨앗층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 이러한 씨앗층(200)은 텅스텐(W) 계열 물질을 포함할 수 있다.
이러한 텅스텐(W) 계열 물질은 종래에 씨앗층 물질로 사용되었던 비정질에 가까운 다결정인 Ta 물질에 비해 결정성이 좋으며, 보론(B)에 대한 고체용해도 낮다. 따라서, 높은 열처리 온도에서도 씨앗층(200)과 후술하는 제1 강자성층(300) 간의 물질 확산에 따른 결정성 감소의 문제를 최소화할 수 있다.
이때의 씨앗층(200)의 두께는 1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 한다. 만일 씨앗층(200)의 두께가 1 nm 미만인 경우, 자성특성이 발현되지 않는 문제점이 있다. 이는 지나치게 얇게 증착된 씨앗층의 결정 구조가 제대로 형성되지 않은 이유 때문이다.
또한, 만일 씨앗층(200)의 두께가 10 nm를 초과하는 경우, 수직자기이방성 특성이 나타나지 않는 문제점이 있다. 이는 강자성층과 선호결정방향이 다른 씨앗층이 지나치게 두꺼워짐으로 인해 강자성층 본연의 선호결정방향을 가지지 못하는 이유 때문이다.
한편, 씨앗층(200) 물질로 사용된 텅스텐(W)은 β상(β-phase) 텅스텐 또는 α상(α-phase)과 β상이 혼합된 상(α/β 혼합된 상)을 사용하는 것이 바람직하다.
텅스텐은 α상 텅스텐과 β상 텅스텐이 존재한다. α상 텅스텐은 pure metallic W이고, bcc(110) 구조이며, 격자상수(a)는 3.165 Å이다. 또한, β상 텅스텐은 W3W, W3O, WO3와 같은 A3B 형태이고, A15 구조(structure)이며, 격자상수(a)는 5.05 Å이다.
통상적으로 CoFeB 자성층이 수직자기이방성을 나타내기 위해서는 비정질 씨앗층 물질이 필요하다고 알려져 있다. 비정질 씨앗층 상에 비정질 CoFeB 이 성막된 후, 열처리를 통하여 CoFeB 본연의 적절한 결정구조인 bcc(001) 를 갖게 되는 것이 바람직하다. 이러한 씨앗층으로써 α상 텅스텐을 사용하게 될 경우, α상 텅스텐 상에 성막되는 CoFeB 층은 열처리 후뿐만 아니라 성막 당시부터 bcc(001) 결정구조를 가지지 못하고 α상 텅스텐의 결정구조를 따라 bcc(110) 결정구조를 가지게 될 가능성이 존재한다. 반면에 β상 텅스텐 상에 CoFeB 층을 성막하게 될 경우 결정구조의 불연속성으로 인해 CoFeB 층은 비정질로 성막되고, 그 후 열처리에 의해 bcc(001) 결정구조를 가질 가능성이 높아지게 된다. 따라서, α상 텅스텐에 비하여 β상 텅스텐이 상기와 같은 이유로 씨앗층(200) 물질로 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도를 수행한 후에, 상기 씨앗층(200)의 텅스텐 계열 물질은 β상 또는 α상과 β상이 혼합된 상을 갖는 것을 특징으로 한다.
이는 씨앗층(200)의 두께가 10 nm 이하인 경우, 후술하는 실험예 3에서와 같이 α상으로의 상전이가 일어나지 않기 때문이다.
만일, 씨앗층(200)의 두께가 10 nm를 초과하는 경우, 350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도에서, 상기 씨앗층(200)의 텅스텐 계열 물질은 α상을 갖게 된다. 예컨대, 박막 상태의 씨앗층(200) 물질로 β상 또는 α/β 혼합된 상을 갖는 텅스텐을 사용할 경우, 씨앗층(200)의 두께가 임계 두께인 10 nm를 초과하는 경우, 200 ℃ 부근의 열처리를 거치면 β상 텅스텐이 α상 텅스텐으로 상전이가 일어나게 된다.
