KR102082328B1 - 수직 자기터널접합을 구비하는 자기 기억 소자 - Google Patents

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Abstract

자기 기억 소자가 제공된다. 터널 배리어를 사이에 두고 이격된 제 1 수직 자성층 및 제 2 수직 자성층이 제공된다. 상기 제 1 수직 자성층은 교환 결합층 및 상기 교환 결합층을 사이에 두고 이격된 제 1 서브층 및 제 2 서브층을 포함한다. 상기 제 2 서브층은 상기 터널 배리어와 접하는 접합 자성층; 및 상기 접합 자성층과 상기 교환 결합층 사이의 버퍼층을 포함하고, 상기 버퍼층은 상기 접합 자성층에 비하여 결정화도(degree of crystallinity)가 낮은 물질을 포함한다.

Description

수직 자기터널접합을 구비하는 자기 기억 소자{MAGNETIC MEMORY DEVICES HAVING PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL JUNCTION}
본 발명은 자기 기억 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수직 자기터널접합을 구비하는 자기 기억 소자에 관한 것이다.
전자 기기의 고속화, 저 소비전력화에 따라 이에 내장되는 반도체 기억 소자 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구들을 충족시키기 일 방안으로 반도체 기억 소자로 자기 기억 소자가 제안된 바 있다. 자기 기억 소자는 고속으로 동작할 수 있으며, 또한 비휘발성 특성을 가질 수 있어, 차세대 기억 소자로서 각광받고 있다.
자기 기억 소자는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ)을 포함할 수 있다. 자기터널접합은 두 개의 자성체들과 그 사이에 개재된 터널 배리어층을 포함할 수 있다. 두 개의 자성체들의 자화 방향들에 따라 상기 자기터널접합의 저항값이 달라질 수 있다. 예컨대, 두 개의 자성체들의 자화 방향들이 서로 반평행하는 경우에 자기터널접합은 상대적으로 큰 저항값을 가질 수 있으며, 두 개의 자성체들의 자화 방향들이 평행한 경우에 자기터널접합은 상대적으로 작은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값들의 차이를 이용하여 자기 기억 소자는 데이터를 기입/판독할 수 있다.
전자 산업이 고도로 발전함에 따라, 자기 기억 소자에 대한 고집적화 및/또는 저 소비전력화에 대한 요구가 심화되고 있다. 따라서, 이러한 요구들을 충족시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
본 발명의 실시예들이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 자기 기억 소자의 자기 저항비를 향상시키고 자성층들 간의 반강자성 결합을 증진시킬 수 있는 자기 기억 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위한 자기 기억 소자는 터널 배리어를 사이에 두고 이격된 제 1 수직 자성층 및 제 2 수직 자성층을 포함하고, 상기 제 1 수직 자성층은 교환 결합층 및 상기 교환 결합층을 사이에 두고 이격된 제 1 서브층 및 제 2 서브층을 포함하고, 상기 제 2 서브층은: 상기 터널 배리어와 접하는 접합 자성층; 및 상기 접합 자성층과 상기 교환 결합층 사이의 버퍼층을 포함하고, 상기 버퍼층은 상기 접합 자성층에 비하여 결정화도(degree of crystallinity)가 낮은 물질을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층의 결정 구조는 상기 접합 자성층의 결정 구조와 다를 수 있다.
상기 버퍼층의 원자 충진율(atomic packing factor)은 상기 접합 자성층의 원자 충진율보다 높을 수 있다.
상기 버퍼층은 FCC 결정 구조를 포함하고, 상기 접합 자성층은 BCC 결정 구조를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층의 포화 자화는 상기 접합 자성층의 포화 자화보다 작을 수 있다.
상기 버퍼층은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 비자성 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 강자성 원소는 코발트, 철, 및 니켈 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 비금속 원소는 보론이고, 상기 비자성 금속 원소는 Ta, W, Nb, Ti, Cr, Zr, Hf, Mo 및 V 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 버퍼층에 내의 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약 3wt% 내지 약 30wt%일 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 약 1Å내지 약 15Å일 수 있다.
상기 버퍼층은 비정질일 수 있다.
상기 버퍼층은 탄탈륨, 백금, 및 질화티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 상기 교환 결합층의 두께의 절반 이하일 수 있다.
상기 버퍼층은 비자성층일 수 있다.
