KR20190104865A - 자기접합 및 하이브리드 캡핑층을 갖는 자기장치, 이를 이용하는 자기메모리 및 자기장치의 제공방법 - Google Patents
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Abstract
자기장치, 자기장치를 이용하는 메모리 및 자기장치의 제공방법이 설명된다. 자기장치는 자기접합 및 그 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 포함한다. 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함한다. 불연속 산화물층은 절연층과 귀금속층 사이에 위치한다. 절연층은 자기접합과 귀금속층 사이에 위치한다. 일 실시예에 따르면, 자기접합은 기준층, 비자성(nonmagnetic) 스페이서층(터널링 배리어층일 수 있음) 및 자유층을 포함한다.
Description
본 개시는 자기장치, 자기장치를 이용하는 메모리 및 자기장치를 제공하는 방법에 관한 것이다.
자기메모리, 구체적으로 자기 랜덤액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory: MRAM)는 빠른 독출/기입 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소비와 같은 잠재력으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있다. MRAM은 자성재료를 정보기록매체로 사용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀전달토크 자기 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: STT-MRAM)가 있다. STT-MRAM은 적어도 부분적으로 자기접합(magnetic junction)을 통해 구동되는 전류에 의하여 기록되는 자기접합을 이용한다. 자기접합을 통해 구동되는 스핀분극전류(spin polarized current)는 자기접합의 자기모멘트(magnetic moment)에 스핀토크를 가한다. 결과적으로, 스핀토크에 반응하는 자기모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 반전될 수 있다.
예를 들어, 종래의 자기터널접합(Magnetic Tunneling Junction: MTJ)이 기존 STT-MRAM에 사용될 수 있다. 종래의 MTJ는 시드층(들)(seed layer(s))을 이용하며, 캡핑층들(capping layers)을 포함할 수 있고, 기준층(reference layer)의 자화를 고정시키는 반강자성(Antiferromagnetic: AFM)층을 포함할 수 있다. 종래의 MTJ는 시드층(들), 기준층, 터널링 배리어층(tunneling barrier layer), 자유층(free layer) 및 캡핑층을 포함한다. MTJ 아래의 하부 콘택과 MTJ 위의 상부 콘택은 MTJ를 통해 평면수직전류(Current-Perpendicular-to-Plane: CPP) 방향으로 전류를 구동시키는데 이용될 수 있다. 기준층과 자유층은 자성을 갖는다. 기준층의 자화는 특정 방향으로 고정(fixed 또는 pinned)된다. 자유층은 변경될 수 있는 자성을 갖는다. 자유층 및 기준층은 단일층이거나, 여러 층들을 포함할 수 있다.
자유층의 자화를 반전시키기 위해, 전류는 평면에 대해 수직 방향으로 구동된다. 상부 콘택으로부터 하부 콘택으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화방향은 하부 기준층의 자화방향과 평행하게 반전될 수 있다. 하부 콘택으로부터 상부 콘택으로 충분한 전류가 구동되면, 자유층의 자화방향은 하부 기준층의 자화방향과 반평행하게 반전될 수 있다. 자기장 배위(magnetic configuration)의 차이는 상이한 자기저항(magnetoresistance) 및 이에 따른 종래 MTJ의 상이한 논리적 상태(예: 논리 "0" 및 논리 "1")에 대응한다.
다양한 응용분야에서의 이용 가능성에 따라 자기메모리에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 자기적 특성 및 전기적 특성을 현저히 열화시키지 않으면서도 자기접합을 더욱 작은 면적의 크기로 축소시키는 것(예: 메모리 밀도를 증가시키기 위해)이 바람직하다. 예를 들어, 비휘발성 자기메모리는 40 나노미터 미만으로 축소되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 자기메모리의 고온 동작 온도 자기메모리 응용기술들을 위한 동작 온도는 상대적으로 높다(예: 섭씨 100도 초과). 자기 열적 안정계수(magnetic thermal stability factor), Δ, 및 이에 따른 유효 자기 이방성 상수(effective magnetic anisotropy constant) 
는 높게 유지되는 것이 바람직하다. 현재 자기접합은 포화 자화(saturation magnetization), 교환 강성(exchange stiffness), 댐핑(damping) 및/또는 유효 자기 이방성 상수 중 하나 이상에 악영향을 미치지 않으면서 위와 같은 크기로 축소될 수 없다. 또한, 현재와 같은 크기에서도 성능이 개선되는 것이 바람직하다.
따라서, 이러한 자기 디바이스들이 이용되는 자기 디바이스들 및 전자 디바이스들의 성능 및 크기변경 가능성(scalability)을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 이하, 이와 같은 필요성을 충족시킬 수 있는 방법 및 시스템에 대하여 설명한다.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 향상된 성능 및 크기변경 가능성을 갖는 자기장치, 이를 이용하는 메모리 및 이의 제공방법을 제공하는데 있다.
자기장치, 그 자기장치를 이용하는 메모리 및 그 자기장치의 제공방법이 설명된다. 자기장치는 자기접합 및 그 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 포함한다. 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함한다. 불연속 산화물층은 절연층과 귀금속층 사이에 위치한다. 절연층은 자기접합과 귀금속층 사이에 위치한다. 일 실시예에 따르면, 자기접합은 기준층, 비자성(nonmagnetic) 스페이서층(터널링 배리어층일 수 있음) 및 자유층을 포함한다. 이러한 일 실시예에 따르면, 하이브리드 캡핑층은 자유층에 인접할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따른 자기접합은 하이브리드 캡핑층과 함께 사용될 때 향상된 성능을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예들에 따른 자기접합은 포화 자화, 저항 면적 곱(resistance area product), 터널링 자기저항(Tunneling Magnetoresistance: TMR) 및/또는 댐핑 상수의 현저한 열화 없이, 개선된 유효 자기 이방성 상수를 가질 수 있다. 결과적으로, 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 하이브리드 캡핑층을 포함하는 사용 가능한 자기장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 자기접합과 함께 사용 가능한 하이브리드 캡핑층의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 하이브리드 캡핑층을 포함하는 사용 가능한 자기장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4a 내지 도 4f는 절연층 두께에 따른 자기접합의 예시적인 실시예들의 특성 변화를 도시한다.
