WO2018236121A1 - 이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자 - Google Patents

이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자 Download PDF

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임상호
권형근
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic tunnel junction device, and more particularly, to a magnetic tunnel junction device having a magnetic layer in an easy-to-cone state.
  • Perpendicular magnetic anisotropy is a very important property that is directly related to the high thermal stability characteristics that are important for high integration of magnetic memories (MRAM) and data retention.
  • the perpendicular magnetic anisotropy can be expressed by the bulk intrinsic properties or interface of the thin film.
  • Rare earth-3d Transition metal amorphous alloys, multilayer thin films such as CoPd and CoPt, and intermetallic compounds such as FePt and CoPt having L1 0 structure have been studied to date on perpendicular magnetic anisotropy in various materials.
  • rare-earth-3d transition metal amorphous alloys and CoPt (Pd) multilayer thin films do not have sufficient PMA energy density and degrade PMA properties at relatively low subsequent-heat treatment temperatures.
  • intermetallic compounds such as FePt and CoPt having the L1 0 structure have a large PMA energy density and excellent after-heat treatment stability.
  • it is also not suitable for magnetic memory device fabrication processes because very high process temperature conditions of 600 degrees Celsius or more are required to form a high long-range order of intermetallic compounds. Therefore, a heavy metal layer-magnetic layer-insulation layer three-layer thin film based on Co or CoFeB alloy is widely used because it is easy to manufacture, has excellent post-annealing stability and has a high PMA energy density.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of a three-layered thin film at the nanometer level which is mainly used in magnetic memory applications, is generally known to have a large contribution by interfacial characteristics. Therefore, the characteristics of the PMA of the three-layered thin film are determined by the state of the interface. Heavy Metal Layer-Magnetic Layer-Insulating Layer In the three-layered thin film, the PMA energy density may be greatly reduced due to the interfacial roughness or oxidation of the magnetic layer which occurs during the sputtering process.
  • the PMA in the three layers of heavy metal layer-magnetic layer-insulating layer can also be described as the sum of the two components.
  • PMA includes a first-order PMA and a second-order PMA.
  • the easy axis of the magnetic thin film is in-plane, out-of-plane, and easy-cone )
  • the direction of easy magnetization can be controlled by controlling the interface state and the thickness of the magnetic layer.
  • a first problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic tunnel junction including a magnetic layer in an esay-cone state, a heavy metal layer which maintains a characteristic without structural collapse at a large PMA energy density and a high temperature post- - magnetic layer - insulating layer.
  • a second problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a three-layer thin film based on the heavy metal layer, the magnetic layer and the insulating layer in order to realize a magnetic tunnel junction including a magnetic layer in an esay-cone state .
  • a magnetic tunnel junction device includes a heavy metal layer, a free magnetic layer disposed on the heavy metal layer, and a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer.
  • the free magnetic layer is made of platinum
  • the free magnetic layer is cobalt (Co)
  • the magnetization state of the free magnetic layer has a cone state
  • the free magnetic layer has a positive first perpendicular magnetic anisotropy constant and negative second perpendicular
  • the tunnel insulating layer may have a magnetic anisotropy constant, and the tunnel insulating layer may be MgO.
  • the thickness of the free magnetic layer is in the range of 1.4 nm to 1.8 nm, the magnetization of the free magnetic layer is aligned in the in-plane direction at the same time as the deposition and the magnetization of the free magnetic layer is controlled by the heat- Lt; / RTI >
  • a magnetic tunnel junction device includes a heavy metal layer, a free magnetic layer disposed on the heavy metal layer, and a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer.
  • the method for manufacturing a magnetic tunnel junction device includes depositing the seed layer, the heavy metal layer, and the free magnetic layer sequentially by DC sputtering, depositing a tunnel insulating layer on the free magnetic layer using RF sputtering, Fabricating a plurality of samples according to the thickness of the free magnetic layer; Measuring a first perpendicular magnetic anisotropy constant and a second perpendicular magnetic anisotropy constant for each sample according to a thickness of the free magnetic layer and confirming an easy-cone state; And, if the samples do not satisfy the e-cone condition, increasing the subsequent heat treatment temperature or increasing the RF sputtering of the tunnel insulating layer to prepare the sample again; And when the samples satisfy the eutectic state, the magnetic tunnel junction element is fabricated with the thickness of the
  • the subsequent heat treatment temperature may be between 275 and 400 degrees Celsius.
  • the power of the RF sputtering for depositing the tunnel insulating layer may be 1.10 W / cm 2 or more.
  • the thickness of the free magnetic layer may be 1.4 nm to 1.8 nm.
  • the insulating layer when the insulating layer is deposited on the magnetic layer by the sputtering method, oxidation of the magnetic layer under the insulating layer inevitably occurs. Considering that the thickness of the magnetic layer is only a few nanometers, the sputtering deposition of the insulating layer can be a fatal disadvantage that can promote deterioration of PMA characteristics.
  • the PMA characteristics occurring at the interface between the heavy metal layer and the magnetic layer or between the magnetic layer and the insulating layer can be controlled by controlling the sputtering power of the insulating layer, the subsequent heat treatment, or the thickness of the magnetic layer.
  • the thermal stability characteristics are greatly improved by controlling the sputtering power of the insulating layer, the post-heat treatment temperature, and the thickness of the magnetic layer, or by manufacturing a magnetic layer having an easy- The magnetization reversal speed due to the spin torque can be greatly improved.
  • FIG. 1 is a phase diagram of a magnetic layer displayed at coordinates of a first-order vertical magnetic anisotropy constant and a second-order perpendicular anisotropy constant.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of samples according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of Pt / Co (0.6 nm) / MgO (2.0 nm) which is a three-layer structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a normalized magnetization value (M / M s ) - applied magnetic field (H) hysteresis curve for Pt / Co (0.6 nm) / MgO (2.0 nm) according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the M s t Co - Co and the Pt / Co ( t Co ) / MgO ( P MgO , t MgO ) t Co graph.
  • FIG. 6 is a graph showing a PMA energy density ( K eff ) according to t Co for Pt / Co (t Co ) / MgO (P MgO , t MgO ) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing RF sputtering power of the tunnel insulating layer according to an embodiment of the present invention and second vertical magnetic anisotropy constant according to the subsequent heat treatment.
  • FIG. 8 is a phase diagram represented by a first vertical magnetic anisotropy constant and a second vertical magnetic anisotropy constant according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention can be applied to a spin transfer torque MRAM (STT-MRAM).
  • the magnetic tunnel junction includes a heavy metal layer, a free magnetic layer disposed on the heavy metal layer, a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer, and a stationary magnetic layer disposed on the tunnel insulating layer.
