KR102298837B1

KR102298837B1 - 텅스텐 질화물을 가지는 스핀궤도토크 스위칭 소자

Info

Publication number: KR102298837B1
Application number: KR1020200033574A
Authority: KR
Inventors: 김영근; 김용진; 이민혁
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-06
Also published as: EP3882994A1; US11600770B2; JP7278250B2; JP2021150639A; US20210296575A1; EP3882994B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정층; 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층; 및 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층은 차례로 적층된 텅스텐층 및 텅스턴-질화물층을 포함한다. 상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층에 인접하게 배치된다.

Description

텅스텐 질화물을 가지는 스핀궤도토크 스위칭 소자{Spin-orbit Torque Switching Device With Tungsten Nitrides}

본 발명은 스핀궤도토크(spin-orbit torque; SOT) 기반 스위칭 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 낮은 전류로 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT) 스위칭을 할 수 있는 텅스텐층/텅스텐 질화물층 다층 박막을 포함하는 스핀궤도토크(spin-orbit torque; SOT) 기반 스위칭 소자에 관한 것이다.

스핀궤도토크(spin-orbit torque; SOT) 스위칭 기반 자기 랜덤 억세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM)는 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 핵심 소자로 가진다.

도 1은 통상적인 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ, 10)은 스핀토크 발생층/자유층/터널배리어층/고정층으로 구성된다.

자유층(14)과 고정층(18)의 상대적인 자화방향에 따라 터널배리어층(16)을 통과하는 터널링 전류의 전기저항값이 달라진다. 자기터널접합(10)은 이러한 터널자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR) 현상을 이용하여 정보를 저장한다.

자기터널접합(10)은 높은 터널자기저항(TMR) 비(ratio), 높은 기록안정성, 낮은 기록 전류, 및 고집적화를 구현하기 위해서, 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA) 특성을 가질 수 있다. 수직자기이방성은 자성층의 자화 방향이 자성층 면에 수직인 것을 의미한다.

자유층(14)에 인접한 스핀토크 발생층(12)에 면내 전류(Ic)가 흐를 때, 스핀토크 발생층(12)은 스핀궤도토크(spin-orbit torque; SOT)에 의하여 스핀 홀 효과(spin Hall effect) 또는 라쉬바 효과(Rashba effect)를 이용하여 자유층의 스위칭을 유도할 수 있다. 스핀궤도토크는 스핀전달토크(spin-transfer torque; STT)의 기록(writing) 방식보다 고속, 저전류, 및 저 소모 전력으로 정보를 기록할 수 있다.

하지만, 스핀궤도토크(SOT) MRAM이 상용화되기 위하여, 더 낮은 전류 주입으로 자유층의 자화반전을 유도할 수 있는 스핀토크 발생층의 물질 및 구조가 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 스위칭 임계 전류에서 기록 동작을 수행하는 SOT-MRAM을 제공하는 것이다. 자유층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 스핀토크 발생층이 텅스텐층/텅스텐 질화물층 다층 박막을 포함하는 경우, SOT-MRAM의 스핀궤도토크 효과가 증강되고 기록 동작을 위한 스위칭 임계 전류가 감소된다. 텅스텐 질화물층은 질소가 도핑된 텅스텐 또는 텅스텐 질화물을 포함할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀홀 발생층으로 텅스텐층/텅스텐 질화물층 구조를 사용하였을 때 텅스텐 질화물층의 소정의 두께와 소정의 질소 농도에서 수직자기이방성이 발현되는 SOT-MRAM을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온과 고온 가혹 환경에서도 작동하며, 이후 상온으로 돌아온 후에도 정상 작동하는 SOT-MRAM을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 임계 전류를 가지면서 무자기장 스위칭 동작을 수행하는 SOT-MRAM을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm이고, 상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 5% 내지 42 %일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 29% 이고, 상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5% 이고, 상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 3nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐-질화물층은 결정질 W₂N (111) 상을 포함하거나, 상기 텅스텐-질화물층은 결정질 W₂N (111) 상 및 결정질 WN (100) 상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐층은 상기 자유층과 수직으로 정렬될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀 토크 발생층은 면내 자기 이방성을 가진 강자성층을 더 포함하고, 상기 텅스텐층은 상기 강자성층과 상기 텅스텐질화물층 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 텅스턴-질화물층의 비저항은 350 μΩ·cm 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정층; 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층; 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층; 및 상기 자유층과 상기 스핀 토크 발생층 사이에 배치된 텅스턴-질화물층을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층은 텅스텐층을 포함하고, 상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층과 수직으로 정렬된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정층; 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층; 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층; 및 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층은 텅스턴-질화물층을 포함하고, 상기 텅스턴-질화물층은 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5%이고, 상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층에 인접하게 배치된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 텅스텐층/텅스텐 질화물층 다층 구조를 이용한 SOT 스위칭 소자는 기존의 단일 텅스텐층을 사용한 소자보다 낮은 기록 전류에서 작동할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 자유층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 스핀토크 발생층이 텅스텐층/텅스텐 질화물층을 포함하는 경우, SOT-MRAM의 스핀궤도토크 효과가 증강되고, 기록 동작을 위한 스위칭 임계 전류가 감소된다.

본 발명의 실시예에 따르면, SOT-MRAM은 저온과 고온 가혹 환경에서도 작동하며, 이후 상온으로 돌아온 후에도 정상 작동한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 면내 자화 강자성층/텅스텐층/텅스텐 질화물층 다층 구조는 낮은 임계 전류를 가지면서 무자기장 스위칭 동작을 수행하는 SOT-MRAM을 제공할 수 있다.

도 1은 통상적인 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOT 스위칭 거동을 측정하기 위한 자기 소자이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 N₂ 가스의 유량비(Q)에 따른 텅스텐 질화물층의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent, n)에 따른 유효 이방성 에너지(K_u,eff)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 두께(t_W-N)에 따른 유효 이방성 에너지(K_u,eff)를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소의 원자 퍼센트(n)에 따른 스핀홀 각도의 절대값(|ξ_DL|)을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 두께(t_W-N)에 따른 스핀홀 각도의 절대값(|ξ_DL|)을 나타낸다.
도 10는 t_W-N = 0.2 nm에서 n의 조건 별 전류에 따른 저항을 나타낸다.
도 11은 t_W-N = 0.2 nm에서 n의 조건 별 외부 자기장에 따른 스위칭 전류를 나타낸다.
도 12는 t_W-N = 0.2 nm에서 n에 따른 규격화된 스위칭 전류 및 수직 자기이방성을 나타낸다.
도 13은 n = 29%에서 n에 따른 규격화된 스위칭 전류 및 수직 자기이방성을 나타낸다.
도 14는 W (5 nm)/WN_x (t_W-N= 0.2 nm)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조에서 n의 함수로써 비저항(resistivity, ρ_xx)을 나타낸다.
도 15는 40nm 두께의 텅스텐 질화물층의 GIXRD(Grazing Incidence X-ray Diffraction) 결과를 보여준다.
도 16은 n의 함수로서 40 nm의 두께를 갖는 텅스텐 질화물층의 비저항을 도시한다.
도 17은 n = 5%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절(selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.
도 18은 n = 34%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절 (selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.
도 19는 n = 42%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절 (selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.
도 20은 +200 Oe의 외부 자기장(Hex) 하에서 다양한 온도에서 면내 전류에 따른 저항을 나타낸다.
도 21은 다양한 온도에서 외부 자기장에 따른 스위칭 전류를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 W (5 nm)/WN_x (t_w-n; n)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조에서 질소의 함량(n)과 WN_x층의 두께에 따른 실험 결과를 나타낸다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.