상기 버퍼층 및 상기 접합 자성층은 보론(B)을 포함하고, 상기 버퍼층의 보론 농도는 상기 접합 자성층의 그것보다 클 수 있다.
상기 버퍼층은 상기 접합 자성층보다 밀도가 높을 수 있다.
상기 터널 배리어 아래에 시드층을 더 포함하고, 상기 제 1 수직 자성층은 상기 터널 배리어와 상기 시드층 사이에 제공될 수 있다.
상기 접합 자성층은 제 1 접합 자성층이고, 상기 버퍼층은 제 1 버퍼층이고, 상기 제 2 수직 자성층은: 상기 터널 배리어와 접하는 제 2 접합 자성층: 및 상기 제 2 접합 자성층을 사이에 두고 상기 터널 배리어와 이격되는 제 2 버퍼층을 포함할 수 있다.
터널 배리어를 사이에 두고 이격되는 기준 자성 구조체 및 자유 자성 구조체를 포함하고, 상기 기준 자성 구조체는: 교환 결합층을 사이에 두고 반강자성적으로 결합하는 접합 자성층 및 고정층; 및 상기 접합 자성층과 상기 교환 결합층 사이의 버퍼층을 포함하고, 상기 버퍼층은 상기 접합 자성층보다 비자성 금속 원소의 비율이 높을 수 있다.
상기 접합 자성층 및 상기 버퍼층은 각각 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 및 보론(B)를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층 내의 보론 농도는 상기 접합 자성층 내의 보론 농도보다 높을 수 있다.
상기 비자성 금속 원소는 원자 질량이 코발트보다 클 수 있다.
상기 비자성 금속 원소는 Ta, W, Nb, Ti, Cr, Zr, Hf, Mo 및 V 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 버퍼층 내의 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약3wt% 내지 약30wt%일 수 있다.
상기 접합 자성층은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질을 포함하고, 상기 고정층은 내재적 수직 자화 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은 상기 고정층과 반평행한 자화 방향을 갖고 상기 고정층과 반강자성적으로 결합할 수 있다.
상기 버퍼층의 결정 구조는 FCC이고 상기 접합 자성층의 결정 구조는 BCC일 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 약 1Å내지 약 15Å일 수 있다.
상기 버퍼층의 적어도 일부는 비정질일 수 있다.
상기 버퍼층은 탄탈륨, 백금, 및 질화티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 상기 교환 결합층의 두께의 약 1/2이하일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자기 저항비를 향상시키고 자성층들 간의 반강자성 결합을 증진시킬 수 있는 자기 기억 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 기준 자성 구조체(PNL)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 기준층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유층을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12 및 도 13는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 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.
본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다 또한, 도면들에 있어서, 구성들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 단위 메모리 셀(UMC)은 서로 교차하는 제 1 배선(L1) 및 제 2 배선(L2) 사이에서 이들을 연결한다. 상기 단위 메모리 셀(UMC)은 선택 소자(SW) 및 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 선택 소자(SW) 및 상기 자기터널접합(MTJ)은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 배선들(L1, L2) 중의 하나는 워드라인으로 사용되고 다른 하나는 비트라인으로 사용될 수 있다.