따라서, 실제 공정상 열처리 온도인 350 ℃ 내지 400 ℃의 온도를 거칠 경우, 텅스텐 계열의 씨앗층(200)의 두께가 10 nm 이하의 경우에는 α 상으로의 상전이는 일어나지 않고, β상 또는 α/β 혼합된 상을 유지하며, PMA 특성을 보인다. 그러나, 텅스텐 계열의 씨앗층(200)의 두께가 10 nm를 초과하는 경우 α상으로 상전이가 일어나며, PMA 특성이 나타나지 않게 된다.
이러한 씨앗층(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
제1 강자성층(300)은 씨앗층(200) 상에 위치한다. 이러한 제1 강자성층(300)은 보론(B) 계열 강자성 물질을 포함하면서 수직자기이방성을 갖는다. 예를 들어, 이러한 보론 계열 강자성 물질은 CoFeB일 수 있다.
이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 제1 강자성층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
한편, 이러한 제1 강자성층(300)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
이러한 제1 강자성층(300)은 고정층 또는 자유층일 수 있다.
고정층은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다.
자유층은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
터널링 배리어층(400)은 이러한 제1 강자성층(300) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(400)은 제1 강자성층(300)과 후술하는 제2 강자성층(500) 사이에 개재된다.
따라서, 이러한 터널링 배리어층(400)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다.
예를 들어, 이러한 절연물질은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게 터널링 배리어층(400)은 MgO층일 수 있다.
이러한 터널링 배리어층(400)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
제2 강자성층(500)은 터널링 배리어층(400) 상에 위치한다. 만일, 제1 강자성층(300)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(500)은 자유층이고, 제1 강자성층(300)이 자유층인 경우, 제2 강자성층(500)은 고정층일 것이다.
이 때의 제2 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제2 강자성층(500)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB층은 수직자기이방성을 갖기 위하여 얇은 두께로 설정될 수 있다. 예를 들어, 수직자기이방성을 갖기 위하여 CoFeB층의 두께는 1.5 nm 이하로 설정될 수 있다.
이러한 제2 강자성층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
한편, 이러한 제2 강자성층(500)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
캡핑층(600)은 제2 강자성층(500) 상에 위치한다. 이러한 캡핑층(600)은 보호층으로서 기능하며, 제2 강자성층(500)이 산화되는 것을 보호한다. 이러한 캡핑층(600)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 설명한다.
이러한 자성소자는 복수개의 디짓 라인들, 이러한 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들 및 디짓 라인과 비트 라인 사이에 개재된 자기 터널 접합을 포함할 수 있다.
이 때의 자기 터널 접합은 텅스텐 계열 물질을 포함하는 씨앗층, 이러한 씨앗층 상에 위치하며, 보론 계열 강자성 물질을 포함하면서 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 이러한 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 이러한 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다. 이때의 씨앗층의 두께는 1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 한다.
이러한 자기 터널 접합은 도 1을 참조하여 상술한 자기 터널 접합으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에 따르면, MTJ 구조의 씨앗층 물질로 텅스텐 계열 물질을 이용함으로써, 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.
따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
비교예
씨앗층 물질로 Ta 물질을 사용한 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조로서, Ta 씨앗층/제1 강자성층/터널링 배리어층/캡층 구조를 제조하였다. 이때, 실험 편의상, 터널링 배리어층 상에 제2 강자성층을 형성하는 단계는 생략하고 제조하였다.
도 2는 비교예에 따른 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판 상에 5 nm 두께의 Ta 씨앗층, 1.2 nm 두께의 CoFeB층, 2 nm 두께의 MgO층 및 3 nm 두께의 Ta 캡층을 차례로 적층한 MTJ 구조를 제조하였다.
제조예
씨앗층 물질로 W 물질을 사용한 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조로서, W 씨앗층/제1 강자성층/터널링 배리어층/캡층 구조를 제조하였다. 이때 실험 편의상, 터널링 배리어층 상에 제2 강자성층을 형성하는 단계는 생략하고 제조하였다.
도 3은 제조예에 따른 MTJ 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판 상에 다양한 두께(X nm)의 W 씨앗층, 1.2 nm 두께의 CoFeB층, 2 nm 두께의 MgO층 및 3 nm 두께의 Ta 캡층을 차례로 적층한 MTJ 구조들을 제조하였다.
이때, W 씨앗층의 두께(tw)로, 1.9 nm, 3.7 nm, 5.6 nm, 10.0 nm 및 18.0 nm 로 설정하여 각각 제조하였다.