비자성층(NM)/강자성층(FM) 구조에서, 강자성층(NM)의 자화는 면내 전류가 비자성층(NM)에 주입될 때 생성된 스핀 궤도 토크 (SOT)에 의해 반전될 수 있다. SOT-스위칭 기반 메모리 또는 로직 소자는 종래의 스핀-전달-토크-스위칭된 디바이스(spin-transfer-torque-switched devices)에 비해 에너지 소비 감소 및 고속 스위칭의 이점을 제공할 수 있다. 그러나 상용화를 위해서는 두 가지 주요 장애물을 해결해야 한다. 즉, 외부 자기장이 없는 상태에서 결정적 스위칭(deterministic switching)과 매우 낮은 스위칭 전류가 요구된다.

스핀 궤도 토크 (Spin-orbit torque; SOT)는 면내 전류를 주입함으로써 비자성층(NM)/강자성층(FM) 구조에서 강자성층의 자화를 반전시키는 데 사용될 수 있다. 스핀 궤도 토크는 자기 랜덤 액세스 메모리를 위한 새로운 메커니즘으로서 상당한 관심을 끌었다. 다양한 중금속 중에서, β-상(β-phase) 텅스텐 막은 비교적 높은 SOT 효율을 나타낸다. 따라서, β-상(β-phase) 텅스텐 막은 스핀 전류 발생층의 잠재적 재료(potential material)로 고려된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 W/WN_x/CoFeB/MgO 홀바(Hall bar) 구조에서 향상된 SOT 및 더 낮은 SOT 유도 스위칭 전류를 보고한다. CoFeB층은 수직자화되었다. 상기 WN층은 질소 반응성 환경(nitrogen reactive environment)에서 스퍼터링 증착된다. 상기 WN_x 층의 조성은 미세 구조 및 전기적 특성에 영향을 미친다. 측정된 SOT 효율은 0.54이며, 스위칭 전류는 40% 내지 42%의 질소 원자 퍼센트를 포함하는 샘플에서 상기 WN층을 포함하지 않는 샘플보다 약 1/5로 감소한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, W/WN/CoFeB/MgO 구조는 낮은 스위칭 전류를 제공할 수 있다. 면내 자화 강자성층이 텅스텐층 하부에 배치된 경우, 무자기장 스위칭이 구현될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 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 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 자기 소자(100)는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정층(150); 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층(130); 상기 고정층과 상기 고정층 사이에 개재되는 터널 절연층(140); 및 면내 전류(Ic)가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층(120)을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층(130)의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층(150) 및 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 가진다. 상기 스핀 토크 발생층(120)은 차례로 적층된 텅스텐층(122) 및 텅스턴-질화물층(124)을 포함한다. 상기 텅스턴-질화물층(124)은 상기 자유층(130)에 인접하게 배치된다. 상기 자기 소자(100)는 SOT-MRAM일 수 있다. 상기 고정층(150), 상기 터널 절연층(140), 및 상기 자유층(130)은 자기 터널 접합을 구성할 수 있다.

고정층(150)은 고정된 자화 방향을 가지며, 수직자기 이방성을 가진 강자성층을 포함할 수 있다. 상기 고정층(150)은 단층 구조 또는 다층 구조일 수 있다.

자유층(130)은 수직 자기 이방성을 가지며, SOT에 의하여 자화 방향을 스위칭할 수 있다. 상기 자유층(130)은 0.9 nm 두께의 CoFeB일 수 있다. 상기 자유층(130)은 단층 구조 또는 다층 구조로 변형될 수 있다.

터널 절연층(140)은 터널 전류가 흐르는 절연체로 1 nm 두께의 MgO일 수 있다. 상기 터널 절연층(140)은 상기 고정층(150)과 자유층(130) 사이에 배치될 수 있다.

스핀 토크 발생층(120)은 비자성 도전성 금속을 포함할 수 있다. 상기 스핀 토크 발생층(120)은 차례로 적층된 텅스텐층(122) 및 텅스턴-질화물층(124)을 포함할 수 있다. 상기 스핀 토크 발생층(120)에 면내 전류(I_C)가 흐르면, 상기 스핀 토크 발생층(120)은 배치 평면에 수직한 방향(자유층 방향)으로 스핀 전류(Is)를 제공할 수 있다. 상기 스핀 전류(I_S)는 스핀 홀 효과 (Spin Hall effect; SHE) 또는 스핀 홀 효과 (Spin Hall effect; SHE)에 의하여 SOT 생성할 수 있다. 상기 SOT는 상기 자유층(130)의 자화를 스위칭할 수 있다. 스핀 토크 발생층(120)의 양단은 접속 전극(120a,120b)을 통하여 면내 전류를 인가하는 외부 회로에 연결될 수 있다.

상기 텅스텐-질화물층(124)의 두께와 조성에 따라 스위칭 전류가 변화될 수 있다. 또한, 상기 텅스텐-질화물층(124)의 두께와 조성에 따라, 상기 자유층의 자화 특성이 변경될 수 있다. 즉, 텅스텐-질화물층(124)의 두께와 조성은 소정의 범위 내에서 상기 자유층(130)에 수직 자화 이방성 특성을 제공할 수 있다. 상기 자유층(140)이 수직자기 이방성을 발현하는 경우, 텅스텐-질화물층(124)의 두께가 감소하고 질소의 농도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소할 수 있다.

구체적으로, 상기 텅스텐-질화물층(124)의 두께는 0.2 nm이고, 상기 텅스텐-질화물층(124)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 5% 내지 42 %일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지하면서, 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소할 수 있다. 한편, 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 42 %를 초과하는 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 상실하고 면내 자기 이방성을 가진다.

