KR102560822B1

KR102560822B1 - Magnetic tunneling junctions based on spin-orbit torque and method manufacturing thereof

Info

Publication number: KR102560822B1
Application number: KR1020210104332A
Authority: KR
Inventors: 김영근; 김태현
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-07-31
Also published as: KR20220069798A

Abstract

본 발명은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명은 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer); 상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 자유층; 상기 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층; 및 상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층; 을 포함하고, 상기 스핀토크 활성층은 W-X 합금을 포함(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) and a manufacturing method thereof. The present invention comprises a spin-orbit active layer formed on a substrate; a free layer formed on the spin-torque active layer; a tunnel barrier layer formed on the free layer; and a fixing layer formed on the tunnel barrier layer. and wherein the spin-torque active layer includes a W-X alloy (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor).

Description

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법{MAGNETIC TUNNELING JUNCTIONS BASED ON SPIN-ORBIT TORQUE AND METHOD MANUFACTURING THEREOF}MAGNETIC TUNNELING JUNCTIONS BASED ON SPIN-ORBIT TORQUE AND METHOD MANUFACTURING THEREOF

본 발명은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀 궤도 결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 갖는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a W-X alloy having a large spin-orbit coupling (where W is tungsten and , wherein X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) thin film is used as a spin-torque active layer to enable spin-orbit torque switching and to achieve high spin-orbit torque efficiency at low resistivity It relates to a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) having spin-orbit torque and a manufacturing method thereof.

자기터널 접합은 기본적으로 강자성체/산화물/강자성체의 3중층 구조로 되어 있으며, 각각 자화 자유층(free layer, FL), 터널 베리어(tunnel barrier, TB) 및 자화 고정층(pinned layer, PL)을 포함하고, 자유층과 고정층의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 터널 베리어를 사이에 두고 이웃한 자유층과 고정층의 스핀 방향이 평행(parallel) 또는 반평행(antiparallel)으로 배열된 상태에 따라서 터널베리어를 통과하는 터널링 전류의 값이 달라지는 성질을 이용하며, 이때의 저항차이를 터널자기저항비(TMR)이라고 한다. 고정층의 스핀 방향은 고정되어 있고, 자유층의 스핀방향을 자기장 또는 전류를 흘려주어 조작함으로써 정보를 입력할 수 있다.The magnetic tunnel junction is basically a triple layer structure of ferromagnetic material/oxide/ferromagnetic material, each including a free layer (FL), a tunnel barrier (TB) and a pinned layer (PL). , the positions of the free and fixed layers can be interchanged. It uses the property that the value of the tunneling current passing through the tunnel barrier varies depending on the state in which the spin directions of the free layer and the fixed layer adjacent to the tunnel barrier are arranged in parallel or antiparallel. The resistance difference is called tunnel magnetoresistance ratio (TMR). The spin direction of the fixed layer is fixed, and information can be input by manipulating the spin direction of the free layer by passing a magnetic field or current.

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 스위칭 기반 MRAM(magnetic random access memory)의 핵심 소자인 자기터널접합(magnetic tunnel junction, MTJ)은 비자성 스핀토크 활성층/제1 자성층(자화 자유층, 이하 자유층)/터널배리어층/제2 자성층(자화 고정층, 이하 고정층)으로 구성되어 있으며, 자유층과 고정층의 상대적인 자화방향에 따라 절연층을 통과하는 터널링 전류의 전기저항 값이 달라지는 터널자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 현상을 이용하여 정보를 읽는다(reading).A magnetic tunnel junction (MTJ), which is a key element of a spin-orbit torque (SOT) switching-based magnetic random access memory (MRAM), is a non-magnetic spin-torque active layer/first magnetic layer (hereinafter referred to as a magnetization free layer). free layer)/tunnel barrier layer/second magnetic layer (magnetized fixed layer, hereafter referred to as a fixed layer), and the tunnel magnetoresistance (the electrical resistance value of the tunneling current passing through the insulating layer varies according to the relative magnetization directions of the free layer and the fixed layer) Information is read using the tunneling magnetoresistance (TMR) phenomenon.

높은 터널 자기저항비, 높은 기록안정성, 낮은 기록 전류, 고집적화를 구현하기 위해서는 자기 터널 접합은 필수적으로 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 있어야 한다. 수직자기이방성이란 자성층의 자화 방향이 자성층 면에 수직인 것을 의미한다.In order to realize a high tunnel magnetoresistance ratio, high write stability, low write current, and high integration, a magnetic tunnel junction must necessarily have a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristic. Perpendicular magnetic anisotropy means that the magnetization direction of the magnetic layer is perpendicular to the plane of the magnetic layer.

최근에는 자유층에 인접한 스핀토크 활성층의 면내 평행한 방향으로 전류가 흐를 때 발생하는 스핀 홀 효과(spin Hall effect) 또는 라쉬바 효과(Rashba effect)를 이용하여 자유층의 스위칭을 유도하는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 현상이 발견되어, 기존 스핀 전달 토크(spin-transfer torque, STT) 기록(writing) 방식보다 고속, 저전류 소모로 정보 기록이 가능한 기술로 관심을 받고 있다.Recently, spin torque adjacent to the free layer is a spin-orbit torque that induces switching of the free layer using the spin Hall effect or the Rashba effect that occurs when current flows in a parallel direction within the plane of the active layer. (spin-orbit torque, SOT) phenomenon has been discovered, and it is attracting attention as a technology capable of recording information at a higher speed and lower current consumption than the existing spin-transfer torque (STT) writing method.

따라서, 스핀토크 활성층으로 낮은 비저항과 높은 스핀궤도 토크의 효율을 나타내는 물리량인 스핀 홀 각도(spin Hall angle, SHA)가 큰 물질을 이용하고자 하는 연구가 요구되고 있다.Therefore, there is a need for research into using a material having a large spin Hall angle (SHA), which is a physical quantity representing low specific resistance and high efficiency of spin-orbit torque, as a spin-torque active layer.

대한민국 공개특허 제10-2020-0030277호, "스핀-궤도 토크 라인을 갖는 반도체 소자 및 그 동작 방법"Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0030277, "Semiconductor device having spin-orbit torque line and its operating method" 대한민국 공개특허 제10-2020-0066848호, "스핀-궤도 토크 라인을 갖는 반도체 소자"Korean Patent Publication No. 10-2020-0066848, "Semiconductor device having a spin-orbit torque line"

본 발명의 실시예는 스핀궤도결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금 (여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 효율을 나타내는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention spin-torques a thin film of a W-X alloy having a large spin-orbit coupling (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) It is intended to provide a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction that enables spin-orbit torque switching by using it as an active layer and exhibits high spin-orbit torque efficiency at low resistivity and a manufacturing method thereof.

본 발명의 실시예는 W-X 합금의 X 조성을 조절하여 스위칭 전류를 제어할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction and a manufacturing method thereof capable of controlling a switching current by adjusting the X composition of a W—X alloy.

본 발명의 실시예는 스핀토크 활성층으로 텅스텐-실리콘 합금을 사용하여 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention provides a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction capable of maintaining perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in various heat treatment temperature ranges using a tungsten-silicon alloy as a spin-torque active layer and a manufacturing method thereof want to do

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합은 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer); 상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 자유층; 상기 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층; 및 상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층; 을 포함하고, 상기 스핀토크 활성층은 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 포함한다.A magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) according to an embodiment of the present invention includes a spin-orbit active layer formed on a substrate; a free layer formed on the spin-torque active layer; a tunnel barrier layer formed on the free layer; and a fixing layer formed on the tunnel barrier layer. and the spin-torque active layer includes a W-X alloy (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor).

상기 스핀토크 활성층은 상기 자유층과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극일 수 있다.The spin-torque active layer may be an electrode contacting the free layer to provide an in-plane current.

상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the composition content of X included in the W-X alloy increases, the switching current may decrease.

상기 텅스텐-실리콘 합금 내에 포함되는 실리콘의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.A composition content of silicon included in the tungsten-silicon alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%.

상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, switching current may decrease as the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.

상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed may be 300 °C to 500 °C.

상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절될 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be adjusted according to the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed.

상기 스핀토크 활성층, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태일 수 있다.The spin-torque active layer, the free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer may have a cross shape when viewed from a plan view.

상기 스핀토크 활성층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 상기 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 배치될 수 있다.The spin-torque active layer may have a cross shape when viewed from a plan view, and the free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer may be disposed in an island shape at the center of the cross-shaped spin-torque active layer.

상기 기판은 상기 스핀토크 활성층과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함할 수 있다.The substrate may include a natural oxide layer on a surface in contact with the spin torque active layer.

상기 스핀토크 활성층은 하단에 버퍼층(buffer)층을 더 포함할 수 있다.The spin torque active layer may further include a buffer layer at a lower side.

상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 고정층 상에 캐핑층을 더 포함할 수 있다.The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction may further include a capping layer on the pinning layer.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계; 상기 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계; 상기 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계; 상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계; 및 상기 자유층 및 상기 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계;를 포함하고, 상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 기판 상에 W-X 합금 박막(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 형성한다.A method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes forming a spin-torque active layer on a substrate; forming a free layer on the spin-torque active layer; forming a tunnel barrier layer on the free layer; forming a fixing layer formed on the tunnel barrier layer; and performing heat treatment to develop perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the pinned layer, wherein the forming of the spin-talk active layer on the substrate includes sputtering a W target and an X target simultaneously in a vacuum chamber. A W—X alloy thin film (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) is formed on the substrate disposed in the vacuum chamber.

상기 텅스텐 타겟 및 상기 실리콘 타겟의 파워에 따라 상기 텅스텐-실리콘 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.The composition of the tungsten-silicon alloy thin film may be adjusted according to the power of the tungsten target and the silicon target.

상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%.

상기 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the heat treatment temperature increases, the switching current may decrease.

상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature may be 300 °C to 500 °C.

상기 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절될 수 있다.The composition content of X included in the W-X alloy may be adjusted according to the heat treatment temperature.

상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, 상기 텅스텐-실리콘 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.Forming the spin torque active layer on the substrate may further include patterning the tungsten-silicon alloy thin film in a cross shape.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀궤도결합(spin-orbit coupling)이 큰 W-X 합금 박막을 스핀토크 활성층으로 사용하여 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크(spin-orbit torque) 효율을 나타내는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by using a W-X alloy thin film having a large spin-orbit coupling as a spin-torque active layer, spin-orbit torque switching is possible and high spin-orbit torque at low resistivity ( A spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction exhibiting spin-orbit torque efficiency and a manufacturing method thereof can be provided.

본 발명의 실시예에 따르면, W-X 합금의 X 조성을 조절하여 스위칭 전류를 제어할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction and a manufacturing method thereof capable of controlling switching current by adjusting the X composition of the W—X alloy.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀토크 활성층으로 텅스텐-실리콘 합금을 사용하여 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction capable of maintaining perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in various heat treatment temperature ranges using a tungsten-silicon alloy as a spin-torque active layer and a manufacturing method thereof can provide.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위한 구조를 도시한 단면도이다.
도 5는 300℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합(이하에서, 실시예 1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체로 명명하기로 한다)에 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 6은 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 7은 400℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 8은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 9는 500℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.
도 11a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 11b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 하모닉스(harmonics) 측정법을 이용하여 측정한 소자의 스핀 궤도 토크의 효율을 도시한 그래프이다.
도 12는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 4침법(four-point probe)을 이용하여 측정한 합금의 전기 비저항 값을 도시한 그래프이다.
도 13은 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 14는 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.
도 15는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 16은 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.
도 17a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 17b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 ±100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 스핀토크 활성층인 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스위칭 전류밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 18은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 19는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 20은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.
도 21은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 22는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 23은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.
도 24는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 25는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 4.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이며, 도 26은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 7.4 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 27은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 9.1 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이다.
도 28은 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 29는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에, 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 및 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때의 자기이력곡선을 도시한 그래프이며, 도 30 내지 도 32는 전류 인가 무자기장 자화 반전을 측정한 이력 곡선을 도시한 그래프이다.
도 33은 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 X선 회절분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 도시한 그래프이다.
도 34는 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이고, 도 35는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이다.1 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view illustrating a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a structure for measuring spin-orbit torque efficiency of a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.
5 is a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction (hereinafter, a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1) according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 4 in which heat treatment was performed at 300 ° C. for 1 hour It is a graph showing the magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer when a magnetic field is applied to the thin film in the out-of-plane direction. 6 is a graph showing magnetic hysteresis curves according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in the thin film in-plane direction.
FIG. 7 shows the silicon content (0at) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the thin film surface to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 400° C. for 1 hour. % to 10.6 at%), and FIG. 8 is a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing
FIG. 9 shows the silicon content (0at) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the thin film surface to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 500° C. for 1 hour. % to 10.6 at%), and FIG. 10 is a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing
11a is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 11b shows a vacuum heat treatment at 300 ° C and 500 ° C for 1 hour, Spin orbit of the device measured using a harmonics measurement method in the composition range of the tungsten-silicon alloy layer in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a It is a graph showing the efficiency of torque.
12 is a tungsten-silicon alloy on the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a by performing vacuum heat treatment at 300 ° C. and 500 ° C. for 1 hour It is a graph showing the electrical resistivity value of the alloy measured using a four-point probe in the composition range of the layer.
13 is a vacuum heat treatment at 300 ° C. for 1 hour, when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy, tungsten- 14 is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 14 is a switching according to the composition (unit: at%) of the tungsten-silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied It is a graph showing the characteristics.
15 is a vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy, tungsten- 16 is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 16 is a switching according to the composition (unit: at%) of the tungsten-silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied It is a graph showing the characteristics.
17a is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 17b shows a vacuum heat treatment at 300 ° C and 500 ° C for 1 hour, When an external magnetic field of ±100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having magnetic anisotropy, the change in switching current density according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer, which is a spin torque active layer It is the graph shown.
18 is a graph of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 0 at%, after heat treatment at 300° C. for 1 hour, and a change in an external magnetic field. 19 is a graph measuring switching current (current density), and FIG. 19 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 300 ° C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field. FIG. 20 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. /CoFeB/MgO/Ta structure is heat treated at 300℃ for 1 hour, and then the switching current (current density) according to the change of external magnetic field is measured.
21 is a graph of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 0 at%, which is heat-treated at 500° C. for 1 hour, and then subjected to a change in an external magnetic field. 22 is a graph measuring switching current (current density), and FIG. 22 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 500 ° C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field. FIG. 23 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 9.1 at% /CoFeB/MgO/Ta structure is heat-treated at 500℃ for 1 hour, and then the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field is measured.
FIG. 24 shows the leaderford backscattering ( It is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering), 25 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having a silicon composition of 4.0 at% in a tungsten-silicon alloy layer subjected to vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour, followed by Leaderford backscattering ( 26 is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering), and FIG. 26 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 7.4 at% at 500 ° C. After vacuum heat treatment for 1 hour, it is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering. This is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering after subjecting the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure to vacuum heat treatment at 500° C. for 1 hour.
28 is a schematic diagram showing a CoFeB / W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 29 is a vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, and Example 3 A graph showing magnetic hysteresis curves when a magnetic field is applied to the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to the out-of-plane and in-plane directions of the thin film plane. 30 to 32 are graphs showing hysteresis curves obtained by measuring magnetization reversal in a non-magnetic field when a current is applied.
33 shows the silicon composition (0.0, 4.0 , 9.1 at%) is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD).
34 shows the composition of silicon (0.0, 4.0, 0.0, 4.0, 9.1 at%) is an image showing the phase of the thin film using an in-plane transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope, TEM), and FIG. 35 is a vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, , Thin film in-plane transmission according to the silicon composition (0.0, 4.0, 9.1 at%) of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy It is an image showing the image of the thin film using a transmission electron microscope (TEM).

