KR101874171B1 - 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자 - Google Patents

수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자 Download PDF

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Abstract

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자를 제공한다. 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층, 상기 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층, 상기 수직반강자성층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함한다. 따라서, 상기 수직반강자성층은 상기 수직자기이방성 유도층과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.

Description

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자{Magnetic tunnel junction structure with perpendicular magnetic anisotropy and Magnetic element including the same}
본 발명은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고정층의 보자력을 확보할 수 있는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자에 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 자기터널접합(Magnetic 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.
한편, MTJ 구조를 STT-MRAM 등에 응용하기 위해서는 고정층의 충분한 보자력이 확보되어야 한다. 기존의 수평자기이방성을 사용하는 MTJ의 경우 충분한 보자력을 확보하기 위한 방법으로 반강자성물질과 자성물질의 접합에서의 상호작용을 이용하여 고정층의 보자력을 확보하였다.
그러나, 수직자기이방성을 사용하는 MTJ에서는 아직까지 수직적 상호작용을 줄 수 있는 반강자성물질의 발견이 없어 이를 인위적인 강자성층 간의 상호작용을 이용하여 고정층의 충분한 보자력을 확보하려 하지만 아직까지 많은 어려움이 따른다.
즉, 수직적 상호작용을 위한 인위적-반강자성층의 형성은 주로 강한 수직자성특성을 띄는 두 개의 Co/Pd 혹은 Co/Pt 다층구조 사이에 Ru 등의 스페이서층(space layer)를 삽입함으로서 형성한다. 따라서 이러한 인위적 반강자성 결합(synthetic antiferromagnetic coupling) 구조는 만들기 복잡할 뿐 아니라 기본적으로 Co/Pd 혹은 Co/Pd 다층구조가 갖고 있는 열처리 안정성 등의 문제를 품고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0060063호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고정층의 보자력을 확보할 수 있는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 이를 포함하는 자성소자를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 상기 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층, 상기 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층, 상기 수직반강자성층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고, 상기 수직반강자성층은 상기 수직자기이방성 유도층과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화물계 물질은 금속산화물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속산화물은 코발트산화물, 니켈산화물 또는 철산화물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 강자성층은 상기 수직반강자성층과의 수직적 상호작용에 의하여 보자력을 확보하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 사이에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수직반강자성층 및 상기 스페이서층 사이에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 상기 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층, 상기 터널링 배리어층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층, 상기 제2 강자성층 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층 및 상기 수직반강자성층 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층을 포함하고, 상기 수직반강자성층은 상기 수직자기이방성 유도층과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층 및 상기 제2 강자성층 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 강자성층은 상기 수직반강자성층과의 수직적 상호작용에 의하여 보자력을 확보하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 강자성층 및 수직반강자성층 사이에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스페이서층 및 상기 수직반강자성층 사이에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 상기 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.
종래의 수직적 상호작용을 위한 인위적-반강자성층의 형성은 구조적으로 다소 복잡하고 만들기 힘든 다층구조가 사용된다. 또한 이런 다층구조는 소자의 전체적인 두께를 높이고 열처리공정에 취약하여 MTJ의 응용에 어려움을 준다.
본 발명에 따르면, 수직반강자성층-강자성층 접합에 수직적 상호작용을 발생하게 함으로써 구조적으로 단순하고, 소자의 전체적인 두께를 낮추며 열처리공정에 안정한 바 MTJ 소자 양산에 큰 도약이 될 것이다.
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 소자의 일 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 수직자기이방성 유도층(200), 수직반강자성층(300), 제1 강자성층(400), 터널링 배리어층(500) 및 제2 강자성층(600)을 포함할 수 있다.
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, 이러한 기판(100)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
수직자기이방성 유도층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 산화물계 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화물계 물질은 금속산화물인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 금속산화물은 코발트산화물, 니켈산화물 또는 철산화물을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 후술하는 수직반강자성층(300)과의 계면에서 수직적 상호작용을 발생시킨다.
이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
수직반강자성층(300)은 수직자기이방성 유도층(200) 상에 위치한다. 이때의 수직반강자성층(300)은 반강자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 반강자성물질은 공지된 모든 페리-자성체 또는 반강자성체를 사용할 수 있다.
이러한 반강자성물질은 그 자체로는 제1 강자성층(400)과의 수직성 상호작용을 유도하지 못한다.