도 5는 스토리지 셀(들)의 메모리소자(들) 내 자기접합들 및 하이브리드 캡핑층들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 자기메모리에서 사용 가능하며, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하고, 하이브리드 캡핑층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 자기메모리에서 사용 가능하며, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하고, 하이브리드 캡핑층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 하이브리드 캡핑층을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 2는 자기접합과 함께 사용 가능한 하이브리드 캡핑층의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 하이브리드 캡핑층을 포함하는 사용 가능한 자기장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4a 내지 도 4f는 절연층 두께에 따른 자기접합의 예시적인 실시예들의 특성 변화를 도시한다.
도 5는 스토리지 셀(들)의 메모리소자(들) 내 자기접합들 및 하이브리드 캡핑층들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 자기메모리에서 사용 가능하며, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하고, 하이브리드 캡핑층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 자기메모리에서 사용 가능하며, 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능하고, 하이브리드 캡핑층을 포함하는 자기접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 하이브리드 캡핑층을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 자기 디바이스(예: 자기메모리)에서 사용 가능한 자기접합 및 이러한 자기접합을 사용하는 디바이스에 관한 것이다. 자기메모리는 스핀전달토크 자기 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: STT-MRAM), 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque: SOT) 디바이스, STT나 SOT 자기접합을 채용하는 논리 디바이스나 다른 디바이스, 및/또는 기타 전자 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 전자 디바이스들은 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 랩탑 및 다른 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 디바이스들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자가 발명을 생산 및 사용할 수 있도록 제시되며 특허 출원 및 그 요건들 하에서 제공된다. 예시적인 실시예들에 대한 다양한 변형들 및 본 명세서에 설명된 일반적인 원리들 및 특징들은 쉽게 명백해질 것이다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현예들에서 제시되는 특정 방법들 및 시스템들과 관련하여 설명된다. 그러나 이러한 방법들 및 시스템들은 다른 구현예들에서도 효과적으로 동작할 것이다. "예시적인 실시예", "일 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 문구들은 동일하거나 상이한 실시예들을 지칭할 뿐만 아니라 다수의 실시예들을 지칭할 수 있다. 실시예들은 소정의 구성요소들을 포함하는 시스템들 및/또는 디바이스들과 관련하여 설명될 것이다. 다만, 시스템들 및/또는 디바이스들은 도시된 것보다 많거나 적은 구성요소들을 포함할 수 있고 구성요소들의 배열 및 유형은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 소정의 단계들을 포함하는 특정 방법들과 관련하여 설명될 것이다. 그러나 본 방법 및 시스템은 다른 단계들 및/또는 추가 단계들을 포함하고 예시적인 실시예들과 모순되지 않는 상이한 순서의 단계들을 포함하는 다른 방법들에 대해서도 효과적으로 동작한다. 따라서, 본 개시는 도시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에서 설명되는 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기장치, 그 자기장치를 이용하는 메모리 및 그 자기장치의 제공방법이 설명된다. 자기장치는 자기접합 및 그 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 포함한다. 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함한다. 불연속 산화물층은 절연층과 귀금속층 사이에 위치한다. 절연층은 자기접합과 귀금속층 사이에 위치한다. 일 실시예에 따르면, 자기접합은 기준층, 비자성(nonmagnetic) 스페이서층(터널링 배리어층일 수 있음) 및 자유층을 포함한다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 특정 방법들, 자기접합들 및 소정의 구성요소들을 포함하는 자기메모리들과 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 개시가 다른 구성요소들 및/또는 추가 구성요소들 및/또는 본 개시와 모순되지 않는 다른 특징들을 포함하는 자기접합 및 자기메모리의 사용과 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 스핀전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도의 맥락에서 설명된다. 결론적으로, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 작용에 대한 이론적 설명이 스핀전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도에 기초하여 이루어짐을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 방법 및 시스템은 특정 물리적 설명에 의존하는 것은 아니다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 또한, 본 방법 및 시스템이 기판에 대해 특정한 관계를 갖는 구조와 관련하여 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템이 다른 구조들과도 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 소정의 합성 및/또는 단순 층들과 관련하여 설명된다. 그러나, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 이러한 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 자기접합 및/또는 특정 층들을 포함하는 구조와 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템과 모순되지 않는 추가적인 층 및/또는 다른 층을 갖는 자기접합 및/또는 구조가 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 소정의 구성요소들은 자성/자기(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "자성/자기"라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "자성/자기" 또는 "강자성"이라는 용어는 강자성체 및 페리자성체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "평면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기접합의 하나 이상의 층의 평면 내부를 의미하거나, 또는 그 평면과 평행함을 의미한다. 반대로, "수직(perpendicular)" 및 "평면에 수직(perpendicular-to-plane)"은 자기접합의 하나 이상의 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응한다. 본 방법 및 시스템은 또한 소정의 합금과 관련하여 설명된다. 달리 명시되지 않는 한, 합금의 특정 농도가 언급되지 않은 경우, 본 방법 및 시스템과 모순되지 않는 임의의 화학적 조성비가 사용될 수 있다.
도 1은 자기접합(103) 및 하이브리드 캡핑층(140)을 포함하는 자기장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기장치(100)는 스핀전달토크 및/또는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기메모리 또는 다른 디바이스에서 사용 가능할 수 있다. 설명의 명확성을 위하여, 도 1은 일정한 비율로 도시된 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되지 않을 수 있다. 자기장치(100)는 다양한 전자 디바이스들에서 사용될 수 있다.
자기접합(103)은 스핀궤도토크(SOT) 및/또는 스핀전달토크(STT)를 이용하여 프로그램 가능할 수 있다. 도시된 실시예에 따르면, 자기접합(103)은 자기모멘트(magnetic moment)(111)를 갖는 기준층(110), 비자성(nonmagnetic) 스페이서층(120) 및 자기모멘트(131)를 갖는 자유층(130)을 포함한다. 자기접합(103)이 형성되는 기판(101)은 시드층들 아래에 위치되며 명확성을 위해 도시된다. 임의적인 시드층(들)(102)도 도시된다. 하부 콘택과 상부 콘택은 도시되지 않았으나 형성될 수 있다. 결합층(coupling layer), 분극강화층(Polarization Enhancement Layer: PEL), 및 반강자성(Antiferromagnetic: AFM) 층 및/또는 기타 층과 같은 다른 층들도 존재할 수 있다. 그러나 이러한 층들은 간결성을 위해 도시되지 않는다. 도 1에서 알 수 있듯이, 자기접합(103)은 기판(101)과 가장 가까운 위치에 그의 기준층(110)을 갖는다. 자기접합(103)은 하부 고정(bottom pinned) 자기접합이다. 다른 실시예들에 따라서 다른 구성들도 가능할 것이다.
