KR20120106522A - 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법가 제공된다. 이 장치는 터널 베리어 및 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기터널접합을 포함하고, 외인성 수직 자화 구조는 수직자화 보존막, 수직자화 보존막과 터널 베리어 사이의 자성막, 그리고 수직자화 보존막과 자성막 사이의 수직자화 유도막을 포함할 수 있으며, 수직자화 보존막은 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 물질들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.

Description

외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법{Magnetic Memory Device Having Extrinsic Perpendicular Magnetization Structure And Method Of Fabricating The Same}
본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
휴대가능한 컴퓨팅 장치들 및 무선 통신 장치들이 광범위하게 채용됨에 따라, 고밀도, 저전력 및 비휘발성의 특성들을 갖는 메모리 장치가 요구되고 있다. 자기 메모리 장치는 이러한 기술적 요구들을 충족시킬 수 있을 것으로 기대되고 있기 때문에, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
특히, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)에서 나타나는 터널자기저항(tunnel magnetoresistance; TMR) 효과는 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 메커니즘으로 주목받고 있으며, 2000년대 들어, 수백% 내지 수천%의 TMR을 보이는 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)이 보고되면서, 상기 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치가 최근 활발하게 연구되고 있다. 하지만, 메모리 용량의 증대를 위한 패턴 크기의 감소로 인해, 상기 자기터널접합에서의 열적 안정성을 확보하는 것이 어려워지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 증대된 열적 안정성을 갖는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 증대된 열적 안정성을 갖는 자기 메모리 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치가 제공된다. 이 장치는 터널 베리어 및 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기터널접합을 포함하고, 상기 외인성 수직 자화 구조는 수직자화 보존막, 상기 수직자화 보존막과 상기 터널 베리어 사이의 자성막, 및 상기 수직자화 보존막과 상기 자성막 사이의 수직자화 유도막을 포함할 수 있다. 상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 물질들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 자성 물질을 포함하고, 상기 수직자화 보존막은 상기 자성막보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막은 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막은 내재적 수평 자성 물질로 형성되되, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 자성막과 상기 수직자화 유도막 사이에 개재되는 전이 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 전이 영역은 상기 수직자화 유도막보다 낮고 상기 자성막보다 높은 산소 함량을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막의 두께는 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고, 상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고, 상기 수직자화 보존막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자기터널접합은 피고정막(pinned layer)을 포함하는 제 1 구조체, 자유막(free layer)을 포함하는 제 2 구조체, 및 상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 상기 터널 베리어를 포함할 수 있다. 상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나의 일부분을 구성하고, 상기 외인성 수직 자화 구조의 상기 자성막은 상기 피고정막 및 상기 자유막 중의 적어도 하나로 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 장치는 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 하나는 상기 기판과 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 다른 하나 사이에 개재될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 구조체의 일부로서 포함될 수 있으며, 상기 제 1 구조체는 상기 피고정막의 자화 방향을 고정시키는 고정막(pinning layer)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 2 구조체의 일부로서 포함될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 및 제 2 구조체들의 모두의 일부로서 포함될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 구조체는 상기 피고정막의 자화 방향을 고정시키는 고정막(pinning layer)을 더 포함할 수 있으며, 상기 피고정막은 상기 고정막과 상기 터널 베리어 사이에 개재될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 피고정막 및 상기 자유막 중의 하나는 내재적 수직 자성막으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자기터널접합은 상기 수직자화 보존막을 덮는 도전막을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막 및 상기 도전막 사이에 개재되고, 상기 도전막은 상기 수직자화 보존막보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막의 산소 함량은 상기 자성막에 인접하는 영역에서보다 상기 수직자화 보존막에 인접하는 영역에서 더 높을 수 있다.
수직자화 유도막을 포함하는 자기 메모리 장치가 제공된다. 이 장치는 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 터널 베리어를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 각각은 금속막 및 자성막을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 상기 금속막과 상기 자성막 사이에서 이들에 접하는 수직자화 유도막을 더 포함할 수 있다. 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 자성 물질을 포함하고, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 내재적 수평 자성 물질로 형성될 수 있으며, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 갖는다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 장치는 상기 자성막과 상기 수직자화 유도막 사이에 개재되는 전이 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 전이 영역은 상기 수직자화 유도막보다 낮고 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막보다 높은 산소 함량을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막의 두께는 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고, 상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고, 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 하나는, 그것에 포함된, 상기 자성막의 자화 방향을 고정시키는 고정막을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 구조체들의 상기 금속막들 중의 하나는 내재적 수직 자성막으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 상기 금속막을 덮는 도전막을 더 포함할 수 있다. 상기 금속막은 상기 수직자화 유도막 및 상기 도전막 사이에 개재되고, 상기 도전막은 상기 금속막보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막의 산소 함량은 상기 자성막에 인접하는 영역에서보다 상기 금속막에 인접하는 영역에서 더 높을 수 있다.
수직자화 유도막을 포함하는 자기 메모리 장치의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 자성막, 수직자화 보존막 및 이들 사이의 수직자화 유도막을 포함하는 외인성 수직 자화 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 자성막은, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 갖게 되는, 내재적 수평 자성 물질로 형성되고, 상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 낮은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되어, 상기 수직자화 유도막으로부터의 산소 원자 유출을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고, 상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고, 상기 수직자화 보존막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 구조체를 형성하는 단계는 상기 자성막 상에, 금속막 및 상기 수직자화 보존막을 차례로 형성하는 단계, 산소 공급 공정을 실시하여, 상기 수직자화 보존막 내에 산소 원자를 공급하는 단계, 및 상기 수직자화 보존막이 형성된 결과물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속막은 상기 열처리 단계 동안 상기 수직자화 보존막으로부터 확산되는 산소 원자들과의 반응하여 상기 수직자화 유도막으로 기능하는 산화물을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 산소 공급 공정을 실시한 후, 상기 수직자화 보존막을 덮는 도전막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 도전막은 상기 열처리 단계를 실시하기 전 또는 후에 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 도전막은 상기 수직자화 보존막을 구성하는 금속 원자들보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 금속막은 상기 산소 공급 공정을 실시하기 전에는 실질적으로 산소를 포함하지 않는 물질(oxygen-free material)일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 구조체를 형성하는 단계는 상기 수직자화 보존막을 형성하는 단계, 산소 공급 공정을 실시하여, 상기 수직자화 보존막 내에 산소 원자를 공급하는 단계, 상기 산소 공급 공정이 실시된 상기 수직자화 보존막 상에 금속막 및 상기 자성막을 차례로 형성하는 단계, 및 상기 자성막이 형성된 결과물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 금속막은 상기 열처리 단계 동안 상기 수직자화 보존막으로부터 확산되는 산소 원자들과의 반응하여 상기 수직자화 유도막으로 기능하는 산화물을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막을 형성하기 전에, 상기 수직자화 보존막에 의해 덮이는 도전막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 도전막은 상기 수직자화 보존막을 구성하는 금속 원자들보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 금속막은 상기 열처리 단계를 실시하기 전에는 실질적으로 산소를 포함하지 않는 물질(oxygen-free material)일 수 있다.
금속 산화막을 포함하는 자기 메모리 장치가 제공된다. 이 장치는 피고정막(pinned layer)을 포함하는 제 1 구조체, 자유막(free layer)을 포함하는 제 2 구조체 및 상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 터널 베리어를 구비하는 자기터널접합를 구비할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 외인성 수직 자화 구조를 갖도록 구성되고, 상기 외인성 수직 자화 구조는 서로 마주보는 강자성막 및 루테늄막, 그리고 상기 강자성막과 상기 루테늄막 사이에 개재되는 금속 산화막을 포함할 수 있다. 상기 강자성막의 두께는3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬이고, 상기 금속 산화막은 상기 강자성막의 일면 및 이를 마주보는 상기 루테늄막의 일면에 직접 덮을 수 있다.