상기 선택 소자(SW)는 상기 자기터널접합(MTJ)을 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 소자(SW)는 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과트랜지스터 및 피모스 전계효과트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 상기 선택 소자(SW)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(미도시)이 상기 선택 소자(SW)에 연결될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)은 제 1 수직 자성 구조체(MS1), 제 2 수직 자성 구조체(MS2) 및 이들 사이의 터널 배리어(TBR)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 수직 자성 구조체들(MS1, MS2) 각각은 자성 물질로 형성되는 적어도 하나의 자성층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 수직 자성 구조체(MS1)와 상기 선택 소자(SW) 사이에 개재되는 제 1 도전 구조체(CS1) 및 상기 제 2 수직 자성 구조체(MS2)와 상기 제 2 배선(L2) 사이에 개재되는 제 2 도전 구조체(CS2)를 더 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합을 설명하기 위한 도면들이다. 상기 제 1 수직 자성 구조제(MS1)의 자성층 및 제 2 수직 자성 구조체(MS2)의 자성층 중의 하나의 자화 방향는, 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된다. 본 명세서에서, 이러한 고정된 자화 특성을 갖는 자성층을 기준 자성 구조체(PNL)이라 부를 것이다. 상기 제 1 수직 자성 구조제(MS1)의 자성층 또는 제 2 수직 자성 구조체(MS2)의 자성층 중 다른 하나의 자화 방향은 그것에 인가되는 외부 자계에 의해 스위치될 수 있다. 아래에서는, 이러한 가변적인 자화 특성을 갖는 자성층을 자유 자성 구조체(FRL)이라 부를 것이다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)는 상기 터널 배리어(TBR)에 의해 분리된 적어도 하나의 상기 자유 자성 구조체(FRL) 및 적어도 하나의 상기 기준 자성 구조체(PNL)을 구비할 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 구조체(FRL) 및 상기 기준 자성 구조체(PNL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 구조체(FRL) 및 상기 기준 자성 구조체(PNL)의 자화 방향들이 평행한 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유 자성 구조체(FRL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)을 구성하는 상기 제 1 및 제 2 수직 자성 구조체들(MS1, MS2)은, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 기판(sub) 상에 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)은, 그것을 구성하는 자유 자성 구조체(FRL)과 상기 기판(sub) 사이의 상대적 배치 및/또는 자유 자성 구조체(FRL)과 기준 자성 구조체(PNL)의 형성 순서에 따라, 두 가지 유형으로 구분될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 수직 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 수직 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 기준 자성 구조체(PNL) 및 상기 자유 자성 구조체(FRL)을 포함하도록 구성되는 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 제 1 수직 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 수직 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 자유 자성 구조체(FRL) 및 상기 기준 자성 구조체(PNL)을 포함하도록 구성되는 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 기준 자성 구조체(PNL)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 자성 구조체(PNL)는 시드층(101)과 터널 배리어(TBR) 사이에 차례로 배치된 제 1 서브층, 제 1 교환 결합층(105), 및 제 2 서브층을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 서브층은 제 1 고정층(PL1)일 수 있고 상기 제 2 서브층은 제 2 고정층(PL2)일 수 있다. 본 실시예에 따른 기준 자성 구조체(PNL)는 도 2의 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)의 일부일 수 있다.
상기 시드층(101)은 조밀육방격자(HCP)를 구성하는 금속 원자들을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 시드층(101)은 루테늄(Ru) 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 상기 시드층(101)은 10Å 내지 100Å로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 시드층(101)은 면심입방격자(FCC)를 구성하는 금속원자들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 시드층(101)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시드층(101)은 단일의 층 또는 서로 다른 결정구조를 갖는 복수의 층을 포함할 수 있다.
상기 터널 배리어(TBR)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 배리어(TBR)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 배리어(TBR)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 배리어(TBR)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 1 고정층(PL1)은 내재적 수직 자화 특성을 갖는, 자성 물질(이하, 수직 자성 물질)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 내재적 수직 자화 특성은 외부적 요인이 없을 경우, 자성층이 그것의 두께 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 수직 자화 특성을 갖는 자성층이 기판 상에 형성된 경우, 상기 자성층의 자화 방향은 상기 기판의 상면에 실질적으로 수직할 수 있다.
상기 제 1 고정층(PL1)의 경우, 상기 내재적 수직 자화 특성은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정층(PL1)은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정층(PL1)은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정층(PL1)은 상술한 일부 및 다른 실시예들에 따른 박막들을 각각 하나씩 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정층(PL1)의 두께는 대략 20Å(옹스트롬) 내지 대략 80Å일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 30Å 내지 55Å일 수 있다. 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 1 고정층(PL1)의 상술한 내재적 수직 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 1 고정층(PL1)은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 또는 L11 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금들, 또는 j) 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조 중의 하나일 수 있다. 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정층(PL1)은 상기 제 1 교환 결합층(105)에 접하는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 교환 결합층(105)은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제 2 고정층(PL2)은 상기 제 1 교환 결합층(105)을 통한 상기 제 1 고정층(PL1)과의 반강자성 교환 결합을 통해 그것의 두께 방향에 평행한 자화를 갖게 된다. 상기 제 1 교환 결합층(105)은 상기 제 2 고정층(PL2)이 상기 제 1 고정층(PL1)의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 갖도록 만드는 두께로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 교환 결합층(105)의 두께는 약 2Å 내지 약 10Å일 수 있다.