자유층(130)은 높은 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy: PMA)을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 자유층(130)은 자유층 평면 외 자기소거 에너지(free layer out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 PMA 에너지를 갖는다. 따라서, 자기모멘트(131)는 평면에 수직할 때 안정적일 수 있다. 양방향 화살표로부터 추측할 수 있는 바와 같이, 자유층 자기모멘트(131)는 도 1에서 페이지의 상부를 향할 때와 페이지의 하부를 향할 때 안정적일 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 자기모멘트(131)는 평면 내일 때 안정적일 수 있다. 자유층(130)은 단일층으로 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시예들에 따른 자유층(130)은 상이한 포화 자화 및 결정화 온도(crystallization temperature)(들)를 갖는 다중층일 수 있다. 자유층(130)은 하나 이상의 비자성층을 사이에 개재 및 구비하고 있는 다중 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성체(Synthetic Antiferromagnet: SAF)일 수 있다. 예를 들어, 자유층(130)은 비자성층(예: Ru층, Ir층, Mo층 또는 W층)에 의해 분리된 2개의 강자성층들을 포함할 수 있다. 비자성층의 두께는 강자성층들이 RKKY 결합(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida coupling) 또는 정자기적 상호작용(magnetostatic interaction)을 통해 반강자성적으로 결합되도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 비자성층 두께는 강자성 결합을 위해 선택될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 자유층(130)은 소정의 다른 다중층일 수 있고, 및/또는 다른 방식으로 결합된 층(들)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 자유층은 FeB, FeB-X, FeCoB, FeCoB-X, B 프리(free) Fe, Fe-X, FeCo 및 FeCo-X를 포함하거나 이들로 구성될 수 있다. 여기서, X는 Be, Ni, Mo, Mg, Zr, Ta, V, Cr, W, Hf, Nb 및 Tb 중에서 선택된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, FeB와 같은 합금은 Fe1-yBy(0 ≤ y < 0.5)와 같은 합금을 나타낸다. 설명의 간결성을 위해, 정확한 화학적 조성비는 나타내지 않는다. 다른 합금들 또는 추가 합금들 및/또는 다중층들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
자유층(130)은 변경될 수 있는 자기모멘트(131)를 가지므로 데이터를 저장하는데 이용될 수 있다. 또한, 자기접합(103)은 자기접합(103)을 통해 흐르는 기입 전류(write current) 및/또는 높은 스핀궤도결합(spin orbit coupling)을 갖는 인접 라인(미도시)을 통해 흐르는 전류를 이용하여 자유층 자기모멘트(131)가 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전되도록 한다. 따라서, 자유층(130)은 기입 전류가 자기접합(103)을 통해 평면수직전류(Current Perpendicular-to-Plane: CPP) 방향으로 구동될 때의 스핀전달토크를 이용하여 반전 가능하고, 및/또는 스핀궤도토크를 통해 반전 가능하다. 기입 전류의 방향에 따라 자유층(130)은 다른 상태들로 프로그램될 수 있다. 자유층(130)의 자기모멘트(131) 방향은 자기접합(103)을 통해 독출 전류(read current)를 구동시킴으로써 독출될 수 있다. 이러한 독출 전류는 스핀전달 기입 전류보다 작아 자기모멘트 방향을 반전시키기에는 부족하다.
비자성 스페이서층(120)은 터널링 배리어층일 수 있다. 예를 들어, 비자성 스페이서(120)는 (100) 방위를 갖는 결정성 MgO 터널링 배리어일 수 있다. 이러한 비자성 스페이서층(120)은 자기접합(103)의 터널링 자기저항(Tunneling Magnetoresistance: TMR)을 강화시킬 뿐만 아니라 자유층(130)의 PMA도 증가시킬 수 있다. 결정성 MgO 터널링 배리어층(120)은 적어도 8 옹스트롬에서 15 옹스트롬 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 결정성 MgO 터널링 배리어층(120)의 두께는 명목상 적어도 10 옹스트롬에서 12 옹스트롬 이하일 수 있다. 그러나 다른 두께 및/또는 다른 배리어층도 가능하다. 또한, 비자성 스페이서층(120)은 자유층(130)을 위한 시드층 역할을 하도록 고려될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 비자성 스페이서층(120)은 도전층(이에 한정되지 않음)을 포함하는 다른 구조를 가질 수 있다.
고정층(pinned layer)으로도 지칭되는 기준층(110)은 평면 외 자기소거 에너지보다 큰 PMA 에너지를 갖는다. 따라서, 자기모멘트(111)는 평면에 수직할 때 안정적이다. 기준층(110)은 단일층으로 도시되어 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 기준층(110)은 다중층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 하나 이상의 비자성층을 사이에 개재 및 삽입하고 있는 다중 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성체(SAF)일 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 비자성층(예: Ru층 또는 Ir층)에 의해 분리된 2개의 강자성층들을 포함할 수 있다. Ru층 또는 Ir층의 두께는 강자성층들이 RKKY 결합을 통해 반강자성적으로 결합되도록 선택될 수 있다. 다른 실시예들에 따라서 다른 다중층들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 Co-Pt층 및/또는 Co-Ir층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 Co/Pt 다중층이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 다중층에서, Co/Pt 이중층([Co/Pt]n, n ≥ 1)이 하나 이상 반복 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 기준층(110)은 Co/Ir 다중층이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 다중층은 Co/Ir 이중층([Co/Ir]n, n ≥ 1)이 하나 이상 반복될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 임의적인 고정층(pinning layer)은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 자화(들)를 고정하는 반강자성(AFM)층 또는 다중층일 수 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 임의적인 고정층이 생략될 수 있거나, 다른 구조가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 기준층(110)의 자기모멘트(111)는 기준층(110)의 자기 이방성에 의해 고정된다.