본 발명에 따른 자기터널접합은 외인성 수직 자화 구조를 포함하도록 구성되며, 상기 외인성 수직 자화 구조는 자성막, 수직자화 보존막 및 이들 사이의 수직자화 유도막을 포함한다. 상기 수직자화 보존막은 산소 친화도가 낮은 물질로 형성됨으로써, 상기 자성막에서의 자화 방향의 수직 이방성이 후속 열 공정에 의해 열화되는 기술적 어려움을 예방한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 선택 소자들을 예시적으로 도시하는 회로도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 외인성 수직 자화 구조(extrinsic perpendicular magnetization structure)를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 외인성 수직 자화 구조의 일 측면을 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 외인성 수직 자화 구조의 다른 측면을 도시하는 그래프이다.
도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 외인성 수직 자화 구조의 또 다른 측면을 도시하는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 하부 또는 상부 구조체를 예시적으로 분류한 표이다.
도 14 내지 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 하부 구조체들을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 18 내지 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 상부 구조체들을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 22은 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합을 예시적으로 분류한 표이다.
도 23 내지 도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합들을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합을 예시적으로 분류한 표이다.
도 27 내지 도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합들을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 30은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 31은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합의 제조 방법들을 도시하는 순서도이다.
도 32는 도 31의 제조 방법에 의해 제조된 자기터널접합의 일 측면을 보여주는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합의 제조 방법들을 도시하는 순서도이다.
도 34는 도 33의 제조 방법에 의해 제조된 자기터널접합의 일 측면을 보여주는 그래프이다.
도 35은 본 발명에 따른 자기터널접합의 자기적 특성의 일 측면을 예시적으로 보여주는 실험 그래프이다.
도 36는 본 발명에 따른 자기터널접합의 자기적 특성의 다른 측면을 예시적으로 보여주는 실험 그래프이다.
도 37 및 도 38는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 단위 셀(100)은 서로 교차하는 제 1 배선(10) 및 제 2 배선(20) 사이에서 이들을 연결한다. 상기 단위 셀(100)은 선택 소자(30) 및 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 선택 소자(30) 및 상기 자기터널접합(MTJ)은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 배선들(10, 20) 중의 하나는 워드라인으로 사용되고 다른 하나는 비트라인으로 사용될 수 있다.
상기 선택 소자(30)는 상기 자기터널접합(MTJ)을 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 소자(30)는 도 2 내지 도 6에 도시된 것처럼 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과트랜지스터 및 피모스 전계효과트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 상기 선택 소자(30)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(미도시)이 상기 선택 소자(30)에 연결될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)은 하부 구조체(41), 상부 구조체(42) 및 이들 사이의 터널 베리어(50)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 상부 구조체들(41, 42) 각각은 자성 물질로 형성되는 적어도 하나의 자성막을 포함할 수 있다.
상기 자성막들 중의 하나의 자화 방향는, 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된다. 아래에서는, 이러한 고정된 자화 특성을 갖는 자성막을 피고정막(pinned layer)(PL)이라 부를 것이다. 반면, 상기 자성막들 중의 다른 하나의 자화는 그것에 인가되는 외부 자계에 의해 스위치될 수 있다. 아래에서는, 이러한 가변적인 자화 특성을 갖는 자성막을 자유막(free layer)(FRL)이라 부를 것이다. 즉, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)는 상기 터널 베리어(50)에 의해 분리된 적어도 하나의 상기 자유막(FRL) 및 적어도 하나의 상기 피고정막(PL)을 구비할 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 피고정막(PL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 피고정막(PL)의 자화 방향들이 평행한 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 상기 하부 및 상부 구조체들(41, 42)은, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 소정의 기판(sub) 상에 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)은, 그것을 구성하는 자유막(FRL)과 상기 기판(sub) 사이의 상대적 배치 또는 자유막(FRL)과 피고정막(PL)의 형성 순서에 따라, 두가지 유형으로 구분될 수 있다. 예를 들면, 상기 자기터널접합(MTJ)은 도 7에 도시된 것처럼 상기 하부 구조체(41) 및 상기 상부 구조체(42)가 각각 상기 피고정막(PL) 및 상기 자유막(FRL)을 포함하는 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나, 도 8에 도시된 것처럼 상기 하부 구조체(41) 및 상기 상부 구조체(42)가 각각 상기 자유막(FRL) 및 상기 피고정막(PL)을 포함하는 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 외인성 수직 자화 구조(extrinsic perpendicular magnetization structure)를 예시적으로 도시하는 사시도이고, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 외인성 수직 자화 구조의 일 측면을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하부 구조체(41) 및 상기 상부 구조체(42) 중의 적어도 하나는 외인성 수직 자화 구조(EPMS)를 구성할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)는 도 9에 도시된 것처럼 자성막(MGL), 수직자화 보존막(perpendicular magnetization preserving layer)(PMP) 및 상기 자성막(MGL)과 상기 수직자화 보존막(PMP) 사이에 개재되는 수직자화 유도막(perpendicular magnetization inducing layer)(PMI)을 포함할 수 있다. 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 상기 자성막(MGL)은 상기 하부 구조체(41) 및 상기 상부 구조체(42)에 포함된 상기 자성막일 수 있다. 즉, 상기 자유막(FRL) 또는 상기 피고정막(PL)은 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 상기 자성막(MGL)으로 사용될 수 있다.
상기 자성막(MGL)은 강자성 물질(ferromagnetic material)일 수 있다. 예를 들면, 상기 자성막(MGL)은 코발트철붕소(CoFeB), 코발트철(CoFe), 니켈철(NiFe), 코발트철백금(CoFePt), 코발트철팔라듐(CoFePd), 코발트철크롬(CoFeCr), 코발트철터븀(CoFeTb), 코발트철가돌리늄(CoFeGd) 또는 코발트철니켈(CoFeNi) 중의 적어도 한가지일 수 있다. 이에 더하여, 상기 자성막(MGL)은, 그것의 두께가 그것의 수평적 길이에 비해 상대적으로 작은, 얇은 박막의 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 자성막(MGL)의 두께는 대략 1 옹스트롬 내지 대략 30 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬일 수 있다. 이 경우, 상기 자성막(MGL)은 내재적 수평 자화 특성(intrinsic horizontal magnetization property)을 갖는 내재적 수평 자성막(intrinsic horizontal magnetic layer)일 수 있다. 즉, 상기 자성막(MGL)의 자화 방향은 박막 모양에 따른 자기 이방성에 의해 그것의 수평면(즉, xy 평면)에 평행한 방향을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 자성막(MGL)은 내재적 수직자화 특성(intrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 내재적 수직 자성막(intrinsic perpendicular magnetic layer)일 수 있다. 즉, 상기 자성막(MGL)의 자화 방향은 자발적으로(spontaneously) 그것의 수평면(즉, xy 평면)에 수직할 수 있다. 예를 들면, 상기 자성막(MGL)은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 함금들, 또는 j) 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조 중의 하나일 수 있다. 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다.
상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자성막(MGL)과 직접 접촉하도록 형성되며, 이러한 직접적인 접촉은 상기 자성막(MGL)의 자화 방향을 상기 자성막(MGL)의 두께 방향(z)에 평행하도록 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자성막(MGL)이 수직자화 특성을 갖도록 만드는 외부 요인(external factor)을 제공할 수 있다. 이런 이유에서, 서로 접촉하는 상기 수직자화 유도막(PMI) 및 상기 자성막(MGL)은 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 자화 구조)를 형성할 수 있다. 아래에서, 상기 외인성 수직 자화 구조를 구성하는 상기 자성막(MGL)은 외인성 수직 자성막으로 언급될 수 있다.
상기 수직자화 유도막(PMI)은 산소 원자를 포함하는 물질일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 금속 산화물들 중의 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 마그네슘 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 마그네슘아연 산화물, 하프늄 산화물 또는 마그네슘붕소 산화물 중의 적어도 하나일 수 있다. 한편, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자성막(MGL) 또는 상기 수직자화 보존막(PMP)에 비해 높은 비저항을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 수직자화 유도막(PMI)의 저항에 크게 의존할 수 있다. 이러한 의존성을 줄이기 위해, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자성막(MGL) 또는 상기 수직자화 보존막(PMP)보다 얇은 두께일 수 있다.