  • the free magnetic layer has an e-cone state.
  • the pinned magnetic layer is vertically magnetized, and the free magnetic layer has an eccentric state with a polar angle ([theta] E ).
  • the incubation time for controlling the switching time tsw of the STT-MRAM can be effectively reduced.
  • the switching current density Jsw can be reduced.
  • the tunneling magnetoresistance (TMR) may decrease and the read-out efficiency may decrease.
  • TMR tunneling magnetoresistance
  • Cos? Is an angle of magnetization vector between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer.
  • ⁇ E ⁇ 20 °
  • the decrease in ⁇ TMR is at a slight level.
  • the thermal stability ( ⁇ ) of the STT-MRAM is maintained at a conventional level, while the switching current density (Jsw) is reduced by 22% and the switching time (tsw) by 56% .
  • this characteristic improvement provides a reduction of TMR of only 8%. Therefore, a structure and a method for providing a cone state to the free magnetic layer while having a vertically magnetized state are required for the pinned magnetic layer.
  • the free magnetic layer has a positive first order perpendicular magnetic anisotropy constant (K 1 eff ) negative second order perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ).
  • K 1 eff positive first order perpendicular magnetic anisotropy constant
  • K 2 second order perpendicular magnetic anisotropy constant
  • FIG. 1 is a phase diagram of a magnetic layer displayed at coordinates of a first-order vertical magnetic anisotropy constant and a second-order perpendicular anisotropy constant.
  • the magnetic thin film includes a first-order PMA (K 1 eff ) and a second-order PMA (K 2 ).
  • the direction of easy magnetization can be controlled by controlling the interface state and the thickness of the magnetic layer.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of samples according to an embodiment of the present invention.
  • the first sample 11 has a structure of Si substrate / Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co ( tco ) / MgO (2 nm) / Ta (3 nm).
  • the thickness of the magnetic layer of cobalt (t co) is 0.6nm to 2.0nm.
  • Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co (t co ) are sequentially deposited by DC sputtering.
  • MgO (2 nm) is deposited via RF sputtering and the RF sputtering power is 4.39 W / cm < 2 >.
  • the second sample 12 has a structure of Si substrate / Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co ( tco ) / MgO (2 nm) / Ta (3 nm).
  • the thickness of the magnetic layer of cobalt (t co) is 0.6nm to 2.0nm.
  • Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co (t co ) are sequentially deposited by DC sputtering.
  • MgO (2 nm) is deposited via RF sputtering and the RF sputtering power is 1.109 W / cm 2 .
  • the third sample 13 has a structure of Si substrate / Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co ( tco ) / Cu (2 nm) / Ta (3 nm).
  • the thickness ( tco ) of the cobalt magnetic layer is 1 nm to 2.0 nm.
  • Ta (5 nm) / Pt (5 nm) / Co (t co ) / Cu (2 nm) / Ta (3 nm) are sequentially deposited by DC sputtering.
  • the Si substrate 110 is a wet-oxidation Si / SiO2 substrate.
  • a seed layer 120 of Ta (5.0 nm) is formed on the Si substrate, and then a heavy metal layer 130 of Pt (5.0 nm) is formed.
  • the thickness (t Co ) of the magnetic layer 140 was changed on the heavy metal layer.
  • a tunnel insulating layer 150 is disposed on the free magnetic layer 140, and MgO is used for the tunnel insulating layer.
  • the tunnel insulating layer was deposited according to RF sputtering power variation (P MgO ).
  • a protective layer 180 of Ta (3.0 nm) is formed on the top to prevent further oxidation.
  • Each layer was deposited via a magnetron sputter deposition method.
  • the base pressure of the chamber was 5 ⁇ 10 -8 Torr and the deposition was performed at 1 or 2 ⁇ 10 -3 Torr through Ar gas injection.
  • all the layers were formed in a non-vacuum state (in-situ), and each layer was deposited with a single target (Ta, Pt, Co, MgO).
  • the seed layer 120 may include Ta, Ta / Ru, Ta / Pt / Ru, Ta and / or a single layer or multiple layers capable of controlling the surface roughness.
  • the interfacial roughness can be minimized at the optimum Ta thickness.
  • the free magnetic layer 140 may include Fe, which is a single material, or CoFeB, which is an alloy, in addition to Co.
  • the free magnetic layer 140 has a first perpendicular magnetic anisotropy constant (K 1 eff ) and a second perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ).
  • the magnetic anisotropy can be controlled by controlling the thickness of the magnetic layer.
  • the tunnel insulating layer 150 may include an insulating layer such as MgO, AlOx, GdOx, or the like.
  • the amount of oxygen permeating into the magnetic layer or the heavy metal layer can be controlled according to the sputtering power applied when depositing the tunnel insulating layer. Since the thickness of the tunnel insulating layer is also proportional to the amount of oxygen permeated, it can be adjusted in the same way.
  • the interfacial roughness can be adjusted by adjusting the sputtering power of the insulating layer.
  • the secondary perpendicular magnetic anisotropy energy density can be controlled by controlling the interfacial roughness between the heavy metal layer and the magnetic layer or the interfacial roughness between the magnetic layer and the insulating layer.
  • the surface roughness can be adjusted by adjusting the conditions of the subsequent heat treatment process.
  • the amount of oxygen penetrating into the magnetic layer can be suppressed.
  • the secondary perpendicular anisotropy constant increases to a negative value.
  • the high temperature annealing induces the despreading of the infiltrated oxygen, and the secondary perpendicular anisotropy constant increases negatively.
  • the thickness of the thin film was controlled by controlling the time accurately from the deposition rate. In order to accurately measure the film speed, the thickness of the deposited thin film was measured accurately using a surface roughness thin film thickness gauge (Surface Profiler). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to estimate the oxidation amount of the prepared sample. To analyze the magnetic properties, a vibrating sample magnetometer (VSM) and a superconducting quantum interference device (SQUID) were used.
  • VSM vibrating sample magnetometer
  • SQUID superconducting quantum interference device
  • 3 is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of Pt / Co (0.6 nm) / MgO (2.0 nm) which is a three-layer structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a normalized magnetization value (M / M s ) - applied magnetic field (H) hysteresis curve for Pt / Co (0.6 nm) / MgO (2.0 nm) according to one embodiment of the present invention.
  • the measurement temperature is 100K. If a considerable thickness of cobalt (Co) oxide is formed, an exchange bias may be applied to the magnetic layer 140. The hysteresis curve is biased towards the direction of the applied magnetic field. It can be confirmed that a considerable amount of cobalt (Co) oxide is formed as the thickness of the MgO tunnel insulating layer is increased to about 2.0 nm.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the M s t Co - Co and the Pt / Co ( t Co ) / MgO ( P MgO , t MgO ) t Co graph.