하이브리드 캡핑층(140)은 자기접합(103)에 인접하여 자기접합(103)의 성능을 향상시키는데 이용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 하이브리드 캡핑층(140)은 자기접합(103)과 이웃하거나, 자기접합(103)과 계면을 공유한다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 하이브리드 캡핑층(140)은 자유층(130)과 이웃한다. 하이브리드 캡핑층(140)은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함한다. 불연속 산화물층은 절연층과 귀금속층 사이에 위치한다. 절연층은 자기접합(103)과 귀금속층 사이에 위치한다. 절연층 및 귀금속층은 산소차단층이다. 불연속 산화물층은 자유층(130)으로부터 하이브리드 캡핑층(140)으로 붕소의 이동을 촉진시키는데 이용될 수 있으며, 이는 자유층(130)과 비자성 스페이서층(120) 사이의 터널링 계면에 붕소가 상대적으로 덜 함유되도록 한다.
도 2는 하이브리드 캡핑층(140A)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2는 일정한 비율로 도시된 것이 아니다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 하이브리드 캡핑층들(140 및 140A)은 각각 절연층(142), 불연속 산화물층(144A) 및 귀금속층(146)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 귀금속층(146)은 산소차단층이다. 따라서, 귀금속층(146)을 위한 재료(들)는 산소차단제 중에서 선택된다. 일부 실시예들에 따르면, 귀금속층(146)은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd 및 Os 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 귀금속층(146)은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd, Os 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 합금으로 구성된다. 또한, 귀금속층(146)은 적어도 10 옹스트롬에서 100 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에 따르면, 귀금속층(146)은 적어도 15 옹스트롬에서 80 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다. 이러한 일부 실시예들에 따르면, 귀금속층(146)의 두께는 적어도 20 옹스트롬에서 60 옹스트롬 이하이다. 어떠한 경우에는, 귀금속층(146)에 의해 제공되는 개선 효과는 20 옹스트롬의 두께에서 포화된다. 다만, 다른 실시예들에서는 이와 상이한 두께들도 가능할 수 있다.
절연층(142)은 자기접합(103)과 가장 가깝게 배치된다. 절연층(142)은 비정질로 증착된다. 일부 실시예들에 따르면, 절연층(142)은 산화마그네슘-산화알루미늄(MgO-Al2O3), 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4), 산화타이타늄 도핑 산화마그네슘(TiO2-doped MgO) 및 산화지르코늄 도핑 산화마그네슘(ZrO2-doped MgO) 중 적어도 하나를 포함하거나, 이들 중 적어도 하나로 이루어진다. 일 실시예에 따르면, 절연층(142)은 산화마그네슘알루미늄으로 구성된다. MgO보다 비정질이고 밀도가 높은 MgAl2O4와 같은 재료를 사용하면, 자유층(130)을 산화 및 확산으로부터 보호할 수 있다.
불연속 산화물층(144A)도 도시된다. 불연속 산화물층(144A)은 불연속 금속층의 증착 및 산화단계의 수행에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속섬(metal island)들이 형성되어 산화될 수 있다. 불연속 산화물층(144A)에서는, 금속섬들(145)로 증착된 영역을 남겨두고, 금속섬들(145)이 존재하지 않는 다른 영역들이 산소결핍 절연층(142)으로부터 MgAl-산화물로 산화된다. 불연속 금속층의 두께와 산화단계 모두가 불연속 산화물층 고유의 미세구조를 좌우할 수 있다. 그러나 상이한 산소 친화도에 의해 형성된 이러한 산화물들은 어닐링 과정에서 안정한 상태에 있지 못한다. 높은 산소 친화도를 갖는 Ta층 또는 Mg층이 불연속층의 상부 상에 증착되는 경우, 산소 원자들은 고체상태 산화반응(solid state oxidation) 과정을 통해 Ta층 또는 Mg층으로 전달된다. 불연속 산화물층이 형성되지 않는다. 반면, 훨씬 낮은 산소 친화도를 갖는 귀금속층이 불연속층의 상부 상에 증착되는 경우에는, 귀금속층(146)과 절연층(142) 사이에 포획된(trapped) 산소 원자들이 남겨진다. 불연속 산화물 영역들 상의 포획된 산소 원자들은 어닐링 과정 동안 강한 붕소 친화도를 갖게 된다. 바람직하게는 자유층(130)으로부터 하이브리드 캡핑층(140)으로 붕소가 추출되면, 이는 수직 방향을 따라 붕소 농도에 구배를 제공한다. 하이브리드 캡핑층(140)에 가까울수록 붕소 함량이 높아지고, 비자성 스페이서층(120)에 가까울수록 붕소 함량이 훨씬 적어진다. 이러한 특유의 과정은 붕소 오염이 적은 보다 나은 터널링 계면을 제공함으로써 PMA를 강화하고 성능을 향상시킬 수 있다. 금속섬들(145)이 산화물섬들(oxide islands, 143)보다 크게 도시되었으나, 반드시 이와 같이 형성되는 것은 아니다. 또한, 산화물섬들(143)과 금속섬들(145)의 형상 및 종횡비는 특정 구현예를 나타내는 것이 아니며, 단순한 예시의 목적으로 도시된 것이다. 또한, 산화물섬들(143) 및 금속섬들(145)의 크기는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 균일하지 않고 다양하게 달라질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 불연속 산화물층(들)(144A)에 사용된 금속은 Mo, W, Nb 및 Zr 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, Mo, W, Nb 및 Zr 중 오직 하나의 금속만이 사용된다. 예를 들어, 산화물(143)은 산화몰리브데넘, 산화텅스텐, 산화나이오븀 및 산화지르코늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 산화물(143)은 산소결핍 절연층(142)으로부터 Mg-Al-산화물, Mg-Ti-산화물 및 Mg-Zr-산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 불연속 산화물층(144A)은 적어도 0.5 옹스트롬에서 3 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다.
도 3은 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기메모리와 같은 자기 디바이스들에서 사용 가능한 자기장치(100A)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 명확성을 위하여, 도 3은 일정한 비율로 도시된 것이 아니며 모든 구성요소들이 도시되지 않을 수 있다. 자기장치(100A)는 자기장치(100)와 유사하다. 이에 따라 유사한 구성요소들은 유사하게 지칭된다.
자기장치(100A)는 자기접합(103A) 및 하이브리드 캡핑층(140A)을 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 다른 하이브리드 캡핑층으로 대체될 수 있다. 자기접합(103A)은 기준층(110A), 기준층(110A)에 통합된 분극강화층(PEL)(150), 터널링 배리어층(120A)인 비자성 스페이서층, 및 자기모멘트(131)를 갖는 자유층(130)을 포함하는 하부 고정 자기접합이다. 기준층(110A), 터널링 배리어층(120A), 및 자기모멘트(131)를 갖는 자유층(130)은 도 1의 기준층(110), 비자성 스페이서층(120), 및 자기모멘트(131)를 갖는 자유층(130)과 유사하다. 임의적인 시드층(102) 및 기판(101)도 도시된다.