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements or steps in a stated component or step.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiments,” “examples,” “aspects,” “examples,” and the like should not be construed as indicating that any aspect or design described is preferred or advantageous over other aspects or designs. It is not.

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular expressions “a” or “an” used in this specification and claims generally mean “one or more,” unless indicated otherwise or clear from context to refer to the singular form. should be interpreted as

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and / or change of technology, convention, preference of technicians, etc. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting technical ideas, but should be understood as exemplary terms for describing the embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the corresponding description section. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not simply the name of the term.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합은 기판(110) 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer; 120), 스핀토크 활성층(120) 상에 형성되는 자유층(130), 자유층(130) 상에 형성되는 터널 배리어층(140) 및 터널 배리어층(140) 상에 형성되는 고정층(150)을 포함하고, 스핀토크 활성층(120)은 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 포함한다.A magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque (SOT) according to an embodiment of the present invention includes a spin-orbit active layer 120 and a spin-orbit active layer 120 formed on a substrate 110. It includes a free layer 130 formed on the free layer 130, a tunnel barrier layer 140 formed on the free layer 130, and a fixed layer 150 formed on the tunnel barrier layer 140, and the spin torque active layer 120 includes a W-X alloy, wherein W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀궤도결합이 큰 W-X 합금을 스핀토크 활성층(120)으로 사용하여 스핀궤도 토크 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 가질 수 있다.Therefore, the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention uses a W-X alloy having a large spin-orbit coupling as the spin-torque active layer 120, enabling spin-orbit torque switching and achieving high spin-orbit torque efficiency at low resistivity. can have

본 발명의 실시예에 따른 스핀 궤도 기반 자기 터널 접합은 기판(110) 상에 형성되는 스핀토크 활성층(120)을 포함한다.A spin-orbit-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention includes a spin-torque active layer 120 formed on a substrate 110 .

기판(110)은 반도체 기판을 포함할 수 있고, 반도체 기판은 실리콘(Si), 실리콘-온-인슐레이터(SOI), 실리콘게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함할 수 있다.The substrate 110 may include a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate may include silicon (Si), silicon-on-insulator (SOI), silicon germanium (SiGe), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), or the like. can

기판(110)은 스핀토크 활성층(120)과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함할 수 있고, 기판(110) 표면에 형성된 자연 산화층은 비정질일 수 있다.The substrate 110 may include a natural oxide layer on a surface in contact with the spin-torque active layer 120, and the natural oxide layer formed on the surface of the substrate 110 may be amorphous.

실시예에 따라, 기판(110) 상에 시드층(seed layer) 및 버퍼층(buffer layer) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, at least one of a seed layer and a buffer layer may be further included on the substrate 110 .

따라서, 시드층 및 버퍼층은 기판(110)과 활성층 사이에 형성될 수 있다.Thus, the seed layer and the buffer layer may be formed between the substrate 110 and the active layer.

시드층은 기판(110) 상에 형성될수도 있고, 스핀토크 활성층(120) 상에 형성될 수 있으며, 시드층은 결정 성장할 수 있도록 하는 물질로, 자성 물질이 원하는 결정 방향으로 성장할 수 있도록 할 수 있다.The seed layer may be formed on the substrate 110 or may be formed on the spin-torque active layer 120. The seed layer is a material that allows crystal growth, and allows the magnetic material to grow in a desired crystal direction. .

시드층은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 시드층은 5 nm의 Ta일 수 있다.The seed layer is at least one of tantalum (Ta), ruthenium (Ru), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), magnesium (Mg), cobalt (Co), aluminum (Al), and tungsten (W). It may include one, but is not limited thereto. Preferably the seed layer may be 5 nm of Ta.

버퍼층은 스핀토크 활성층(120)의 하단에 형성될 수 있고, 버퍼층이 스핀토크 활성층(120)의 하단에 형성되어 스핀토크 활성층(120)의 결정성을 향상시킬 수 있다.A buffer layer may be formed on the lower side of the spin torque active layer 120 , and the buffer layer may be formed on the lower side of the spin torque active layer 120 to improve crystallinity of the spin torque active layer 120 .

또한, 버퍼층은 층들의 격자 상수 불일치를 해소하기 위해 형성될 수 있다.In addition, the buffer layer may be formed to solve the lattice constant mismatch of the layers.

또한, 시드층 및 버퍼층은 서로 구분되지 않고 단일층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층이 시드층의 기능도 포함할 수 있다.In addition, the seed layer and the buffer layer may be formed as a single layer without being distinguished from each other. For example, the buffer layer may also include the function of a seed layer.

버퍼층은 Ta, W 및 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 버퍼층은 10 nm의 Pd 또는 2 nm의 Ta 일 수 있다.The buffer layer may include at least one of Ta, W, and Pd, but is not limited thereto. Preferably, the buffer layer may be 10 nm of Pd or 2 nm of Ta.

스핀토크 활성층(120)은 자유층(130)과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극으로 사용될 수 있고, 면내 전류를 제공하여 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다.The spin-torque active layer 120 may be used as an electrode providing an in-plane current in contact with the free layer 130, and may induce a spin Hall effect or a Lasheba effect by providing an in-plane current.

스핀토크 활성층(120)은 스핀 분극 전류를 제공하고, 스핀토크 활성층(120)의 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과에 의하여 자유층(130)에 스핀궤도 토크를 인가하여 자유층(130)의 자화 역전을 유도할 수 있다. 또한, 스핀토크 활성층(120)는 자유층(130)에 스핀토크 활성층(120)의 자화 방향으로 정렬된 스핀 축적을 제공하고, 스핀 축적은 결정론적인 스위칭(deterministic switching) 효과 또는 추가적인 토크를 제공하는 효과를 제공할 수 있다.The spin-torque active layer 120 provides a spin-polarized current and applies a spin-orbit torque to the free layer 130 by the spin Hall effect or Lasheba effect of the spin-torque active layer 120 to reverse the magnetization of the free layer 130. can induce In addition, the spin torque active layer 120 provides spin accumulation aligned in the magnetization direction of the spin torque active layer 120 to the free layer 130, and the spin accumulation provides a deterministic switching effect or additional torque. effect can be provided.

또한, 스핀토크 활성층(120)을 통해 면내에서 구동되는 전류 및 수반되는 스핀 궤도 상호 작용은 스핀 궤도 자기장(H)을 초래할 수 있다. 이 스핀 궤도 자기장(H)은 자화 상의 스핀궤도 토크(T)와 동등하다. 따라서 토크와 자기장은 스핀 궤도 자기장과 스핀궤도 토크로 상호 교환적으로 지칭될 수 있다. 이는 스핀 궤도 상호 작용이 스핀궤도 토크 및 스핀 궤도 자기장의 근원이라는 사실을 반영한다. 스핀궤도 토크는 스핀토크 활성층(120)의 평면에서 구동되는 전류 및 스핀 궤도 상호 작용에 대해 발생할 수 있다.In addition, the current driven in-plane through the spin-torque active layer 120 and the accompanying spin-orbit interaction may result in a spin-orbit magnetic field (H). This spin-orbit magnetic field (H) is equivalent to the spin-orbit torque (T) on magnetization. Therefore, torque and magnetic field can be referred to interchangeably as spin-orbit magnetic field and spin-orbit torque. This reflects the fact that spin-orbit interaction is the source of spin-orbit torque and spin-orbit magnetic field. The spin-orbit torque may be generated by a current driven in the plane of the spin-torque active layer 120 and a spin-orbit interaction.

스핀토크 활성층(120)은 강력한 스핀-궤도 상호작용을 가지고, 자유층(130)의 자기 모멘트 스위칭 시에 사용될 수 있는 전극일 수 있다.The spin-torque active layer 120 may be an electrode that has a strong spin-orbit interaction and can be used for magnetic moment switching of the free layer 130 .

또한, 스핀토크 활성층(120)은 자유층(130) 내의 자기장을 스위칭하는 것을 용이하게 할 수 있고, 스핀토크 활성층(120)은 자유층(130)에서의 자기장의 극성 방향을 변경함으로써 스핀 트랜스퍼 토크 메모리를 구현할 수 있다.In addition, the spin-torque active layer 120 can facilitate switching of the magnetic field in the free layer 130, and the spin-torque active layer 120 changes the polarity direction of the magnetic field in the free layer 130, thereby generating spin transfer torque. memory can be implemented.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 MRAM 메모리 셀을 동작시키기 위해 스핀 전류를 사용하여 자유층(130)을 스위칭하기 위한 스핀궤도 토크(spin orbit torque, SOT)를 사용할 수 있다.Therefore, the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention uses spin-orbit torque (SOT) for switching the free layer 130 using spin current to operate the MRAM memory cell. can

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)으로 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 사용할 수 있고, 이에 따라, 다양한 열처리 온도 범위에서 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)이 유지될 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the spin-torque active layer 120 is a W-X alloy (where W is tungsten, and X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) ) can be used, and thus, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) can be maintained in various heat treatment temperature ranges.

바람직하게는, 4족 반도체는 탄소(C), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 또는 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 3-5족 반도체는 GaAs, GaP, InP, InGaAlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the group 4 semiconductor may include at least one of carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or an alloy thereof, and the group 3-5 semiconductor may include GaAs, It may include at least one of GaP, InP, InGaAlN, and GaN, but is not limited thereto.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금(Alloy)이 사용될 수 있다.Preferably, a tungsten (W)-silicon (Si) alloy may be used as the spin-torque active layer 120 in the magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.

보다 구체적으로, 스핀궤도 토크(SOT)는 스핀궤도 상호작용에 의한 스핀-홀 효과(Spin-Hall Effect) 및 라쉬바 효과(Rashba Effect)에 의해 나타나고, 이러한 현상은 원자 번호와 비례하여 강하게 나타날 수 있다. 이에, 종전에는 중금속 재료(W, Ta, Pt 등) 위주의 연구가 진행되고 있고, 중금속 단일 재료의 특성과 효율을 더욱 향상시키고자 다양한 재료의 합금 또는 삽입 등의 연구가 이루어지고 있다.More specifically, the spin-orbit torque (SOT) appears due to the Spin-Hall Effect and the Rashba Effect due to the spin-orbit interaction, and these phenomena can appear strongly in proportion to the atomic number. there is. Accordingly, in the past, studies focused on heavy metal materials (W, Ta, Pt, etc.) have been conducted, and studies on alloys or insertion of various materials have been conducted to further improve the characteristics and efficiency of single heavy metal materials.

따라서, 스핀트로닉스 관점에서 텅스텐은 스핀-궤도 토크(SOT) 발현이 뛰어난 물질이기에, 스핀-궤도 상호작용에 의한 스핀-홀 효과가 강해 SOT-MRAM 소재로 사용하기 용이하고, X(Si과 Ge, Ga-As 등 4족, 3-5족) 반도체 물질은 스핀-궤도 토크의 원인으로 알려져 있는 스핀-홀 효과와 라쉬바 효과가 존재하므로, W-X 합금을 스핀토크 활성층(120)으로 사용하면 스핀궤도 토크 스위칭이 가능하고 낮은 비저항에서 높은 스핀궤도 토크 효율을 가질 수 있다.Therefore, from the spintronics point of view, since tungsten is a material with excellent spin-orbit torque (SOT) expression, it is easy to use as a SOT-MRAM material due to the strong spin-Hall effect due to the spin-orbit interaction, and X (Si and Ge, Group 4, 3-5, such as Ga-As) semiconductor materials have spin-Hall effect and Lasheba effect, which are known to cause spin-orbit torque. Torque switching is possible and it can have high spin-orbit torque efficiency at low resistivity.