상기 제 2 고정층(PL2)은 상기 터널 배리어(TBR)와 접하는 제 1 접합 자성층(122) 및 상기 제 1 접합 자성층(122)과 상기 제 1 교환 결합층(105) 사이의 제 1 버퍼층(121)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 접합 자성층(122)은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 내재적 수평 자화 특성은 외부적 요인이 없을 경우, 자성층이 그것의 길이 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 수직 자화 특성을 갖는 자성층이 기판 상에 형성된 경우, 상기 자성층의 자화 방향은 상기 기판의 상면과 실질적으로 평행할 수 있다. 즉, 상기 제 1 접합 자성층(122)은, 외부적 요인이 없을 경우, 그것의 가장 넓은 표면에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 접합 자성층(122)의 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 CoFeB, CoHf, Co, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 Co막 및 CoHf막을 포함하는 복층 구조 또는 CoFeB막을 포함하는 복층 구조로서 제공될 수 있다. 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 1 접합 자성층(122)의 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 제 1 접합 자성층(122)의 두께는 대략 7Å(옹스트롬) 내지 대략 25Å일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 10Å 내지 17Å일 수 있다.
상기 제 1 접합 자성층(122)의 상기 내재적 수평 자화 특성은 외부 요인(external factor)에 의하여 수직 자화 방향을 갖도록 변경될 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 상기 터널 배리어(TBR)와 접하도록 형성될 수 있으며, 상기 터널 배리어(TBR)에 의하여 상기 제 1 접합 자성층(122)은 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 구조체)가 될 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 상기 터널 배리어(TBR)와 접하도록 형성될 수 있으며, 상기 터널 배리어(TBR)와의 접합에 의한 계면 이방성(interface anisotropy)에 의하여 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 구조체)가 될 수 있다. 이와 같은 계면 이방성의 원인에 대한 설명은 다양한 방법으로 가능하다. 일 예로, 상기 터널 배리어(TBR)가 MgO를 포함하고 상기 제 1 접합 자성층(122)이 CoFeB를 포함하는 경우, 상기 계면 이방성은 상기 터널 배리어(TBR) 내의 산소와 상기 제 1 접합 자성층(122) 내의 철(Fe) 원소의 결합에 기인할 수 있다. 이와 같은 산소와 철의 결합은 상기 제 1 접합 자성층(122) 내의 비금속 원소, 일 예로 보론(B)이 상기 터널 배리어(TBR)과 상기 제 1 접합 자성층(122) 사이의 계면으로부터 배출되면서 촉진될 수 있다.
상기 제 1 접합 자성층(122)의 계면 이방성은 증착 이후 추가적인 열처리 공정에 의하여 유도될 수 있다. 즉, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 증착 시에 적어도 일부가 비정질일 수 있으나, 이 후의 열처리 공정에 의하여 상기 외인성 수직 자화 특성을 갖도록 변형되며, 이 경우 상기 제 1 접합 자성층(122)의 결정 구조도 상기 터널 배리어(TBR)의 결정 구조의 영향을 받아 변형될 수 있다. 일 예로, 상기 터널 배리어(TBR)가 NaCl 결정 구조를 갖는 경우, 상기 제 1 접합 자성층(122)은 NaCl 결정 구조와 격자 배치가 유사한 BCC 결정 구조가 될 수 있다. 즉, 상기 터널 배리어(TBR)의 <001> 결정면과 상기 제 1 접합 자성층(122)의 <001> 결정면이 서로 접하여 계면을 이룰 수 있다. 이와 같은 터널 배리어(TBR)와 상기 제 1 접합 자성층(122)의 계면 결정면의 정합은 자기 터널 접합의 자기 저항비를 향상시킬 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 접합 자성층(122)에 비하여 결정화도(degree of crystallinity)가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 결정화도가 낮은 물질이란 동일한 외부 조건에서 형성 시, 다른 층에 비하여 결정화되는 정도가 낮은 물질을 의미한다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 제 1 버퍼층(121)이 보다 상세히 설명된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 접합 자성층(122)의 자화 방향과 동일한 방향의 자화 방향 가질 수 있다. 상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 접합 자성층(122)과 함께 상기 제 1 고정층(PL1)과 반강자성적으로 결합할 수 있다. 상기 제 1 버퍼층(121)의 포화 자화는 상기 제 1 접합 자성층(122)의 포화 자화보다 작을 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 상기 비자성 금속 원소를 포함할 수 있고, 상기 제 1 버퍼층(121)의 비자성 금속 원소 비율은 상기 제 1 접합 자성층(122)의 비자성 금속 원소 비율보다 높을 수 있다. 상기 비자성 금속 원소는 원자 질량이 코발트(Co)보다 큰 원소일 수 있다. 일 예로, 상기 비자성 금속 원소는 Ta, W, Nb, Ti, Cr, Hf, Zr, Mo 및 V 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 강자성 원소는 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 비금속 원소는 보론(B)일 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)은 CoFeBTa를 포함할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(121) 내의 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약 3wt% 내지 약 30wt%일 수 있다. 상기 비자성 금속 원소의 비율이 3wt% 미만인 경우, 상기 제 1 버퍼층(121)의 결정화도를 낮추기 어렵다. 상기 비자성 금속 원소의 비율이 30wt%를 초과하는 경우, 상기 제 1 버퍼층(121)의 비자성 특성이 증가하여 상기 제 1 접합 자성층(122)과 상기 제 1 고정층(PL1) 사이의 교환 결합이 약해질 수 있다. 상기 비자성 금속 원소의 비율이 30wt%를 초과하는 경우에 대해서는, 이하 도 7을 참조하여 다시 설명된다.