상기 텅스텐-질화물층(124)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 29% 이고, 상기 텅스텐-질화물층(124)의 두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 텅스텐-질화물층(124)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5% 이고, 상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 3nm일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 텅스텐-질화물층(124)은 결정질 W₂N (111) 상(phase)을 포함하거나, 상기 텅스텐-질화물층(124)은 결정질 W₂N (111) 상 및 결정질 WN (100) 상을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

전극(160)은 상기 고정층(150) 상에 배치되어 외부 회로에 연결될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 도면이다.

도 3b는 도 3a의 단면도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 자기 소자(200)는, 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층(130); 상기 자유층 하부에 배치된 터널 절연층(140); 및 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층(120)을 포함한다. 상기 고정층 및 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층(120)은 차례로 적층된 텅스텐층(122) 및 텅스턴-질화물층(124)을 포함할 수 있다. 상기 텅스턴-질화물층(124)은 상기 자유층(130)에 인접하게 배치된다. 케핑층(162)은 상기 터널 절연층(140) 상에 배치되어 상기 터널 절연층(140)을 보호할 수 있다. 상기 케핑층(162)은 탄탈일 수 있다.

SOT는 비자성층(NM) 또는 스핀 토크 발생층의 스핀 홀 효과 (Spin Hall effect; SHE) 또는 비자성층(NM)/강자성층(FM) 인터페이스의 Rashba-Edelstein 효과에 의해 발생할 수 있다. 비자성층(NM)/강자성층(FM) 구조에서, 비자성층(NM)/강자성층(FM) 인터페이스에 수직인 방향이 z 방향이고, x 방향을 따라 비자성층(NM)에 면내 전류(Ic)가 주입되면, 이 두 가지 효과 때문에 y 방향의 스핀이 축적된다. 이 경우, SOT에 의해 발생된 토크는 다음과 같이 자화 방향 (

)과 스핀 방향 (

)의 두 가지 성분으로 표현 될 수 있다.

여기서 τ_DL은 댐핑-라이크 (damping-like; DL)-SOT이다. τ_FL은 필드-라이크 (field-like; DL)-SOT이다. 어떤 SOT가 자화 반전(magnetization reversal)에 미치는 영향이 지배적인지는 논란의 여지가 있다. 그러나 본 발명의 과제는 SOT의 크기를 증가시켜 스위칭 전류를 줄이는 것이다.

SOT의 효율로 정의될 수 있는 주입 면내 전류 밀도 (J_C)에 대한 스핀 전류 밀도 (J_S)의 비율을 스핀 홀 각도 (Spin Hall Angle; SHA, ξ_SH = J_S / J_C)라고 한다. 스핀 홀 각도(ξ_SH)가 증가함에 따라, 자화를 역전시키기 위해서는 더 낮은 스위칭 전류가 필요하다. 중금속(heavy metal)의 경우, 스핀 홀 각도(ξ_SH)는 큰 것으로 알려져 있으며, 스핀 홀 각도(ξ_SH)는 텅스텐(W)에서 ~ 0.33, 탄탈륨(Ta)에서 ~ 0.15 및 백금(Pt)에서 ~ 0.10 수준이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭 전류를 줄이기 위해 텅스텐 질화물층(124)이 비자성층(NM)과 강자성층(FM) 사이에 삽입되고, 텅스텐 질화물층(124)의 두께와 조성을 제어하였다. 이에 따라, 스핀 홀 각도(ξ_SH)가 0.54로 증가한다. 또한, 전류-유도 SOT 스위칭 거동이 텅스텐 질화물층(124)이 없는 값의 약 1/5로 감소한다. 매우 얇은 텅스텐 질화물층(124) (두께 0.2 nm)에서도 SOT 스위칭 거동은 질소 원자 (N) 함량에 따라 달라진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Si (100) 웨이퍼 상에 300 nm 두께의 SiO₂ 층이 증착된다. 상기 SiO₂층 상에 차례로 W/WN_x/CoFeB/MgO/Ta 층들이 차례로 적층된다. 텅스텐층(122) 및 텅스텐-질화물층(124)은 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템에 의하여 증착된다.

DC 마그네트론 스퍼터링 시스템은 5 x 10^-9 Torr의 초기 진공에서 금속 증착을 위해 사용되었다. 작업 압력(working pressure)은 Ar 가스 분위기에서 1.3 mTorr이다. 상기 텅스텐 질화물층(124)은 반응성 스퍼터링에 의해 증착되었다. 주입 된 Ar 및 N₂ 가스의 비율은 일정한 작동 압력에서 제어되었다. DC 전력 밀도는 2.5 W/cm²로 고정되었다.

RF 마그네트론 스퍼터링 시스템은 5 x 10^-9 Torr의 초기 진공 및 6 mTorr의 작동 압력에서 터널 절연층(140)의 증착에 사용되었다. 상기 터널 절연층(130)은 MgO일 수 있다. RF 전력 밀도는 1.6 W/cm²로 고정되었다.

자기 소자의 적층 구조는 Si / SiO₂ / W (5 nm) / WN_x (t_W-N) / CoFeB (0.9 nm) / MgO (1 nm) / Ta (2 nm)이다. 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)는 0 내지 3 nm로 변하고, 텅스텐 질화물층(124)의 조성은 Q를 0 내지 50 %로 변화시켜 조정하였다. 여기서, Q는 스퍼터링 동안 총 가스 유량([Ar+N₂])에 대한 N₂가스 유량([N₂])의 비(Q=[N₂]/[Ar+N₂])이다.

자유층(130)은 CoFeB (0.9 nm) 이다. 상기 캐핑층(162)의 증착 후, 모든 샘플은 10^-6 Torr에서 1 시간 동안 섭씨 300도의 퍼니서(furnace)에서 어닐링되었다. 상기 캐핑층(162)은 보호층으로 동작한다.

어닐링 후, 자기 특성은 진동 샘플 자력계 (vibrating sample magnetometer; VSM)를 사용하여 실온에서 측정되었다. 전기적 특성을 측정하기 위해, 폭 5 μm 및 길이 35 μm의 홀 바(Hall bar) 구조를 갖는 소자는 포토 리소그래피를 사용하여 제조된다. 고조파 측정(harmonics measurement)을 사용하여 SOT 효율이 측정되었다. 측정하는 동안, 주입된 교류 전류 (AC) 및 주파수(f)는 각각 1mA 및 13.7 Hz로 각각 고정되었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOT 스위칭 거동을 측정하기 위한 자기 소자이다.