바람직하게는, 텅스텐(W) 및 실리콘(Si)은 반도체 공정에 필수적인 물질이고, W-Si 합금 또한 고온에서 열처리를 진행하면 낮은 접촉 저항을 가져 반도체 공정에 매우 친화적인 물질이기에, 스핀토크 활성층(120)으로 W-Si 합금을 사용할 수 있다.Preferably, tungsten (W) and silicon (Si) are essential materials for semiconductor processes, and W-Si alloys are also very friendly materials for semiconductor processes due to low contact resistance when heat treatment is performed at high temperatures, so the spin torque active layer ( 120), a W-Si alloy can be used.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀토크 활성층(120)에 포함되는 X 원소는 반도체 물질로, X 원소는 외부(extrinsic) 스핀-홀 효과를 나타낼 수 있다.Element X included in the spin-torque active layer 120 of the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention is a semiconductor material, and element X may exhibit an extrinsic spin-Hall effect.

따라서, 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하는 X의 외부(extrinsic) 스핀-홀 효과에 의해 텅스텐에 X(예; 실리콘) 조성의 함량이 증가될수록 스핀궤도 토크 효율이라 불리는 스핀-홀 각도(spin hall angle)가 증가될 수 있다. Therefore, as the content of X (eg silicon) composition in tungsten increases due to the extrinsic spin-Hall effect of X partially present as an impurity in tungsten, the spin-Hall angle called spin-orbit torque efficiency (spin hall angle) can be increased.

또한, 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하는 X에 의해 전자 산란이 증가되어 텅스텐에 X의 조성 함량이 증가함에 따라 W-X 합금 박막의 비저항이 증가될 수 있다.In addition, since electron scattering is increased by X partially present as an impurity in tungsten, the specific resistance of the W—X alloy thin film may increase as the composition content of X in tungsten increases.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, switching current may decrease as the composition content of X included in the W-X alloy increases.

스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)에 의한 스위칭 전류는 하기 식 1로 표현될 수 있다.The switching current by spin-orbit torque (SOT) can be expressed by Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

식 1에서, 는 스핀궤도 토크에 의한 스위칭 전류, 는 스핀 홀 각도라 불리는 스핀 토크의 효율, 는 포화자화, 는 자성층의 두께, 는 전류가 인가되는 비자성층의 단면적, 는 일축 이방성 자기장의 크기, 는 스위칭 실험 시 필요한 외부 자기장의 크기를 의미한다.In Equation 1, is the switching current due to the spin-orbit torque, is the efficiency of the spin torque, called the spin Hall angle, is the saturation magnetization, is the thickness of the magnetic layer, is the cross-sectional area of the non-magnetic layer to which the current is applied, is the magnitude of the uniaxially anisotropic magnetic field, denotes the magnitude of the external magnetic field required for the switching experiment.

W-X 합금 내에 X의 조성 함량이 증가됨에 따라 스핀 토크 효율인 가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인 가 감소되어 스위칭 전류가 감소될 수 있다.As the compositional content of X in the WX alloy increases, the spin torque efficiency is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropy magnetic field is reduced so that the switching current can be reduced.

또한, W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6 at%일 수 있다. 다만, W-X 합금에서 X의 조성 함량은 이에 제한되지 않고, X 물질에 따라 조절될 수 있다.In addition, the composition content of X included in the W—X alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%. However, the composition content of X in the W-X alloy is not limited thereto and may be adjusted according to the X material.

W-X 합금에서 X의 조성 함량이 증가함에 따라 수직자기이방성이 약해질 수 있고, 특정 조성 함량(예; 10.6at%) 범위를 벗어나면 수직자기이방성을 잃게되는 문제가 있다.As the composition content of X increases in the W-X alloy, the perpendicular magnetic anisotropy may be weakened, and there is a problem in that the perpendicular magnetic anisotropy is lost outside a specific composition content (eg, 10.6 at%) range.

바람직하게는, W-X 합금에서 X의 조성은 후에 진행되는 열처리의 온도에 따라 조절될 수 있고, 열처리의 온도가 300 ℃또는 400℃인 경우, X의 조성이 0.1 at% 내지 9.6 at%일 때, 수직자기이방성이 발현되고, 500℃인 경우, 0.1 at% 내지 8.6 at%일 때, 수직자기이방성이 발현될 수 있다. 다만, 열처리 온도에 따른 W-X 합금에서 X의 조성 함량은 이에 제한되지 않고, X 물질에 따라 조절될 수 있다.Preferably, the composition of X in the W-X alloy can be adjusted according to the temperature of the subsequent heat treatment, when the temperature of the heat treatment is 300 ° C. or 400 ° C., the composition of X is 0.1 at% to 9.6 at% When, Perpendicular magnetic anisotropy is expressed, and in the case of 500 ° C., when 0.1 at% to 8.6 at%, perpendicular magnetic anisotropy may be expressed. However, the composition content of X in the W-X alloy according to the heat treatment temperature is not limited thereto and may be adjusted according to the X material.

W-X 합금에서 X의 조성 함량이 0.1 at% 미만의 경우, 텅스텐의 100at% 조성과 다름없어 X를 포함하지 않는 종래의 텅스텐 기반 스핀궤도 토크 소재이기에 스핀궤도 토크 효율이 낮아질 수 있다.If the composition content of X in the W-X alloy is less than 0.1 at%, the spin-orbit torque efficiency may be lowered because it is a conventional tungsten-based spin-orbit torque material that does not contain X because it is different from the composition of 100 at% of tungsten.

열처리의 온도가 300℃ 또는 400℃인 경우, W-X 합금에서 X의 조성의 함량이 9.6at%를 초과하면, 수직자기이방성을 잃을 뿐만 아니라, W-X 합금 박막 상에 형성되는 자성층(자유층 및 고정층)이 자성 특성을 잃어 자기 터널 접합 소자로 사용할 수 없는 문제가 있다.When the temperature of the heat treatment is 300 ° C or 400 ° C, when the content of the composition of X in the W-X alloy exceeds 9.6 at%, not only the perpendicular magnetic anisotropy is lost, but also the magnetic layer (free layer and fixed layer) formed on the W-X alloy thin film. There is a problem that this magnetic property is lost and cannot be used as a magnetic tunnel junction device.

또한, 열처리의 온도가 500℃인 경우, W-X 합금에서 X의 조성의 함량이 8.6at%를 초과하면, 수직자기이방성을 잃을 뿐만 아니라, W-X 합금 박막 상에 형성되는 자성층(자유층 및 고정층)이 자성 특성을 잃어 자기 터널 접합 소자로 사용할 수 없는 문제가 있다.In addition, when the temperature of the heat treatment is 500 ° C, when the content of the composition of X in the W-X alloy exceeds 8.6 at%, not only the perpendicular magnetic anisotropy is lost, but also the magnetic layer (free layer and fixed layer) formed on the W-X alloy thin film There is a problem that it cannot be used as a magnetic tunnel junction device due to loss of magnetic properties.

예를 들어, 스핀토크 활성층(120)으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금이 사용되는 경우, 수직 자기 이방성이 발현되는 실리콘의 조성 비율은 열처리 온도가 300℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있고, 열처리 온도가 400℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있으며, 열처리 온도가 500℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%일 수 있다.For example, when a tungsten (W)-silicon (Si) alloy is used as the spin-torque active layer 120, the composition ratio of silicon exhibiting perpendicular magnetic anisotropy is the composition ratio of silicon ( x, where x is a real number) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and when the heat treatment temperature is 400 ° C, the composition ratio (x) of silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, When the heat treatment temperature is 500 °C, the composition ratio (x) of silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, switching current can be reduced as the heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반의 자기 터널 접합은 열처리 온도가 증가함에 따라 스핀 토크 효율인 가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인 가 감소되므로 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, as the heat treatment temperature increases, the spin torque efficiency is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropy magnetic field Since is reduced, the switching current can be reduced.

또한, 열처리 온도가 증가되면 텅스텐 내부에 부분적으로 불순물(impurity)로 존재하던 X(예; 실리콘) 원자가 텅스텐 구조에 녹아들면서 금속간 화합물을 이루면서 구조적으로 안정화되어 비저항이 감소될 수 있다. In addition, when the heat treatment temperature is increased, X (eg, silicon) atoms partially present as impurities in tungsten are dissolved in the tungsten structure to form an intermetallic compound, thereby structurally stabilizing the resistivity.

수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed may be 300 °C to 500 °C.

반도체 소자 공정에 포함되어 있는 BEOL(Back End Of Line) 공정은 300℃ 내지 400℃ 의 열처리가 포함되기 때문에, 해당 온도에서도 자성 특성을 유지할 수 있는 소자 개발하는 것은 필수적이다.Since a BEOL (Back End Of Line) process included in a semiconductor device process includes heat treatment at 300° C. to 400° C., it is essential to develop a device capable of maintaining magnetic properties even at that temperature.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 CoFeB/MgO(자유층/터널 배리어층) 구조에서 수직자기이방성이 발현되기 위해서는 최소 250℃ 내지 300℃열처리를 진행하여 CoFeB(자유층)의 결정화가 진행되어야 하기 때문에 300℃이상으로 열처리를 진행하여야 되고, 열처리 온도가 500℃를 초과하는 경우, 자성층으로 활용된 CoFeB(자유층)이 견딜 수 있는 온도 범위를 벗어나 자성층의 특성을 잃는 문제가 있다.Therefore, in the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, in order to express the perpendicular magnetic anisotropy in the CoFeB/MgO (free layer/tunnel barrier layer) structure, heat treatment is performed at a minimum of 250 ° C to 300 ° C to CoFeB (free layer / tunnel barrier layer). Since the crystallization of the layer) must proceed, heat treatment must be performed at a temperature of 300 ° C or higher, and when the heat treatment temperature exceeds 500 ° C, the characteristics of the magnetic layer are changed beyond the temperature range that CoFeB (free layer) used as the magnetic layer can withstand. I have a problem with losing

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)의 두께에 따라, 스핀토크 효율이 조절될 수 있고, 스핀토크 활성층(120)의 두께가 1 nm에서부터 증가함에 따라 스핀토크 효율이 증가되다가 포화되므로, 스핀토크 활성층(120)의 두께는 5 nm 내지 7 nm에서 최대의 스핀토크 효율을 가질 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the spin-torque efficiency can be adjusted according to the thickness of the spin-torque active layer 120, and as the thickness of the spin-torque active layer 120 increases from 1 nm, Since the spin torque efficiency increases and then becomes saturated, the maximum spin torque efficiency may be obtained when the thickness of the spin torque active layer 120 is 5 nm to 7 nm.

바람직하게는, W의 경우, 스핀토크 효율이 높은 베타(beta) 상을 유지하기 위해서는 5 nm에서 최적의 두께를 가질 수 있기 때문에, 스핀토크 활성층(120)의 두께는 5 nm일 수 있다.Preferably, in the case of W, the thickness of the spin-torque active layer 120 may be 5 nm because it may have an optimal thickness of 5 nm to maintain a beta phase having high spin-torque efficiency.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120) 상에 형성되는 자유층(130)을 포함한다.A magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes a free layer 130 formed on the spin-torque active layer 120 .

자유층(130)은 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변화될 수 있다. 자유층(130)은 고정층(150)과 자화 방향이 동일(즉 평행)할 수 있고, 반대(즉 반평행)일 수도 있다.The magnetization of the free layer 130 is not fixed in one direction and may change from one direction to another opposite direction. The magnetization direction of the free layer 130 and the pinned layer 150 may be the same (ie, parallel) or opposite (ie, anti-parallel).

자기 터널 접합은 자유층(130)과 고정층(150)의 자화 배열에 따라 변하는 저항값에 정보를 대응시킴으로써 메모리 소자로 활용될 수 있다. The magnetic tunnel junction can be used as a memory device by corresponding information to a resistance value that varies according to the magnetization arrangement of the free layer 130 and the pinned layer 150 .

예를 들어, 자유층(130)의 자화 방향이 고정층(150)과 평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 작아지고, 이 경우를 데이터 '0' 이라 규정할 수 있다. 또한, 자유층(130)의 자화 방향이 고정층(150)과 반평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 커지고, 이 경우를 데이터 '1'이라 규정할 수 있다.For example, when the magnetization direction of the free layer 130 is parallel to that of the pinned layer 150, the resistance value of the magnetic tunnel junction becomes small, and this case can be defined as data '0'. Also, when the magnetization direction of the free layer 130 is antiparallel to that of the pinned layer 150, the resistance value of the magnetic tunnel junction increases, and this case can be defined as data '1'.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자유층(130)이 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)를 가질 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the free layer 130 may have perpendicular magnetic anisotropy (PMA).

예를 들어, 자유층(130)의 자화 방향이 음의 z축 방향인 경우, 양의 z축 방향으로 자화 반전시키기 위하여, 전류의 회전 방향은 시계 방향일 수 있다. 면내 전류로부터 기인하여 자유층(130)의 자기 모멘트에 가해지는 토크는 스핀궤도 토크라 명명될 수 있다.For example, when the magnetization direction of the free layer 130 is in the negative z-axis direction, the rotation direction of the current may be clockwise to reverse the magnetization in the positive z-axis direction. The torque applied to the magnetic moment of the free layer 130 due to the in-plane current may be referred to as spin-orbit torque.

자유층(130)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다.The free layer 130 may include a material having interface perpendicular magnetic anisotropy. Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to an influence from an interface with another layer adjacent thereto.

자유층(130)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 자유층(130)은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.The free layer 130 may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). In addition, the free layer 130 includes boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), gold ( At least one of non-magnetic materials such as Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N) may be further included.