  • a value of a magnetic dead layer can be derived through an x-intercept.
  • the average saturation magnetization (M s ) value of the entire sample can be obtained through the slope. It can be observed that as the sputtering power and thickness of MgO decreases, that is, as the penetration amount of oxygen decreases, the MDL value decreases remarkably. For example, when the P MgO was 4.39 W / cm 2 and the t MgO was 2.0 nm, and the P MgO was 1.10 W / cm 2 and the t MgO was 1.0 nm, the MDL value was about 0.2 nm. . In the same way (a) and (b), it can be seen that the MDL value is gradually decreased by the despreading of the permeated oxygen.
  • FIG. 6 is a graph showing a PMA energy density ( K eff ) according to t Co for Pt / Co (t Co ) / MgO (P MgO , t MgO ) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing RF sputtering power of the tunnel insulating layer according to an embodiment of the present invention and second vertical magnetic anisotropy constant according to the subsequent heat treatment.
  • K 2 shows a positive or negative value depending on the post-annealing temperature.
  • the K 2 value is small and approaches zero at all the heat treatment temperatures. It is interpreted that the lower interface of Pt / Co or the upper interface of Co / MgO is affected by the deposition process of MgO layer.
  • K 2 increases to a negative value.
  • K 2 can have a negative value.
  • the free magnetic layer 140 has a positive first-order perpendicular magnetic anisotropy constant (K 1 eff ) and a negative second-order perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ) so that the free magnetic layer 140 maintains the e-cone state.
  • the second perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ) of the free magnetic layer should satisfy the condition of K 2 ⁇ -1/2 K 1 eff .
  • the first order perpendicular magnetic anisotropy constant is in competition with the first order perpendicular magnetic anisotropy energy and demagnetization energy. Therefore, the first-order perpendicular magnetic anisotropy constant is inversely proportional to the thickness of the magnetic thin film. Therefore, when the thickness of the magnetic thin film is reduced, a positive first-order perpendicular magnetic anisotropy constant (K 1 eff ) can be obtained.
  • the thickness of the magnetic thin film may be 1.6 nm or less.
  • the second perpendicular magnetic anisotropy constant may depend on the spatial distribution of the first order perpendicular magnetic anisotropy energy in the film.
  • K 2 the second perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ) is K 2 ⁇ -1/2 K 1eff 1) to control the sputtering power of the tunnel insulating layer or 2) to control the post-heat treatment temperature so as to have a negative value while satisfying the condition.
  • FIG. 8 is a phase diagram represented by a first vertical magnetic anisotropy constant and a second vertical magnetic anisotropy constant according to an embodiment of the present invention.
  • the sputtering power of the MgO tunnel insulating layer is 4.39 W / cm 2
  • the phase perpendicular to the first perpendicular magnetic anisotropy constant (K 1eff ) and the second perpendicular magnetic anisotropy constant (K 2 ) Grams are displayed.
  • (A) the thickness of the cobalt magnetic layer in the easy-to-cone state is not found in the case of the deposition state without heat treatment and the heat treatment temperature at 250 ° C.
  • the thickness of the free magnetic layer may be from 1.56 nm to 1.58 nm, and the heat treatment temperature may be from about 275 degrees centigrade to about 400 degrees centigrade.
  • K 2 the second perpendicular magnetic anisotropy constant
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic tunnel junction device may include a heavy metal layer, a free magnetic layer disposed on the heavy metal layer, and a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer.
  • the initial conditions for fabricating the magnetic tunnel junction device are set.
  • the initial conditions may include a subsequent annealing temperature and a sputtering power of the tunnel insulating layer.
  • the initial conditions may include the thicknesses and materials of the heavy metal layer, the free magnetic layer, and the tunnel insulating layer.
  • the seed layer, the heavy metal layer, and the free magnetic layer are sequentially deposited using DC sputtering, and a tunnel insulating layer is deposited on the free magnetic layer by RF sputtering to form a plurality of samples according to the thickness of the free magnetic layer. (S110).
  • the first vertical magnetic anisotropy constant and the second vertical magnetic anisotropy constant are measured for each sample according to the thickness of the free magnetic layer, and it is confirmed that the easy-cone state is satisfied (S130, S140).
  • the sample is prepared again by increasing the subsequent annealing temperature or increasing the RF sputtering of the tunnel insulating layer (S160).
  • a magnetic tunnel junction device is fabricated by the thickness of the free magnetic layer satisfying the condition, the subsequent heat treatment temperature, and RF sputtering power (S170).
  • the finally selected heat treatment temperature may be between 275 and 400 degrees Celsius.
  • the power of the RF sputtering for depositing the tunnel insulating layer may be 1.10 W / cm 2 or more.
  • the thickness of the free magnetic layer may be 1.4 nm to 1.8 nm.
  • the tunnel junction device may include a Pt (5 nm) / Co ( tco ) / MgO (2 nm) structure.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic tunnel junction element 100 may include a heavy metal layer 130, a free magnetic layer 140 disposed on the heavy metal layer, and a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer.
  • the magnetic tunnel junction device can constitute an STT-MRAM.
  • the free magnetic layer has platinum
  • the free magnetic layer is cobalt (Co)
  • the magnetization state of the free magnetic layer has an esay-cone state
  • the free magnetic layer has a positive first-order perpendicular magnetic anisotropy constant and negative
  • the tunnel insulating layer may be MgO.
  • the thickness of the free magnetic layer is in the range of 1.4 nm to 1.8 nm.
  • the magnetization of the free magnetic layer is aligned in the in-plane direction at the same time as the deposition, and the magnetization of the free magnetic layer can be aligned in the easy-to-cone state by heat treatment.
  • a seed layer 120 may be disposed under the heavy metal layer 130, and the seed layer may be Ta (5 nm).
  • the substrate 110 may be disposed under the seed layer 120.
  • the substrate may be a silicon substrate.
  • the tunnel insulating layer 150 may be MgO (2 nm), and the tunnel insulating layer may be formed by RF sputtering.
  • a fixed magnetic layer 160 may be disposed on the tunnel insulating layer 150.
  • the pinned magnetic layer may have a perpendicular magnetization state having vertical magnetic anisotropy.
  • the material of the fixed magnetic layer may be Co, Fe, Ni, and an alloy containing at least one of the foregoing.
  • the fixed magnetic layer may be CoFeB.
  • An artificial antiferromagnet (SAF) 170 may be disposed on the fixed magnetic layer.
  • the artificial antiferromagnetic layer 170 may fix the magnetization direction of the pinned magnetic layer.
  • the artificial antiferromagnetic layer 170 may include a lower multilayered film 172 of [Pt / Co] n, a Ru conductive spacer layer 173, and an upper multilayered film 174 of [Pt / Co] n.