따라서, 본 발명에서는 수직반강자성층(300) 하부에 수직자기이방성 유도층(200)을 위치시켰다. 따라서, 수직반강자성층(300)은 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 후술하는 제1 강자성층(400) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다. 상기 수직반강자성층(300)과 수직자기이방성 유도층(200)의 계면에서 발생하는 수직적 상호작용은 수직반강자성층(300)의 자성물질과 수직자기이방성 유도층(200)의 산소간에 결합에 의하여 나타나는 수직 결정 배향성이 수직자기이방성을 유도하는 작용을 의미한다.
이러한 수직반강자성층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
제1 강자성층(400)은 수직반강자성층(300) 상에 위치한다. 이 때의 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 예컨대, 이러한 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제1 강자성층(400)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 제1 강자성층(400)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
한편, 이러한 제1 강자성층(400)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
또한, 이러한 제1 강자성층(400)은 수직반강자성층(300)에 의해 자화 방향이 고정되어 고정층 역할을 하게 된다.
또한, 제1 강자성층(400)은 상술한 수직반강자성층(300)과의 수직적 상호작용에 의하여, 충분한 보자력을 확보할 수 있다. 상기 수직적 상호작용은 반강자성체와 강자성체의 접합으로 인하여, 강자성체의 자화 방향이 반강자성 스핀 방향에 따라 결정되는 특정 방향으로 고정되는 교환자기이방성을 의미한다.
터널링 배리어층(500)은 제1 강자성층(400) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(500)은 제1 강자성층(400)과 후술하는 제2 강자성층(600) 사이에 개재된다.
이러한 터널링 배리어층(500)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(500)은 MgO층일 수 있다.
이러한 터널링 배리어층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
제2 강자성층(600)은 터널링 배리어층(500) 상에 위치한다. 상술한 바와 같이 제1 강자성층(400)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(600)은 자유층일 것이다.
따라서, 이러한 자유층인 제2 강자성층(600)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층인 제1 강자성층(400)의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
이 때의 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제2 강자성층(600)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(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
한편, 이러한 제2 강자성층(600)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
한편, 이러한 제2 강자성층(600) 상에 위치하는 캡핑층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 캡핑층은 보호층으로서 기능하며, 제2 강자성층(600)이 산화되는 것을 보호할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층(200), 상기 수직자기이방성 유도층(200) 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층(300), 상기 수직반강자성층(300) 상에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층(700), 상기 스페이서층(700) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(400), 상기 제1 강자성층(400) 상에 위치하는 터널링 배리어층(500) 및 상기 터널링 배리어층(500) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(600)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 수직반강자성층(300)은 상기 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 제1 강자성층(400) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
도 2의 구조는 도 1의 구조와 비교하여 스페이서층(700)을 더 포함하는 것을 제외하고 나머지 구조는 동일한 바, 중복설명은 생략하고 스페이서층(700)에 대하여만 설명한다.
스페이서층(700)은 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 제1 강자성층(400) 사이에 위치하여 제1 강자성층(400)의 수직자기이방성(PMA) 발현을 도와주는 역할을 한다.
이러한 스페이서층(700)은 비자성금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비자성금속은 Ta, W, Hf, Mo, Nb, Al, Pd, Pt, Ti, Zr, V 또는 Cr을 포함할 수 있다.
이러한 스페이서층(700)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층(200), 상기 수직자기이방성 유도층(200) 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층(300), 상기 수직반강자성층(300) 상에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층(800), 상기 인접 강자성층(800) 상에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층(700), 상기 스페이서층(700) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(400), 상기 제1 강자성층(400) 상에 위치하는 터널링 배리어층(500) 및 상기 터널링 배리어층(500) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(600)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 수직반강자성층(300)은 상기 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 제1 강자성층(400) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
도 3의 구조는 도 2의 구조와 비교하여 인접 강자성층(800)을 더 포함하는 것을 제외하고 나머지 구조는 동일한 바, 중복설명은 생략하고 인접 강자성층(800)에 대하여만 설명한다.
이러한 수직반강자성층(300)은 고정층인 제1 강자성층(400)뿐만 아니라 자유층인 제2 강자성층(600)에도 상호작용에 의한 영향을 줄 염려가 있다. 이와 같이 수직반강자성층(300)이 제2 강자성층(600)에 영향을 줄 경우, 히스테리시스 시프트(hysterisis shift)가 될 문제가 있다. 따라서, 인접 강자성층(800)을 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 스페이서층(700) 사이에 위치시킴으로써, 수직반강자성층(300)이 자유층인 제2 강자성층(600)에 영향을 주는 것을 방지하는 역할을 한다.