예를 들어, 자유층(130)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기준층(126) 및 자유층(122)는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, the free layer 130 may include CoFe or NiFe, but may further include boron (B). In addition, the reference layer 126 and the free layer 122 may further include at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si). can

실시예에 따라, 자유층(130)은 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the free layer 130 may include at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a hexagonal closed packed lattice (HCP), and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. can include

자유층(130)의 두께는 수직자기이방이 발현되기 위해 0.9nm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The thickness of the free layer 130 may be 0.9 nm in order to express perpendicular magnetic anisotropy, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자유층(130) 상에 형성되는 터널 배리어층(140)을 포함한다.A magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes a tunnel barrier layer 140 formed on the free layer 130 .

터널 배리어층(140)은 자유층(130)과 고정층(160)을 분리하고, 자유층(130)과 고정층(160) 사이에 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)이 가능하게 한다.The tunnel barrier layer 140 separates the free layer 130 and the pinned layer 160 and enables quantum mechanical tunneling between the free layer 130 and the pinned layer 160 .

터널 배리어층(140)은 자유층(130)과 고정층(150) 사이에 개재될 수 있다. 터널 배리어층(140)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al)의 산화물, 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 티타늄(Ti)의 질화물, 및 바나듐(V)의 질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터널 배리어층(140)은 결정성 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다.The tunnel barrier layer 140 may be interposed between the free layer 130 and the fixed layer 150 . The tunnel barrier layer 140 may include magnesium (Mg) oxide, titanium (Ti) oxide, aluminum (Al) oxide, magnesium-zinc (MgZn) oxide, magnesium-boron (MgB) oxide, titanium (Ti) It may include at least one of a nitride of and a nitride of vanadium (V). For example, the tunnel barrier layer 140 may include crystalline magnesium oxide (MgO).

터널 배리어층(140)의 두께는 수직자기이방이 발현되기 위해 1.0 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The thickness of the tunnel barrier layer 140 may be 1.0 nm in order to express perpendicular magnetic anisotropy, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 터널 배리어층(140) 상에 형성되는 고정층(150)을 포함한다.A magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes a fixed layer 150 formed on the tunnel barrier layer 140 .

고정층(150)은 자기 메모리 소자의 쓰기 동작 시 고정된 자기 모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 고정층(150)의 자기 모멘트는 스핀토크 활성층(120)을 흐르는 전류들에 의한 스핀궤도 토크에 의하여 스위치 되지 않을 수 있다.The pinned layer 150 may have a fixed magnetic moment during a write operation of a magnetic memory device. For example, the magnetic moment of the pinned layer 150 may not be switched by spin-orbit torque caused by currents flowing through the spin-torque active layer 120 .

고정층(150)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다.The pinned layer 150 may include a material having interface perpendicular magnetic anisotropy.

계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다. 고정층(150)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to an influence from an interface with another layer adjacent thereto. The fixed layer 150 may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni).

또한, 고정층(150)은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In addition, the fixed layer 150 includes boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), gold (Au) ), at least one of non-magnetic materials such as copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N).

예를 들어, 고정층(150)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기준층(126) 및 자유층(122)는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, the fixed layer 150 includes CoFe or NiFe, but may further include boron (B). In addition, the reference layer 126 and the free layer 122 may further include at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si). can

고정층(150)은 단일 층 구조를 가질 수 있다. 실시예에 따라, 고정층(150)은 비자성 층(들)에 의해 분리된 강자성 층들을 갖는 합성 반강자성체를 포함할 수 있다.The fixed layer 150 may have a single layer structure. Depending on the embodiment, pinning layer 150 may include a synthetic antiferromagnetic material having ferromagnetic layers separated by nonmagnetic layer(s).

실시예에 따라, 고정층(150)은 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the fixed layer 150 includes at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a hexagonal closed packed lattice (HCP), and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. can do.

고정층(150)은 자유층(130)보다 두껍게 형성되어 스위칭이 쉽게 일어나지 않게 형성될 수 있다.The fixed layer 150 may be formed to be thicker than the free layer 130 so that switching does not easily occur.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 고정층(150) 상에 캐핑층(160)을 더 포함할 수 있고, 바람직하게는, 캐핑층(160)은 Ta이 사용될 수 있다.The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction may further include a capping layer 160 on the pinning layer 150, and preferably, Ta may be used as the capping layer 160.

캐핑층(160)은 산화방지막으로 사용될 수 있고, 자연 산화에 의해 자성층(자유층 및 고정층)의 특성이 저감되는 것을 막고자 2 nm로 증착될 수 있다.The capping layer 160 may be used as an anti-oxidation layer and may be deposited with a thickness of 2 nm to prevent deterioration of properties of the magnetic layer (free layer and fixed layer) due to natural oxidation.

캐핑층(160)의 두께가 2 nm보다 두껍게 형성되면, 산화 방지 효과는 증가될 수 있으나, 캐핑층(160) 증착 시, 터널 배리어층(140)에 영향을 미쳐 수직자기이방성 조건(자유층(130)과 터널 배리어층(140)의 두께)을 조절해야 된다.When the thickness of the capping layer 160 is formed to be thicker than 2 nm, the anti-oxidation effect can be increased. However, when the capping layer 160 is deposited, the tunnel barrier layer 140 is affected by perpendicular magnetic anisotropy conditions (free layer ( 130) and the thickness of the tunnel barrier layer 140) should be adjusted.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120), 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태일 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, the spin-torque active layer 120, the free layer 130, the tunnel barrier layer 140, and the pinned layer 150 have a cross shape when viewed from a plan view. can

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치될 수 있다.In addition, the spin-torque active layer 120 of the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention has a cross shape when viewed from a plan view, and includes a free layer 130, a tunnel barrier layer 140, and a fixed layer ( 150) may be disposed in an island shape at the center of the cross-shaped spin-torque active layer 120.

도 2를 참조하여, 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치되는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합에 대해 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2 , the spin-torque active layer 120 has a cross shape when viewed from a plan view, and the free layer 130, the tunnel barrier layer 140 and the fixed layer 150 have a cross-shaped spin-torque active layer 120 A spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention arranged in the form of an island at the center of ) will be described in detail.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 자성층의 자화 방향에 따른 저항의 변화를 전기적으로 계측하게 되는데, 모든 층이 십자 형태(스핀토크 활성층(120), 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태)인 경우, 자성층의 부피가 커져 신호(시그널)이 잘 나와 특성 분석에 용이할 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, the change in resistance according to the magnetization direction of the magnetic layer is electrically measured, and all layers have a cross shape (spin torque active layer 120, free layer 130, tunnel barrier layer 140 and When the pinned layer 150 has a shape of a cross when viewed from a plan view, the volume of the magnetic layer increases, so that signals can be easily analyzed.

반면, 스핀토크 활성층(120)은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)은 십자 형태의 스핀토크 활성층(120)의 중심부에 섬(island) 형태로 배치하는 경우, 스핀-궤도 토크를 이용한 스위칭 시에만 활용하는 것으로 자유층의 자화 방향이 스핀-궤도 토크가 아닌 자구벽 확산(domain wall propagation)에 의해 바뀌는 것을 막고 온전히 스핀-궤도 토크에 의한 자화 반전을 관측할 수 있다.On the other hand, the spin-torque active layer 120 has a cross shape in plan view, and the free layer 130, the tunnel barrier layer 140, and the fixed layer 150 are formed at the center of the cross-shaped spin-torque active layer 120. When arranged in the form of an island, it is used only when switching using spin-orbit torque, preventing the magnetization direction of the free layer from being changed by domain wall propagation rather than spin-orbit torque, and completely spin-orbit torque. Magnetization reversal due to orbital torque can be observed.

또한, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)를 섬 형태로 배치하는 경우, 모든 층을 십자 형태로 제조한 후, 식각 단계를 한번 더 진행해야 하며, 식각을 진행하다가 스핀토크 활성층이 노출되기 시작하면 그 즉시 식각을 멈춰야 하기 때문에 소자 제작에 노하우가 필요하다.In addition, when the free layer 130, the tunnel barrier layer 140, and the fixed layer 150 are arranged in an island shape, after all the layers are manufactured in a cross shape, the etching step must be performed once more. Since etching must be stopped immediately when the spin-torque active layer starts to be exposed, know-how is required for device fabrication.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합을 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.

십자 형태의 스핀토크 활성층(120)은 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)를 포함할 수 있고, 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 서로 교차되도록 형성될 수 있다.The cross-shaped spin-torque active layer 120 may include a first conductive line 121 and a second conductive line 122, and the first conductive line 121 and the second conductive line 122 may cross each other. can be formed

따라서, 자화 스위칭 방법은, 제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류(jx)를 제1 도전 라인(121)에 인가하고, 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류(jy)를 제2 도전 라인(122)에 인가하여 자유층(130)은 자화반전을 수행할 수 있다.Therefore, in the magnetization switching method, a first current (jx) of an AC type having a first frequency is applied to the first conductive line 121, and a second current (jy) of an AC type having a first frequency is applied to the second conductive line 121 . When applied to the conductive line 122 , the free layer 130 may perform magnetization reversal.

제1 도전 라인(121)에 제1 각주파수(ω)를 가진 제1 전류를 주입하고, 제2 도전 라인(122)에 제1 각주파수(ω)를 가진 제2 전류를 주입하는 경우, 자유층(130), 터널 배리어층(140) 및 고정층(150)이 배치된 위치에서 총 전류 벡터는 시간에 따라 회전할 수 있다.When injecting a first current having a first angular frequency ω into the first conductive line 121 and injecting a second current having a first angular frequency ω into the second conductive line 122, free A total current vector may rotate with time at positions where the layer 130, the tunnel barrier layer 140, and the pinned layer 150 are disposed.

총 전류 벡터의 위상과 같이 회전하는 좌표계 입장에서 문제를 바라보면, 교류전류는 직류전류의 문제로 바뀐다. 한편, 회전하는 좌표계 입장에서는, 회전 각속도에 대응하는 수직방향의 유효자기장이 나타난다. 즉, 교류전류의 효과는 수직방향의 유효자기장이 있는 시스템에서의 직류전류의 문제로 변환된다. 이 경우, 수직방향의 유효자기장의 효과 때문에 자유층의 자화는 매우 쉽게 반전될 수 있다.Looking at the problem from the point of view of the rotating coordinate system, such as the phase of the total current vector, the alternating current turns into a direct current problem. On the other hand, from the point of view of the rotating coordinate system, an effective magnetic field in the vertical direction corresponding to the rotational angular velocity appears. That is, the effect of alternating current is converted into a problem of direct current in a system with an effective magnetic field in the vertical direction. In this case, the magnetization of the free layer can be very easily reversed due to the effect of the effective magnetic field in the vertical direction.

제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 물질일 수 있다. 제1 도전 라인(112)에 제1 전류가 흐르는 경우, 제1 도전 라인(121)의 진행하는 방향에 수직한 스핀 분극이 발생하고, 스핀 전류는 상기 자유층 방향(z축방향)으로 진행한다.The first conductive line 121 and the second conductive line 122 may be a material that causes a spin Hall effect or a Lasheba effect. When a first current flows through the first conductive line 112, spin polarization is generated perpendicular to the direction in which the first conductive line 121 travels, and the spin current proceeds in the direction of the free layer (z-axis direction). .

제1 도전 라인(121)은 x 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 제2 도전 라인(122)은 제1 도전 라인(121)에 교차하는 라인 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 도전 라인(122)은 y 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다.The first conductive line 121 may have a line shape extending along the x direction. The second conductive line 122 may have a line shape crossing the first conductive line 121 . For example, the second conductive line 122 may have a line shape extending along the y direction.

제1 도전 라인(121)과 제2 도전 라인(122)은 일 지점에서 서로 교차할 수 있으며, 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 라인(121) 및 제2 도전 라인(122)은 동일한 평면(즉, x-y 평면) 상에 위치할 수 있다.The first conductive line 121 and the second conductive line 122 may cross each other at one point and may be connected to each other. For example, the first conductive line 121 and the second conductive line 122 may be located on the same plane (ie, x-y plane).

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀토크 활성층(120)을 십자 형태로 패터닝함으로써, 스핀홀 효과에 의한 특성을 전기적으로 측정할 수 있고, 스핀 토크에 의한 자화의 움직임을 전류 주입 방향과 수직한 방향으로 전압을 측정할 수 있다.In the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, by patterning the spin-torque active layer 120 in a cross shape, the characteristics due to the spin Hall effect can be electrically measured, and the movement of magnetization due to the spin torque can be measured. Voltage can be measured in a direction perpendicular to the current injection direction.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합과 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since the manufacturing method of the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention includes the same components as the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to the embodiment of the present invention, the same components will be omitted. .

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110)를 진행한다.First, in the method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention, a step of forming a spin-torque active layer on a substrate (S110) proceeds.

기판은 실리콘 기판일 수 있고, 실리콘 기판의 표면에는 자연 산화층이 형성될 수 있고, 실시예에 따라, 자연 산화층은 CVD, PVD 또는 열 산화함으로써 형성될 수 있다.The substrate may be a silicon substrate, and a natural oxide layer may be formed on the surface of the silicon substrate, and according to an embodiment, the natural oxide layer may be formed by CVD, PVD, or thermal oxidation.

실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하기 전에, 기판 상에 시드층을 형성하는 단계 및 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계 중 적어도 어느 하나의 단계를 진행할 수 있다.According to an embodiment, a method for manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes forming a seed layer on a substrate and forming a buffer layer on the substrate before forming a spin-torque active layer on the substrate. At least one of the steps may be performed.