  • a protective layer may be disposed on the artificial antiferromagnetic layer 170.
  • the protective layer 180 may be Ta.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic tunnel junction element 200 may include a heavy metal layer 130, a free magnetic layer 140 disposed on the heavy metal layer, and a tunnel insulating layer disposed on the free magnetic layer.
  • the magnetic tunnel junction element 200 may constitute a spin torque oscillator (STO).
  • the free magnetic layer 140 is made of platinum and the free magnetic layer 140 is made of cobalt and the magnetization state of the free magnetic layer 140 has an esay-cone state and the free magnetic layer 140 ) Has a positive first-order perpendicular magnetic anisotropy constant and a negative second-order perpendicular magnetic anisotropy constant, and the tunnel insulating layer may be MgO.
  • the thickness of the free magnetic layer is in the range of 1.4 nm to 1.8 nm.
  • the magnetization of the free magnetic layer is aligned in the in-plane direction at the same time as the deposition, and the magnetization of the free magnetic layer can be aligned in the easy-to-cone state by heat treatment.
  • a seed layer 120 may be disposed under the heavy metal layer 130, and the seed layer may be Ta (5 nm).
  • the substrate 110 may be disposed under the seed layer 120.
  • the substrate may be a silicon substrate.
  • the tunnel insulating layer 150 may be MgO (2 nm), and the tunnel insulating layer may be formed by RF sputtering.
  • a fixed magnetic layer 160 may be disposed on the tunnel insulating layer 150.
  • the pinned magnetic layer 160 may have a perpendicular magnetization state having vertical magnetic anisotropy.
  • the material of the pinned magnetic layer 160 may be Co, Fe, Ni, or an alloy containing at least one of these metals.
  • the fixed magnetic layer may be Co or CoFeB.
  • a protective layer 180 may be disposed on the fixed magnetic layer.
  • the protective layer may be Ta.

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Abstract

본 발명은 자기터널접합 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 자기터널 접합 소자는 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함한다. 상기 중금속층은 백금이고, 상기 자유 자성층은 코발트(Co)이고, 상기 자유 자성층의 자화 상태는 콘(cone) 상태를 가지고, 상기 자유 자성층은 양의 1차 수직자기 이방성 상수 및 음의 2차 수직자기 이방성 상수를 가지고, 상기 터널 절연층은 MgO일 수 있다.

Description

이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자
본 발명은 자기터널 접합 소자에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이지-콘 상태의 자성층을 구비한 자기터널 접합 소자에 관한 것이다.
수직자기이방성 (Perpendicular Magnetic Anisotropy; PMA)은 자기 메모리 (MRAM)의 고집적화와 데이터 유지에 중요한 높은 열적 안정성 특성과 직접적으로 연관이 되는 매우 중요한 특성이다. 수직자기이방성은 박막의 벌크 고유 특성 또는 계면에 의해 발현될 수 있다. 희토류-3d 천이금속 비정질 합금, CoPd 및 CoPt 등의 다층박막, L10 구조를 가지는 FePt, CoPt 등의 금속간 화합물 등 현재까지 여러 형태의 재료들에서 수직자기이방성에 관한 연구가 진행되었다. 그러나 희토류-3d 천이금속 비정질 합금과 CoPt(Pd) 다층박막은 PMA 에너지 밀도가 충분하지 않으며, 상대적으로 낮은 후속-열처리 온도에서 PMA 특성이 열화된다. 따라서, 소자에 적용하기엔 적합하지 않다. 이에 비해 L10 구조를 가지는 FePt와 CoPt 등의 금속간 화합물은 큰 PMA 에너지 밀도를 가지며, 후속-열처리 안정성도 우수하여 각광을 받아왔다. 그러나 역시 금속간 화합물의 높은 장거리 규칙도를 형성하기 위하여 섭씨 600도 이상의 굉장히 높은 공정 온도 조건이 요구되기 때문에, 자기 메모리 소자 제조 공정에 적합하지 않다. 따라서, 제조가 용이하면서도 후속-열처리 안정성이 우수하고 PMA 에너지 밀도 또한 상당히 높은 수준을 보이기 때문에, Co나 CoFeB 합금을 기반으로 하는 중금속층-자성층-절연층 삼층박막이 많이 응용되고 있다.
자기 메모리 응용에서 주로 사용되는 나노미터 수준의 삼층박막의 수직자기이방성은 일반적으로 계면 특성에 의한 기여가 큰 것으로 알려져 있다. 따라서 삼층박막의 PMA는 계면의 상태에 의해 그 특성이 결정된다. 중금속층-자성층-절연층 삼층박막에서는 스퍼터링 과정에서 발생하는 계면 거칠기나 자성층의 산화로 인해 PMA 에너지 밀도가 크게 감소할 수 있다.