자기접합(103A)의 기준층(110A), 터널링 배리어층(120A) 및 자유층(130)에 사용되는 구조, 기능 및 재료(들)는 자기접합(103)의 기준층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 자유층(130)에 사용된 구조, 기능 및 재료(들)와 유사하다. 예를 들면, 터널링 배리어층(120A)은 결정성 MgO 배리어층일 수 있고, 자유층(130)은 FeB, FeB-X, FeCoB, FeCoB-X, B 프리 Fe, Fe-X, FeCo 및 FeCo-X 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, X는 Be, Ni, Mo, Mg, Zr, Ta, V, Cr, W, Hf, Nb 및 Tb로부터 선택된다. 그러나, 도시된 실시예에서, 기준층(110A)은 합성 반강자성체(SAF)이다. 따라서, 기준층(110A)은 Ru나 Ir과 같은 비자성층(114)에 의해 분리된 하부 강자성층(112)과 상부 강자성층(116) 및 분극강화층(150)을 포함한다. 강자성층들(112, 116 및 150)은 각각 반강자성적으로 결합된 자기모멘트(113, 117 및 151)를 갖는다.
기준층(110A)은 분극강화층(150)을 포함한다. 분극강화층(150)은 두 부분 즉, 분극강화층과 집합조직단절층(texture breaking layer)을 포함하거나, 이들로 이루어질 수 있다. 집합조직단절층은 결정성 강자성층들(112 및 116)로부터 면심입방(Face Centered Cubic: FCC) 집합조직 (111)을 단절하기 위해 비정질이다. 이는 Ta, Mo 및 W와 같은 단일층일 수 있다. 이는 Ta/CoFeB 및 Ta/CoFeB/Ta와 같은 이중층 또는 삼중층일 수 있다. 분극강화층은 터널링 배리어층(120A) 전의 스핀분극을 강화하기 위한 체심입방(Body Centered Cubic: BCC) 구조를 갖는 강자성층(들)이다. 이는 단일층 또는 다중층일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 분극강화층은 B를 포함하고, Co 및 Fe 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 분극강화층은 (CoFe)(1-x)Bx층 및/또는 Fe(1-x)Bx층을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 0.2 < x이다. 이러한 일부 실시예들에 따르면, x ≤ 0.6이다. 그러나, 다른 실시예들에 따르면, 다른 화학적 조성비 및/또는 다른 재료가 사용될 수 있다.
하이브리드 캡핑층(140A)도 도시된다. 하이브리드 캡핑층(140A)은 도 2에 도시된 하이브리드 캡핑층과 유사하다. 이에 따라, 하이브리드 캡핑층(140A)은 산소차단기로서 기능할 수 있는 절연층(142) 및 귀금속층(146)을 포함한다. 또한, 산화물섬들(143) 및 금속섬들(145)을 포함하는 불연속 산화물층(144A)도 도시된다. 해당 층들(142, 144A 및146)에 사용되는 재료들은 전술한 재료들과 유사할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 절연층(142)은 MgAl2O4층이고, 불연속 산화물층(144A)은 Mo 섬들(145)과 MgAl 및 부분 Mo 산화물 섬들(143)을 포함하며, 귀금속층(146)은 Ru이다. 다른 실시예들에 따르면, 절연층(142)은 MgAl2O4층이고, 불연속 산화물층(144A)은 Nb 섬들(145)과 MgAl 및 부분 Nb 산화물 섬들(143)을 포함하며, 귀금속층(146)은 Ru이다. 다른 실시예들에 따르면, 절연층(142)은 MgAl2O4층이고, 불연속 산화물층(144A)은 Zr 섬들(145)과 MgAl 및 부분 Zr 산화물 섬들(143)을 포함하며, 귀금속층(146)은 Ru이다. 그러나 전술한 바와 다른 재료들이 사용될 수도 있다.
자기접합(103/103A)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 하이브리드 캡핑층(140/140A)은 자기접합(103/103A)에 대한 포화 자화, 댐핑 상수, 저항 면적 곱(Resistance Area product: RA) 및 터널링 자기저항(TMR)의 실질적인 열화 없이 유효 자기 이방성 상수 
를 증가시킬 수 있다. 특히, 비자성 스페이서층(120/120A)으로서 MgO 배리어층을 채용하는 자기접합(103/103A)이 이 경우에 해당한다. 도 4a 내지 도 4f는 절연층 두께에 따른 자기접합의 예시적인 실시예들의 특성 변화를 도시한다. 그래프들(180, 182 및 184)은 귀금속층(146)에 사용하기 위해 선택된 귀금속들에 따른 보자력(coercivity, Hc), 터널링 자기저항(TMR) 및 RA의 변화를 도시한다. 그래프들(190, 192 및 194)은 Ru 귀금속층(146)의 t1(5 옹스트롬)에서 t5(60 옹스트롬) 사이의 상이한 두께에 따른 Hc, TMR 및 RA의 변화를 도시한다. 다만, 다른 실시예들에 따라 다른 두께들도 사용될 수 있다. 도 4a 내지 도 4f에서 알 수 있듯이, 보자력은 TMR과 RA가 유지되더라도 현저히 향상될 수 있다. 또한, 귀금속 Pt, Ir 및 Ru는 Mg 및 MgO에 비하여 크게 향상되는 특성을 보인다. 또한, 이러한 효과는 귀금속층(146)의 두께에 대하여 포화될 수 있다. 예를 들어, 종래의 MgO 또는 Ta-산화물 캡핑층을 갖는 자기접합은 대략 0.1-0.3 erg/cm2의 자유층 
를 가질 수 있다. 반면에, 본 개시의 일부 실시예들에서, 하이브리드 캡핑층(140/140A)을 사용하는 자기장치(100)의 자유층(130)에 대한 
는 약 0.7 erg/cm2일 수 있다. 따라서, 자기 이방성이 현저히 향상된다. RA, TMR 및 댐핑 상수는 실질적으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, RA는 10-11 Ωμm2 범위에 있을 수 있고 TMR은 140-160% 범위에 있을 수 있다. 이는 종래의 MgO 또는 Ta-산화물 캡핑층에 비해 높거나 견줄만한 TMR이다. 마찬가지로, 댐핑 상수는 α = 3-5 x 10-3의 댐핑 상수 범위에 머무를 수 있다. 유사하게, 포화 자화도 실질적으로 유지될 수 있다. 다만, 다른 RA, TMR, 댐핑 상수, 포화 자화 및 
도 가능하다.