시드층 및 버퍼층은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The seed layer and the buffer layer are formed by physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), atomic layer deposition (ALD) layer deposition), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) or reduced pressure CVD ( It may be formed by methods including derivative CVD processes including reduced pressure CVD (RPCVD), electroplating, coating, or any combination thereof.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110)는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 진공 챔버 내에 배치된 기판 상에 W-X 합금(여기서, W는 텅스텐이고, X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함) 박막을 형성한다.In the step of forming a spin-torque active layer on the substrate (S110), the W-X alloy (where W is tungsten and X is a group 4 semiconductor) is formed on the substrate disposed in the vacuum chamber by simultaneously sputtering a W target and an X target in a vacuum chamber. and at least one of Group 3-5 semiconductors) to form a thin film.

바람직하게는, 진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟 동시에 스퍼터링하는 동시 증착법(Co-deposition)으로 진공 챔버 내에 배치된 기판 상에 텅스텐-실리콘 합금 박막을 형성할 수 있다.Preferably, a tungsten-silicon alloy thin film may be formed on a substrate disposed in a vacuum chamber by a co-deposition method in which a W target and an X target are simultaneously sputtered in a vacuum chamber.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법은 W 타겟 및 X 타겟의 파워 및 두께에 따라 W-X 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.In the method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention, the composition of the W-X alloy thin film may be adjusted according to the power and thickness of the W target and the X target.

먼저, W 타겟 및 X 타겟의 파워에 따라 W-X 합금 박막의 조성이 조절될 수 있다.First, the composition of the W-X alloy thin film may be adjusted according to the power of the W target and the X target.

W 타겟의 파워는 0.1 W 내지 85 W(0 W/cm² 내지 4.19 W/cm²)일 수 있고, 0.1 W 미만이면 W 이 증착되지 않는 문제가 있고, W 타겟 파워가 85 W를 초과하면 W 타겟에 너무 큰 에너지가 가해져 균열이 생기는 문제가 있다.The power of the W target may be 0.1 W to 85 W (0 W/cm ² to 4.19 W/cm ² ), if it is less than 0.1 W, there is a problem that W is not deposited, and if the W target power exceeds 85 W, W There is a problem in that too much energy is applied to the target and cracks occur.

X 타겟의 파워는 0.1W 내지 86.2 W (0.1 W/cm² 내지 4.25 W/cm²)일 수 있고, 0.1 W 미만이면 X 가 증착되지 않는 문제가 있고, X 타겟 파워가 86.2 W를 초과하면 X 타겟에 너무 큰 에너지가 가해져 균열이 생기는 문제가 있다.The power of the X target may be 0.1W to 86.2 W (0.1 W/cm ² to 4.25 W/cm ² ), if it is less than 0.1 W, there is a problem that X is not deposited, and if the X target power exceeds 86.2 W, X There is a problem in that too much energy is applied to the target and cracks occur.

예를 들어, 각 물질(W 및 X)의 물성치(밀도, 원자량)를 이용하여 몰(mole) 당 부피(mol/cm³)를 계산하고, 이를 두께와 나누어 특정 두께를 증착 할 때, 증착되는 몰(mole)의 값을 계산한 다음, 전체 W-X 합금 박막의 두께를 고정시키고 각 물질(W 및 X)의 두께를 조절하면 각 물질(W 및 X)의 몰 값이 계산되고, 이를 이용하여 W-X 합금 박막의 조성(at%)을 결정할 수 있다.For example, when calculating the volume (mol/cm ³ ) per mole using the physical properties (density, atomic weight) of each material (W and X) and dividing it with the thickness to deposit a specific thickness, the deposited After calculating the value of mole, fix the thickness of the entire WX alloy thin film and adjust the thickness of each material (W and X) to calculate the mole value of each material (W and X). The composition (at %) of the alloy thin film can be determined.

W 타겟와 X 타겟 파워는 각 타겟의 증착 파워와 증착 속도가 정 비례한다는 가정하에, 50 W (2.47 W/cm²)로 증착 할 때의 증착 속도를 이용하여 두 물질의 증착 시간이 동일하게 되는 파워로 증착할 수 있다.Under the assumption that the power of the W target and the X target is directly proportional to the deposition power and deposition rate of each target, the power at which the deposition time of the two materials is the same using the deposition rate at 50 W (2.47 W/cm ² ) can be deposited with

예를 들어, X로 실리콘을 사용하여, W-Si 합금 박막을 형성할 때, 스퍼터링 장비의 경우, 50 W의 파워에서 텅스텐(W)과 실리콘(Si)의 증착 속도는 각각 0.045778 nm/s 및 0.013678 nm/s이므로, 텅스텐과 실리콘의 원자 비를 50:50으로 맞추기 위해 W-Si 합금 박막의 두께를 5 nm로 고정시켰을 때, 텅스텐과 실리콘의 두께가 각각 3.72 nm 및 1.28 nm가 될 수 있다.For example, when forming a W-Si alloy thin film using silicon as X, in the case of sputtering equipment, the deposition rates of tungsten (W) and silicon (Si) at a power of 50 W are 0.045778 nm/s and 0.045778 nm/s, respectively. Since it is 0.013678 nm/s, when the thickness of the W-Si alloy thin film is fixed at 5 nm to match the atomic ratio of tungsten to silicon at 50:50, the thickness of tungsten and silicon can be 3.72 nm and 1.28 nm, respectively. .

증착 속도를 고려하여 두 물질 모두 50 W로 증착을 진행하면, 각 두께를 증착하는데 81.3 초와 93.6 초가 걸리는데, 이 경우 증착 시간이 달라 W-Si 합금 박막이 균일하게 형성되지 않기 때문에, 각 물질의 파워를 조절하여 텅스텐 3.72 nm와 실리콘 1.28 nm를 증착하는데 같은 시간이 걸리는 파워를 설정하여 증착을 진행할 수 있다.Considering the deposition speed, if both materials are deposited at 50 W, it takes 81.3 seconds and 93.6 seconds to deposit each thickness. In this case, since the deposition time is different, the W-Si alloy thin film is not formed uniformly, Deposition can be performed by adjusting the power to set the power that takes the same amount of time to deposit 3.72 nm of tungsten and 1.28 nm of silicon.

이때, 텅스텐 타겟의 파워는 60 W(2.96 W/cm²)일 수 있고, 실리콘 타겟의 파워는 69.1 W (3.41 W/cm²)일 수 있다.At this time, the power of the tungsten target may be 60 W (2.96 W/cm ² ), and the power of the silicon target may be 69.1 W (3.41 W/cm ² ).

또한, W-Si 합금 박막의 두께가 5nm인 경우, 텅스텐의 두께는 1.2 nm 내지 4.9 nm일 수 있고, 실리콘의 두께는 0.1 nm 내지 3.8 nm일 수 있다.Also, when the thickness of the W—Si alloy thin film is 5 nm, the thickness of tungsten may be 1.2 nm to 4.9 nm, and the thickness of silicon may be 0.1 nm to 3.8 nm.

또한, 텅스텐 타겟와 실리콘 타겟을 동시에 스퍼터링 하는 증착 시간은 59초 내지 231초일 수 있다.In addition, the deposition time for simultaneously sputtering the tungsten target and the silicon target may be 59 seconds to 231 seconds.

스퍼터링 챔버의 초기 진공도는 5Х10^-9 Torr일 수 있고, 39 sccm의 아르곤을 흘렸을 때, 작업 압력(working pressure)은 1.4 mTorr일 수 있다.The initial vacuum degree of the sputtering chamber may be 5Х10 ^-9 Torr, and when 39 sccm of argon flows, the working pressure may be 1.4 mTorr.

따라서, W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1at% 내지 10.6at%일 수 있다.Accordingly, the composition content of X included in the W—X alloy may be 0.1 at% to 10.6 at%.

예를 들어, W-X 합금으로 텅스텐(W)-실리콘(Si) 합금이 사용되는 경우, 수직 자기 이방성이 발현되는 실리콘의 조성 비율은 열처리 온도가 300℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있고, 열처리 온도가 400℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%일 수 있으며, 열처리 온도가 500℃인 경우, 실리콘의 조성 비율(x)이 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%일 수 있다.For example, when a tungsten (W)-silicon (Si) alloy is used as a W-X alloy, the composition ratio of silicon exhibiting perpendicular magnetic anisotropy is when the heat treatment temperature is 300 ° C., the composition ratio of silicon (x, where x is a real number) may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and when the heat treatment temperature is 400 ° C, the composition ratio (x) of silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 9.6 at%, and the heat treatment temperature is 500 In the case of °C, the composition ratio (x) of silicon may be 0.1 at% ≤ x ≤ 8.6 at%.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는, W-X 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.Forming the spin torque active layer on the substrate may further include patterning the W—X alloy thin film in a cross shape.

W-X 합금 박막은 포토리소그래피 및 식각을 진행하여 십자 형태로 패터닝될 수 있다.The W—X alloy thin film may be patterned in a cross shape by performing photolithography and etching.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계(S120), 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계(S130) 및 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계(S140)를 진행한다.A method for manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention includes forming a free layer on a spin-torque active layer (S120), forming a tunnel barrier layer on the free layer (S130), and A step (S140) of forming a fixed layer formed on the layer proceeds.

자유층, 터널 배리어층 및 자유층은 각각 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The free layer, tunnel barrier layer, and free layer are each formed by physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), atomic Layer deposition (ALD), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) CVD) or derivative CVD processes including reduced pressure CVD (RPCVD), electroplating, or any combination thereof.

실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계(S140)를 진행한 다음, 고정층 상에 캐핑층을 형성하는 단계를 진행할 수 있다.According to an embodiment, in the method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention, a step of forming a fixed layer on the tunnel barrier layer (S140) is performed, and then a capping layer is formed on the fixed layer. steps can be taken.

캐핑층은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.The capping layer includes physical vapor deposition (PVD) including sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), and atomic layer deposition (ALD). ), electron beam (e-beam) epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or low pressure CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) or reduced pressure CVD (RPCVD, It may be formed by methods including derivative CVD processes including reduced pressure CVD), electroplating, coating, or any combination thereof.

자유층 및 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계(S150)를 진행한다.A heat treatment step (S150) is performed to express perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the fixed layer.

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 자유층 및 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계(S150)를 진행한다.In the method of manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention, heat treatment is performed in order to develop perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the fixed layer (S150).

본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 열처리 온도가 증가함에 따라 스핀 토크 효율인 가 증가되고, 일축 이방성 자기장의 크기인 가 감소되므로 스위칭 전류가 감소될 수 있다.In the method for manufacturing a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention, as the heat treatment temperature increases, the spin torque efficiency increases. is increased, and the magnitude of the uniaxial anisotropy magnetic field Since is reduced, the switching current can be reduced.

반도체 소자 공정에 포함되어 있는 BEOL(Back End Of Line) 공정은 300℃ 내지 400℃의 열처리가 포함되기 때문에, 해당 온도에서도 자성 특성을 유지할 수 있는 소자 개발하는 것은 필수적이다.Since a BEOL (Back End Of Line) process included in a semiconductor device process includes heat treatment at 300° C. to 400° C., it is essential to develop a device capable of maintaining magnetic properties even at that temperature.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법은 CoFeB/MgO(자유층/터널 배리어층) 구조에서 수직자기이방성이 발현되기 위해서는 최소 250℃ 내지 300℃ 열처리를 진행하여 CoFeB(자유층)의 결정화가 진행되어야 하기 때문에 300℃ 이상으로 열처리를 진행하여야 되고, 열처리 온도가 500℃를 초과하는 경우, 자성층으로 활용된 CoFeB(자유층)이 견딜 수 있는 온도 범위를 벗어나 자성층의 특성을 잃는 문제가 있다.Therefore, in the method of manufacturing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention, in order to express perpendicular magnetic anisotropy in the CoFeB / MgO (free layer / tunnel barrier layer) structure, heat treatment is performed at a minimum of 250 ° C to 300 ° C. Since the crystallization of CoFeB (free layer) must proceed, heat treatment must be performed at a temperature of 300 ° C or higher. There is a problem of losing the characteristics of

실험예 1: 소자 제조Experimental Example 1: Device manufacturing

[실시예 1-1]: Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(다층 박막 구조) 제조[Example 1-1]: Manufacturing of Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (multilayer thin film structure)

표면에 비정질의 자연 산화층이 형성된 Si 기판(Si/SiO₂) 상에 텅스텐(W) 타겟을 스퍼터링 함과 동시에 실리콘(Si) 타겟을 함께 스퍼터링 하여 5nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층)을 형성하였고, 이때, 텅스텐 타겟과 실리콘 타겟은 각각 직류, 교류 마그네트론 스퍼터링을 이용하였으며, 아르곤 기체의 유량을 고정시킨 상태에서 동시 스퍼터링하는 원소 각각의 스퍼터링 파워를 조절하여 텅스텐계 합금 박막의 조성을 조절하였고, 텅스텐-실리콘 합금 층 제작에 사용한 타겟의 크기는 직경 2인치이다.A tungsten (W) target is sputtered on a Si substrate (Si/SiO ₂ ) having an amorphous natural oxide layer formed on the surface, and a silicon (Si) target is sputtered together to form a 5 nm tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin Torque active layer) was formed, and at this time, DC and AC magnetron sputtering was used for the tungsten target and the silicon target, respectively. The composition was adjusted, and the size of the target used to fabricate the tungsten-silicon alloy layer was 2 inches in diameter.

텅스텐-실리콘 합금 층 상에 Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (at%) 타겟을 사용하여 0.9nm의 CoFeB 자유층을 형성한 다음, 1nm의 MgO 절연층 및 2nm의 Ta 캐핑층 층을 형성하였다.On the tungsten-silicon alloy layer, a 0.9 nm CoFeB free layer was formed using a Co ₄₀ Fe ₄₀ B ₂₀ (at%) target, followed by a 1 nm MgO insulating layer and a 2 nm Ta capping layer.