실험예 1
비교예에 따른 MTJ 구조를 열처리 전, 후의 자성특성을 분석하였다.
도 4는 비교예에 따른 MTJ 구조를 열처리한 전, 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 4를 참조하면, 열처리 하지 않은 경우(as-deposited) 수평자기이방성 특성이 보이고, 250 ℃ 열처리한 경우 및 300 ℃ 열처리 한 경우 수직자기이방성 특성이 나타남을 알 수 있다.
그러나, 350 ℃에서 열처리를 진행한 경우, 수직자기이방성 특성이 무너지는 경향을 보임을 알 수 있다.
실험예 2
제조예에 따른 MTJ 구조를 열처리 전(as-deposited)과 350 ℃ 및 400 ℃ 열처리 한 후의 자성특성을 분석하였다.
도 5는 제조예에 따른 MTJ 구조를 열처리 전의 자성특성을 나타낸 그래프들이다. 도 6은 제조예에 따른 MTJ 구조를 350 ℃ 열처리한 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다. 도 7은 제조예에 따른 MTJ 구조를 400 ℃ 열처리한 후의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5를 참조하면, 열처리 전의 경우, W 씨앗층의 두께가 1.9 nm, 3.7 nm, 5.6 nm, 10 nm 및 18.0 nm 인 경우, 모두 수평자기이방성 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 350 ℃ 및 400 ℃ 열처리를 진행한 경우, W 씨앗층의 두께가 1.9 nm, 3.7 nm 및 5.6 nm인 경우, 수직자기이방성 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
한편, W 씨앗층의 두께가 10.0 nm 인 경우, 350 ℃ 열처리에서는 수직자기이방성 특성을 유지하였고, 400 ℃ 열처리에서는 수직자기이방성 특성이 무너지기 시작함을 알 수 있다.
또한, W 씨앗층의 두께가 18.0 nm 인 경우 350 ℃ 및 400 ℃ 열처리 온도에서 모두 수직자기이방성 특성이 무너지고, 수평자기이방성 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
실험예 3
도 8은 제조예에 따라 씨앗층의 두께를 다르게 하여 제조된 MTJ 구조들을 350 ℃ 열처리한 후에 씨앗층을 측정한 XRD 그래프이다.
도 8(a)는 씨앗층의 두께가 3.7 nm 및 5.6 nm인 경우의 XRD 그래프이고, 도 8(b)는 씨앗층의 두께가 10 nm 및 18 nm인 경우의 XRD 그래프이다.
도 8(a)를 참조하면, 350 ℃ 열처리를 거친 후에도 PMA 특성을 보이는 10 nm 미만의 두께의 씨앗층을 갖는 샘플들의 경우, α상과 β상이 혼합된 상(α-/β- mixed phase)의 XRD peak를 보여주고 있다.
이와 달리, 도 8(b)를 참조하면, 350 ℃ 열처리를 거친 후에 PMA 특성이 사라지는 18 nm의 두께의 씨앗층을 갖는 샘플의 경우, 확연한 α상(α- phase)의 XRD peak를 보여주고 있다.
본 발명에 따르면, 씨앗층 물질로 텅스텐 계열 물질을 이용함으로써, 350 ℃ 내지 400 ℃의 고온에서도 제1 강자성층의 결정성이 유지되고, 수직자기이방성이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.
따라서, 고온에서도 열적 안정성이 향상된 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
[부호의 설명]
100: 기판 200: 씨앗층
300: 제1 강자성층 400: 터널링 배리어층
500: 제2 강자성층 600: 캡핑층

Claims (7)

  1. 텅스텐 계열 물질을 포함하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하며, 보론 계열 강자성 물질을 포함하면서 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하되,
    상기 씨앗층의 두께는 1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐 계열 물질은 W 또는 WB인 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보론 계열 강자성 물질은 CoFeB인 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 터널링 배리어층은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도를 수행한 후에도 상기 제1 강자성층의 수직자기이방성이 유지되는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    350 ℃ 내지 400 ℃의 열처리 온도를 수행한 후에, 상기 씨앗층의 텅스텐 계열 물질은 β상 또는 α상과 β상이 혼합된 상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  7. 복수개의 디짓 라인들;
    상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들; 및
    상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 MTJ 구조를 포함하는 자성소자.
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