상기 수직자화 보존막(PMP)은 상기 수직자화 유도막(PMI)보다 낮은 비저항을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 등의) 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 탄탈륨 또는 티타늄보다 낮은 비저항을 갖는 물질들 중의 하나일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 상기 수직자화 유도막(PMI)에 접촉하는, 상기 수직자화 보존막(PMP)의 부분은 산소 원자들과의 반응하기 어려운 물질로 형성될 수 있다. 상술한 귀금속들(noble metal) 또는 구리은 상기 수직자화 보존막(PMP)을 위한 이러한 조건을 충족시키는 물질로서 선택될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 후속 공정 또는 사용자의 통상적인 사용 환경 아래에서도 산소 원자들과의 반응을 실질적으로 완전하게 차단할 수 있는 물질일 수 있다.
예를 들면, 도 10a에 도시된 것처럼, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속보다 낮은 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. 또는, 상기 산소 친화도는 산화물 형성 반응에서의 표준 반응 엔탈피(standard heat of formation of metal oxide (ΔH0 f [단위: kJ/mole Oxygen])를 통해 표현될 수 있으며, 도 10b에 도시된 것처럼, 상기 수직자화 유도막(PMI)의 ΔH0 f은 대략 -500 [kJ/mole Oxygen]보다 작을 수 있고, 상기 수직자화 보존막(PMP)을 구성하는 금속 물질의 ΔH0 f은 -300 [kJ/mole Oxygen]보다 클 수 있다. 즉, 상기 표준 반응 엔탈피는, 절대값에서, 상기 수직자화 보존막(PMP)보다 상기 수직자화 유도막(PMI)의 경우에 더 클 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속은 Ta, Ti, U, Ba, Zr, Al, Sr, Hf, La, Ce, Sm, Mg, Th, Ca, Sc, Y 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Re, Pb 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 자성막(MGL) 역시, 도 10a 또는 도 10b에 도시된 것처럼, 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속보다 산소 친화도가 작은 물질일 수 있지만, 상기 수직자화 보존막(PMP)보다 큰 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. 한편, 산소와의 반응은 다양한 물리량들을 통해 정량적으로 표현될 수 있다. 예를 들면, 상술한 산소 친화도에 더하여, 산화 반응 포텐셜 또는 산화 반응에서의 자유 에너지 등은 이러한 산소와의 반응에서의 용이함을 정량적으로 표현하기 위해 사용될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 자성막(MGL)이 상술한 외인성 수직자화 특성을 갖는 것은 상기 자성막(MGL)의 원자들과 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 산소 원자들과의 화학적 결합의 결과일 수 있다. 이 경우, 도 11에 도시된 것처럼, 상기 자성막(MGL)과 상기 수직자화 유도막(PMI) 사이에는, 상기 자성막(MGL)보다는 높고 상기 수직자화 유도막(PMI)보다는 낮은 산소 함량을 갖는 전이 영역(TR)이 형성될 수 있다. 상기 전이 영역(TR)에서의 상기 산소 함량은 선형적일 이유는 없다. 예를 들면, 도 11에 도시된 것처럼, 상기 전이 영역(TR)에서의 상기 산소 함량은 소정의 엔벨로프(ENV) 내에서 단조적으로(monotonically) 변할 수 있다.
이와 달리, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 상술한 것처럼 후속 공정 또는 사용자의 통상적인 사용 환경 아래에서 산소 원자들과의 반응하지 않는 물질일 수 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 유한한 크기의 산소 함량을 갖지만, 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막(PMP)은 실질적으로 미소한(infinitesimal) 산소 함량을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 산소 함량은 상기 수직자화 유도막(PMI)과 상기 수직자화 보존막(PMP) 사이의 계면에서 급격하게(abruptly) 변할 수 있다. 즉, 상기 산소 함량의 변화율의 절대값은 상기 전이 영역(TR)에서보다 상기 수직자화 유도막(PMI)과 상기 수직자화 보존막(PMP) 사이의 계면에서 더 클 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 상기 전이 영역(TR)은 상기 수직자화 유도막(PMI) 전체에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 11에서, 상기 수직자화 유도막(PMI)의 산소 함량의 z 방향 변화율은 상기 자성막(MGL)과 상기 수직자화 유도막(PMI) 사이의 전 영역에서 유한한 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)의 산소 함량은 상기 자성막(MGL)에 인접한 영역에서보다 상기 수직자화 유도막(PMI)에 인접한 영역에서 더 높을 수 있다.
도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 외인성 수직 자화 구조의 또 다른 측면을 도시하는 그래프이다.
본 발명에 따른 자기 메모리 장치를 제조하기 위해서는, 상기 수직자화 유도막(PMI) 및 상기 수직자화 보존막(PMP)이 형성된 이후에도, 소정의 공정 단계들이 추가적으로 실시된다. (예를 들면, 열처리 단계 또는 배선 형성 단계 등.) 상기 수직자화 유도막(PMI)은, 도 12에 도시된 것처럼 이러한 후속 공정 단계들 동안 또는 제품 판매 이후 사용자에 의한 제품 사용 동안, 열적 에너지를 공급받을 수 있다. 이러한 열적 에너지는 상기 수직자화 유도막(PMI)으로부터 산소 원자들의 분리를 가져올 수 있다.
하지만, 낮은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되는 상기 수직자화 보존막(PMP)이 존재할 경우, 상기 분리된 산소 원자들의 확산 및 이에 따른 상기 수직자화 유도막(PMI)으로부터의 산소 이탈은 방지될 수 있다. 구체적으로, 열적 에너지의 공급이 중단되어, 분리되었던 산소 원자들이 화학적으로 안정된 상태로 돌아갈 때, 상기 수직자화 보존막(PMP)이 상술한 것처럼 낮은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 경우, 분리되었던 산소 원자들은 상기 상기 수직자화 보존막(PMP)이 아니라 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속 원자들과 재결합한다. 즉, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 열적 에너지의 공급 이전의 상태로 복원될 수 있다.
상기 하부 및 상부 구조체들(41, 42) 각각은, 도 1을 참조하여 설명된 것처럼, 자성막을 포함할 수 있다. 이때, 상기 자성막은 도 7 및 도 8를 참조하여 설명된 것처럼 그 기능에 따라 자유막(FRL) 또는 피고정막(PL)으로 구분될 수 있다. 이에 더하여, 상기 자성막은 도 9를 참조하여 설명된 것처럼 외부 요인(예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI))에 의해 수직자화 특성을 갖는 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 일부로서 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상술한 내재적 수직자화 특성을 갖는 상기 내재적 수직 자성막은 상기 하부 및 상부 구조체들(41, 42)에 포함되는 자성막들 중의 하나로서 사용될 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서, 상기 하부 및 상부 구조체들(41, 42)에 포함되는 자성막들 중의 하나는, 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 상기 수직자화 유도막(PMI)과 같은 외부 요인없이, 자발적으로 수직자화 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 내재적 수직 자성막은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 함금들, 또는 j) 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조 중의 하나일 수 있다. 이때, 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다.
결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)을 구성하는 자성막들 각각은 그것의 위치, 기능 및 자화 방향의 수직성(perpendicularity)을 유발하는 원인에 따라, 도 13에 예시적으로 도시된 것처럼, 다양하게 분류될 수 있다. 도 14 내지 도 21은 이러한 분류에 따른 자성막을 포함하는 하부 구조체(41) 또는 상부 구조체(42)를 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 13을 참조하면, 위치적 분류에 따르면, 상기 자기터널접합(MTJ)을 구성하는 자성막들 각각은 도 14 내지 도 17에 도시된 것처럼 상기 하부 구조체(41)에 포함되는 자성막(210, 215)이거나, 도 18 내지 도 21에 도시된 것처럼 상기 상부 구조체(42)에 포함되는 자성막(310, 315)일 수 있다. 즉, 상기 하부 구조체(41)는 도 14 내지 도 17에 도시된 제 1 내지 제 4 하부 구조들(201, 202, 203, 204) 중의 하나일 수 있고, 상기 상부 구조체(42)는 도 18 내지 도 21에 도시된 제 1 내지 제 4 상부 구조들(301, 302, 303, 304) 중의 하나일 수 있다.