자기장치(100A)는 자기장치(100)의 이점들을 공유한다. 하이브리드 캡핑층(140A)은 자기접합(103A)에 대한 포화 자화, 댐핑 상수, RA 및 TMR의 실질적인 열화 없이 유효 자기 이방성 상수를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 자기장치(100A)는 향상된 성능, 비트 크기의 증가된 변경가능성(scalability) 및 고온 동작 응용기술들을 가질 수 있다.
도 5는 하나 이상의 자기장치(100 및 100A), 자기접합(103/103A) 및 하이브리드 캡핑층(140/140A) 및/또는 다른 자기접합들을 사용할 수 있는 메모리(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기메모리(200)는 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들(202 및 206)과 워드라인 선택 드라이버(204)를 포함한다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다. 자기메모리(200)의 스토리지 영역은 자기 스토리지 셀들(210)을 포함한다. 각각의 자기 스토리지 셀은 적어도 하나의 자기장치(212) 및 적어도 하나의 선택소자(214)를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 선택소자(214)는 트랜지스터이다. 자기장치(212)는 자기장치들(100, 100A) 중 하나 및/또는 다른 유사 자기장치(들)일 수 있다. 셀(210) 당 하나의 자기장치(212)가 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 셀 당 다른 개수의 자기장치들(212)이 구비될 수 있다. 자기메모리(200)는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A) 및/또는 유사 자기장치를 포함하므로, 자기메모리(200)는 전술한 이점들을 가질 수 있다.
자기장치들(100 및 100A) 및 자기메모리(200)에 대하여 다양한 특징들이 설명되었다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 이러한 특징들이 도시되지 않은 방식(들)으로 본 명세서에 기술한 장치들 및 방법들과 모순되지 않게 결합될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 이러한 방법들, 시스템들 및 장치들에 따른 자기장치는 명시적으로 도시될 필요가 없다.
도 6은 STT-MRAM과 같은 자기 디바이스, 다른 STT 디바이스, SOT 디바이스 및 이에 따른 다양한 전자 디바이스들에서 사용 가능한 자기장치의 제조방법(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들은 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 통합될 수 있다. 또한, 본 방법(300)은 자기 디바이스를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 개시될 수 있다. 본 방법(300)은 단일 자기장치를 형성하는 경우와 관련하여 설명된다. 그러나, 다수의 자기장치들이 실질적으로 동시에 형성될 수도 있다. 본 방법(300)은 자기장치(100)와 관련하여서도 설명된다. 그러나, 자기장치(100A)와 같은 다른 자기접합이 형성될 수도 있다.
단계 302를 통해 자기접합(103)이 제공된다. 단계 302는 층들(110, 120 및 130)을 위한 재료들을 증착한 다음, 스택의 에지들을 규정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 증착된 층들 상에 마스크가 제공되고 층들의 노출부분들이 이온 밀링될 수 있다.
단계 304를 통해 하이브리드 캡핑층(140/140A)도 제공된다. 단계 304는 층들(142, 144A 및 146)을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 단계 302는 자기접합 스택의 층들과 하이브리드 캡핑층을 제공하는 단계를 포함한다. 자기접합(103)의 에지들 및 하이브리드 캡핑층(140)은 이러한 층들이 모두 증착된 후에 규정될 수 있다. 자기장치가 사용되는 디바이스를 위해 콘택 및 도전라인과 같은 추가 구조들도 형성될 수 있다. 그런 다음, 자기접합의 제조가 완료될 수 있다.
본 방법(300)을 사용하면, 향상된 성능을 갖는 자기장치가 제조될 수 있다. 자기접합(103/103A)에 대한 포화 자화, 댐핑 상수, RA 및 TMR의 희생 없이 자유층(130)의 유효 자기 이방성 상수가 실질적으로 향상될 수 있다. 결과적으로, 본 방법(300)을 사용하여 제조된 자기장치(100/100A)는 향상된 성능, 비트 크기의 증가된 변경가능성 및 고온 동작 응용기술들을 가질 수 있다.
도 7은 STT-MRAM와 같은 자기 디바이스, 다른 STT 디바이스, SOT 디바이스 및 이에 따른 다양한 전자 디바이스들에서 사용 가능한 자기장치의 제조방법(310)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들은 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 통합될 수 있다. 또한, 본 방법(310)은 자기 디바이스를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 개시될 수 있다. 본 방법(310)은 단일 자기장치를 형성하는 경우와 관련하여 설명된다. 그러나, 다수의 자기장치들이 실질적으로 동시에 형성될 수도 있다. 본 방법(310)은 자기장치(100A)와 관련하여서도 설명된다. 그러나, 자기장치(100)와 같은 다른 자기접합이 형성될 수도 있다.
단계 312를 통해 기준층(110A)이 제공된다. 단계 312는 비자성층(114)뿐만 아니라 강자성층들(112 및 116)을 제공하는 단계를 포함한다. 강자성층들(112 및 116)은 각각 평면 외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 기준층(110A)은 평면에 수직하게 배향된 자기모멘트를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 다른 다중층 또는 단일층이 단계 312에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 단계 312의 일부로서 분극강화층(150)이 임의적으로 제공될 수 있다.
단계 314를 통해 비자성 스페이서층(120A)이 제공된다. 일부 실시예들에 따르면, 결정성 MgO 터널링 배리어층이 형성될 수 있다. 단계 314는 예컨대 무선주파수(RF) 스퍼터링을 사용하여 MgO를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 Mg이 증착된 다음, 단계 314에서 산화되어 Mg의 천연 산화물을 제공할 수 있다. MgO 배리어층/비자성 스페이서층(120A)은 다른 방식으로도 형성될 수 있다. 단계 314는 자기접합의 향상된 터널링 자기저항(TMR)을 위해 (100) 방위의 결정성 MgO 터널링 배리어를 제공하도록, 이미 형성된 자기접합의 일부를 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 316을 통해 자유층(130)이 제공된다. 단계 316은 자유층(130)을 위한 재료(들)를 증착하는 단계를 포함한다. 단계 316에서 제공된 자유층(130)은 그의 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 자유층의 자기모멘트는 평면에 수직할 때를 포함하여 평면 외일 때 안정적일 수 있다. 단계 316에서 제공된 자유층(130)은 자기접합(103A)을 통하거나 자기접합(103A)에 인접한 높은 스핀궤도결합 라인을 통해 기입 전류가 흐를 때, 안정적인 자기 상태들 사이에서 반전될 수 있다. 단계 316에서 제공된 자유층(130)은 자성을 가지며, 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있고, 동작 온도들에서 열적으로 안정적이다.