중금속층-자성층-절연층의 삼층박박에서의 PMA는 두 가지 성분의 합으로도 기술할 수 있다. PMA는 일차 수직자기이방성 (first-order PMA)과 이차 수직자기이방성 (second-order PMA)을 포함한다. 두 에너지의 부호와 상대적인 크기에 따라, 자성 박막의 자화 용이축 (easy axis)은 면내 방향 (in-plane), 수직 방향 (out-of-plane), 면내와 수직 사이 기울어진 방향 (easy-cone), 그리고 면내와 수직 방향이 공존하는 (coexistence) 상태를 가질 수 있다. 계면 상태와 자성층의 두께를 조절을 통해 자화 용이 방향을 제어할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 이지-콘(esay-cone) 상태의 자성층을 포함하는 자기터널접합을 구현하기 위하여 큰 PMA 에너지 밀도와 고온 후속-열처리에서 구조적 붕괴 없이 특성을 유지하는 중금속층-자성층-절연층 삼층박막을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 이지-콘(esay-cone) 상태의 자성층을 포함하는 자기터널접합을 구현하기 위하여 상기 중금속층-자성층-절연층 기반의 삼층박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자는 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함한다. 상기 중금속층은 백금이고, 상기 자유 자성층은 코발트(Co)이고, 상기 자유 자성층의 자화 상태는 콘(cone) 상태를 가지고, 상기 자유 자성층은 양의 1차 수직자기 이방성 상수 및 음의 2차 수직자기 이방성 상수를 가지고, 상기 터널 절연층은 MgO일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm이고, 상기 자유 자성층의 자화는 증착과 동시에는 면내 방향으로 정렬되고, 상기 자유 자성층의 자화는 열처리에 의하여 이지-콘 상태로 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자는 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함한다. 상기 자기터널 접합 소자의 제조 방법은, DC 스퍼터링을 이용하여 순차적으로 상기 시드층, 상기 중금속층, 상기 자유 자성층을 증착하고, RF 스퍼터링을 이용하여 상기 자유 자성층 상에 터널 절연층을 증착하여, 상기 자유 자성층의 두께에 따라 복수의 시료를 제작하는 단계; 상기 자유 자성층의 두께에 따른 시료 별로 제1 차 수직 자기 이방성 상수와 제2 차 수직 자기 이방성 상수를 측정하고, 이지-콘(easy-cone) 상태를 만족하는 확인하는 단계; 및 상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하지 않는 경우, 후속 열처리 온도를 증가시키거나 상기 터널 절연층의 RF 스퍼터링을 증가시키어 시료를 다시 준비하는 단계; 및 상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하는 경우, 조건을 만족하는 자유 자성층의 두께, 후속 열처리 온도, 및 RF 스퍼터링 전력으로 자기터널 접합 소자를 제작한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 후속 열처리 온도는 섭씨 275도 내지 400도 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 터널 절연층을 증착하기 위한 RF 스퍼터링의 전력은 1.10 W/cm2 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자성층 위에 절연층을 스퍼터링 방법으로 증착시킬 경우, 상기 절연층의 하부의 자성층의 산화가 불가피하게 발생한다. 상기 자성층의 두께가 수 나노미터에 불과하다는 점을 고려했을 때, 상기 절연층의 스퍼터링 증착은 PMA 특성의 열화를 조장할 수 있는 치명적인 단점으로 작용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연층의 스퍼터링 전력, 후속 열처리, 또는 자성층의 두께를 조절하여 중금속층과 자성층 또는 자성층과 절연층의 계면에서 발생하는 PMA 특성을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연층의 스퍼터링 전력, 후속-열처리 온도 및 자성층의 두께 조절 등을 통해 열적 안정성 특성을 크게 향상 시키거나 이지-콘(easy-cone) 상태를 갖는 자성층을 제조함으로써 스핀토크에 의한 자화반전 속도를 크게 개선할 수 있다.
도 1은 1차 수직 자기이방성 상수와 2차 수직 이방성 상수의 좌표에서 표시된 자성층의 위상 다이어그램(phase diagram)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료들의 구조를 나타내는 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(0.6 nm)/MgO(2.0nm)에 대한 X-선 광전자 분광법 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(0.6 nm)/MgO(2.0nm)에 대한 정규화된 자화값 (M/Ms)-인가자기장 (H) 이력곡선이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(t Co)/MgO(P MgO,t MgO)에 대한 MstCo- tCo 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(tCo)/MgO(PMgO,tMgO)에 대하여 tCo에 따른 PMA 에너지 밀도 (K eff)를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 절연층의 RF 스퍼터링 전력 및 후속-열처리에 따른 2차 수직 자기 이방성 상수를 나타내는 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 차 수직 자기 이방성 상수와 제2 차 수직 자기 이방성 상수로 표시된 위상 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합은 스핀전달토크(Spin transfer torque MRAM; STT-MRAM)에 적용될 수 있다. 구체적으로, 자기터널 접합은 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층, 및 상기 터널 절연층 상에 배치된 고정 자성층을 포함한다. 상기 자유 자성층은 이지-콘 상태를 가진다. 상기 고정 자성층은 수직으로 자화되어 있으며, 상기 자유 자성층은 극각(polar angle; θE)을 가지고 이지-콘 상태를 가질 수 있다. 이에 따라, STT-MRAM의 스위칭 시간(tsw)을 지배하는 인큐베이션(incubation) 시간을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이로 인해 스위칭 전류 밀도(Jsw)가 감소될 수 있다.
다만, 상기 콘 상태의 자유 자성층의 극각에 기인하여, 터널자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR)이 감소하여, 독출(read-out) 효율이 감소할 수 있다. 그러나 ΔTMR ∝ cosθ 의 관계를 가진다. 여기서, θ는 고정자성층과 자유 자성층의 자화 벡터의 사잇각이다. θE ≤ 20도 일 때, ΔTMR의 감소는 경미한 수준이다. 상기 자유 자성층이 콘 상태를 가지는 경우, STT-MRAM의 열안정성(thermal stability;Δ)는 기존의 수준으로 유지하되, 스위칭 전류 밀도(Jsw)를 22 퍼센트, 그리고 스위칭 시간(tsw)를 56 퍼센트 경감시킬 수 있다. 다만, 이러한 특성 개선은 단지 8%에 불과한 TMR의 감소를 제공한다. 따라서, 고정 자성층은 수직 자화된 상태를 가지면서, 상기 자유 자성층에 콘 상태를 제공하는 구조와 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 상기 자유 자성층에 이지-콘 상태를 제공하기 위한 조건을 조사하였다. 상기 자유 자성층은 양의 1차 수직자기 이방성 상수(K1eff) 음의 2차 수직자기 이방성 상수(K2)를 가진다. 특히, 상기 자유 자성층의 2차 수직자기 이방성 상수(K2)가 K2 < -1/2 K1eff 조건을 만족하여야 한다. 특정한 후속-열처리 조건 및 상기 자유 자성층의 두께에서 위의 조건을 만족한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 1차 수직 자기이방성 상수와 2차 수직 이방성 상수의 좌표에서 표시된 자성층의 위상 다이어그램(phase diagram)이다.
도 1을 참조하면, 자성 박막은 일차 수직자기이방성 (first-order PMA; K1eff)과 이차 수직자기이방성 (second-order PMA; K2)을 포함한다. K1eff 와 K2의 부호와 상대적인 크기에 따라, 자성 박막의 자화 용이축 (easy axis)은 면내 방향 (in-plane) 상태, 수직 방향 (out-of-plane), 면내(in-plane)와 수직 사이 기울어진 방향 (easy-cone) 상태, 그리고 면내와 수직 방향이 공존하는 (coexistence) 상태를 가질 수 있다. 계면 상태와 자성층의 두께를 조절을 통해 자화 용이 방향을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료들의 구조를 나타내는 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 제1 시료(11)는 Si 기판/Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)/MgO(2nm)/Ta(3nm) 구조이다. 코발트 자성층의 두께(tco)는 0.6nm 내지 2.0nm이다. Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)는 순차적으로 DC 스퍼터링을 통하여 증착된다. MgO(2nm)는 RF 스퍼터링을 통하여 증착되고, RF 스퍼터링 파워는 4.39 W/cm2이다.
제2 시료(12)는 Si기판/Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)/MgO(2nm)/Ta(3nm) 구조이다. 코발트 자성층의 두께( tco)는 0.6nm 내지 2.0nm이다. Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)는 순차적으로 DC 스퍼터링을 통하여 증착된다. MgO(2nm)는 RF 스퍼터링을 통하여 증착되고, RF 스퍼터링 파워는 1.109 W/cm2이다.