도 4를 참조하면, SOT 스위칭 거동을 결정하기 위해, 직경 4 ㎛의 도트 형 패턴은 홀 바 구조에서 캐핑층(162), 터널 절연층(140), 그리고 자유층(130)을 차례로 이방성 식각하여 형성된다. 스위칭 특성은 프로브 스테이션 (probe station)을 사용하여 측정된다. 10 μs의 펄스 폭을 갖는 펄스 전류(I_pulse)가 소자에 x 방향으로 인가되었고, 결정성 스위칭(deterministic switching)을 위해 외부 자기장 (H_ex)이 x 축 방향으로 인가되었다. 자기 소자(200a)는 홀바 구조에서 도트형태의 자유층(130), 터널 절연층(140), 및 캐핑층(162)을 가질 수 있다.

텅스텐 질화물층(124)의 저항은 4 점 프로브 (four-point probe)를 사용하여 측정되었다. 텅스텐 질화물층(124)의 조성을 확인하기 위해 러더포드 후방 산란 (Rutherford backscattering; RBS) 분석을 수행하였다. 상기 텅스텐 질화물층(124)의 미세 구조는 0.5도의 고정각에서 그레이징 입사 X-선 회절 장치(grazing incidence X-ray diffraction device)를 사용하여 분석되었다. 상기 텅스텐 질화물층(124)의 미세 구조는 투과 전자 현미경을 사용하여 관측되었다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 N₂ 가스의 유량비(Q)에 따른 텅스텐 질화물층의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent)를 나타낸다.

도 5를 참조하면, Q는 스퍼터링 동안 총 가스 유량([Ar+N₂])에 대한 N₂가스 유량([N₂])의 비(Q=[N₂]/[Ar+N₂])이다. 텅스텐 질화물층(124)의 질소 원자의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent)는 러더포드 후방 산란 장치에 의하여 측정되었다.

텅스텐 질화물층(124)의 질소 원자 함량을 분석했다. N₂가스 유량의 비(Q)는 0, 4, 8, 15, 20, 30, 40, 그리고 50% 이다. 러더포드 후방 산란(RBS)을 사용하여 검사한 40 nm 두께의 텅스텐 질화물 박막의 Q의 함수로서 질소의 원자 퍼센트(n)를 보여준다. Q = 4%에서 질소의 원자 퍼센트(n)는 5%로 매우 작다. Q = 8%에서, N의 원자 퍼센트(n)는 29%로 급격히 증가한다. Q = 20%에서, 질소의 원자 퍼센트(n)는 33%이다. 그러나 Q = 20%와 Q = 30% 사이에서, 질소의 원자 퍼센트(n)은은 다시 40%로 급격히 증가한다. Q = 40%에서, 질소의 원자 퍼센트(n)는 42%이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent, n)에 따른 유효 이방성 에너지(K_u,eff)를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 자기 소자(200)는 W(5 nm)/WN_x(0.2 nm)/CoFeB(0.9 nm)/MgO(1 nm)/Ta(2 nm) 구조를 가진다. 상기 텅스텐 질화물층(124)의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent, n)에 따른 유효 이방성 에너지(K_u,eff)가 분석되었다. 텅스텐 질화물층(124)의 질소의 원자퍼센트(nitrogen atomic percent, n)는 0 ~ 42% 범위에서 변경되었다. 유효 이방성 에너지(K_u,eff)는 n이 증가함에 따라 감소한다. 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 0.2 nm로 고정되었을 때, 수직자기이방성(PMA)는 질소의 원자퍼센트(n)가 0% 내지 최대 42% 범위 내에서 발생했다. 하지만, 질소의 원자퍼센트(n)가 42%를 초과하면, PMA는 발생하지 않았다. 유효 이방성 에너지 (K_u,eff)는 n = 0%에서 2.87 Merg/cm³이고, n = 42%에서 1.81 Merg/cm³로 감소했다. 따라서, n이 증가함에 따라, PMA의 강도는 감소하였다. 유효 이방성 에너지 (K_u,eff)는 평면내(in-plane) 및 평면외(out-of-plane) M-H 루프의 면적을 사용하여 계산되었다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 두께(t_W-N)에 따른 유효 이방성 에너지(K_u,eff)를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 자기 소자(200)는 W (5 nm)/WN_x (t_W-N)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조를 가진다. 우리는 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)를 0.2 nm ~ 3 nm 범위에서 변경하였다.

텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 t_W-N≥ 0.4 nm의 경우, 수직자기이방성(PMA)은 n ≤ 29 %에 대해서만 발현되었다. n = 29 %에서, 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 1 nm보다 클 때, 수직자기이방성(PMA)는 사라졌다. 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 1.0 nm를 초과하면, n에 상관없이 수직자기이방성(PMA)이 사라졌다.

수직자기이방성(PMA)은 고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)에 필수적이므로, 우리는 수직자기이방성(PMA)이 나타나는 범위에서, 텅스텐 질화물층(124)의 두께 및 조성을 가진 구조에서 SOT를 조사했다. 자기 수송 특성(magneto-transport characterization)을 조사하기 위해, 수직자기이방성(PMA)를 갖는 자기 소자는 포토 리소그래피를 사용하여 폭 5 μm 및 길이 35 μm의 홀 바 구조로 제조되었다.

우리는 PMA 자기 소자에서 SOT를 평가하는 데 널리 사용되는 고조파 방법으로 자기 수송 특성을 측정했다. AC 전류가 자기 소자에 주입되고, 외부 자기장(H_ex) 하에서 자화가 평형 상태에 있을 때, 제1 고조파 성분은 다음과 같이 극각(θ) 및 방위각(

)를 사용하여 표현된다.

[수학식1]

여기서 R_AHE는 비정상 홀 저항(anomalous Hall resistance)을 나타내고, R_PHE는 평면 홀 저항(planar Hall resistance)을 나타낸다. 열전 전압(thermoelectric voltage)과 관련된 2차 고조파 성분(second harmonic component; R_xy ^2ω)은 다음과 같다.

[수학식2]

여기서 I₀은 AC 전류의 진폭을 나타내고, α는 비정상적인 Nernst 효과 계수를 나타내고, ∇T는 줄 열(Joule heating)에 의한 열 기여도(thermal contribution)를 나타냅니다.

B_I = B_DL + B_FL + B_Oe는 전류 유도 필드의 합(sum of the current-induced field)을 나타냅니다. 여기서, B_DL은 댐핑-라이크 필드(damping-like field), B_FL은 필드-라이크 필드(field-like field), B_Oe는 Oersted 필드이다. B_DL 및 B_FL은 각각 DL-SOT 및 FL-SOT에 의해 생성된 유효 자기장이다. 자화는 유효 자기장의 방향으로 진동한다.

면내 자화 상태 (θ = π/2)에서, DL-SOT 및 FL-SOT는 자화가 평면에서 각각 수직 및 수평으로 진동하도록 유발한다. 수학식 2는 다음과 같이 다시 작성할 수 있다.