단계 318을 통해 하이브리드 캡핑층(140A)이 제공된다. 이에 따라, 단계 318은 층들(142, 144A 및 146)을 제공하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 디바이스의 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 자기접합의 에지들이 규정된다. 이는 증착된 층들 상에 마스크를 제공하고 해당 층들의 노출부분들을 이온 밀링함으로써 수행될 수 있다. 하나 이상의 어닐링 공정도 수행될 수 있다. 층들(110, 150, 120, 130 및 140A)이 제공되는 것으로 설명되었으나, 일부 실시예들에 따르면 단계 312, 314, 316 및 318은 이 층들을 전면증착(blanket deposition)하는 단계를 포함한다. 자기접합(103A) 및 하이브리드 캡핑층(140A)의 에지들은 모든 층들이 증착된 후에 규정될 수 있다. 자기접합이 사용되는 디바이스를 위해 콘택 및 도전라인과 같은 추가 구조들도 형성될 수 있다. 그런 다음, 자기접합의 제조가 완료될 수 있다.
본 방법(310)을 사용하면, 향상된 성능을 갖는 자기장치가 제조될 수 있다. 자기접합(103A/103)에 대한 포화 자화, 댐핑 상수, RA 및 TMR의 희생 없이 자유층(130)의 유효 자기 이방성 상수는 실질적으로 향상될 수 있다. 결과적으로, 본 방법(310)을 사용하여 제조된 자기장치(100A)는 향상된 성능, 비트 크기의 증가된 변경가능성 및 고온 동작 응용기술들을 가질 수 있다.
도 8은 하이브리드 캡핑층의 제공방법(330)의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질 수 있다. 단일 자기접합에 관하여 설명되었으나, 다중 자기접합들도 제조될 수 있다. 설명의 간결성을 위해 본 방법은 하이브리드 캡핑층(140A) 및 자기장치(100A)와 관련하여 설명된다. 다만, 본 방법(330)은 하이브리드 캡핑층들(140 및/또는 140A)과 자기접합들(103 및/또는 130A) 중 모두에 있어서 사용될 수 있다.
단계 332를 통해 절연층(142)이 증착된다. 단계 332는 산화마그네슘-산화알루미늄, 산화마그네슘알루미늄, 산화타이타늄 도핑 산화마그네슘, 및 산화지르코늄 도핑 산화마그네슘 중 하나 이상을 증착하는 단계를 포함한다. 산소차단층으로 기능할 수 있는 다른 유사 절연층들이 전술한 층(들)에 더하여 또는 전술한 층(들)을 대체하여 사용될 수 있다.
단계 334를 통해 불연속 금속층이 제공된다. 예를 들어, 얇은 금속층이 단계 334에서 증착된다. 금속층은 Mo, W, Nb 및 Zr 중 하나 이상을 포함하거나, 이들 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 금속층은 적어도 0.5 옹스트롬에서 3 옹스트롬 미만의 두께를 갖는다. 이러한 일부 실시예들에서, 금속층은 1.5 옹스트롬 미만의 두께를 갖는다. 제공된 층이 충분히 얇기 때문에 금속층은 불연속적이다. 따라서, 금속섬들이 절연층(142) 상에 형성된다.
단계 336을 통해 산화처리가 수행된다. 산화처리는 자연 산화과정, 라디칼 산화과정 및 일반 산화과정 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 따라서, 단계 334에서 형성된 금속섬들 중 적어도 일부가 단계 336에서 산화된다. 형성된 층은 산화몰리브데넘, 산화텅스텐, 산화나이오븀 및 산화지르코늄을 포함할 수 있다. 결과적으로, 불연속 산화물층(144A)이 형성될 수 있다.
단계 338을 통해 귀금속층이 제공된다. 단계 338은 예컨대 스퍼터링에 의해 귀금속을 증착하는 단계를 포함한다. 단계 338에서 증착된 귀금속은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd 및 Os 중 적어도 하나를 포함하거나, 이들 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 단계 338은 귀금속을 적어도 10 옹스트롬만큼 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 적어도 20 옹스트롬이 증착된다. 귀금속층의 바람직한 효과(들)는 20 옹스트롬 두께의 층에 의해 달성될 수 있다. 결과적으로, 단계 338은 두께가 100 옹스트롬을 넘지 않는 층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 단계 338에서 제공된 귀금속층의 두께는 40 옹스트롬 이하이다. 이러한 일부 실시예들에서, 귀금속층의 두께는 30 옹스트롬 이하이다.
본 방법(330)을 사용하면, 하이브리드 캡핑층(140 및/또는 140A)이 제조될 수 있다. 자기접합(103 및/또는 103A)과 같은 자기접합과 함께 사용될 때, 자기접합(103 및/또는 103A)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자기접합(103A/103)에 대한 포화 자화, 댐핑 상수, RA 및 TMR의 희생 없이 자유층(130)의 유효 자기 이방성 상수는 실질적으로 향상될 수 있다. 결과적으로, 하이브리드 캡핑층(140 및/또는 140A)과 함께 사용되는 자기장치(100 및/또는 100A)는 향상된 성능, 비트 크기의 증가된 변경가능성 및 고온 동작 응용기술들을 가질 수 있다.
자기장치를 제공하는 방법 및 시스템과 그 자기장치를 이용하여 제조된 디바이스가 설명되었다. 본 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 따라 설명되었고, 본 발명의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형들이 가능함을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 청구범위의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의한 많은 변형들이 이루어질 수 있다.