제3 시료(13)는 Si기판/Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)/Cu(2nm)/Ta(3nm) 구조이다. 코발트 자성층의 두께(tco)는 1nm 내지 2.0nm이다. Ta(5nm)/Pt(5nm)/Co(tco)/Cu(2nm)/Ta(3nm)는 순차적으로 DC 스퍼터링을 통하여 증착된다.
Si 기판(110)은 습식-산화(wet-oxidation) Si/SiO2의 기판이다. 상기 Si 기판 상에 Ta (5.0nm) 의 씨앗층(120)을 형성한 후, Pt (5.0nm)의 중금속층(130)을 형성한다. 상기 중금속층 상에 자성층(140)의 두께 (tCo) 변화를 주었다. 상기 자유 자성층(140) 상에 터널 절연층(150)이 배치되고, 터널 절연층은 MgO가 사용된다. 상기 터널 절연층은 RF 스퍼터링 전력 변화(PMgO)에 따라 증착을 진행하였다. 상부에는 추가적인 산화를 방지하기 위하여 Ta(3.0 nm)의 보호층(180)을 형성한다.
각 층들은 마그네트론 스퍼터링 증착 방법을 통해 증착되었다. 챔버의 기저 압(base pressure) 는 5 × 10-8 Torr 이며, 증착은 Ar 가스 주입을 통하여 1 또는 2 × 10-3 Torr에서 시행하였다. 증착 과정 중, 모든 층은 진공을 깨지 않은 상태 (In-situ) 로 이루어 졌으며, 각 층은 단일 타겟(Ta, Pt, Co, MgO)으로 증착하였다.
씨앗층(120)은 Ta, Ta/Ru, Ta/Pt/Ru와 같이 Ta을 포함하며 계면 거칠기를 조절할 수 있는 단일층 혹은 그 이상의 복합층을 포함할 수 있다. 계면 거칠기는 최적의 Ta의 두께에서 최소화될 수 있다.
상기 자유 자성층(140)은 Co 외에 단일 물질인 Fe나 합금인 CoFeB 등을 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층(140)은 일차 수직자기이방성 상수(K1eff) 및 이차 수직자기이방성 상수(K2)을 가진다. 자성층의 두께를 조절하여 자기이방성을 조절 할 수 있다.
터널 절연층(150)은 MgO, AlOx, GdOx 등과 같은 절연층을 포함할 수 있다. 상기 터널 절연층을 증착할 때 인가하는 스퍼터링 전력에 따라 자성층 혹은 중금속층까지 침투하는 산소량을 조절할 수 있다. 상기 터널 절연층의 두께 또한 침투하는 산소량과 비례하기 때문에 동일한 방법으로 조절할 수 있다. 상기 절연층의 스퍼터링 전력을 조정하여 계면 거칠기를 조절 할 수 있다.
중금속층/자성층 사이의 계면 거칠기 또는 자성층/절연층 사이의 계면 거칠기를 조절하여 이차 수직자기이방성 에너지 밀도를 조절 할 수 있다. 또한, 후속 열처리 공정 조건을 조정하여 계면 거칠기를 조절 할 수 있다.
MgO의 스퍼터링 전력 또는 두께를 낮춰줌으로써 자성층으로 침투하는 산소량을 억제할 수 있다. 한편, MgO의 스퍼터링 전력을 증가시키면, 이차 수직자기이방성 상수가 음의 값으로 증가한다. 또한 고온 열처리를 통하여 침투된 산소의 역확산을 유도하고, 이차 수직자기이방성 상수가 음의 값으로 증가한다.
박막의 두께는 증착 속도로부터 정확하게 시간을 제어함으로써 조절하였다. 박막속도를 정확하게 측정하기 위하여, 증착된 박막의 두께는 표면거칠기단차 박막두께측정기 (Surface Profiler)를 사용하여 정확하게 측정하였다. 제작된 시료의 산화량을 추산하기 위하여 X-선 광전자 분광법 스펙트럼(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 사용하였다. 또한 자기적 특성을 분석하기 위하여 진동시료자력계(VSM: Vibrating Sample Magnetometer)와 초전도 양자간섭 측정소자(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device)를 이용하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(0.6 nm)/MgO(2.0nm)에 대한 X-선 광전자 분광법 스펙트럼이다.
도 3을 참조하면, (a)와 (b)는 각각 PMgO = 4.39 W/cm2 와 1.10 W/cm2의 조건에서 적층이 된 제1 시료(11) 및 제2 시료(12)의 삼층박막이다. (c)는 해당 시편의 열처리 전 2p3 /2 스펙트럼 영역을 확대한 결과이다. 피팅을 통하여 산화된 코발트(Co)의 양을 추산할 수 있다. 추산된 양에 의하면 PMgO = 4.39 W/cm2의 경우, 코발트(Co) 산화물의 함량이 91.9%이며, PMgO = 1.10 W/cm2의 경우 코발트(Co) 산화물의 함량이 83.9% 정도로 스퍼터링 전력을 낮췄을 때 Co의 산화를 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(0.6 nm)/MgO(2.0nm)에 대한 정규화된 자화값 (M/Ms)-인가자기장 (H) 이력곡선이다.
도 4를 참조하면, 측정 온도는 100 K이다. 상당한 두께의 코발트(Co) 산화물이 형성되었다면, 자성층(140)에 교환바이어스 (Exchange bias)가 인가될 수 있다. 이력곡선이 음의 인가 자기장 방향으로 치우쳐 있다. MgO 터널 절연층의 두께가 2.0 nm 정도로 두꺼워지면서, 상당한 양의 코발트(Co) 산화물이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(t Co)/MgO(P MgO,t MgO)에 대한 MstCo- tCo 그래프를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, x절편을 통해 Magnetic Dead Layer(MDL)의 값을 도출할 수 있다. 기울기를 통해 시료 전체의 평균 포화자화(Ms) 값을 구할 수 있다. MgO의 스퍼터링 전력과 두께가 줄어들수록, 즉 산소의 침투량이 감소할수록, MDL값이 현저히 감소하는 것을 관측할 수 있다. 한 예로, 열처리 전 상태에서 PMgO = 4.39 W/cm2, tMgO = 2.0 nm 일 때와 PMgO = 1.10 W/cm2, tMgO = 1.0 nm 일 때 MDL 값이 0.2 nm 정도의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 동일하게 (a)와 (b)에서도 열처리를 진행하게 되면, 침투한 산소의 역확산에 의해 MDL값이 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층구조인 Pt/Co(tCo)/MgO(PMgO,tMgO)에 대하여 tCo에 따른 PMA 에너지 밀도 (K eff)를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, (a) PMgO = 4.39 W/cm2, tMgO = 2.0 nm일 때 비해 MgO의 스퍼터링 전력이 감소하였을 때, (b) PMgO = 1.10 W/cm2, tMgO = 2.0 nm일 때, PMA 에너지 밀도(Keff)가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다. 각각의 경우, 관측된 최대 PMA 에너지 밀도(Keff)값이 1.88 × 107과 1.99 × 107 erg/cm3 으로 기존에 알려진 삼층박막에서 관측된 수치에 비해 월등히 큰 값을 보인다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 절연층의 RF 스퍼터링 전력 및 후속-열처리에 따른 2차 수직 자기 이방성 상수를 나타내는 결과이다.