[수학식 3]

이방성 자기장(H_K)보다 충분히 큰 외부 자기장 (B_ext)이 인가되면, 자화가 필름의 평면 내에 있는 경우, 열 구배(thermal gradient)로 인한 저항의 기여는 일정하다고 가정 할 수 있다. 평면 홀 효과(planar Hall effect)의 2차항(second term)은

= 45° 일 때 소멸한다. 이러한 가정 하에서, 수학식 3 은 DL-SOT로 인한 유효 필드인, B_DL을 계산하기 위해 근사화될 수 있다. 이어서 B_FL + B_Oe가 획득될 수 있다.

[수학식 4]

그런 다음, 우리는 SOT 효율을 계산할 수 있다. 스핀홀 각도(Spin Hall Angle, ξ)는 다음과 같다.

[수학식 5]

여기서 e는 전자 전하를 나타내고, h는 플랑크 상수를 나타내고, M_S는 자유층의 포화 자화를 나타내고, t_FM은 자유층의 두께를 나타내고, J_e는 전류 밀도를 나타낸다.

스핀홀 각도(ξ_DL)을 얻기 위해, 우리는 외부 자기장(B_ext)의 방향을 변화시켜 고조파 측정을 수행했다. 우리는 자기 소자의 이방성 자기장(H_K) 값의 두 배보다 큰 약 13-18 kOe의 외부 자기장(B_ext)을 인가한다.

텅스텐의 FL-SOT 효율이 DL-SOT 효율보다 약 열 배 작은 것으로 알려져 있기 때문에, 본 발명에서는 DL-SOT에 의한 스핀홀 각도(ξ_DL)만을 고려한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소의 원자 퍼센트(n)에 따른 스핀홀 각도의 절대값(|ξ_DL|)을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물층의 두께(t_W-N)에 따른 스핀홀 각도의 절대값(|ξ_DL|)을 나타낸다.

도 8 및 도 9를 참조하면, |ξ_DL|은 n이 증가함에 따라 점진적으로 증가하여, n = 40%에서 최대 0.54에 도달한다. 이 스핀홀 각도는 텅스텐 단독의 것보다 훨씬 크다. n > 40%의 경우, |ξ_DL|는 약간 줄어든다.

W (5 nm)/CoFeB/MgO 구조 (n = 0%, t_W-N = 0 nm)에서, 5 nm 두께의 W 박막은 β-상 W일 것으로 예상되며, 스핀홀 각도의 절대값(|ξ_DL|)은 0.32 ± 0.02이다.

W (5 nm)/WN_x (t_W-N)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조에서, |ξ_DL|는 n = 29% 의 조건에서 t_W-N에 따라 변화한다. |ξ_DL|는 t_W-N = 0.2 nm에서 텅스텐 질화물층(124)이 없는 것보다 약간 더 높다. 하지만, 0.2 nm보다 큰 텅스텐 질화물층(124)의 두께에서, t_W-N이 증가함에 따라, |ξ_DL|는 점차 감소한다. 이 결과는 매우 얇은 텅스텐 질화물층(124)이 SOT 특성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

그러나, t_W-N이 0.2 nm를 초과 할 때, 벌크 텅스텐 질화물의 특성이 점차적으로 나타나서, SOT 효율이 텅스텐 질화물층(124)이 없는 것보다 낮다. 그럼에도 불구하고, t_W-N이 0.2 nm를 초과 할 때, 스위칭을 위한 임계 전류는 감소한다.

도 10는 t_W-N = 0.2 nm에서 n의 조건 별 전류에 따른 저항을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 외부 자기장(H_ex = +200 Oe)이 자기 소자(200a)에 x축 방향으로 인가된 경우, 자유층(130)의 결정적인 스위칭은 n에 관계없이 발생한다.

스위칭 전류(I_SW)는 n이 증가함에 따라 감소하고, 스위칭 방향은 n이 변화함에 따라 시계 반대 방향으로 일정하게 유지된다.

텅스텐 질화물층(124)이 없는 W/CoFeB/MgO 구조(n = 0%)에서 스위칭 전류(I_SW)는 8.58 ± 0.08 mA이고, 스위칭 전류 밀도(J_SW)는 33.0 MA/cm²)이다. 스위칭 전류(I_SW)는 n이 증가함에 따라 점차 감소하며, n = 40%에서 1.49 ± 0.16 mA 이고, 텅스텐 질화물층(124)이 없는 구조 보다 5 배 더 작다.

도 11은 t_W-N = 0.2 nm에서 n의 조건 별 외부 자기장에 따른 스위칭 전류를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 스위칭 동작의 외부 자기장 의존성이 표시된다. 모든 질소 함량(n)에서, 외부 자기장(H_ex)이 증가함에 따라, 스위칭 전류 (I_SW)는 감소하는 경향이 있다. 외부 자기장(H_ex) 방향이 +x에서 -x로 변경되면, 스위칭 방향이 시계 방향으로 변경되지만, 스위칭 전류(I_SW)는 거의 동일하게 유지된다. 이러한 결과는 양호한 전류-유도 SOT 스위칭 동작이 발생함을 확인시킨다. 또한, 텅스텐 질화물층(124)이 SOT-MRAM에 적용되는 경우, 전력 소비를 감소시킬 수 있다.

다음으로, 스위칭 전류(I_SW)의 감소가 |ξ_DL| 상승에 기인할 수 있다. SOT 로 인한 스위칭 전류(I_sw ^SO)는 다음과 같이 표현된다.

[수학식 6]

여기서 A_NM은 전류가 주입되는 비자성층(또는 스핀홀 발생층)의 두께를 나타내고, H_K,eff는 이방성 자기장을 나타낸다. t_FM은 자유층의 두께이다. M_S는 자유층의 포화 자화이다. H_ex는 외부 자기장이다.

수학식6에서, H_ex는 H_K,eff에 비해 작고, M_SH_K,eff/2가 유효 이방성 에너지(K_u,eff)와 같기 때문에 무시할 만하다. 따라서 t_FM 그리고 A_NM이 고정되면, SOT로 인한 스위칭 전류(I_sw ^SO)는 유효 이방성 에너지(K_u,eff)에 정비례한다.

텅스텐 질화물층(124)의 삽입이 K_u,eff의 열화(degradation)에 영향을 미치기 때문에, 우리는 스위칭 전류(I_SW)가 유효 이방성 에너지(K_u,eff)의 감소에 의해 영향을 받을 가능성을 조사한다.

도 12는 t_W-N = 0.2 nm에서 n에 따른 규격화된 스위칭 전류 및 수직 자기이방성을 나타낸다.

도 13은 n = 29%에서 n에 따른 규격화된 스위칭 전류 및 수직 자기이방성을 나타낸다.