또한, 기능적인 분류에 따르면, 상기 자성막(210, 215, 310, 315)은 도 14, 도 16, 도 18 및 도 20에 예시적으로 도시된 것처럼 가변적인 자화 특성을 갖는 자유막(FRL)으로 사용되거나 도 15, 도 17, 도 19 및 도 21에 예시적으로 도시된 것처럼 고정된 자화 특성을 갖는 피고정막(PL)으로 사용될 수 있다. 즉, 상기 제 1 하부 및 상부 구조들(201, 301) 그리고 상기 제 3 하부 및 상부 구조들(203, 303)은 자유막(FRL)을 포함하는 구조일 수 있고, 상기 제 2 하부 및 상부 구조들(202, 302) 그리고 상기 제 4 하부 및 상부 구조들(204, 304)은 피고정막(PL)을 포함하는 구조일 수 있다.
도 15, 도 17, 도 19 및 도 21를 참조하면, 상기 자성막(210, 215, 310, 315)이 피고정막(PL)으로 사용되는 경우, 상기 하부 또는 상부 구조체들(41 or 42)은 상기 자성막(210, 215, 310, 315)의 자화 방향을 고정시키는 고정막(pinning layer)(240, 340)을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 2 하부 및 상부 구조들(202, 302) 그리고 상기 제 4 하부 및 상부 구조들(204, 304)은 상기 고정막(240, 340)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 고정막(240, 340)은 합성 반강자성 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 고정막(240, 340)은 한 쌍의 내재적 수평 자성막들 및 이들 사이에 개재된 교환결합층을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 교환 결합층은 귀금속들 중의 하나로 형성될 수 있다.
한편, 다른 실시예들에 따르면, 도 15 및 도 19에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 고정막(240, 340)은 제 1 고정막(241, 341) 및 제 2 고정막(242, 342)을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 고정막(241, 341)은 상술한 합성 반강자성 구조를 갖도록 구성되고, 상기 제 2 고정막(242, 342)은 상술한 내재적 수직 자성막일 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, 수직자화의 원인에 기초한 분류에 따르면, 상기 자유막(FRL) 또는 상기 피고정막(PL)으로 사용되는 자성막들 각각은 외부 요인에 의해 수직자화 특성을 갖는 외인성 수직 자성막(210, 310)이거나 외부 요인없이 자발적 수직자화 특성을 갖는 내재적 수직 자성막(215, 315)일 수 있다. 상기 외인성 수직 자성막(210, 310)은, 도 14, 도 15, 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼, 그것의 수직자화 특성을 유발하는 수직자화 유도막(220, 320)(perpendicular magnetization inducing layer)에 직접 접촉하도록 형성될 수 있다. 상기 수직자화 유도막(220, 320)은 도 9를 참조하여 설명된 상기 수직자화 유도막(PMI)과 동일한 기술적 특징을 가질 수 있다. 따라서, 상기 외인성 수직 자성막(210, 310) 및 상기 수직자화 유도막(220, 320)은 도 9를 참조하여 설명된 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)를 구성할 수 있다.
상기 자성막이 상기 하부 구조체(41)를 구성하는 상기 외인성 수직 자성막(210)일 경우, 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼, 수직자화 보존막(230)이 상기 외인성 수직 자성막(210)의 아래에 상기 수직자화 유도막(220)을 개재하여 배치될 수 있다. 즉, 상기 수직자화 유도막(220) 및 상기 외인성 수직 자성막(210)은 상기 수직자화 보존막(230) 상에 차례로 적층될 수 있다. 또한, 상기 자성막이 상기 상부 구조체(42)를 구성하는 상기 외인성 수직 자성막(310)일 경우, 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼, 수직자화 보존막(330)이 상기 외인성 수직 자성막(310)의 상부에 상기 수직자화 유도막(320)을 개재하여 배치될 수 있다. 즉, 상기 수직자화 유도막(320) 및 상기 수직자화 보존막(330)이 상기 외인성 수직 자성막(310) 상에 차례로 적층될 수 있다.
상기 수직자화 보존막(230, 330)은 산소 원자들과의 반응하기 어려운 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속보다 낮은 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. (예를 들면, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 -300 [kJ/mole Oxygen]보다 작은 표준 반응 엔탈피를 갖고, 상기 수직자화 유도막(PMI)을 구성하는 금속은 -300 [kJ/mole Oxygen]보다 큰 표준 반응 엔탈피를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 상기 외인성 수직 자성막(210, 310) 및 상기 수직자화 유도막(220, 320)과 함께, 도 9를 참조하여 설명된 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)를 구성할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나로 형성될 수 이다.
한편, 도 15 및 도 19에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 고정막(240, 340)이 상기 제 2 고정막(242, 342)을 포함하는 경우, 상기 제 2 고정막(242, 342)은 상기 제 1 고정막(241, 341)에 비해 상기 수직자화 보존막(230, 330)에 더 인접하게 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 상기 외인성 수직 자성막(210, 310)과 상기 제 2 고정막(242, 342) 사이의 교환 결합을 가능하게 하는 물질들 중의 적어도 하나일 수 있다. 이 경우, 상기 외인성 수직 자성막(210, 310)과 상기 제 2 고정막(242, 342)은 서로 반평행한 또는 서로 평행한 자화 방향을 가질 수 있다.
이러한 교환 결합은 상기 수직자화 보존막(230, 330)을 위한 물질로서 앞서 예시된 귀금속들의 일부를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 로듐(Rh) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 보존막(230, 330)은 티타늄, 탄탈늄 또는 마그네슘 등과 같은 비자성 금속, 이들의 산화물들 또는 이들의 질화물들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
도 16 및 도 20에 도시된 것처럼, 상기 자성막은 상기 내재적 수직 자성막(215, 315)이면서 기능적인 측면에서는 상기 자유막(FRL)으로 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 내재적 수직 자성막(215, 315)의 하부 또는 상부에는 각각 하부막(235) 또는 상부막(335)이 배치될 수 있다. 상기 하부막(235) 및 상기 상부막(335)은 금속들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부막(335) 및 상기 하부막(235)은 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 은(Ag), 금(Au) 또는 구리(Cu) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 하부막(235)은 그것의 상부에 위치하는 상기 내재적 수직 자성막(215)의 성장을 위한 씨드층으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 상기 내재적 수직 자성막(215)이 L10 구조인 경우, 상기 하부막(235)은, 질화티타늄, 질화탄탈늄, 질화크롬 또는 질화바나듐 등과 같은, 염화나트륨 격자 구조의 도전성 금속질화물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 상부막(335)은 그것의 아래에 위치하는 상기 내재적 수직 자성막(315)을 보호하는 캐핑층으로 사용될 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 하부 구조들(201, 202, 203, 204) 및 상기 제 1 내지 제 4 상부 구조들(301, 302, 303, 304)은 도 1을 참조하여 설명된 본 발명에 따른 상기 자기터널접합(MTJ)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 상기 자기터널접합(MTJ)은, 도 1을 참조하여 설명된 것처럼, 차례로 적층된 상기 하부 구조체(41), 상기 터널 베리어(50) 및 상기 상부 구조체(42)를 포함할 수 있으며, 도 7을 참조하여 설명된 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나 도 8을 참조하여 설명된 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다.
즉, 도 22에 도시된 것처럼, 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)은 상기 피고정막(PL)을 포함하는 상기 하부 구조체(41) 및 상기 자유막(FRL)을 포함하는 상기 상부 구조체(42)를 포함할 수 있다. 상기 피고정막(PL)을 포함하는 상기 하부 구조체(41)는 도 23 및 도 24에 도시된 상기 제 2 하부 구조체(202) 또는 도 25에 도시된 상기 제 4 하부 구조체(204)일 수 있다. 상기 자유막(FRL)을 포함하는 상기 상부 구조체(42)는 도 23 및 도 25에 도시된 상기 제 1 상부 구조체(301)이거나 도 24에 도시된 상기 제 3 상부 구조체(303)일 수 있다.
또한, 도 26에 도시된 것처럼, 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)은 상기 자유막(FRL)을 포함하는 상기 하부 구조체(41) 및 상기 피고정막(PL)을 포함하는 상기 상부 구조체(42)를 포함할 수 있다. 상기 자유막(FRL)을 포함하는 상기 하부 구조체(41)는 도 27 및 도 28에 도시된 상기 제 1 하부 구조체(201) 또는 도 29에 도시된 상기 제 3 하부 구조체(203)일 수 있다. 상기 피고정막(PL)을 포함하는 상기 상부 구조체(42)는 도 27 및 도 29에 도시된 상기 제 2 상부 구조체(302)이거나 도 28에 도시된 상기 제 4 상부 구조체(304)일 수 있다.