100, 100A: 자기장치
101: 기판
102: 임의적인 시드층 103, 103A: 자기접합
110, 110A: 기준층 111, 113, 117, 131, 151: 자기모멘트
112, 116: 강자성층 114: 비자성층
120: 비자성 스페이서층 120A: 터널링 배리어층
130: 자유층 140, 140A: 하이브리드 캡핑층
142: 절연층 143: 산화물섬
144A: 불연속 산화물층 145: 금속섬
146: 귀금속층
102: 임의적인 시드층 103, 103A: 자기접합
110, 110A: 기준층 111, 113, 117, 131, 151: 자기모멘트
112, 116: 강자성층 114: 비자성층
120: 비자성 스페이서층 120A: 터널링 배리어층
130: 자유층 140, 140A: 하이브리드 캡핑층
142: 절연층 143: 산화물섬
144A: 불연속 산화물층 145: 금속섬
146: 귀금속층
Claims (20)
- 기판 상에 위치하고 자기 디바이스에서 사용 가능한 자기장치에 있어서,
자기접합; 및
상기 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 포함하되,
상기 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함하고, 상기 불연속 산화물층은 상기 절연층과 상기 귀금속층 사이에 위치하고, 상기 절연층은 상기 자기접합과 상기 귀금속층 사이에 위치하는, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 자기접합은,
기준층;
비자성 스페이서층; 및
복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능한 자유층을 더 포함하되,
상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 자유층은 소정의 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy) 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 갖는, 자기장치. - 제2항에 있어서,
상기 자유층 및 상기 기준층 중 적어도 하나는 소정의 수직 자기 이방성 에너지 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지를 갖는, 자기장치. - 제2항에 있어서,
상기 하이브리드 캡핑층은 상기 자유층에 인접하고,
상기 자유층은 상기 하이브리드 캡핑층 및 상기 비자성 스페이서층 사이에 위치하는, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 귀금속층은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd 및 Os 중 적어도 하나를 포함하는, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 귀금속층은 적어도 10 옹스트롬의 두께를 갖는, 자기장치. - 제6항에 있어서,
상기 두께는 적어도 20 옹스트롬에서 100 옹스트롬 이하인, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 불연속 산화물층은 산화물섬들(oxide islands) 및 금속섬들(metal islands)을 포함하는, 자기장치. - 제8항에 있어서,
상기 금속섬들은 Mo, W, Nb 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는, 자기장치. - 제8항에 있어서,
상기 불연속 산화물층은 산화몰리브데넘, 산화텅스텐, 산화나이오븀, 산화지르코늄, Mg-Al-산화물, Mg-Ti-산화물 및 Mg-Zr-산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 불연속 산화물층은 적어도 0.5 옹스트롬에서 3 옹스트롬 이하의 두께를 갖는, 자기장치. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 산화마그네슘-산화알루미늄(MgO-Al2O3), 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4), 산화타이타늄 도핑 산화마그네슘(TiO2-doped MgO) 및 산화지르코늄 도핑 산화마그네슘(ZrO2-doped MgO) 중 적어도 하나를 포함하는, 자기장치. - 제2항에 있어서,
상기 자유층은 FeB, FeB-X, FeCoB, FeCoB-X, B 프리 Fe, Fe-X, FeCo 및 FeCo-X 중 적어도 하나를 포함하며, X는 Be, Ni, Mo, Mg, Zr, Ta, V, Cr, W, Hf, Nb 및 Tb로부터 선택되는, 자기장치. - 기판 상에 위치하는 자기메모리에 있어서,
복수의 자기 스토리지 셀들; 및
상기 복수의 자기 스토리지 셀들과 결합된 복수의 비트 라인들을 포함하되,
상기 복수의 자기 스토리지 셀들 각각은 자기장치를 포함하고,
상기 자기장치는 적어도 하나의 자기접합 및 상기 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 포함하고,
상기 적어도 하나의 자기접합은 기준층, 비자성 스페이서층 및 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능한 자유층을 포함하고,
상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고,
상기 자유층은 소정의 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy) 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 갖고,
상기 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함하고, 상기 불연속 산화물층은 상기 절연층과 상기 귀금속층 사이에 위치하고, 상기 절연층은 상기 자유층과 상기 귀금속층 사이에 위치하는, 자기메모리. - 자기 디바이스에서 사용 가능한 자기장치를 제공하는 방법에 있어서,
자기접합을 제공하는 단계; 및
상기 자기접합에 인접한 하이브리드 캡핑층을 제공하는 단계를 포함하되,
상기 하이브리드 캡핑층은 절연층, 불연속 산화물층 및 귀금속층을 포함하고, 상기 불연속 산화물층은 상기 절연층과 상기 귀금속층 사이에 위치하고, 상기 절연층은 상기 자기접합과 상기 귀금속층 사이에 위치하는, 방법. - 제15항에 있어서,
상기 자기접합을 제공하는 단계는,
기준층을 제공하는 단계;
비자성 스페이서층을 제공하는 단계; 및
상기 자기접합을 통해 기입 전류가 흐르는 경우 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능한 자유층을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 자유층은 소정의 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy) 및 상기 수직 자기 이방성 에너지보다 작은 평면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 갖는, 방법. - 제15항에 있어서,
상기 하이브리드 캡핑층을 제공하는 단계는,
상기 절연층을 제공하는 단계;
상기 불연속 산화물층을 제공하는 단계; 및
상기 불연속 산화물층 상에 상기 귀금속층을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 불연속 산화물층을 제공하는 단계는,
불연속 금속층을 제공하는 단계; 및
상기 불연속 산화물층을 형성하도록 상기 불연속 금속층에 대해 산화처리를 수행하는 단계를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 산화처리는 일반 산화처리, 자연 산화처리 및 라디칼 산화처리 중 적어도 하나를 포함하는, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 하이브리드 캡핑층을 제공하는 단계는,
상기 자유층에 인접한 상기 하이브리드 캡핑층을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 자유층은 상기 하이브리드 캡핑층과 상기 비자성 스페이서층 사이에 위치하는, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 귀금속층은 Ru, Pt, Ir, Rh, Pd 및 Os 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 불연속 산화물층은 산화몰리브데넘, 산화텅스텐, 산화나이오븀, 산화지르코늄, Mg-Al-산화물, Mg-Ti-산화물 및 Mg-Zr-산화물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 절연층은 산화마그네슘-산화알루미늄(MgO-Al2O3), 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4), 산화타이타늄 도핑 산화마그네슘(TiO2-doped MgO) 및 산화지르코늄 도핑 산화마그네슘(ZrO2-doped MgO) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
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