도 12 및 13를 참조하면, 각각 n 및 t_W-N의 함수로서 I_SW 및 K_u,eff의 정규화된 값을 보여준다.

도 12를 참조하면, 스위칭 전류(I_SW)와 유효 이방성 에너지(K_u,eff)가 n이 증가함에 따라 감소하지만, 그 감소율은 상당히 다르다는 것을 보여준다. n = 34%에서 시작하여, 스위칭 전류(I_SW)는 유효 이방성 에너지(K_u,eff)보다 더 빠르게 감소하기 시작하며, 이 차이는 n이 증가함에 따라 커진다.

다시, 도 9를 참조하면, |ξ_DL|은 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 증가함에 따라 감소한다. 그럼에도 불구하고, 도 13을 참조하면, 스위칭 전류 (I_SW)가 텅스텐 질화물층(124)의 두께(t_W-N)가 증가함에 따라 감소한다.

그러나, t_W-N이 변함에 따라 I_SW의 감소는 n을 증가시키는 경우와 달리, K_u,eff의 비율과 거의 동일한 경향이 있다. 따라서 SOT 효율 향상이 아닌 K_u,eff의 변화로 인해, t_W-N이 증가함에 따라 I_SW는 감소한다. 이러한 결과는 n이 증가함에 따른 I_SW의 감소가 향상된 SOT 효율 및 K_u,eff의 감소에 의해 크게 영향을 받는 것을 나타낸다. 매우 얇은 텅스텐 질화물층(124)의 삽입은 SOT 위칭 효율을 향상시킨다. 따라서, 질소의 원자 퍼센트(n)가 약 40% 인 얇은 텅스텐 질화물층(124)은 SOT-MRAM의 전력 소비 측면에서 상당한 이점을 제공한다.

FM/NM 인터페이스에서 삽입된 텅스텐 질화물층(124)의 구성이 SOT 효율에 어떤 영향을 미치는지 논의한다. 향상된 효율의 가능한 원인 중 하나는 불순물이 존재하기 때문에 전기 저항의 변화이다. 스핀홀효과(SHE)의 가능한 원인인 진성 및 측면-점프 산란(Intrinsic and side-jump scattering)은 재료의 비저항 (ρ_xx)과 관련이 있다.

재료의 불순물은 산란과 ρ_xx 값을 증가시켜 ξ_SH를 향상시킬 수 있다. 우리는 Hall bar 소자에서 ρ_xx를 측정하여, |ξ_DL|의 향상이 W-N층에서 n이 증가함에 따라 ρ_xx가 증가했기 때문인 것을 증명한다.

도 14는 W (5 nm)/WN_x (t_W-N= 0.2 nm)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조에서 n의 함수로써 비저항(resistivity, ρ_xx)을 나타낸다.

도 14를 참조하면, ρ_xx를 t_W-N = 0.2 nm에서 n의 함수로 나타낸다. ρ_xx 값은 대부분의 n 값에서 거의 일정하지만, n = 40%에서 빠르게 증가한다. n = 40%에서, |ξ_DL|는 최대이다. 이 결과는 ξ_DL에 대한 저항의 영향을 무시할 수 없지만, ξ_DL이 W/WN_x/CoFeB/MgO 구조의 저항에 정확히 비례하지는 않았음을 보인다. 따라서 저항 외에 다른 요소들이 SOT 효율에 영향을 미치는 것으로 해석된다.

또 다른 가능한 원인은 결정성(crystallinity) 또는 상(phase)과 같은 텅스텐 질화물층(124)의 미세 구조의 영향이다. 이 가정을 확인하기 위해, n이 증가함에 따라 W 필름의 미세 구조 변화를 관찰했다.

그러나 0.2nm 두께의 초박막 텅스텐 질화물층의 미세 구조 변화를 분석하기가 매우 어렵다. 따라서, 약 40nm 두께의 텅스텐 질화물 필름을 분석하여 이러한 변화가 초박층(ultrathin layer)에서도 발생한다고 가정했다.

도 15는 40nm 두께의 텅스텐 질화물층의 GIXRD(Grazing Incidence X-ray Diffraction) 결과를 보여준다.

도 15를 참조하면, 스퍼터링 동안 N₂가스가 주입되지 않으면 (n = 0%), W 피크가 2θ = 40도 근처에서 분명하게 나타난다. 여기에서, 우리가 SOT 측정에 사용한 5 nm 두께의 W 필름은 β-W 상(phase)이고, 40nm 두께의 WN_x 필름은 α-W 상(phase)이다. 40nm 두께의 WN_x 필름에서, n이 5%로 증가한 후, W(110) 피크는 급격히 감소하고, 선폭은 넓어지고, 피크는 왼쪽으로 이동하여 W₂N 피크에 접근한다. 이 결과는 n이 증가함에 따라 W₂N이 형성되기 시작하고 W의 결정성이 감소함을 나타낸다.

다음으로, n이 더 증가함에 따라, 피크의 선폭은 더 넓어지고, 피그는 점차 왼쪽으로 이동하여 n = 34%에서 W₂N (111) 피크와 거의 일치한다. 이는 n이 30%를 초과하면 W 상이 거의 사라지고, 나노 결정질 W₂N 박막만 존재함을 나타낸다.

n이 40%를 초과하면 피크는 왼쪽으로 더 이동하여 WN (100) 피크에 접근하고, n = 42%에서 피크가 더 선명해져 결정성이 향상됨을 나타낸다. 이 결과는 W-N 바이너리 위상 다이어그램(binary phase diagram)과 일치한다.

질소 원자의 함량이 증가함에 따라, 단계는 W → W + W₂N → W₂N → W₂N + WN의 순서로 나타난다. 여기서 W₂N은 대략 n = 34%에서 나타난다. 위상 다이어그램은 실험 결과와 거의 일치한다.

다음으로 텅스텐 질화물 필름의 비저항을 측정하고 이전 연구에서보고 된 것과 비교했다.

도 16은 n의 함수로서 40 nm의 두께를 갖는 텅스텐 질화물층의 비저항을 도시한다.

도 16을 참조하면, 점선은 XRD 분석에 의해 예측된 텅스텐 질화물 상변화(phase change)의 경계를 보여준다. 텅스텐 질화물층의 비저항은 n = 29%가 될 때까지, 200-260 μΩ·cm로 유지되지만, n > 30%에서 350 μΩ·cm 이상으로 빠르게 증가한다.

n이 40%를 초과하면, 비저항이 다시 500 μΩ·cm 이상으로 급격히 증가한다. 스퍼터링된 텅스텐 질화물층의 저항은 압력, 스퍼터링 전력 및 온도와 같은 증착 조건에 크게 의존한다. 그러나 일반적으로 총 가스 유량([Ar+N₂])에 대한 N₂가스 유량([N₂])의 비(Q)가 증가함에 따라, 비저항이 증가한다. 또한, 결정성이 증가함에 따라 비저항이 감소한다. 이것은 우리의 실험 결과와 일치하다.