이러한 인접 강자성층(800)은 강자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 강자성물질은 Co, Fe 또는 Ni을 포함할 수 있다.
이러한 인접 강자성층(800)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 제1 강자성층(400), 터널링 배리어층(500), 제2 강자성층(600), 수직반강자성층(300) 및 수직자기이방성 유도층(200)을 포함할 수 있다.
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, 이러한 기판(100)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
제1 강자성층(400)은 기판(100) 상에 위치한다. 이 때의 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 예컨대, 이러한 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제1 강자성층(400)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(400)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 제1 강자성층(400)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
한편, 이러한 제1 강자성층(400)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
한편, 후술하는 제2 강자성층(600)이 고정층인 경우, 제1 강자성층(400)은 자유층일 것이다.
따라서, 자유층인 제1 강자성층(400)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층인 제2 강자성층(600)의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
터널링 배리어층(500)은 제1 강자성층(400) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(500)은 제1 강자성층(400)과 후술하는 제2 강자성층(600) 사이에 개재된다.
이러한 터널링 배리어층(500)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(500)은 MgO층일 수 있다.
이러한 터널링 배리어층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
제2 강자성층(600)은 터널링 배리어층(500) 상에 위치한다. 이 때의 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(600)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제2 강자성층(600)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(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
한편, 이러한 제2 강자성층(600)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
또한, 이러한 제2 강자성층(600)은 후술하는 수직반강자성층(300)에 의해 자화 방향이 고정되어 고정층 역할을 하게 된다.
또한, 제2 강자성층(600)은 후술하는 수직반강자성층(300)과의 수직적 상호작용에 의하여, 충분한 보자력을 확보할 수 있다.
수직반강자성층(300)은 제2 강자성층(600) 상에 위치한다. 이러한 수직반강자성층(300)은 반강자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 반강자성물질은 공지된 모든 페리-자성체 또는 반강자성체를 사용할 수 있다.
이러한 반강자성물질은 그 자체로는 제2 강자성층(600)과의 수직성 상호작용을 유도하지 못한다.
따라서, 본 발명에서는 수직반강자성층(300) 상부에 후술하는 수직자기이방성 유도층(200)을 위치시켰다. 따라서, 수직반강자성층(300)은 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 제2 강자성층(600) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
이러한 수직반강자성층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
수직자기이방성 유도층(200)은 수직반강자성층(300) 상에 위치한다. 이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 산화물계 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화물계 물질은 금속산화물인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 금속산화물은 코발트산화물, 니켈산화물 또는 철산화물을 포함할 수 있다.
이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 수직반강자성층(300)과의 계면에서 수직적 상호작용을 발생시킨다.
이러한 수직자기이방성 유도층(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(400), 상기 제1 강자성층(400) 상에 위치하는 터널링 배리어층(500), 상기 터널링 배리어층(500) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(600), 상기 제2 강자성층(600) 상에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층(700), 상기 스페이서층(700) 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층(300) 및 상기 수직반강자성층(300) 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층(200)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 수직반강자성층(300)은 상기 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 제2 강자성층(600) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
도 5의 구조는 도 4의 구조와 비교하여 스페이서층(700)을 더 포함하는 것을 제외하고 나머지 구조는 동일한 바, 중복설명은 생략하고 스페이서층(700)에 대하여만 설명한다.
스페이서층(700)은 상기 제2 강자성층(600) 및 수직반강자성층(300) 사이에 위치하여 제2 강자성층(600)의 PMA 발현을 도와주는 역할을 한다.
이러한 스페이서층(700)은 비자성금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비자성금속은 Ta, W, Hf, Mo, Nb, Al, Pd, Pt, Ti, Zr, V 또는 Cr을 포함할 수 있다.
이러한 스페이서층(700)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 일 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(400), 상기 제1 강자성층(400) 상에 위치하는 터널링 배리어층(500), 상기 터널링 배리어층(500) 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(600), 상기 제2 강자성층(600) 상에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층(700), 상기 스페이서층(700) 상에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층(800), 상기 인접 강자성층(800) 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층(300) 및 상기 수직반강자성층(300) 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층(200)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 수직반강자성층(300)은 상기 수직자기이방성 유도층(200)과의 계면에서 수직적 상호작용이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층(300) 및 상기 제2 강자성층(600) 간에도 수직적 상호작용이 발생되는 것을 특징으로 한다.