도 7을 참조하면, MgO 터널 절연층의 RF 스퍼터링 전력이 4.39 W/cm2인 경우, 모든 후속-열처리 온도(섭씨 20도 내지 섭씨 400도)에서 음의 K2값을 보인다.
그러나, MgO 터널 절연층의 RF 스퍼터링 전력이 1.10 W/cm2인 경우, K2는 후속-열처리 온도에 따라 양의 값 또는 음의 값을 보인다.
한편, Pt/Co/Cu 구조의 시료의 경우, 모든 열처리 온도에서 K2값은 다른 시료에 비하여 작고 영에 접근한다. 이는 Pt/Co의 하부 계면 또는 Co/MgO 상부 계면이 MgO 층의 증착 과정에서 영향을 받는 것으로 해석된다.
MgO의 RF 스퍼터링 전력과 무관하게, 열처리 온도가 증가할수록, K2가 음의 값을 가지도록 증가한다. 이러한 특성은 열처리 온도에 따라 Co/MgO 계면에 구조 변화가 있다고 해석된다.
MgO의 RF 스터링 전력을 증가시키거나, 열처리 온도를 증가시키면, K2는 음의 값을 가진 특성을 얻을 수 있다.
자유 자성층(140)이 이지-콘 상태를 유지하기 위하여, 상기 자유 자성층(140)은 양의 1차 수직자기 이방성 상수(K1eff)와 음의 2차 수직자기 이방성 상수(K2)를 가진다. 특히, 상기 자유 자성층의 2차 수직자기 이방성 상수(K2)가 K2 < -1/2 K1eff 조건을 만족하여야 한다.
PMA가 계면 효과에 기인한 것으로 가정하면, 1차 수직 자기 이방성 상수는 1차 계면 수직자기 이방성 에너지와 탈자화(demagnetization) 에너지의 경쟁관계에 있다. 따라서, 1차 수직 자기 이방성 상수는 자성 박막의 두께에 반비례한다. 따라서, 자성 박막의 두께를 감소시키면, 양의 1차 수직자기 이방성 상수(K1eff)을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 상기 자성 박막의 두께는 1.6 nm 이하 일 수 있다.
한편, 2차 수직 자기 이방성 상수는 박막 내의 1차 수직 자기 이방성 에너지의 공간 분포에 의존할 수 있다. 2차 수직자기 이방성 상수(K2)가 K2 < -1/2 K1eff 조건을 만족하면서 음의 값을 갖도록 1) 터널 절연층의 스퍼터링 전력을 조절하거나 2) 후속-열처리 온도를 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 차 수직 자기 이방성 상수와 제2 차 수직 자기 이방성 상수로 표시된 위상 다이어그램이다.
도 8을 참조하면, MgO 터널 절연층의 스퍼터링 전력이 4.39 W/cm2인 경우, 제1 차 수직 자기 이방성 상수(K1eff)와 제2 차 수직 자기 이방성 상수(K2)의 좌표로 위상 다이어 그램이 표시된다. 열처리를 하지 않은 증착 상태와 열처리 온도가 섭씨 250도 인 경우에서는(a), 이지-콘 상태에 코발트 자성층의 두께는 발견되지 않는다.
그러나, 열처리 온도가 섭씨 300도 인 경우(c)에는, 코발트 자성층의 두께가 1.56nm인 경우에 이지-콘 상태가 발견된다.
열처리 온도가 섭씨 310도 인 경우에, 코발트 자성층의 두께가 1.58nm인 경우에 이지-콘 상태가 발견된다. 열처리 온도가 섭씨 275도 인 경우에, 코발트 자성층의 두께가 1.56nm인 경우에 이지-콘 상태가 발견된다.
따라서, 이지-콘 상태의 자성층을 위하여, 자유 자성층의 두께는 1.56nm 내지 1.58 nm이고, 열처리 온도는 섭씨 275 내지 섭씨 400도 수준일 수 있다. 열처리 온도가 증가함에 따라, 제2 차 수직 자기 이방성 상수(K2)의 절대값이 증가하므로, 적절한 자유 자성층의 두께를 선택한 후, 열처리 온도를 증가시키어, 이지-콘 상태를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 자기터널 접합 소자는 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함할 수 있다.
자기터널 접합 소자를 제조하기 위한 초기 조건을 설정한다. 상기 초기 조건은 후속 열처리 온도, 터널 절연층의 스퍼터링 전력을 포함할 수 있다. 또한, 상기 초기 조건은 중금속층, 자유 자성층, 및 터널 절연층의 두께 및 물질을 포함할 수 있다.
DC 스퍼터링을 이용하여 순차적으로 상기 시드층, 상기 중금속층, 상기 자유 자성층을 증착하고, RF 스퍼터링을 이용하여 상기 자유 자성층 상에 터널 절연층을 증착하여, 상기 자유 자성층의 두께에 따라 복수의 시료를 제작한다(S110).
이어서, 상기 자유 자성층의 두께에 따른 시료 별로 제1 차 수직 자기 이방성 상수와 제2 차 수직 자기 이방성 상수를 측정하고, 이지-콘(easy-cone) 상태를 만족하는 확인한다(S130, S140).
이어서, 상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하지 않는 경우, 후속 열처리 온도를 증가시키거나 상기 터널 절연층의 RF 스퍼터링을 증가시키어 시료를 다시 준비한다(S160).
상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하는 경우, 조건을 만족하는 자유 자성층의 두께, 후속 열처리 온도, 및 RF 스퍼터링 전력으로 자기터널 접합 소자를 제작한다(S170).