이에, 도 4에 도시한 바와 같은 Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(기판/자연 산화층/스핀토크 활성층/자유층/터널 배리어/캐핑층)을 형성하였다.Accordingly, Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (substrate/natural oxide layer/spin-talk active layer/free layer/tunnel barrier/capping layer) as shown in FIG. 4 was formed.

스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합 제조 시, 금속층을 적층할 때는 직류(dc) 마그네트론 스퍼터링(sputtering)을 사용하고, 절연체를 적층할 때는 교류(ac) 마그네트론 스퍼터링을 사용하였고, 초기 진공(base pressure)은 각각 5x10^-9 Torr 이하이며, 아르곤(Ar) 분위기에서 증착 하였다. 각 층의 두께는 증착 시간과 스퍼터링 파워를 이용해 조절하였다.In the manufacture of spin-orbit torque-based magnetic tunnel junctions, direct current (dc) magnetron sputtering was used for depositing metal layers and alternating current (ac) magnetron sputtering was used for depositing insulators, and the initial base pressure was Less than 5x10 ^-9 Torr, respectively, and deposited in an argon (Ar) atmosphere. The thickness of each layer was adjusted using the deposition time and sputtering power.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위한 구조를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a structure for measuring spin-orbit torque efficiency of a magnetic tunnel junction based on spin-orbit torque according to an embodiment of the present invention.

[실시예 1-2]: Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(십자 패턴 구조) 제조[Example 1-2]: Preparation of Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (cross pattern structure)

스핀토크 활성층, CoFeB 자유층 및 MgO 절연층을 포함한 다층 박막 구조는 모두 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다. 도 11a와 같이 소자의 전체 구조를 십자 모양으로 패터닝하여 스핀 궤도 토크 효율과 비저항을 측정하였다.The multilayer thin film structure including the spin-torque active layer, the CoFeB free layer, and the MgO insulating layer was all prepared in the same manner as in Example 1-1. As shown in FIG. 11a, the overall structure of the device was patterned in a cross shape to measure spin-orbit torque efficiency and resistivity.

[실시예 1-3]: Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(자유층 자기터널접합 구조) 제조[Example 1-3]: Preparation of Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (free layer magnetic tunnel junction structure)

스핀토크 활성층, CoFeB 자유층 및 MgO 절연층을 포함한 다층 박막 구조는 모두 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다. 도 17a와 같이 소자 전체 구조를 십자 모양으로 패터닝 한 후, 스핀토크 활성층을 제외한 모든 층을 스핀궤도 토크 활성층 상에 섬 형태로 형성하였다. 해당 시편을 이용하여 전류-인가 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전을 측정하였다.The multilayer thin film structure including the spin-torque active layer, the CoFeB free layer, and the MgO insulating layer was all prepared in the same manner as in Example 1-1. After patterning the entire structure of the device in a cross shape as shown in FIG. 17A, all layers except for the spin-torque active layer were formed in the form of islands on the spin-orbit torque active layer. Magnetization reversal by current-applied spin orbit torque was measured using the specimen.

[실시예 2][Example 2]

25nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층) 단일막을 형성하였으며 패터닝 공정을 제외하면 실시예 1-1과 동일하게 제조되었다.A 25 nm tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin-torque active layer) single film was formed and was manufactured in the same manner as in Example 1-1 except for the patterning process.

[실시예 3]: CoFeB 4/W₉₆Si_4.01.5/CoFeB 0.9/MgO 1/Ta 2 (단위: nm)[Example 3]: CoFeB 4/W ₉₆ Si _4.0 1.5/CoFeB 0.9/MgO 1/Ta 2 (unit: nm)

표면에 비정질의 자연 산화층이 형성된 Si 기판(Si/SiO₂) 상에 Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (at%) 타겟을 사용하여 4 nm의 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖는 자성층을 직류 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 증착한다. 이때 자성층의 두께는 자화 용이축이 면내 방향인 상태에서 바뀔 수 있다.On a Si substrate (Si/SiO ₂ ) having an amorphous natural oxide layer formed on the surface, a magnetic layer having an easy axis of magnetization in a 4 nm in-plane direction was applied using a Co ₄₀ Fe ₄₀ B ₂₀ (at%) target using DC magnetron sputtering. deposit At this time, the thickness of the magnetic layer may be changed while the easy axis of magnetization is in the in-plane direction.

텅스텐(W) 타겟을 스퍼터링 함과 동시에 실리콘(Si) 타겟을 함께 스퍼터링 하여 1.5nm의 텅스텐-실리콘 합금층(W-Si, 스핀토크 활성층)을 형성하였고, 이때, 텅스텐 타겟과 실리콘 타겟은 각각 직류, 교류 마그네트론 스퍼터링을 이용하였으며, 아르곤 기체의 유량을 고정시킨 상태에서 동시 스퍼터링하는 원소 각각의 스퍼터링 파워를 조절하여 텅스텐계 합금 박막의 조성을 조절하였고, 텅스텐-실리콘 합금 층 제작에 사용한 타겟의 크기는 직경 2인치이다. 텅스텐-실리콘 합금층의 두께 역시 변화될 수 있다(1nm, 1.5nm, 2nm, 3 nm의 두께).A 1.5 nm tungsten-silicon alloy layer (W-Si, spin torque active layer) was formed by sputtering a tungsten (W) target and simultaneously sputtering a silicon (Si) target. , AC magnetron sputtering was used, and the composition of the tungsten-based alloy thin film was adjusted by adjusting the sputtering power of each element simultaneously sputtering while the flow rate of argon gas was fixed, and the size of the target used to fabricate the tungsten-silicon alloy layer was It is 2 inches. The thickness of the tungsten-silicon alloy layer can also be varied (thickness of 1 nm, 1.5 nm, 2 nm, 3 nm).

이에, 도 4에 도시한 바와 비슷하나 SiO₂와 W-Si 사이에 CoFeB이 추가된 Si/SiO₂/CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(기판/면내 방향으로 자화 용이축을 갖는 자성층/자연 산화층/스핀토크 활성층/자유층/터널 배리어/캐핑층)을 형성하였다.4, but Si/SiO ₂ /CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta (substrate/magnetic layer having an easy axis of magnetization in the in-plane direction) with CoFeB added between SiO ₂ and W-Si/ natural oxide layer/spin-torque active layer/free layer/tunnel barrier/capping layer) were formed.

본 발명의 실시예 1-2와 같이 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 스핀궤도 토크 효율을 측정하기 위해서 전체 박막 구조를 십자 패턴 모양으로 패터닝하였다.As in Example 1-2 of the present invention, the spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction was patterned in a cross pattern shape in order to measure the spin-orbit torque efficiency.

이 후, 전류-인가 스핀궤도토크에 의한 자화 반전을 측정하기 위해 실시예 1-3과 같이 스핀토크 활성층을 제외한 모든 층을 스핀토크 활성층 상에 섬 형태로 형성하였다.Then, in order to measure magnetization reversal by current-applied spin-orbit torque, all layers except for the spin-torque active layer were formed in an island shape on the spin-torque active layer as in Examples 1-3.

[실험예 4]: 열처리[Experimental Example 4]: Heat treatment

도 4에 도시한 바와 같은 Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta을 모두 형성한 다음, 300℃, 400℃ 및 500℃의 온도로 1시간동안 열처리를 진행하였고, 열처리 시 초기 진공은 10^-6 Torr 대역이며, 열처리 중 6 kOe의 외부자기장이 Si/SiO₂/W-Si/CoFeB/MgO/Ta(스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합)에 수직인 방향으로 가해졌다.After forming all Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta as shown in FIG. 4, heat treatment was performed at temperatures of 300 ° C, 400 ° C, and 500 ° C for 1 hour, and initial vacuum during heat treatment. is in the 10 ^-6 Torr band, and an external magnetic field of 6 kOe was applied in a direction perpendicular to Si/SiO ₂ /W-Si/CoFeB/MgO/Ta (spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction) during heat treatment.

300℃, 400℃ 및 500℃에서 열처리를 진행한 후 수직자기이방성이 유지되는 시편에 대해서 스핀 궤도 토크의 효율을 확인하기 위해 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 5 x 35 ㎛² 크기의 십자가 모양의 홀 바(Hall bar)를 제작하였다. 동일한 시편을 이용하여 십자가 모양의 홀 바를 제작한 후, CoFeB/MgO/Ta 층은 직경 4 ㎛의 섬(island) 형태로 제작하여 스핀-궤도 토크에 의한 자화 반전을 측정하였다.After heat treatment at 300 ° C, 400 ° C and 500 ° C, a cross-shaped hole with a size of 5 x 35 ㎛ ² was used in a photolithography process to check the efficiency of spin orbit torque for specimens with perpendicular magnetic anisotropy maintained. A bar (Hall bar) was produced. After fabricating a cross-shaped Hall bar using the same specimen, the CoFeB/MgO/Ta layer was fabricated in the form of an island with a diameter of 4 μm, and magnetization reversal by spin-orbit torque was measured.

도 5 내지 도 10은 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)로 측정한 열처리 온도에 따른 자기이력(magnetic hysteresis) 곡선이다.5 to 10 are magnetic hysteresis curves according to heat treatment temperatures measured with a vibrating sample magnetometer (VSM).

도 5는 300℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합(이하에서, 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체로 명명하기로 한다)에 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 6은 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.5 is a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 4 in which heat treatment was performed at 300 ° C. for 1 hour (hereinafter, W-Si / CoFeB / When a magnetic field is applied in the out-of-plane direction to the thin film surface (to be referred to as MgO/Ta structure), the magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin torque active layer is obtained. FIG. 6 is a graph showing a magnetic hysteresis curve according to a silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in an in-plane direction of the thin film.

도 5 및 도 6은 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)를 이용하여 박막 면 수직 방향(out-of-plane), 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하여 측정한 자기이력곡선이다.5 and 6 are magnetic hysteresis curves measured by applying a magnetic field in the out-of-plane and in-plane directions of the thin film plane using a vibrating sample magnetometer (VSM) am.

도 5 및 도 6을 참조하면, 300℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 발현되는 것을 알 수 있다.5 and 6, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 300 ° C., the composition of silicon It can be seen that perpendicular magnetic anisotropy is expressed from 0 at% to 10.6 at%.

도 7은 400℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 8은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.FIG. 7 shows the silicon content (0at) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the thin film surface to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 400° C. for 1 hour. % to 10.6 at%), and FIG. 8 is a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing

도 7 및 도 8을 참조하면, 400℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 유지되며 그 이상부터는 수직자기이방성이 사라지는 것을 알 수 있다.7 and 8, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 400 ° C., the composition of silicon It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy is maintained from 0 at% to 10.6 at%, and the perpendicular magnetic anisotropy disappears thereafter.

또한, 실리콘의 조성이 10.6 at% 이상인 조성 범위에서는 실리콘의 조성 범위가 늘어날수록 이방성을 갖지 않고 자성 특성이 감소될 수 있다.In addition, in a composition range in which the composition of silicon is 10.6 at% or more, as the composition range of silicon increases, there is no anisotropy and magnetic properties may be reduced.

도 9는 500℃에서 1시간동안 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 박막 면 수직 방향 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 박막 면 내 방향으로 자기장을 인가하였을 때, 스핀토크 활성층의 실리콘 함량(0at% 내지 10.6 at%)에 따른 자기이력곡선을 도시한 그래프이다.FIG. 9 shows the silicon content (0at) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the thin film surface to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 500° C. for 1 hour. % to 10.6 at%), and FIG. 10 is a magnetic hysteresis curve according to the silicon content (0 at% to 10.6 at%) of the spin-torque active layer when a magnetic field is applied in the in-plane direction of the thin film. is a graph showing

도 9 및 도 10을 참조하면, 500℃에서 열처리가 진행된 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에서 텅스텐-실리콘 합금의 두께를 5 nm로 고정시켰을 경우, 실리콘의 조성이 0 at%에서부터 10.6 at%까지 수직 자기 이방성이 유지되며 그 이상부터는 수직자기이방성이 사라지는 것을 알 수 있다.9 and 10, when the thickness of the tungsten-silicon alloy is fixed to 5 nm in the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 1-1 in which heat treatment was performed at 500 ° C., the composition of silicon It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy is maintained from 0 at% to 10.6 at%, and the perpendicular magnetic anisotropy disappears thereafter.

도 11a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 11b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 하모닉스(harmonics) 측정법을 이용하여 측정한 소자의 스핀 궤도 토크의 효율을 도시한 그래프이다. 이때, DL_WS3, FL_WS3, DL_WS5 및 FL_WS5 는 각각 300℃ 열처리한 시편의 damping-like 토크, 300℃ 열처리한 시편의 field-like 토크, 500

열처리한 시편의 damping-like 토크, 500℃ 열처리한 시편의 field-like 토크의 효율이다.11a is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 11b shows a vacuum heat treatment at 300 ° C and 500 ° C for 1 hour, Spin orbit of the device measured using a harmonics measurement method in the composition range of the tungsten-silicon alloy layer in the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a It is a graph showing the efficiency of torque. At this time, DL _WS3 , FL _WS3 , DL _WS5 and FL _WS5 are the damping-like torque of the specimen heat treated at 300 ℃, the field-like torque of the specimen heat treated at 300 ℃, 500

Efficiency of the damping-like torque of the heat-treated specimen and the field-like torque of the specimen heat-treated at 500 °C.