낮은 결정화도를 갖는 상기 제 1 버퍼층(121)은 인접한 층들인 제 1 교환 결합층(105) 및 제 1 고정층(PL1)의 결정 구조가 상기 열처리 공정에 의하여 상기 제 1 접합 자성층(122)으로 전이되는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 교환 결합층(105)이 상기 제 1 고정층(PL1)에 비하여 상대적으로 얇게 형성될 경우, 상기 제 1 고정층(PL1)의 결정 구조는 상기 제 1 교환 결합층(105)을 통하여 상기 제 1 접합 자성층(122)으로 전이될 수 있다. 이와 같은 상기 제 1 고정층(PL1)의 결정 구조의 전이는 상기 터널 배리어(TBR)와 상기 제 1 접합 자성층(122)의 계면 정합성을 악화시킬 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 고정층(PL1)이 L11구조의 CoPt를 포함하는 경우, 상기 제 1 버퍼층(121)이 없다면 상기 제 1 접합 자성층(122)의 적어도 일부는 상기 1 고정층(PL1)의 결정 구조의 영향을 받아 면심입방격자(이하, FCC) 결정 구조로 변형될 수 있으며, 그 결과, 상기 제 1 고정층(PL1)과 상기 터널 배리어(TBR) 사이의 계면 정합성이 악화되어 자기 기억 소자의 자기 저항비가 감소하고, 자성층들 사이의 교환 결합력(SAF coupling)이 약화될 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(121)의 결정 구조는 상기 제 1 접합 자성층(122)의 결정 구조와 다를 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)은 증착 시에 적어도 일부가 비정질일 수 있으나, 증착 이후의 열처리 공정에 의하여 적어도 일부가 상기 제 1 고정층(PL1)의 영향을 받아 결정화될 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)의 원자 충진율(Atomic Packing Factor: APF)은 상기 제 1 접합 자성층(122)의 원자 충진율보다 높을 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)의 적어도 일부는 FCC 결정 구조이고 상기 제 1 접합 자성층(122)의 적어도 일부는 체심입방격자(이하, BCC) 결정 구조일 수 있다. 상기 제 1 버퍼층(121)의 결정 구조는 이에 제한되지 않으며 상기 제 1 고정층(PL1)의 결정 구조에 따라 변경될 수 있다.