실험 결과는 n = 40%까지 비저항(resistivity)이 증가한 다음, n = 42%에서 결정성이 증가함에 따라 비저항이 약간 감소함을 보여준다.

피크 강도가 너무 작아 XRD를 사용하여 위상을 안정적으로 색인화 할 수 없었기 때문에, XRD 분석 이외에도, 우리는 나노 결정인 것처럼 보이기 때문에 TEM을 사용하여 40 nm 두께의 텅스텐 질화물층을 분석한다.

도 17은 n = 5%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절(selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.

도 17을 참조하면, n = 5% 일 때, 다결정 그레인(polycrystalline grains)이 나노 결정질 매트릭스(nanocrystalline matrix)에 나타난다.

n = 5% 일 때, SAD 패턴은 W와 W₂N이 공존한다는 것을 보여준다. 내측 점선 원은 W₂N (111) 그레인을 나타낸다. W₂N (111) 그레인은 고속 푸리에 변환 이미지에서 W₂N (111)으로 색인된(indexed) 링 패턴에 마스크를 적용함으로써 식별된다.

다결정 그레인(polycrystalline grains)은 W₂N이고, 질소가 주입될 때 W 박막이 대부분 나노 결정(nanocrystalline)이 됨을 나타낸다.

도 18은 n = 34%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절 (selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.

도 18을 참조하면, 명확한 링 패턴을 갖는 TEM 및 SAD 이미지는 나노 결정성 W₂N(111)만이 n = 34%에서 존재함을 나타낸다.

도 19는 n = 42%인 경우 평면 내 TEM 이미지(in-plane TEM images)와 선택된 영역 회절 (selected area diffraction; SAD) 패턴을 보여준다.

도 19를 참조하면, n = 42% 일 때 나노 결정질 매트릭스에 다른 그레인이 형성된다. SAD 패턴에 WN(100)이 나타난다. 따라서 XRD와 TEM 결과는 일치하며 WN_x 박막의 위상이 n에 의존한다는 것을 확인한다.

개선된 SOT 효과의 원인을 찾기 위해, 우리는 텅스텐 질화물층의 삽입에 대한 n의 영향을 조사했다.

도 14 및 도 16을 참조하면, 자기 소자의 비저항(ρ_xx)값과 40 nm 두께의 텅스텐 질화물 필름의 비저항은 약간 다르다. 그러나, 자기 소자의 비저항(ρ_xx)값과 40 nm 두께의 텅스텐 질화물 필름의 비저항은 모두 n = 40%에서 최대값을 보인다.

도 14의 자기 소자에서, 0.2 nm 두께의 텅스텐 질화물층은 다른 필름의 총 두께에 비해 매우 얇다. 따라서 비저항에 대한 0.2 nm 두께의 텅스텐 질화물층의 영향은 지배적이지 않을 수 있다.

또한, 미세 구조 분석을 초박막에 완전한 정확도로 적용하기는 어렵지만, n의 값은 텅스텐 질화물층의 미세 구조에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

상(phase) 및 결정도(crystallinity)의 변화와 같은 미세 구조 변화는 비저항의 변화를 수반한다. 따라서, 비저항과 미세 구조는 별도로 고려되기 어렵다.

텅스텐 질화물층의 질소 함량을 조정하면, |ξ_DL|을 증가시키고, I_SW를 감소시킨다. 그러나, 텅스텐 질화물층에 의존하는 향상된 SOT 스위칭 동작의 물리적 기원에 대한 추가 연구가 필요하다.

MRAM 애플리케이션에 대한 W/WN_x (t_W-N = 0.4 nm)/CoFeB/MgO 구조의 적합성을 확인하기 위해 저온 및 고온에서의 자기 소자 온도 안정성에 대해 논의한다.

스위칭 전류의 온도 의존성을 결정하기 위해, 다음 순서로 온도를 변화시키는 t_W-N = 0.4 nm 및 n = 29%를 가진 소자에서 시험을 수행하였다.

(1) 실온 (RT) → (2) -100^oC → (3) RT → (4) + 100^oC (5) RT.

도 20은 +200 Oe의 외부 자기장(Hex) 하에서 다양한 온도에서 면내 전류에 따른 저항을 나타낸다.

도 20을 참조하면, SOT에 의한 스위칭은 모든 온도에서 반시계 방향으로 잘 이루어진다.

도 21은 다양한 온도에서 외부 자기장에 따른 스위칭 전류를 나타낸다.

도 21을 참조하면, 온도가 (1) 실온(RT)에서 (2) -100^oC로 감소하면, 스위칭 전류가 증가한다. 온도가 (3) 실온(RT)에서 + (4) 100^oC로 증가하면 스위칭 전류가 감소한다. SOT-유도 스위칭 전류는 열 변동에 의해 저온보다 고온에서 감소되는 것으로 널리 알려져 있다. 그러나, 스위칭 전류는 (1) 초기 실온 상태, (3) 냉각 후 실온 상태 및 (5) 가열 후 실온 상태에서 일정하게 유지된다. 이러한 결과는 소자가 다양한 온도의 열악한 환경에서 작동 할 수 있으며 저온 및 고온 환경을 경험 한 후에도 작동 전류를 변경하지 않고 정상적으로 작동함을 확인합니다. 그러므로 이것은 WN_x 층을 사용하는 구조가 SOT-MRAM 응용에 적합하다는 것을 의미한다.

우리는 텅스텐 질화물층을 갖는 W/WN_x/CoFeB/MgO 구조의 인터페이스 엔지니어링에 의해 SOT의 향상 및 SOT-유도 스위칭 전류의 감소를 조사하였다. 텡스텐 질화물층의 질소 함량이 40%로 증가했을 때, 우리는 0.54의 높은 SOT 효율과 W/CoFeB/MgO 구조의 값의 약 1/5로 스위칭 전류의 감소를 관찰했다.

XRD 및 TEM을 통해 다양한 질소 함량을 갖는 필름의 미세 구조를 분석 하였다. 결과는 SOT 향상이 텡스텐 질화물층의 조성에 의존하는 비저항뿐만 아니라 미세 구조 변화 (텅스텐이 W₂N 및 WN 상으로 변화 할 때)에 의해 야기될 수 있음을 밝혀냈다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 W (5 nm)/WN_x (t_w-n; n)/CoFeB (0.9 nm)/MgO (1 nm)/Ta (2 nm) 구조에서 질소의 함량(n)과 WN_x층의 두께에 따른 실험 결과를 나타낸다.