도 6의 구조는 도 5의 구조와 비교하여 인접 강자성층(800)을 더 포함하는 것을 제외하고 나머지 구조는 동일한 바, 중복설명은 생략하고 인접 강자성층(800)에 대하여만 설명한다.
이러한 수직반강자성층(300)은 고정층인 제2 강자성층(600)뿐만 아니라 자유층인 제1 강자성층(400)에도 상호작용에 의한 영향을 줄 염려가 있다. 이와 같이 수직반강자성층(300)이 제1 강자성층(400)에 영향을 줄 경우, 히스테리시스 시프트(hysterisis shift)가 될 문제가 있다. 따라서, 인접 강자성층(800)을 상기 스페이서층(700) 및 상기 수직반강자성층(300) 사이에 위치시킴으로써, 수직반강자성층(300)이 자유층인 제1 강자성층(400)에 영향을 주는 것을 방지하는 역할을 한다.
이러한 인접 강자성층(800)은 강자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 강자성물질은 Co, Fe 또는 Ni을 포함할 수 있다.
이러한 인접 강자성층(800)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
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 접합(MTJ)은 상술한 도 1 내지 도 6의 구조일 수 있다. 따라서, 이러한 자기 터널 접합은 이미 상술한 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
따라서, 이 때의 자기터널접합은 MRAM에서 정보 저장을 위한 구조로 사용될 것이다. 따라서, 구조적으로 단순하고, 소자의 전체적인 두께를 낮추며 열처리공정에 안정한 MTJ 구조를 포함하는 자성소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수직반강자성층-강자성층 접합에 수직적 상호작용을 발생하게 함으로써 구조적으로 단순하고, 소자의 전체적인 두께를 낮추며 열처리공정에 안정한 바 MTJ 소자 양산에 큰 도약이 될 것이다.
한편, 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.
100: 기판 200: 수직자기이방성 유도층
300: 수직반강자성층 400: 제1 강자성층
500: 터널링 배리어층 600: 제2 반강자성층
700: 스페이서층 800: 인접 강자성층

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층;
    상기 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층;
    상기 수직반강자성층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
    상기 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 합금이며,
    상기 수직반강자성층은 상기 수직자기이방성 유도층과의 계면의 수직 결정 배향성에 의한 수직자기이방성이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 간에 교환자기이방성이 발생되는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화물계 물질은 금속산화물인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속산화물은 코발트산화물, 니켈산화물 또는 철산화물을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 상기 수직반강자성층과의 교환자기이방성에 의하여 보자력을 확보하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 사이에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층을 더 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수직반강자성층 및 상기 스페이서층 사이에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층을 더 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  9. 기판;
    상기 기판 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층;
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층;
    상기 제2 강자성층 상에 위치하되, 반강자성물질을 포함하는 수직반강자성층; 및
    상기 수직반강자성층 상에 위치하되, 산화물계 물질을 포함하는 수직자기이방성 유도층을 포함하고,
    상기 반강자성물질은 Fe, Co 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 합금이고,
    상기 수직반강자성층은 상기 수직자기이방성 유도층과의 계면의 수직 결정 배향성에 의한 수직자기이방성이 발생됨으로써, 상기 수직반강자성층 및 상기 제1 강자성층 간에도 교환자기이방성이 발생되는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 강자성층은 상기 수직반강자성층과의 교환자기이방성에 의하여 보자력을 확보하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 강자성층 및 상기 수직반강자성층 사이에 위치하되, 비자성금속을 포함하는 스페이서층을 더 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스페이서층 및 상기 수직반강자성층 사이에 위치하되, 강자성물질을 포함하는 인접 강자성층을 더 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  15. 복수개의 디짓 라인들;
    상기 디짓 라인들의 상부를 가로지르는 복수개의 비트 라인들; 및
    상기 디짓 라인과 상기 비트 라인 사이에 개재된 제1항 내지 제 3항 및 제5항 내지 9항, 제 11항 내지 14항 중 어느 한 항의 MTJ 구조를 포함하는 자성소자.
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