도 11a를 참조하면, 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후에 하모닉스 측정법을 이용하여 측정하였다. Referring to FIG. 11A, the W-Si/CoFeB/MgO layer according to Example 1-2 was patterned in a cross shape and then measured using a harmonics measurement method.

실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO 층을 십자 형태로 패터닝하여 제조된 다층 박막 구조는 전류를 x 방향으로 흘릴 때, x, y 방향으로 전압을 측정할 수 있고, x 방향 전압은 소재의 비저항을 측정할 수 있으며, y 방향 전압은 소재의 스핀 궤도 토크 효율을 측정할 수 있다.The multilayer thin film structure prepared by patterning the W-Si/CoFeB/MgO layer according to Example 1-2 in a cross shape can measure the voltage in the x and y directions when current flows in the x direction, and the voltage in the x direction The resistivity of the silver material can be measured, and the y-direction voltage can measure the spin-orbit torque efficiency of the material.

도 11b를 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층에서 500℃에서 열처리를 진행하였을 때, 모든 실리콘의 조성에서 텅스텐 단일층을 사용한 경우(30%)보다 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 11B, when heat treatment is performed at 500° C. on the tungsten-silicon alloy layer, it can be seen that the composition of all silicon is increased compared to the case of using a tungsten single layer (30%).

특히, Si의 조성이 4.0 at% 일 경우, 텅스텐 단일층보다 약 100% 증가한 0.58의 스핀 궤도 토크의 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.In particular, it can be seen that when the composition of Si is 4.0 at%, the spin orbit torque efficiency of 0.58 is increased by about 100% compared to the tungsten monolayer.

도 12는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 도 11a에 도시된 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 텅스텐-실리콘 합금층의 조성범위에서 4침법(four-point probe)을 이용하여 측정한 합금의 전기 비저항 값을 도시한 그래프이다.12 is a tungsten-silicon alloy on the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-2 having perpendicular magnetic anisotropy shown in FIG. 11a by performing vacuum heat treatment at 300 ° C. and 500 ° C. for 1 hour It is a graph showing the electrical resistivity value of the alloy measured using a four-point probe in the composition range of the layer.

도 12는 W-Si층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후에 하모닉스 측정법을 이용하여 측정하였다.12 was measured using the harmonics measurement method after patterning the W-Si layer in the shape of a cross.

전류를 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 흘려주었을 때, 절연층(MgO)과 캐핑층(Ta)에는 전류가 흐르지 않는다는 가정을 바탕으로, 스핀토크 활성층(전극) W-Si층과 자유층 CoFeB(ρ = 170 μΩ·cm)을 병렬 저항 계산을 진행하여 텅스텐-실리콘 합금층의 비저항을 계산한 결과이다.Based on the assumption that current does not flow through the insulating layer (MgO) and the capping layer (Ta) when current flows through the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure, the spin torque active layer (electrode) W-Si layer and free This is the result of calculating the specific resistance of the tungsten-silicon alloy layer by performing parallel resistance calculation of the layer CoFeB (ρ = 170 μΩ cm).

도 12를 참조하면, 300℃ 및 500℃의 열처리 조건에 대해 실리콘의 조성이 늘어남에 따라 비저항이 증가하나, 500℃에서 열처리를 진행한 경우, 실리콘의 조성 7.6 at%까지 300℃에서 열처리를 진행한 텅스텐 단일층의 비저항보다 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, the resistivity increases as the composition of silicon increases for the heat treatment conditions of 300 ° C and 500 ° C, but when the heat treatment is performed at 500 ° C, the heat treatment is performed at 300 ° C until the composition of silicon is 7.6 at%. It can be seen that the resistivity is lower than that of a single tungsten layer.

도 13 내지 도 22은 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 스위칭 특성을 측정한 것으로, 스핀 토크 활성층을 제외한 층(자유층, 터널배리어 등)이 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 패터닝 된 후 측정이 진행되었다.13 to 22 are measurements of the switching characteristics of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3, and the layers (free layer, tunnel barrier, etc.) excluding the spin torque active layer exhibit cross-shaped spin Measurement was performed after patterning in the form of an island in the center of the torque active layer.

도 13은 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 14는 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.13 is a vacuum heat treatment at 300 ° C. for 1 hour, when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy, tungsten- 14 is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 14 is a switching according to the composition (unit: at%) of the tungsten-silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied It is a graph showing the characteristics.

도 13 및 도 14를 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스핀궤도 토크 스위칭 특성으로 모든 실리콘의 조성에 대하여 텅스텐 단일층보다 작은 전류에서 스위칭이 일어나는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 13 and 14 , it can be seen that switching occurs at a current smaller than that of the tungsten monolayer for all silicon compositions due to spin-orbit torque switching characteristics according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer.

도 15는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 +100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이고, 도 16은 -100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(단위: at%)에 따른 스위칭 특성을 도시한 그래프이다.15 is a vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, when an external magnetic field of +100 Oe is applied to the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy, tungsten- 16 is a graph showing the switching characteristics according to the composition (unit: at%) of the silicon alloy layer, and FIG. 16 is a switching according to the composition (unit: at%) of the tungsten-silicon alloy layer when an external magnetic field of -100 Oe is applied It is a graph showing the characteristics.

도 15 및 도 16을 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스핀궤도 토크 스위칭 특성은 모든 실리콘의 조성에 대하여 텅스텐 단일층보다 작은 전류에서 스위칭이 일어나는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 15 and 16 , it can be seen that in the spin-orbit torque switching characteristics according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer, switching occurs at a current smaller than that of the tungsten monolayer for all silicon compositions.

도 17a는 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 17b는 300℃ 및 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에 ±100 Oe의 외부자기장이 가해질 때, 스핀토크 활성층인 텅스텐-실리콘 합금층의 조성에 따른 스위칭 전류밀도 변화를 도시한 그래프이다.17a is a schematic diagram showing a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 17b is a vacuum heat treatment performed at 300 ° C and 500 ° C for 1 hour, When an external magnetic field of ±100 Oe is applied to the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having magnetic anisotropy, the change in switching current density according to the composition of the tungsten-silicon alloy layer, which is a spin torque active layer It is the graph shown.

스위칭 전류 밀도는 실리콘의 조성 증가에 따른 비저항 변화를 고려하였으며, 병렬 저항 계산을 하여 텅스텐-실리콘 합금층에 실제로 흐르는 전류의 크기를 이용하여 계산하였다.The switching current density was calculated using the size of the current actually flowing through the tungsten-silicon alloy layer by considering the change in resistivity according to the increase in the composition of silicon and by calculating the parallel resistance.

도 17a를 참조하면, W-Si 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후, CoFeB/MgO는 W-Si 층의 십자 형태의 교차부에만 형성되었다.Referring to FIG. 17A , after patterning the W—Si layer in a cross shape, CoFeB/MgO was formed only at the cross portion of the W—Si layer.

W-Si 층을 십자 형태로 패터닝을 진행한 후, CoFeB/MgO는 W-Si 층의 십자 형태의 교차부에만 형성하여 제조된 다층 박막 구조는 전류를 x 방향으로, 전압을 y 방향으로 측정하면 전류 주입에 따른 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전을 관측할 수 있고, 동일한 구조에서 자기장을 x 방향으로 걸어주면 유자기장 자화 반전, 자기장을 가하지 않으면 무자기장 자화 반전을 측정할 수 있다.After patterning the W-Si layer in the shape of a cross, CoFeB/MgO is formed only at the cross-shaped intersection of the W-Si layer. Magnetization reversal due to spin-orbit torque following current injection can be observed, and in the same structure, if a magnetic field is applied in the x direction, magnetization reversal in a induced field can be measured, and magnetization reversal in a non-magnetic field can be measured if no magnetic field is applied.

도 17b를 참조하면, 실리콘의 조성이 증가할수록 스위칭 전류가 감소되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 17B , it can be seen that the switching current decreases as the composition of silicon increases.

보다 구체적으로, 300℃에서 열처리가 진행된 경우, 실리콘이 포함되지 않을 때, 스위칭 전류 밀도가 43.5 MA/cm²이었으나, 실리콘(Si)의 조성이 9.6 at% 일 때, 14.0 MA/cm²까지 감소되었다.More specifically, when heat treatment was performed at 300° C., when silicon was not included, the switching current density was 43.5 MA/cm ² , but decreased to 14.0 MA/cm ² when the composition of silicon (Si) was 9.6 at%. It became.

500℃에서 열처리가 진행된 경우, 실리콘이 포함되지 않을 때, 스위칭 전류 밀도가 33.2 MA/cm²이었으나, 실리콘(Si)의 조성이 7.4 at% 일 때, 10.8 MA/cm²까지 감소되었다.When the heat treatment was performed at 500° C., the switching current density was 33.2 MA/cm ² when silicon was not included, but decreased to 10.8 MA/cm ² when the composition of silicon (Si) was 7.4 at%.

따라서, 500℃에서 열처리가 진행된 경우, 300℃에서 열처리가 진행되었을 때보다 스위칭 전류 밀도보다 모든 조성에 대하여 낮은 값을 갖는 것을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that when the heat treatment is performed at 500° C., the switching current density is lower for all compositions than when the heat treatment is performed at 300° C.

도 18은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 19는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 20은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 300℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.18 is a graph of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 0 at%, after heat treatment at 300° C. for 1 hour, and a change in an external magnetic field. 19 is a graph measuring switching current (current density), and FIG. 19 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 300 ° C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field. FIG. 20 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin torque active layer having a silicon content of 9.1 at%. /CoFeB/MgO/Ta structure is heat treated at 300℃ for 1 hour, and then the switching current (current density) according to the change of external magnetic field is measured.

도 18 내지 도 20을 참조하면, 10 Oe에서부터 150 Oe까지 크기를 증가하면서 인가한 외부자기장에 따라 자화 반전에 필요한 스위칭 전류 또는 전류밀도의 값이 감소되고, 인가된 모든 외부자기장 하에서 스핀궤도 토크 스위칭현상이 나타나는 것을 알 수 있다.18 to 20, the value of switching current or current density required for magnetization reversal is reduced according to the applied external magnetic field while increasing in size from 10 Oe to 150 Oe, and spin-orbit torque switching under all applied external magnetic fields. phenomenon can be seen.

도 21은 실리콘 함량이 0 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이고, 도 22는 실리콘 함량이 7.4at% 인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이며, 도 23은 실리콘 함량이 9.1 at%인 스핀토크 활성층을 포함하는 실시예 1-3에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 열처리한 후, 외부 자기장의 변화에 따른 스위칭 전류(전류밀도)를 측정한 그래프이다.21 is a graph of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 0 at%, which is heat-treated at 500° C. for 1 hour, and then subjected to a change in an external magnetic field. 22 is a graph measuring switching current (current density), and FIG. 22 is a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 7.4 at% at 500 ° C. After heat treatment for a period of time, it is a graph measuring the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field. FIG. 23 is W-Si according to Examples 1-3 including a spin-torque active layer having a silicon content of 9.1 at% /CoFeB/MgO/Ta structure is heat-treated at 500℃ for 1 hour, and then the switching current (current density) according to the change in the external magnetic field is measured.

도 21 내지 23를 참조하면, 10 Oe에서부터 150 Oe까지 크기를 증가하면서 인가한 외부자기장에 따라 자화 반전에 필요한 스위칭 전류 또는 전류밀도의 값이 감소되는 것을 알 수 있다.21 to 23, it can be seen that the value of the switching current or current density required for magnetization reversal decreases according to the applied external magnetic field while increasing the size from 10 Oe to 150 Oe.

또한, 인가된 모든 외부자기장 하에서 스핀궤도 토크 스위칭 현상이 나타나고, 도 18 내지 도 23과 비교하였을 때, 열처리 온도가 증가하면 스위칭 전류 값이 감소되는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the spin-orbit torque switching phenomenon appears under all applied external magnetic fields, and when compared with FIGS. 18 to 23, the switching current value decreases as the heat treatment temperature increases.

도 24는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 25는 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 4.0 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500

에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이며, 도 26은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 7.4 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이고, 도 27은 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 9.1 at%인 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행한 뒤, 리더포드 후방산란(Rutherford Backscattering)을 이용한 W 내의 Si 함량을 도시한 그래프이다.FIG. 24 shows the leaderford backscattering ( It is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering), 25 shows a W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 4.0 at% at 500

After vacuum heat treatment for 1 hour in , it is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, and FIG. 26 is Example 2 in which the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 7.4 at% After vacuum heat treatment of the W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to 500 ° C. for 1 hour, it is a graph showing the Si content in W using Rutherford Backscattering, and FIG. 27 is tungsten -The W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having a silicon composition of 9.1 at% in the silicon alloy layer was subjected to vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, followed by Rutherford Backscattering It is a graph showing the Si content in W used.

도 24 내지 도 27을 참조하면, 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성이 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at% 및 9.1 at%인 것을 알 수 있다.24 to 27, it can be seen that the silicon composition of the tungsten-silicon alloy layer is 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at% and 9.1 at%.

도 28은 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체를 도시한 개략도이고, 도 29는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체에, 박막 면 수직 방향(out-of-plane) 및 박막 면 내(in-plane) 방향으로 자기장을 인가하였을 때의 자기이력곡선을 도시한 그래프이며, 도 30 내지 도 32는 전류 인가 무자기장 자화 반전을 측정한 이력 곡선을 도시한 그래프이다.28 is a schematic diagram showing a CoFeB / W-Si / CoFeB / MgO / Ta structure according to Example 3 having perpendicular magnetic anisotropy, and FIG. 29 is a vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, and Example 3 A graph showing magnetic hysteresis curves when a magnetic field is applied to the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to the out-of-plane and in-plane directions of the thin film plane. 30 to 32 are graphs showing hysteresis curves obtained by measuring magnetization reversal in a non-magnetic field when a current is applied.