상기 열처리 공정에서, 상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 접합 자성층(122)으로부터 비금속 원소, 일 예로, 보론(B)을 흡수하여 상기 제 1 접합 자성층(122)의 계면 이방성을 강화할 수 있다. 그 결과, 상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 접합 자성층(122) 보다 보론 농도가 높을 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층을 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼층(121)은 상기 제 1 교환 결합층(105)의 두께의 약 1/2이하의 두께를 갖는 비자성층일 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)의 두께는 약 5Å이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼층(121)은 비정질 탄탈륨층, 비정질 백금층, 또는 비정질 질화티타늄층일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼층(121)은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 상기 비자성 금속 원소를 포함하고, 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약 30wt%를 초과할 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 버퍼층(121)은 CoFeBTa를 포함하고 탄탈륨(Ta)의 비율은 약 30wt%를 초과할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 기준층을 설명하기 위한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기준층은 터널 배리어(TBR)와 제 2 도전 구조체(CS2) 사이에 차례로 배치된 제 2 고정층(PL2), 제 1 교환 결합층(105), 및 제 1 고정층(PL1)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 기준층은 도 3의 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)의 일부일 수 있다. 상기 제 1 고정층(PL1)과 상기 제 2 고정층(PL2)에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한 층들과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접합 자성층이 제 1 고정층의 결정 구조로부터 영향을 받는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 접합 자성층과 터널 배리어 사이의 계면 정합성이 증가될 수 있다. 그 결과, 자기 기억 소자의 자기 저항비가 증가하고 자성층들 사이의 교환 결합력이 개선될 수 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유층을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 도 2의 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)의 일부를 구성하는 자유층을 설명하기 위한 단면도들이다. 상기 자유 자성 구조체(FRL)은 터널 배리어(TBR)와 제 2 도전 구조체(CS2) 사이에 차례로 적층된 제 1 자유층(FL1), 제 2 교환 결합층(106), 및 제 2 자유층(FL2)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 자유층(FL1)은 상기 제 2 교환 결합층(106)을 통하여 상기 제 2 자유층(FL2)과 반강자성적으로 교환 결합될 수 있다.
상기 제 1 자유층(FL1)은 상기 터널 배리어(TBR)와 접하는 제 2 접합 자성층(162)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 접합 자성층(162)은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 접합 자성층(162)의 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 접합 자성층(162)은 CoFeB, CoHf, Co, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 접합 자성층(162)은 Co막 및 CoHf막을 포함하는 복층 구조 또는 CoFeB막을 포함하는 복층 구조로서 제공될 수 있다.
상기 제 2 접합 자성층(162)의 상기 내재적 수평 자화 특성은 외부 요인(external factor)에 의하여 수직 자화 방향을 갖도록 변경될 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 접합 자성층(162)은 상기 터널 배리어(TBR)와 접하도록 형성될 수 있으며, 상기 터널 배리어(TBR)와의 접합에 의한 계면 이방성(interface anisotropy)에 의하여 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 구조체)가 될 수 있다.
상기 제 2 교환 결합층(106)은 비자성 금속층일 수 있다 일 예로, 상기 제 2 교환 결합층(106)은 탄탈륨, 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 제 2 자유층(FL2)은 상기 제 1 자유층(FL1)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 자유 자성 구조체(FRL)은 코발트-철-보론(CoFeB)의 합금으로 형성되는 한 쌍의 자유층들(FL1, FL2) 및 이들 사이에 개재되고 탄탈륨으로 형성되는 제 2 교환 결합층(106)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 자유층(FL2)은 내재적 수직 자화 특성을 갖는 자성 물질로 형성될 수 있다. 상기 내재적 수직 자화 특성은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제 2 자유층(FL2)은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제 2 자유층(FL2)은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 제 2 자유층(FL2)은 상술한 일부 및 다른 실시예들에 따른 박막들을 각각 하나씩 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 접합 자성층(162)은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 제 2 교환 결합층(106)과 접할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 자유층(FL1)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 교환 결합층(106)과 상기 제 2 접합 자성층(162) 사이에 제 2 버퍼층(161)을 포함할 수 있다. 이하, 상기 제 2 버퍼층(161)이 대하여 보다 상세히 설명된다.
상기 제 2 버퍼층(161)은 상기 제 2 접합 자성층(162)에 비하여 결정화도(degree of crystallinity)가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼층(161)은 상기 제 2 접합 자성층(162)의 자화 방향과 동일한 방향의 자화 방향 가질 수 있다. 상기 제 2 버퍼층(161)의 포화 자화는 상기 제 2 접합 자성층(162)의 포화 자화보다 작을 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 상기 비자성 금속 원소를 포함할 수 있고, 상기 제 2 버퍼층(161)의 비자성 금속 원소 비율은 상기 제 2 접합 자성층(162)의 비자성 금속 원소 비율보다 높을 수 있다. 상기 비자성 금속 원소는 원자 질량이 코발트보다 큰 원소일 수 있다. 일 예로, 상기 비자성 금속 원소는 Ta, W, Nb, Ti, Cr, Hf, Zr, Mo 및 V 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 강자성 원소는 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 비금속 원소는 보론(B)일 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)은 CoFeBTa를 포함할 수 있다.