도 30은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 30을 참조하면, 이 실시예에 따른 자기터널접합(MTJ)은 상기 하부 구조체(41)의 아래에 배치되는 하부 전극 구조체(61) 및 상기 상부 구조체(42)의 상에 배치되는 상부 전극 구조체(62)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 하부 전극 구조체(61)는 상기 제 1 배선(10)와 상기 하부 구조체(41) 사이 또는 상기 선택 소자(30)와 상기 하부 구조체(41) 사이에 배치될 수 있고, 상기 상부 전극 구조체(62)는 상기 제 2 배선(20)과 상기 상부 구조체(42) 사이에 배치될 수 있다.
상기 하부 및 상부 전극 구조체들(61, 62) 각각은 단일층 구조 또는 다층 구조일 수 있다. 이에 더하여, 상기 하부 및 상부 전극 구조체들(61, 62)은 도전성 물질(더 한정적으로는, 금속)으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극 구조체(62)를 구성하는 적어도 하나의 도전막은 도 31 및 도 32을 참조하여 설명되는 제 3 캐핑막(CL3)일 수 있고, 상기 하부 전극 구조체(61)를 구성하는 적어도 하나의 도전막은 도 33 및 도 34를 참조하여 설명되는 제 1 씨드막(SL1)일 수 있다. 하지만, 또다른 변형된 실시예들에 따르면, 소정의 자기터널접합(MTJ)은 상기 하부 및 상부 전극 구조체들(61, 62) 중의 하나를 포함하지 않는 구조일 수도 있다.
도 31은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합의 제조 방법들을 도시하는 순서도이고, 도 32는 이들 실시예들에 따른 자기터널접합의 일 측면을 보여주는 그래프이다. 구체적으로, 도 32는 자기터널접합을 구성하는 막들의 산소 함량의 시간적 변화를 예시적으로 도시하며, 가로축 및 세로축은, 각각, 자기터널접합을 구성하는 막들의 위치 및 산소 함량을 도시하다. 도면에서의 복잡성을 줄이기 위해 그리고 산소 함량의 시간적 변화에 대한 더 나은 이해를 위해, 도 32는 도 31을 참조하여 설명되는 일부 단계들에서의 산소 함량들을 함께 나타내도록 구성되었다.
도 31 및 도 32를 참조하면, 자성막(MGL)을 형성한다(S10). 상기 자성막(MGL)은 강자성 물질(ferromagnetic material)이거나 내재적 수직자화 특성(intrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 내재적 수직 자성막(intrinsic perpendicular magnetic layer)일 수 있다.
이어서, 상기 자성막(MGL) 상에 상에 제 1 캐핑막(CL1) 및 제 2 캐핑막(CL2)을 차례로 형성한다(S20 및 S30). 상기 제 1 캐핑막(CL1)은 상기 자성막(MGL) 및/또는 상기 제 2 캐핑막(CL2)보다 큰 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 캐핑막(CL1)은 마그네슘, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘아연, 하프늄 또는 마그네슘붕소 중의 적어도 하나일 수 있고, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 등의) 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나일 수 있다. 상기 제 1 캐핑막(CL1)의 두께는 단일막 두께의 한배 내지 세배일 수 있다. (여기서, 상기 단일막 두께는 그것을 구성하는 원자 하나 또는 분자 하나의 두께를 의미할 수 있다.)
일부 실시예들에 따르면, 도 32에 도시된 것처럼, 이 시점까지는, 상기 자성막(MGL), 상기 제 1 캐핑막(CL1) 및 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 실질적으로 산소를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼는, 증착 챔버 외부에서의 이송 과정 및/또는 대기 과정 동안, 산소를 포함하는 외부 대기에 노출될 수 있으며, 상기 자성막(MGL), 상기 제 1 캐핑막(CL1) 및 상기 제 2 캐핑막(CL2) 각각은, 이러한 웨이퍼의 이송/대기 과정 동안 일어날 수 있는, 산소 침투에 따른 값(이하, 자연 산소 함량)보다 낮은 또는 같은 산소 함량을 가질 수 있다.
상기 제 2 캐핑막(CL2)에 대한 산화 처리를 실시한다(S40). 상기 산화 처리 단계(S40)는 상기 제 2 캐핑막(CL2)의 노출된 표면의 적어도 일부를 산화시키도록 실시될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S40)는 상온 내지 섭씨 500도의 온도 조건 및 0.1mT 내지 1T의 압력 조건 아래에서 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)에서 공급되는 가스는 산소 또는 오존 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화 처리 단계(S40)에 의해, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 도 32에 도시된 것처럼 상기 산화 처리 단계(S40) 이전에 비해 증가된 산소 함량을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리된 제 2 캐핑막(CL2)의 적어도 일부분은 산소 원자들을 포함하는 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 등의) 귀금속들(noble metal) 또는 산소 원자들을 포함하는 구리일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리된 제 2 캐핑막(CL2)의 산소 함량은 그것의 노출된 표면(즉, 상부면)으로부터 상기 자성막(MGL)을 향해 갈수록 감소될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S40)에서의 공정 조건 및 상기 제 2 캐핑막(CL2)의 물질 또는 구조 등에 의해, 상기 제 2 캐핑막(CL2) 내에서, 상기 산소 함량의 위치적 차이는 다양화될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)가 완료된 후, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 화학양론적 산화물(stoichiometric oxide)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 상기 산화 처리 단계(S40) 이전에는 루테늄막이지만, 상기 산화 처리 단계(S40) 이후에는 루테늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)가 완료된 후, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 비화학양론적 산화물(non-stoichiometric oxide)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S40) 이후, 상기 제 2 캐핑막(CL2)의 적어도 한 부분은 화학양론적 산화물에 비해 작거나 큰 산소 함량을 가질 수 있다.
또 다른 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)가 완료된 후, 상기 제 2 캐핑막(CL2) 내부에서 산소 원자들은 비균질적으로 분포할 수 있다. 즉, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 소정의 산소 함량을 갖는 제 1 부분(들)과 상기 제 1 부분에 비해 높은 산소 함량을 갖는 제 2 부분(들)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 32에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 산화 처리된 제 2 캐핑막(CL2)의 산소 함량은 그것의 노출된 표면(즉, 상부면)으로부터 상기 자성막(MGL)을 향해 갈수록 감소될 수 있다. 이와 달리, 상기 산화 처리 단계(S40)가 완료된 후, 산소 원자들은 상기 제 2 캐핑막(CL2) 내부에서 실질적으로 균질하게 분포할 수도 있다.
한편, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)가 실시되지 않은 상태일 때, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 상기 제 1 캐핑막(CL1)에 비해 작은 산소 친화도를 갖되 상기 제 1 캐핑막(CL1)보다 큰 산소 함량을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 실질적으로 상기 자연 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 산화 처리 단계(S40)는 생략될 수도 있다.
다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S40)가 실시되지 않은 상태일 때, 상기 제 1 캐핑막(CL1)은 상기 자연 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 캐핑막(CL1)을 형성하는 단계는 산소 분위기 아래에서 상기 제 1 캐핑막(CL1)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 제 2 캐핑막(CL2)을 형성하기 전에, 상기 제 1 캐핑막(CL1)의 노출된 표면의 적어도 일부분을 산화시키는 단계가 실시될 수 있다. 이 경우, 상기 산화 처리 단계(S40)는 생략될 수 있다.