도 28을 참조하면, 박막 면 수직 방향과 박막 면 내 방향 모두 자기장을 인가했을 때 잔류 자화가 남아있다는 점에서 두 방향(예; x 방향 및 y 방향) 모두에 대해 자화 용이 방향이 존재한다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 28, it can be seen that there are easy directions for magnetization in both directions (eg, the x direction and the y direction) in that residual magnetization remains when a magnetic field is applied in both the thin film plane perpendicular direction and the thin film in plane direction. can

또한, 실시예 3에 따른 CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체는 스핀 토크 활성화 층 하부에 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖는 자성층을 증착하여 무자기장 자화 반전이 가능하고, 하부 자성층과 스핀 토크 활성화 층의 두께에 따라 특성이 조절될 수 있다. 따라서, 디자인에 따라 W-Si 합금층 하부의 자성층이 면내 방향으로 자화 용이 축을 갖고 W-Si 합금층 위의 자성층 이면에 수직 방향으로 자화 용이 축을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, in the CoFeB/W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 3, a magnetic layer having an easy axis of magnetization in an in-plane direction is deposited under the spin torque activation layer to enable magnetization reversal without a magnetic field, and the lower magnetic layer and the spin torque Characteristics can be adjusted according to the thickness of the activation layer. Accordingly, it can be seen that, depending on the design, the magnetic layer under the W-Si alloy layer has an easy magnetization axis in an in-plane direction and has an easy magnetization axis in a direction perpendicular to the back surface of the magnetic layer on the W-Si alloy layer.

도 30 및 도 31은 각각 W-Si 합금층의 하부에 존재하는 자성층의 초기 자화 방향이 - x 또는 + x 방향으로 존재할 때 외부자기장을 인가하지 않은 상태에서 스핀궤도 토크에 의해 자화 반전이 일어나는 상황으로, 도 30 및 도 31을 참조하면, 하부의 자성층의 초기 자화가 스위칭 방향을 결정한다는 것을 알 수 있다.30 and 31 show a situation in which magnetization reversal occurs due to spin-orbit torque in a state in which no external magnetic field is applied when the initial magnetization direction of the magnetic layer present in the lower portion of the W-Si alloy layer is in the -x or +x direction, respectively. 30 and 31, it can be seen that the initial magnetization of the lower magnetic layer determines the switching direction.

도 32를 참조하면, 외부 자기장을 -200 Oe 에서부터 +200 Oe 까지 변화시켰을 때의 스핀 궤도 토크에 의한 자화 반전으로 0 Oe에서도 자화 반전이 일어나는 것을 알 수 있다. 또한, +30 Oe에서 스위칭의 방향이 바뀌는 것은 하부 자성층의 자화의 방향이 30 Oe 부근에서 바뀌기 때문이다. 이때, 30 Oe는 하부 자성층의 보자력을 의미한다.Referring to FIG. 32 , it can be seen that magnetization reversal occurs even at 0 Oe due to magnetization reversal by the spin orbit torque when the external magnetic field is changed from -200 Oe to +200 Oe. Also, the reason why the direction of switching changes at +30 Oe is that the direction of magnetization of the lower magnetic layer changes around 30 Oe. At this time, 30 Oe means the coercive force of the lower magnetic layer.

도 33은 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 1-1에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 실리콘 조성(0.0 at%, 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at%, 9.1 at%, 100 at%)에 따른 X선 회절분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 도시한 그래프이다.33 shows the silicon composition (0.0 at%) of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 1-1 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 500 ° C. for 1 hour. , 3.0 at%, 4.0 at%, 7.4 at%, 9.1 at%, 100 at%) is a graph showing the results of X-ray Diffraction (XRD) analysis.

도 33의 하부에 바 그래프로 표기되어 있는 데이터는 표준 데이터로 각각의 표준 데이터 코드는 그래프 내에 명시되어 있다.The data marked as a bar graph at the bottom of FIG. 33 is standard data, and each standard data code is specified in the graph.

도 33을 참조하면, 엑스선 회절 분석법을 이용하여 텅스텐-실리콘 합금층의 상을 확인한 결과, 실리콘(Si)의 함량이 늘어남에 따라 7.4 at%까지는 베타-W(beta-W) 상이 유지가 되나 (40도 부근의 삼지창 피크) 9.1 at% 부터는 알파-W(alpha-W) 상으로 변화하며 이는 실리콘(Si) 이 초기에는 베타(beta) 상을 안정화 시키지만 실리콘(Si)의 함량이 많아질수록 베타-W(beta-W) 상 형성을 방해하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 33, as a result of confirming the phase of the tungsten-silicon alloy layer using the X-ray diffraction analysis method, as the content of silicon (Si) increases, the beta-W phase is maintained up to 7.4 at% ( Trident peak around 40 degrees) From 9.1 at%, it changes to the alpha-W phase, which stabilizes the beta phase at the beginning of silicon (Si), but the beta phase increases as the content of silicon (Si) increases. It can be seen that it interferes with the formation of -W (beta-W) phase.

도 34는 300℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이고, 도 35는 500℃에서 1시간동안 진공 열처리를 진행하여, 수직 자기 이방성을 갖는 실시예 2에 따른 W-Si/CoFeB/MgO/Ta 구조체의 텅스텐-실리콘 합금층의 텅스텐-실리콘 합금층의 조성(0.0, 4.0, 9.1 at%)에 따른 박막 면 내(in-plane) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 박막의 상을 도시한 이미지이다.34 shows the composition of the tungsten-silicon alloy layer of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy by vacuum heat treatment at 300 ° C. for 1 hour ( 0.0, 4.0, 9.1 at%) is an image showing the phase of the thin film using an in-plane transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope, TEM), and FIG. 35 is a vacuum at 500 ° C. for 1 hour According to the composition (0.0, 4.0, 9.1 at%) of the tungsten-silicon alloy layer of the tungsten-silicon alloy layer of the W-Si/CoFeB/MgO/Ta structure according to Example 2 having perpendicular magnetic anisotropy by performing heat treatment It is an image showing the image of a thin film using an in-plane transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope, TEM).

도 34 및 도 35에서 W-Si의 두께는 25nm이다.34 and 35, the thickness of W-Si is 25 nm.

도 34 및 도 35를 참조하면, 두께가 25 nm로 두껍거나 열처리 온도가 300도 이상인 경우, 텅스텐(W)은 알파(alpha) 상을 선호하는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 34 and 35 , it can be seen that tungsten (W) prefers an alpha phase when the thickness is as large as 25 nm or the heat treatment temperature is 300 degrees or higher.

또한, 도 34와 및 도 35의 첫번째 이미지인 실리콘(Si)의 함량이 0 at%인 경우에는 텅스텐(W)이 알파(alpha) 상으로 존재하는 것을 알 수 있고, 실리콘(Si)의 함량이 4.0 at%로 늘어남에 따라 25 nm의 두꺼운 박막임에도 불구하고 베타-W(beta-W) 상이 나타나는 것을 알 수 있으며, 9.1 at%로 실리콘(Si)의 함량이 늘어나자 다시 알파-W(alpha-W) 상으로 변화하는 것으로 보아 상 분리가 일어나는 것을 알 수 있다.In addition, when the content of silicon (Si) in the first images of FIGS. 34 and 35 is 0 at%, it can be seen that tungsten (W) exists in an alpha phase, and the content of silicon (Si) As the content of silicon (Si) increases to 9.1 at%, it can be seen that the beta-W phase appears despite the 25 nm thick film as the content of silicon (Si) increases to 4.0 at%. W) It can be seen that phase separation occurs by changing to a phase.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art in the field to which the present invention belongs can make various modifications and variations from these descriptions. this is possible Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

110: 기판 120: 스핀토크 활성층
121: 제1 방향 122: 제2 방향
130: 자유층 140: 터널 배리어
150: 고정층 160: 고정층110: substrate 120: spin torque active layer
121: first direction 122: second direction
130: free layer 140: tunnel barrier
150: fixed layer 160: fixed layer

Claims

기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-orbit active layer);
상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 자유층;
상기 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층; 및
상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층;
을 포함하고,
상기 스핀토크 활성층은 W-X 합금을 포함(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)하고,
수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 자기 터널 접합.
a spin-orbit active layer formed on the substrate;
a free layer formed on the spin-torque active layer;
a tunnel barrier layer formed on the free layer; and
a fixing layer formed on the tunnel barrier layer;
including,
The spin-torque active layer includes a WX alloy (where W is tungsten, and X includes at least one of a Group 4 semiconductor and a Group 3-5 semiconductor);
Spin-orbit torque (SOT) based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X contained in the WX alloy is adjusted according to the heat treatment temperature at which perpendicular magnetic anisotropy is expressed.

제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 상기 자유층과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin-torque active layer is an electrode that contacts the free layer and provides an in-plane current.

제1항에 있어서,
상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
Spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current is reduced as the composition content of X contained in the WX alloy increases.

제1항에 있어서,
상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1 at% 내지 10.6 at%인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X contained in the WX alloy is 0.1 at% to 10.6 at%.

제1항에 있어서,
상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction is a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current decreases as the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed increases.

제5항에 있어서,
상기 수직 자기 이방성이 발현되는 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 5,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the heat treatment temperature at which the perpendicular magnetic anisotropy is expressed is 300 ° C to 500 ° C.

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제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층, 상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin-torque active layer, the free layer, the tunnel barrier layer and the pinned layer have a cross shape when viewed from a plane.

제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 평면에서 볼 때 십자(cross) 형태이고,
상기 자유층, 상기 터널 배리어층 및 상기 고정층은 상기 십자 형태의 스핀토크 활성층의 중심부에 섬(island) 형태로 배치되는 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-torque active layer has a cross shape when viewed from a plan view,
The free layer, the tunnel barrier layer, and the pinned layer are spin-orbit torque-based magnetic tunnel junctions, characterized in that disposed in the form of an island in the center of the cross-shaped spin-torque active layer.

제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 스핀토크 활성층과 맞닿는 표면에 자연 산화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the substrate includes a natural oxide layer on a surface in contact with the spin-torque active layer.

제1항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층은 하단에 버퍼층(buffer)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the spin-torque active layer further comprises a buffer layer at the bottom.

제1항에 있어서,
상기 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합은 상기 고정층 상에 캐핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합.
According to claim 1,
The spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction further comprises a capping layer on the fixed layer.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계;
상기 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계;
상기 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계;
상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계; 및
상기 자유층 및 상기 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계;
를 포함하고,
상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는,
진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 기판 상에 W-X 합금 박막(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 형성하고,
상기 W 타겟 및 상기 X 타겟의 파워에 따라 상기 W-X 합금 박막의 조성이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조방법.
forming a spin-torque active layer on the substrate;
forming a free layer on the spin-torque active layer;
forming a tunnel barrier layer on the free layer;
forming a fixing layer formed on the tunnel barrier layer; and
performing a heat treatment to develop a perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the pinned layer;
including,
Forming a spin torque active layer on the substrate,
A WX alloy thin film on the substrate disposed in the vacuum chamber by simultaneously sputtering a W target and an X target in a vacuum chamber (where W is tungsten, and the X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) to form),
Method for producing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition of the WX alloy thin film is adjusted according to the power of the W target and the X target.

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제13항에 있어서,
상기 W-X 합금 박막 내에 포함되는 X의 조성 함량은 0.1 at% 내지 10.6 at%인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
According to claim 13,
The method of manufacturing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X contained in the WX alloy thin film is 0.1 at% to 10.6 at%.

제13항에 있어서,
상기 열처리 온도가 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
According to claim 13,
A method of manufacturing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the switching current decreases as the heat treatment temperature increases.

제13항에 있어서,
상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
According to claim 13,
The method of manufacturing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the heat treatment temperature is 300 ℃ to 500 ℃.

기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계;
상기 스핀토크 활성층 상에 자유층을 형성하는 단계;
상기 자유층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계;
상기 터널 배리어층 상에 형성되는 고정층을 형성하는 단계; 및
상기 자유층 및 상기 고정층에 수직 자기 이방성을 발현시키기 위해 열처리를 진행하는 단계;
를 포함하고,
상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는,
진공 챔버 내에서 W 타겟와 X 타겟을 동시에 스퍼터링하여 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 기판 상에 W-X 합금 박막(여기서, W는 텅스텐이고, 상기 X는 4족 반도체 및 3-5족 반도체 중 적어도 하나를 포함함)을 형성하고,
상기 열처리 온도에 따라 상기 W-X 합금 내에 포함되는 X의 조성 함량이 조절되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.
forming a spin-torque active layer on the substrate;
forming a free layer on the spin-torque active layer;
forming a tunnel barrier layer on the free layer;
forming a fixing layer formed on the tunnel barrier layer; and
performing a heat treatment to develop a perpendicular magnetic anisotropy in the free layer and the pinned layer;
including,
Forming a spin torque active layer on the substrate,
A WX alloy thin film on the substrate disposed in the vacuum chamber by simultaneously sputtering a W target and an X target in a vacuum chamber (where W is tungsten, and the X includes at least one of a group 4 semiconductor and a group 3-5 semiconductor) to form),
Method for manufacturing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, characterized in that the composition content of X contained in the WX alloy is adjusted according to the heat treatment temperature.

제13항 또는 제18항에 있어서,
상기 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계는,
상기 W-X 합금 박막을 십자 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 자기 터널 접합의 제조 방법.The method of claim 13 or 18,
Forming a spin torque active layer on the substrate,
Method for producing a spin-orbit torque-based magnetic tunnel junction, further comprising patterning the WX alloy thin film in a cross shape.