상기 제 2 버퍼층(161) 내의 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약 3wt% 내지 약 30wt%일 수 있다. 상기 비자성 금속 원소의 비율이 3wt% 미만인 경우, 상기 제 2 버퍼층(161)의 결정화도를 낮추기 어렵다. 상기 비자성 금속 원소의 비율이 30wt%를 초과하는 경우, 상기 제 2 버퍼층(161)의 비자성 특성이 증가하여 상기 제 2 접합 자성층(162)과 상기 제 1 고정층(PL1) 사이의 교환 결합이 약해질 수 있다.
낮은 결정화도를 갖는 상기 제 2 버퍼층(161)은 제 2 자유층(FL2)의 결정 구조가 열처리 공정에 의하여 상기 제 2 접합 자성층(162)으로 전이되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제 2 버퍼층(161)의 결정 구조는 상기 제 2 접합 자성층(162)의 결정 구조와 다를 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)은 증착 시에 적어도 일부가 비정질일 수 있으나, 상기 열처리 공정 이후 적어도 일부가 상기 제 2 자유층(FL2)의 영향을 받아 결정화될 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)의 원자 충진율(Atomic Packing Factor: APF)은 상기 제 2 접합 자성층(162)의 원자 충진율보다 높을 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)의 적어도 일부는 FCC 결정 구조이고 상기 제 2 접합 자성층(162)의 적어도 일부는 BCC 결정 구조일 수 있다.
상기 열처리 공정에서, 상기 제 2 버퍼층(161)은 상기 제 2 접합 자성층(162)으로부터 비금속 원소, 일 예로, 보론(B)을 흡수하여 상기 제 2 접합 자성층(162)의 계면 이방성을 강화할 수 있다. 그 결과, 상기 제 2 버퍼층(161)은 상기 제 2 접합 자성층(162) 보다 보론 농도가 높을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼층(161)은 상기 제 2 교환 결합층(106)의 두께의 약 1/2이하의 두께를 갖는 비자성층일 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)의 두께는 약 5Å 이하일수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼층(161)은 비정질 탄탈륨층, 비정질 백금층, 또는 비정질 질화티타늄층일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼층(161)은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 상기 비자성 금속 원소를 포함하고, 상기 비자성 금속 원소의 비율은 약 30wt%를 초과할 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 버퍼층(161)은 CoFeBTa를 포함하고 탄탈륨(Ta)의 비율은 약 30wt%를 초과할 수 있다.
도 10 및 도 11은 도 3의 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)의 일부를 구성하는 자유층을 설명하기 위한 단면도들이다. 상기 자유 자성 구조체(FRL)은 시드층(101)과 터널 배리어(TBR) 사이에 차례로 적층된 제 2 자유층(FL2), 제 2 교환 결합층(106), 및 제 1 자유층(FL1)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 자유층(FL1)은 상기 제 2 교환 결합층(106)을 통하여 상기 제 2 자유층(FL2)과 반강자성적으로 교환 결합될 수 있다. 상기 제 1 자유층(FL1) 및 상기 제 2 자유층(FL2)은 그 위치적 차이 이외에, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 제 1 및 제 2 자유층들(FL1, FL2) 과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 12 및 도 13는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치(1300)는 PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), 유무선 전자 기기 또는 이들 중의 적어도 둘을 포함하는 복합 전자 장치 중의 하나일 수 있다. 전자 장치(1300)는 버스(1350)를 통해서 서로 결합한 제어기(1310), 키패드, 키보드, 화면(display) 같은 입출력 장치(1320), 메모리(1330), 무선 인터페이스(1340)를 포함할 수 있다. 제어기(1310)는 예를 들면 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 메모리(1330)는 예를 들면 제어기(1310)에 의해 실행되는 명령어를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(1330)는 사용자 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 RF 신호로 통신하는 무선 통신 네트워크에 데이터를 전송하거나 네트워크에서 데이터를 수신하기 위해 무선 인터페이스(1340)를 사용할 수 있다. 예를 들어 무선 인터페이스(1340)는 안테나, 무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wireless USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS 등과 같은 통신 시스템의 통신 인터페이스 프로토콜을 구현하는데 이용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 메모리 시스템(memory system)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리 시스템(1400)은 대용량의 데이터를 저장하기 위한 메모리 소자(1410) 및 메모리 컨트롤러(1420)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 메모리 소자(1410)로부터 저장된 데이터를 독출 또는 기입하도록 메모리 소자(1410)를 제어한다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430), 가령 모바일 기기 또는 컴퓨터 시스템으로부터 제공되는 어드레스를 메모리 소자(1410)의 물리적인 어드레스로 맵핑하기 위한 어드레스 맵핑 테이블(Address mapping table)을 구성할 수 있다. 메모리 소자(1410)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.