다시 도 31을 참조하면, 상기 산화 처리 단계(S40) 이후, 제 3 캐핑막(CL3)을 형성한다(S50). 상기 제 3 캐핑막(CL3)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 3 캐핑막(CL3)은 상기 산화 처리 단계(S40)가 실시되기 이전의 상기 제 2 캐핑막(CL2)보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 3 캐핑막(CL3)은 상기 산화 처리 단계(S40)가 실시되기 이전의 상기 제 2 캐핑막(CL2)보다 큰 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제 3 캐핑막(CL3)이 형성된 결과물에 대한 열처리 단계가 실시될 수 있다(S60). 일부 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계(S60)는 상온 내지 섭씨 500도의 온도 조건 및 0.1mT 내지 1T의 압력 조건 아래에서 1초 내지 10000초의 시간 동안 실시될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계(S60) 동안, 질소 또는 불활성 가스들 중의 적어도 하나가 분위기 가스로서 공급될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 열처리 단계(S60)의 공정 조건들은, 상기 제 1 및 2 캐핑막들(CL1, CL2)의 물질, 구조 및 산소 함량 등에 따라, 다양하게 변형될 수 있다.
상기 열처리 단계(S60) 동안, 상기 제 2 캐핑막(CL2)에 포함된 산소 원자들은 아래로 확산되어 상기 제 1 캐핑막(CL1)의 원자들의 산화 반응에 참여할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 캐핑막(CL1)의 금속 원자들은 상기 열처리 단계(S60) 동안 상기 제 2 캐핑막(CL2)으로부터 공급되는 산소 원자들과 반응하여 금속 산화물을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 32에 도시된 것처럼, 상기 제 1 캐핑막(CL1)의 산소 함량은 상기 자성막(MGL)에 인접하는 표면에서보다 상기 제 2 캐핑막(CL2)에 인접하는 표면에서 더 높을 수 있다. 이러한 산소 함량의 차이는 상기 제 1 캐핑막(CL1)에 포함된 산소들의 대부분은 상기 제 2 캐핑막(CL2)에 포함된 산소 원자들의 확산에 기원하는 것이기 때문일 수 있다.
변형된 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 3 캐핑막(CL3)을 형성하는 단계는 생략될 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 단계(S60)는 상기 산화 처리 단계(S40) 이후 실시되거나 상기 산화 처리 단계(S40) 동안 실시될 수 있다. 변형된 다른 실시예들에 따르면, 상기 제 3 캐핑막(CL3)을 형성하는 단계는 상기 열처리 단계(S60) 이후에 실시될 수도 있다.
한편, 도 31 및 도 32를 참조하여 설명된 실시예들에 따르면, 상기 자성막(MGL), 상기 제 1 캐핑막(CL1) 및 상기 제 2 캐핑막(CL2)은 각각 상술한 외인성 수직 자화 구조(EPMS)에서의 상기 자성막(MGL), 상기 수직자화유도막(PMI) 및 상기 수직자화보존막(PMP)으로 사용될 수 있다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합의 제조 방법들을 도시하는 순서도이고, 도 34는 이들 실시예들에 따른 자기터널접합의 일 측면을 보여주는 그래프이다. 구체적으로, 도 34는 자기터널접합을 구성하는 막들의 산소 함량의 시간적 변화를 예시적으로 도시하며, 가로축 및 세로축은, 각각, 자기터널접합을 구성하는 막들의 위치 및 산소 함량을 도시하다. 도면에서의 복잡성을 줄이기 위해 그리고 산소 함량의 시간적 변화에 대한 더 나은 이해를 위해, 도 34는 도 33을 참조하여 설명되는 일부 단계들에서의 산소 함량들을 함께 나타내도록 구성되었다.
도 33 및 도 34를 참조하면, 제 1 씨드막(SL1) 및 제 2 씨드막(SL2)을 차례로 형성한다(S15 및 S25). 상기 제 1 씨드막(SL1)은 도전성 물질일 수 있고, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 탄탈륨보다 낮은 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 등의) 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 씨드막(SL1)은 상기 제 2 씨드막(SL2)보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 1 씨드막(SL1)은 상기 제 2 씨드막(SL2)보다 큰 산소 친화도를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 제 1 씨드막(SL1)을 형성하는 단계는 생략될 수도 있다.
상기 제 2 씨드막(SL2)에 대한 산화 처리를 실시한다(S35). 상기 산화 처리 단계(S35)는 상기 제 2 씨드막(SL2)의 노출된 표면을 산화시키도록 실시될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S35)는 상온 내지 섭씨 500도의 온도 조건 및 0.1mT 내지 1T의 압력 조건 아래에서 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S35)에서 공급되는 가스는 산소 또는 오존 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화 처리 단계(S35)에 의해, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 도 34에 도시된 것처럼 상기 산화 처리 단계(S35) 이전에 비해 증가된 산소 함량을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리된 제 2 씨드막(SL2)의 적어도 일부분은 산소 원자들을 포함하는 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 등의) 귀금속들(noble metal) 또는 산소 원자들을 포함하는 구리일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리된 제 2 씨드막(SL2)의 산소 함량은 그것의 노출된 표면(즉, 상부면)으로부터 상기 제 1 씨드막(SL1)을 향해 갈수록 감소될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S35)에서의 공정 조건 및 상기 제 2 씨드막(SL2)의 물질 또는 구조 등에 의해, 상기 제 2 씨드막(SL2) 내에서, 상기 산소 함량의 위치적 차이는 다양화될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S35)가 완료된 후, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 화학양론적 산화물(stoichiometric oxide)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 상기 산화 처리 단계(S35) 이전에는 루테늄막이지만, 상기 산화 처리 단계(S35) 이후에는 루테늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S35)가 완료된 후, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 비화학양론적 산화물(non-stoichiometric oxide)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 처리 단계(S35) 이후, 상기 제 2 씨드막(SL2)의 적어도 한 부분은 화학양론적 산화물에 비해 작거나 큰 산소 함량을 가질 수 있다.
또 다른 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S35)가 완료된 후, 상기 제 2 씨드막(SL2) 내부에서 산소 원자들은 비균질적으로 분포할 수 있다. 즉, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 소정의 산소 함량을 갖는 제 1 부분(들)과 상기 제 1 부분에 비해 높은 산소 함량을 갖는 제 2 부분(들)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 34에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 산화 처리된 제 2 씨드막(SL2)의 산소 함량은 그것의 노출된 표면(즉, 상부면)으로부터 상기 제 1 씨드막(SL1)을 향해 갈수록 감소될 수 있다. 이와 달리, 상기 산화 처리 단계(S35)가 완료된 후, 산소 원자들은 상기 제 2 씨드막(SL2) 내부에서 실질적으로 균질하게 분포할 수도 있다.
다시 도 33을 참조하면, 상기 산화 처리 단계(S35) 이후, 제 3 씨드막(SL3) 및 자성막(MGL)을 차례로 형성한다(S45 및 S55). 상기 제 3 씨드막(SL3)은 상기 자성막(MGL) 및/또는 상기 제 2 씨드막(SL2)보다 큰 산소 친화도를 갖는 물질일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 자성막(MGL)은 강자성 물질(ferromagnetic material)이거나 내재적 수직자화 특성(intrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 내재적 수직 자성막(intrinsic perpendicular magnetic layer)일 수 있고, 상기 제 3 씨드막(SL3)은 상기 제 2 씨드막(SL2)보다 큰 산소 친화도를 갖는 금속막일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 3 씨드막(SL3)은 마그네슘, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘아연, 하프늄 또는 마그네슘붕소 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 제 3 씨드막(SL3)의 두께는 단일막 두께의 한배 내지 세배일 수 있다. (여기서, 상기 단일막 두께는 그것을 구성하는 원자 하나 또는 분자 하나의 두께를 의미할 수 있다.)
한편, 일부 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 단계(S35)가 실시되지 않은 상태일 때, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 상기 제 3 씨드막(SL3)에 비해 작은 산소 친화도를 갖되 상기 제 1 씨드막(SL3)보다 큰 산소 함량을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 씨드막(SL2)은 실질적으로 상기 자연 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 산화 처리 단계(S35)는 생략될 수도 있다.
상기 자성막(MGL)이 형성된 결과물에 대한 열처리 단계가 실시될 수 있다(S65). 일부 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계(S65)는 상온 내지 섭씨 500도의 온도 조건 및 0.1mT 내지 1T의 압력 조건 아래에서 1초 내지 10000초의 시간 동안 실시될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계(S65) 동안, 질소 또는 불활성 가스들 중의 적어도 하나가 분위기 가스로서 공급될 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 열처리 단계(S65)의 공정 조건들은, 상기 제 2 및 3 씨드막들(SL2, SL3)의 물질, 구조 및 산소 함량 등에 따라, 다양하게 변형될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계(S65)는 상기 자성막(MGL)과 상기 제 3 씨드막(SL3)을 형성하는 단계들 사이에 실시될 수 있다.