최종적으로 선택된 상기 후속 열처리 온도는 섭씨 275도 내지 400도 일 수 있다. 상기 터널 절연층을 증착하기 위한 RF 스퍼터링의 전력은 1.10 W/cm2 이상일 수 있다. 상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm일 수 있다. 상기 터널접합 소자는 Pt(5nm)/Co(tco)/MgO(2nm) 구조를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 자기터널 접합 소자(100)는 중금속층(130), 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층(140), 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함할 수 있다. 상기 자기터널 접합 소자는 STT-MRAM을 구성할 수 있다. 상기 중금속층은 백금이고, 상기 자유 자성층은 코발트(Co)이고, 상기 자유 자성층의 자화 상태는 이지-콘(esay-cone) 상태를 가지고, 상기 자유 자성층은 양의 1차 수직자기 이방성 상수 및 음의 2차 수직자기 이방성 상수를 가지고, 상기 터널 절연층은 MgO일 수 있다.
상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm이고, 상기 자유 자성층의 자화는 증착과 동시에는 면내 방향으로 정렬되고, 상기 자유 자성층의 자화는 열처리에 의하여 이지-콘 상태로 정렬될 수 있다.
상기 중금속층(130)의 하부에는 씨앗층(120)이 배치되고, 상기 씨앗층은 Ta(5nm)일 수 있다. 상기 씨앗층(120)의 하부에는 기판(110)이 배치될 수 있다. 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
상기 터널 절연층(150)은 MgO(2 nm)이고, 상기 터널 절연층은 RF 스퍼터링으로 형성될 수 있다.
상기 터널 절연층(150) 상에는 고정 자성층(160)이 배치될 수 있다. 상기 상기 고정 자성층은 수직 자기 이방성을 가지는 수직 자화 상태를 가질 수 있다. 상기 고정 자성층의 재질은 Co, Fe, Ni, 및 이들을 중에서 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 구체적으로, 상기 고정 자성층은 CoFeB일 수 있다.
상기 고정 자성층 상에는 인위적 반강자성층(synthetic antiferromagnet ;SAF, 170)이 배치될 수 있다. 상기 인위적 반강자성층(170)은 상기 고정 자정층의 자화 방향을 고정시킬 수 있다. 인위적 반강자성층(170)은 [Pt/Co]n의 하부 다층 박막(172), Ru 도전성 스페이서층(173), 및 [Pt/Co]n의 상부 다층 박막(174)을 포함할 수 있다.
상기 인위적 반강자성층(170) 상에는 보호층이 배치될 수 있다. 상기 보호층(180)은 Ta일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널 접합 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 자기터널 접합 소자(200)는 중금속층(130), 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층(140), 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함할 수 있다. 상기 자기터널 접합 소자(200)는 스핀-토크 진동자(Spin torque oscillator; STO)를 구성할 수 있다.
상기 중금속층(130)은 백금이고, 상기 자유 자성층(140)은 코발트(Co)이고, 상기 자유 자성층(140)의 자화 상태는 이지-콘(esay-cone) 상태를 가지고, 상기 자유 자성층(140)은 양의 1차 수직자기 이방성 상수 및 음의 2차 수직자기 이방성 상수를 가지고, 상기 터널 절연층은 MgO일 수 있다.
상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm이고, 상기 자유 자성층의 자화는 증착과 동시에는 면내 방향으로 정렬되고, 상기 자유 자성층의 자화는 열처리에 의하여 이지-콘 상태로 정렬될 수 있다.
상기 중금속층(130)의 하부에는 씨앗층(120)이 배치되고, 상기 씨앗층은 Ta(5nm)일 수 있다. 상기 씨앗층(120)의 하부에는 기판(110)이 배치될 수 있다. 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
상기 터널 절연층(150)은 MgO(2 nm)이고, 상기 터널 절연층은 RF 스퍼터링으로 형성될 수 있다.
상기 터널 절연층(150) 상에는 고정 자성층(160)이 배치될 수 있다. 상기 상기 고정 자성층(160)은 수직 자기 이방성을 가지는 수직 자화 상태를 가질 수 있다. 상기 고정 자성층(160)의 재질은 Co, Fe, Ni, 및 이들을 중에서 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 구체적으로, 상기 고정 자성층은 Co 또는 CoFeB일 수 있다.
상기 고정 자성층 상에는 보호층(180)이 배치될 수 있다. 상기 보호층은 Ta일 수 있다.
상기 자유 자성층(140)이 수직자기이방성을 가질 때와는 달리 이지-콘 상태인 경우, 외부 자기장이 없어도 자기 발진 (microwave oscillation)이 가능하다. 이지-콘 상태의 경우, 이미 초기 상태에서 특정 극각 (θE)를 갖고 자화가 용하다. 이로 인해, 평형 각도 (θeq = θE)에서 유효 이방성 자기장 (effective anisotropy field, Heff)이 0의 값을 갖기 때문이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (6)

  1. 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함하는 자기터널 접합 소자에 있어서,
    상기 중금속층은 백금이고,
    상기 자유 자성층은 코발트(Co)이고,
    상기 자유 자성층의 자화 상태는 콘(cone) 상태를 가지고,
    상기 자유 자성층은 양의 1차 수직자기 이방성 상수 및 음의 2차 수직자기 이방성 상수를 가지고,
    상기 터널 절연층은 MgO인 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm이고,
    상기 자유 자성층의 자화는 증착과 동시에는 면내 방향으로 정렬되고,
    상기 자유 자성층의 자화는 열처리에 의하여 이지-콘 상태로 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자.
  3. 중금속층, 상기 중금속층 상에 배치된 자유 자성층, 및 상기 자유 자성층 상에 배치된 터널 절연층을 포함하는 자기터널 접합 소자의 제조 방법에 있어서,
    DC 스퍼터링을 이용하여 순차적으로 상기 시드층, 상기 중금속층, 상기 자유 자성층을 증착하고, RF 스퍼터링을 이용하여 상기 자유 자성층 상에 터널 절연층을 증착하여, 상기 자유 자성층의 두께에 따라 복수의 시료를 제작하는 단계;
    상기 자유 자성층의 두께에 따른 시료 별로 제1 차 수직 자기 이방성 상수와 제2 차 수직 자기 이방성 상수를 측정하고, 이지-콘(easy-cone) 상태를 만족하는 확인하는 단계; 및
    상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하지 않는 경우, 후속 열처리 온도를 증가시키거나 상기 터널 절연층의 RF 스퍼터링을 증가시키어 시료를 다시 준비하는 단계; 및
    상기 시료들이 이지-콘 상태를 만족하는 경우, 조건을 만족하는 자유 자성층의 두께, 후속 열처리 온도, 및 RF 스퍼터링 전력으로 자기터널 접합 소자를 제작하는 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 후속 열처리 온도는 섭씨 275도 내지 400도 인 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자의 제조 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 터널 절연층을 증착하기 위한 RF 스퍼터링의 전력은 1.10 W/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자의 제조 방법.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 두께는 1.4 nm 내지 1.8 nm인 것을 특징으로 하는 자기터널 접합 소자의 제조 방법.
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