도 22를 참조하면, PMA은 수직 자기 이방성을 나타내고, IMA은 면내 이방성을 나타낸다. WN_x층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 29% 이고, 상기 WN층의 두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(CoFeB (0.9 nm)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 WN_x층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5% 이고, 상기 WN_x층의 두께는 0.2 nm 내지 3nm일 수 있다. 이 경우, 상기 (CoFeB (0.9 nm)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 WN_x층은 결정질 W₂N (111) 상을 포함하거나, 상기 WN_x층은 결정질 W₂N (111) 상 및 결정질 WN (100) 상을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(CoFeB (0.9 nm)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

한편, 텅스텐 층이 없고 5 nm의 WN_x층만이 있는 자기 소자의 경우, 질소의 함량(n)이 2% 내지 5%에서만, 자유층은 수직자기 이방성을 나타낸다.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.

도 23을 참조하면, 자기 소자(300)는 고정된 자화 방향을 가지는 고정층(150); 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층(130); 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층(140); 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층(320); 및 상기 자유층과 상기 스핀 토크 발생층 사이에 배치된 텅스턴-질화물층(324)을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층(130)의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층(150) 및 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층(320)은 텅스텐층을 포함하고, 상기 텅스턴-질화물층(324)은 상기 자유층과 수직으로 정렬된다.

상기 텅스텐-질화물층(324)의 두께와 조성에 따라 스위칭 전류가 변화될 수 있다. 또한, 상기 텅스텐-질화물층(324)의 두께와 조성에 따라, 상기 자유층의 자화 특성이 변경될 수 있다. 즉, 텅스텐-질화물층(324)의 두께와 조성은 소정의 범위 내에서 상기 자유층(130)에 수직 자화 이방성 특성을 제공할 수 있다. 상기 자유층(140)이 수직자기 이방성을 발현하는 경우, 텅스텐-질화물층(324)의 두께가 감소하고 질소의 농도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소할 수 있다.

구체적으로, 상기 텅스텐-질화물층(324)의 두께는 0.2 nm이고, 상기 텅스텐-질화물층(324)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 5% 내지 42 %일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지하면서, 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소할 수 있다. 한편, 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 42%를 초과하는 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 상실하고 면내 자기 이방성을 가진다.

상기 텅스텐-질화물층(324)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 29% 이고, 상기 텅스텐-질화물층(324)의 두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 텅스텐-질화물층(324)에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5% 이고, 상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 3nm일 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

상기 텅스텐-질화물층(324)은 결정질 W₂N (111) 상(phase)을 포함하거나, 상기 텅스텐-질화물층(324)은 결정질 W₂N (111) 상 및 결정질 WN (100) 상을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다.

스핀 토크 발생층(320)의 양단은 면내 전류를 인가하는 외부 회로에 연결될 수 있다.

도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.

도 24를 참조하면, 자기 소자(400)는, 고정된 자화 방향을 가지는 고정층(150); 스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층(130); 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층(140); 및 면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층(420)을 포함한다. 상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층(130)의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 고정층(150) 및 상기 자유층(130)은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 스핀 토크 발생층(420)은 차례로 적층된 텅스텐층(122) 및 텅스텐-질화물층(124)을 포함한다. 상기 텅스텐-질화물층(124)은 상기 자유층(130)에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 스핀 토크 발생층(420)은 면내 자기 이방성을 가진 강자성층(421)을 더 포함할 수 있다. 상기 텅스텐층(122)은 상기 강자성층(421)과 상기 텅스텐-질화물층(124) 사이에 배치될 수 있다. 상기 강자성층(421)의 자화 방향은 상기 면내 전류가 흐르른 방향과 평행 또는 반 평행할 수 있다. 상기 강자성층과 상기 텅스텐층 사이에서 계면 발생 스핀 전류가 생성될 수 있다. 상기 계면 발명 스핀 전류는 z축 성분의 스핀 분극을 가질 수 있다. 이에 따라, 면내 외부 자기장 없이 스핀-궤도 토크 스위칭이 구현될 수 있다.

스핀 토크 발생층(420)의 양단은 접속 전극(120a,120b)을 통하여 면내 전류를 인가하는 외부 회로에 연결될 수 있다.

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.

100: 자기 소자
120: 스핀 토크 발생층
122: 텅스텐층
124: 텅스턴-질화물층
130: 자유층
140: 터널절연층
150: 고정층

Claims

고정된 자화 방향을 가지는 고정층;
스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층;
상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층; 및
면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층을 포함하고,
상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭하고,
상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고,
상기 스핀 토크 발생층은 차례로 적층된 텅스텐층 및 텅스턴-질화물층을 포함하고,
상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm이고,
상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)가 5% 내지 42 %인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 29% 이고,
상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스텐-질화물층에서 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5% 이고
상기 텅스텐-질화물층의 두께는 0.2 nm 내지 3nm인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스텐-질화물층은 결정질 W₂N (111) 상을 포함하거나,
상기 텅스텐-질화물층은 결정질 W₂N (111) 상 및 결정질 WN (100) 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스텐층은 상기 자유층과 수직으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 스핀 토크 발생층은 면내 자기 이방성을 가진 강자성층을 더 포함하고,
상기 텅스텐층은 상기 강자성층과 상기 텅스텐질화물층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
제1 항에 있어서,
상기 텅스턴-질화물층의 비저항은 350 μΩ·cm 이상인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
고정된 자화 방향을 가지는 고정층;
스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층;
상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층;
면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층; 및
상기 자유층과 상기 스핀 토크 발생층 사이에 배치된 텅스턴-질화물층을 포함하고,
상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭하고,
상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고,
상기 스핀 토크 발생층은 텅스텐층을 포함하고,
상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층과 수직으로 정렬된 것을 특징으로 하는 자기 소자.
고정된 자화 방향을 가지는 고정층;
스위칭되는 자화 방향을 가지는 자유층;
상기 고정층과 상기 자유층 사이에 개재되는 터널 절연층; 및
면내 전류가 흐름에 따라 상기 자유층에 스핀 전류를 주입하는 스핀 토크 발생층을 포함하고,
상기 스핀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 상기 자유층의 자화 방향을 스위칭하고,
상기 고정층 및 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지고,
상기 스핀 토크 발생층은 텅스턴-질화물층을 포함하고,
상기 텅스턴-질화물층, 상기 자유층, 상기 터널 절연층, 및 상기 고정층은 기판 상에 차례로 적층되고,
상기 텅스턴-질화물층은 질소의 원자퍼센트(atomic percent)는 2% 내지 5%이고,
상기 텅스턴-질화물층은 상기 자유층에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 자기 소자.