상기 열처리 단계(S65) 동안, 상기 제 2 씨드막(SL2)에 포함된 산소 원자들은 위쪽으로 확산되어 상기 제 3 씨드막(SL3)의 원자들을 산화시키는 반응에 참여할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 3 씨드막(SL3)의 금속 원자들은 상기 열처리 단계(S65) 동안 상기 제 2 씨드막(SL2)으로부터 공급되는 산소 원자들과 반응하여 금속 산화물을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 34에 도시된 것처럼, 상기 제 3 씨드막(SL3)의 산소 함량은 상기 자성막(MGL)에 인접하는 표면에서보다 상기 제 2 씨드막(SL2)에 인접하는 표면에서 더 높을 수 있다. 이러한 산소 함량의 차이는 상기 제 3 씨드막(SL3)에 포함된 산소들의 대부분은 상기 제 2 씨드막(SL2)에 포함된 산소 원자들의 확산에 기원하는 것이기 때문일 수 있다.
도 33 및 도 34를 참조하여 설명된 실시예들에 따르면, 상기 자성막(MGL), 상기 제 3 씨드막(SL3) 및 상기 제 2 씨드막(SL2)은 각각 상술한 외인성 수직 자화 구조(EPMS)에서의 상기 자성막(MGL), 상기 수직자화유도막(PMI) 및 상기 수직자화보존막(PMP)으로 사용될 수 있다.
도 35은 본 발명에 따른 자기터널접합의 자기적 특성의 일 측면을 예시적으로 보여주는 실험 그래프이다.
실험에는, 마그네슘산화막(MgO)의 상기 터널 베리어(50) 상에 도 18에 도시된 (상기 외인성 수직 자성막(310), 상기 수직자화 유도막(320) 및 상기 수직자화 보존막(330)을 포함하는) 상기 제 1 상부 구조체(301)가 형성된 구조가 사용되었다. 상기 외인성 수직 자성막(310) 및 상기 수직자화 유도막(320)은 코발트철붕소(CoFeB) 및 마그네슘산화물(MgO)이었고, 상기 수직자화 보존막(330)은 루테늄(Ru) 및 티타늄(Ti)로 나누어 실험되었다. 도 35에서 곡선 C1 및 C2는 각각 상기 수직자화 보존막(330)으로 루테늄(Ru) 및 티타늄(Ti)을 사용한 결과들을 나타낸다. 실험의 다른 조건들은 실질적으로 동일하였다.
그래프에서, 가로축은 외부에서 인가되는 수직 자기장(perpendicular magnetic field)의 세기를 나타내고, 세로축은 상기 외인성 수직 자성막(310)로부터 측정된 수직 자기 모멘트(perpendicular magnetic moment)를 나타낸다.
도 35의 곡선 C1을 참조하면, 수직 자기 모멘트는 외부 수직 자기장이 없는 상태(즉, x=0)에서와 외부 수직 자기장이 인가된 상태(e.g., 4000 Oe)에서 유사한 크기를 가졌다. 이와 달리, 도 35의 곡선 C2을 참조하면, 수직 자기 모멘트는 외부 수직 자기장이 없는 상태(즉, x=0)에서 영이 되었다(vanish). 이로부터, 상기 수직자화 보존막(330)으로 티타늄(Ti)을 사용하는 경우보다 루테늄(Ru)을 사용하는 경우에, 상기 외인성 수직 자성막(310)이 더 우수한 수직 자기 모멘트 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 36는 본 발명에 따른 자기터널접합의 자기적 특성의 다른 측면을 예시적으로 보여주는 실험 그래프이다.
실험에는, 도 9의 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 구조로 준비된 제 1 구조의 시료들과 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)의 구조를 갖지 않는 제 2 구조의 시료들이 사용되었다. 구체적으로, 상기 제 1 구조의 시료들은 상기 터널 베리어(50)로서 마그네슘산화막 상에 코발트철붕소(CoFeB), 마그네슘산화막(MgO) 및 루테늄(Ru)이 차례로 적층된 구조였고, 상기 제 2 구조의 시료들은 상기 터널 베리어(50)로서 마그네슘산화막 상에 코발트철붕소(CoFeB) 및 탄탈륨(Ta)이 차례로 적층된 구조였다.
실험에서는, 자성막(즉, CoFeB)의 막 두께에 대한 상기 자성막에서의 수직 이방성 에너지 밀도가 상기 제 1 및 제 2 구조의 시료들로부터 얻어졌다. 도 36에서 가로축은 상기 자성막의 막 두께를 나타내고, 세로축은 상기 자성막에서의 수직 이방성 에너지 밀도를 나타내고, 곡선 C3 및 C4는 각각 상기 제 1 및 제 2 구조의 시료들로부터 얻어진 결과를 나타낸다.
도 36의 곡선 C3를 참조하면, 코발트철붕소(CoFeB)가 대략 8 옹스트롬, 10 옹스트롬 및 14 옹스트롬인 경우, 수직 이방성 에너지 밀도는 양의 값을 가졌다. 즉, 도 9의 상기 외인성 수직 자화 구조(EPMS)(또는, 상기 제 1 구조)에서 자성막은 소정의 두께 범위(t) 내에서 수직 이방성을 가졌다. 예를 들면, 내삽된(interpolated) 곡선 C3로부터, 자성막의 두께가 대략 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬의 범위에서, 상기 제 1 구조에서의 자성막은 수직 이방성을 가짐을 알 수 있다. 반면, 도 36의 곡선 C4를 참조하면, 시료들 모두에서 자성막에서의 수직 이방성 에너지 밀도는 음의 값을 가졌다. 즉, 상기 제 2 구조에서 자성막은 수직 이방성을 갖지 않았다.
도 37 및 도 38는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 37을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치(1300)는 PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), 유무선 전자 기기 또는 이들 중의 적어도 둘을 포함하는 복합 전자 장치 중의 하나일 수 있다. 전자 장치(1300)는 버스(1350)를 통해서 서로 결합한 제어기(1310), 키패드, 키보드, 화면(display) 같은 입출력 장치(1320), 메모리(1330), 무선 인터페이스(1340)를 포함할 수 있다. 제어기(1310)는 예를 들면 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 메모리(1330)는 예를 들면 제어기(1310)에 의해 실행되는 명령어를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(1330)는 사용자 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 RF 신호로 통신하는 무선 통신 네트워크에 데이터를 전송하거나 네트워크에서 데이터를 수신하기 위해 무선 인터페이스(1340)를 사용할 수 있다. 예를 들어 무선 인터페이스(1340)는 안테나, 무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDAM, CDMA2000 같은 3세대 통신 시스템 같은 통신 인터페이스 프로토콜에서 사용될 수 있다.
도 38을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 메모리 시스템(memory system)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리 시스템(1400)은 대용량의 데이터를 저장하기 위한 메모리 소자(1410) 및 메모리 컨트롤러(1420)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 메모리 소자(1410)로부터 저장된 데이터를 독출 또는 기입하도록 메모리 소자(1410)를 제어한다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430), 가령 모바일 기기 또는 컴퓨터 시스템으로부터 제공되는 어드레스를 메모리 소자(1410)의 물리적인 어드레스로 맵핑하기 위한 어드레스 맵핑 테이블(Address mapping table)을 구성할 수 있다. 메모리 소자(1410)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.