상술된 실시예들에서 개시된 반도체 장치들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치가 실장된 패키지는 상기 반도체 장치를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자 등을 더 포함할 수도 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
121, 161: 버퍼층 122, 162: 접합 자성층
L1 및 L2: 제 1 및 제 2 배선들 SW: 선택 소자
MS1: 제 1 자성 구조체 MS2: 제 2 자성 구조체
TBR: 터널 배리어 UMC: 단위 메모리 셀
FRL: 자유층 PNL: 고정층

Claims (30)

  1. 터널 배리어를 사이에 두고 이격된 제 1 수직 자성층 및 제 2 수직 자성층을 포함하고,
    상기 제 1 수직 자성층은 교환 결합층 및 상기 교환 결합층을 사이에 두고 이격된 제 1 서브층 및 제 2 서브층을 포함하고,
    상기 제 2 서브층은:
    상기 터널 배리어와 접하는 접합 자성층; 및
    상기 접합 자성층과 상기 교환 결합층 사이의 버퍼층을 포함하고,
    상기 버퍼층은 상기 접합 자성층에 비하여 결정화도(degree of crystallinity)가 낮은 물질을 포함하는 자기 기억 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 결정 구조는 상기 접합 자성층의 결정 구조와 다른 자기 기억 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 원자 충진율(atomic packing factor)은 상기 접합 자성층의 원자 충진율보다 높은 자기 기억 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 FCC 결정 구조를 포함하고, 상기 접합 자성층은 BCC 결정 구조를 포함하는 자기 기억 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 포화 자화는 상기 접합 자성층의 포화 자화보다 작은 자기 기억 소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 강자성 원소, 비금속 원소, 및 비자성 금속 원소를 포함하는 자기 기억 소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 비정질인 자기 기억 소자.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 비자성층인 자기 기억 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층 및 상기 접합 자성층은 보론(B)을 포함하고, 상기 버퍼층의 보론 농도는 상기 접합 자성층의 그것보다 큰 자기 기억 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 접합 자성층보다 밀도가 높은 자기 기억 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 배리어 아래에 시드층을 더 포함하고,
    상기 제 1 수직 자성층은 상기 터널 배리어와 상기 시드층 사이에 제공되는 자기 기억 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합 자성층은 제 1 접합 자성층이고, 상기 버퍼층은 제 1 버퍼층이고,
    상기 제 2 수직 자성층은:
    상기 터널 배리어와 접하는 제 2 접합 자성층: 및
    상기 제 2 접합 자성층을 사이에 두고 상기 터널 배리어와 이격되는 제 2 버퍼층을 포함하는 자기 기억 소자.
  18. 터널 배리어를 사이에 두고 이격되는 기준 자성 구조체 및 자유 자성 구조체를 포함하고,
    상기 기준 자성 구조체는:
    교환 결합층을 사이에 두고 반강자성적으로 결합하는 접합 자성층 및 고정층; 및
    상기 접합 자성층과 상기 교환 결합층 사이의 버퍼층을 포함하고,
    상기 버퍼층의 원자 충진율(atomic packing factor)은 상기 접합 자성층의 원자 충진율보다 높은 자기 기억 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 접합 자성층 및 상기 버퍼층은 각각 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 및 보론(B)를 포함하는 자기 기억 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 버퍼층 내의 보론 농도는 상기 접합 자성층 내의 보론 농도보다 높은 자기 기억 소자.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 접합 자성층보다 비자성 금속 원소의 비율이 높고,
    상기 비자성 금속 원소는 원자 질량이 코발트보다 큰 원소인 자기 기억 소자.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 접합 자성층은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질을 포함하고,
    상기 고정층은 내재적 수직 자화 특성을 갖는 물질을 포함하는 자기 기억 소자.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 고정층과 반평행한 자화 방향을 갖고 상기 고정층과 반강자성적으로 결합하는 자기 기억 소자.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 결정 구조는 FCC이고 상기 접합 자성층의 결정 구조는 BCC인 자기 기억 소자.
  27. 삭제
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 적어도 일부는 비정질인 자기 기억 소자.
  29. 삭제
  30. 삭제
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