상술된 실시예들에서 개시된 반도체 장치들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치가 실장된 패키지는 상기 반도체 장치를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자 등을 더 포함할 수도 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20: 제 1 및 제 2 배선들 30: 선택 소자
41: 하부 구조체 201~204: 제 1~4 하부 구조체
42: 상부 구조체 301~304: 제 1~4 상부 구조체
50: 터널 베리어 100: 단위 셀
61: 하부 전극 구조체 62: 상부 전극 구조체
210, 310: 외인성 수직 자성막 215, 315: 내재적 수직 자성막
220, 320, PMI: 수직자화 유도막 230, 330, PMP: 수직자화 보존막
235: 하부막 335: 상부막
FRL: 자유막 PL: 피고정막
240, 340: 고정막

Claims (38)

  1. 터널 베리어 및 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기터널접합을 포함하고,
    상기 외인성 수직 자화 구조는
    수직자화 보존막;
    상기 수직자화 보존막과 상기 터널 베리어 사이의 자성막; 및
    상기 수직자화 보존막과 상기 자성막 사이의 수직자화 유도막을 포함하되, 상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 물질들 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 자성 물질을 포함하고,
    상기 수직자화 보존막은 상기 자성막보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속 물질을 포함하는 자기 메모리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직자화 보존막은 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성막은 내재적 수평 자성 물질로 형성되되, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 갖게 되는 자기 메모리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성막과 상기 수직자화 유도막 사이에 개재되는 전이 영역을 더 포함하되, 상기 전이 영역은 상기 수직자화 유도막보다 낮고 상기 자성막보다 높은 산소 함량을 갖는 자기 메모리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성막의 두께는 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬인 자기 메모리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 보존막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기터널접합은
    피고정막(pinned layer)을 포함하는 제 1 구조체;
    자유막(free layer)을 포함하는 제 2 구조체; 및
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 상기 터널 베리어를 포함하되,
    상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나의 일부분을 구성하고, 상기 외인성 수직 자화 구조의 상기 자성막은 상기 피고정막 및 상기 자유막 중의 적어도 하나로 사용되는 자기 메모리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    기판을 더 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 하나는 상기 기판과 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 다른 하나 사이에 개재되는 자기 메모리 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 구조체의 일부로서 포함되되,
    상기 제 1 구조체는 상기 피고정막의 자화 방향을 고정시키는 고정막(pinning layer)을 더 포함하는 자기 메모리 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 2 구조체의 일부로서 포함되는 자기 메모리 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 외인성 수직 자화 구조는 상기 제 1 및 제 2 구조체들의 모두의 일부로서 포함되는 자기 메모리 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 구조체는 상기 피고정막의 자화 방향을 고정시키는 고정막(pinning layer)을 더 포함하되,
    상기 피고정막은 상기 고정막과 상기 터널 베리어 사이에 개재되는 자기 메모리 장치.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 피고정막 및 상기 자유막 중의 하나는 내재적 수직 자성막으로 형성되는 자기 메모리 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기터널접합은 상기 수직자화 보존막을 덮는 도전막을 더 포함하되,
    상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막 및 상기 도전막 사이에 개재되고, 상기 도전막은 상기 수직자화 보존막보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되는 자기 메모리 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직자화 유도막의 산소 함량은 상기 자성막에 인접하는 영역에서보다 상기 수직자화 보존막에 인접하는 영역에서 더 높은 자기 메모리 장치.
  17. 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 터널 베리어를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 각각은 금속막 및 자성막을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 상기 금속막과 상기 자성막 사이에서 이들에 접하는 수직자화 유도막을 더 포함하되,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 자기 메모리 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 작은 산소 친화도를 갖는 자성 물질을 포함하고,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속 물질을 포함하는 자기 메모리 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 귀금속들(noble metal) 또는 구리 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 내재적 수평 자성 물질로 형성되되, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 갖게 되는 자기 메모리 장치.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 자성막과 상기 수직자화 유도막 사이에 개재되는 전이 영역을 더 포함하되, 상기 전이 영역은 상기 수직자화 유도막보다 낮고 상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막보다 높은 산소 함량을 갖는 자기 메모리 장치.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막의 두께는 3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬인 자기 메모리 장치.
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 유도막에 접하는 상기 금속막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나인 자기 메모리 장치.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 하나는, 그것에 포함된, 상기 자성막의 자화 방향을 고정시키는 고정막을 더 포함하는 자기 메모리 장치.
  25. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들의 상기 금속막들 중의 하나는 내재적 수직 자성막으로 형성되는 자기 메모리 장치.
  26. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 상기 금속막을 덮는 도전막을 더 포함하되,
    상기 금속막은 상기 수직자화 유도막 및 상기 도전막 사이에 개재되고,
    상기 도전막은 상기 금속막보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되는 자기 메모리 장치.
  27. 청구항 17에 있어서,
    상기 수직자화 유도막의 산소 함량은 상기 자성막에 인접하는 영역에서보다 상기 금속막에 인접하는 영역에서 더 높은 자기 메모리 장치.
  28. 자성막, 수직자화 보존막 및 이들 사이의 수직자화 유도막을 포함하는 외인성 수직 자화 구조를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 자성막은, 상기 수직자화 유도막에 포함된 산소 원자들과 결합을 통해 수직자화 특성을 갖게 되는, 내재적 수평 자성 물질로 형성되고,
    상기 수직자화 보존막은 상기 수직자화 유도막을 구성하는 금속보다 낮은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되어, 상기 수직자화 유도막으로부터의 산소 원자 유출을 방지하는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 자성막은 강자성 물질들 중의 적어도 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 유도막은 금속산화물들 중의 하나로 형성되고,
    상기 수직자화 보존막은 탄탈륨 및 티타늄보다 작은 산소 친화도를 갖는 금속들 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  30. 청구항 28에 있어서,
    상기 외인성 구조체를 형성하는 단계는
    상기 자성막 상에, 금속막 및 상기 수직자화 보존막을 차례로 형성하는 단계;
    산소 공급 공정을 실시하여, 상기 수직자화 보존막 내에 산소 원자를 공급하는 단계; 및
    상기 수직자화 보존막이 형성된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 금속막은 상기 열처리 단계 동안 상기 수직자화 보존막으로부터 확산되는 산소 원자들과의 반응하여 상기 수직자화 유도막으로 기능하는 산화물을 형성하는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 산소 공급 공정을 실시한 후, 상기 수직자화 보존막을 덮는 도전막을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 도전막은 상기 열처리 단계를 실시하기 전 또는 후에 형성되는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 도전막은 상기 수직자화 보존막을 구성하는 금속 원자들보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  33. 청구항 30에 있어서,
    상기 금속막은 상기 산소 공급 공정을 실시하기 전에는 실질적으로 산소를 포함하지 않는 물질(oxygen-free material)인 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  34. 청구항 28에 있어서,
    상기 외인성 구조체를 형성하는 단계는
    상기 수직자화 보존막을 형성하는 단계;
    산소 공급 공정을 실시하여, 상기 수직자화 보존막 내에 산소 원자를 공급하는 단계;
    상기 산소 공급 공정이 실시된 상기 수직자화 보존막 상에 금속막 및 상기 자성막을 차례로 형성하는 단계; 및
    상기 자성막이 형성된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 금속막은 상기 열처리 단계 동안 상기 수직자화 보존막으로부터 확산되는 산소 원자들과의 반응하여 상기 수직자화 유도막으로 기능하는 산화물을 형성하는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 수직자화 보존막을 형성하기 전에, 상기 수직자화 보존막에 의해 덮이는 도전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 도전막은 상기 수직자화 보존막을 구성하는 금속 원자들보다 작거나 같은 산소 친화도를 갖는 물질로 형성되는 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  37. 청구항 34에 있어서,
    상기 금속막은 상기 열처리 단계를 실시하기 전에는 실질적으로 산소를 포함하지 않는 물질(oxygen-free material)인 자기 메모리 장치의 제조 방법.
  38. 피고정막(pinned layer)을 포함하는 제 1 구조체, 자유막(free layer)을 포함하는 제 2 구조체 및 상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 개재되는 터널 베리어를 구비하는 자기터널접합에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중의 적어도 하나는 외인성 수직 자화 구조를 갖도록 구성되고,
    상기 외인성 수직 자화 구조는 서로 마주보는 강자성막 및 루테늄막, 그리고 상기 강자성막과 상기 루테늄막 사이에 개재되는 금속 산화막을 포함하고,
    상기 강자성막의 두께는3 옹스트롬 내지 17 옹스트롬이고,
    상기 금속 산화막은 상기 강자성막의 일면 및 이를 마주보는 상기 루테늄막의 일면에 직접 덮는 자기 메모리 장치.
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