KR20170093546A - 메모리 소자 - Google Patents
메모리 소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170093546A KR20170093546A KR1020160015086A KR20160015086A KR20170093546A KR 20170093546 A KR20170093546 A KR 20170093546A KR 1020160015086 A KR1020160015086 A KR 1020160015086A KR 20160015086 A KR20160015086 A KR 20160015086A KR 20170093546 A KR20170093546 A KR 20170093546A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- magnetic
- tunnel junction
- magnetic tunnel
- diffusion barrier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 173
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 71
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 69
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 41
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 14
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 8
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 310
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 30
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 17
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 12
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 4
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 230000003405 preventing effect Effects 0.000 description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 2
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021302 Co50Pt50 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019222 CoCrPt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000684 Cobalt-chrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015368 Fe50Pd50 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015366 Fe50Pt50 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 Pt or Pd Chemical class 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 239000010952 cobalt-chrome Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H01L43/02—
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- H01L43/08—
-
- H01L43/10—
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Abstract
본 발명은 기판 상에 하부 전극, 시드층, 합성 교환 반자성층, 분리층, 자기 터널 접합, 캐핑층 및 상부 전극이 적층 형성되며, 자기 터널 접합과 캐핑층 사이에 확산 배리어가 형성된 메모리 소자를 제시한다.
Description
본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로, 특히 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)을 이용하는 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
플래쉬 메모리 소자에 비해 소비 전력이 적고 집적도가 높은 차세대 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 차세대 비휘발성 메모리 소자로는 칼코게나이드 합금(chalcogenide alloy)과 같은 상변화 물질의 상태 변화를 이용하는 상변화 메모리(Phase change RAM; PRAM), 강자성체의 자화 상태에 따른 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)의 저항 변화를 이용하는 자기 메모리(Magnetic RAM; MRAM), 강유전체 물질의 분극 현상을 이용하는 강유전체 메모리(Ferroelectric RAM), 가변 저항 물질의 저항 변화를 이용하는 저항 변화 메모리(Resistance change RAM; ReRAM) 등이 있다.
자기 메모리로서 전자 주입에 의한 스핀 전달 토크(Spin-Transfer Torque; STT) 현상을 이용하여 자화를 반전시키고, 자화 반전 전후의 저항차를 판별하는 STT-MRAM(Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) 소자가 있다. STT-MRAM 소자는 각각 강자성체로 형성된 고정층(pinned layer) 및 자유층(free layer)과, 이들 사이에 터널 배리어(tunnel barrier)가 형성된 자기 터널 접합을 포함한다. 자기 터널 접합은 자유층과 고정층의 자화 방향이 동일(즉 평행(parallel))하면 전류 흐름이 용이하여 저저항 상태를 갖고, 자화 방향이 다르면(즉 반평행(anti parallel)) 전류가 감소하여 고저항 상태를 나타낸다. 또한, 자기 터널 접합은 자화 방향이 기판에 수직 방향으로만 변화하여야 하기 때문에 자유층 및 고정층이 수직 자화값을 가져야 한다. 자기장의 세기 및 방향에 따라 수직 자화값이 0을 기준으로 대칭이 되고 스퀘어니스(squareness; S)의 모양이 뚜렷이 나오게 되면(S=1) 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)이 우수하다고 할 수 있다. 이러한 STT-MRAM 소자는 이론적으로 1015 이상의 사이클링(cycling)이 가능하고, 나노초(ns) 정도의 빠른 속도로 스위칭이 가능하다. 특히, 수직 자화형 STT-MRAM 소자는 이론상 스케일링 한계(Scaling Limit)가 없고, 스케일링이 진행될수록 구동 전류의 전류 밀도를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 DRAM 소자를 대체할 수 있는 차세대 메모리 소자로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 한편, STT-MRAM 소자의 예가 한국등록특허 제10-1040163호에 제시되어 있다.
일반적으로, STT-MRAM 소자는 자유층 하부에 시드층이 형성되고, 고정층 상부에 분리층이 형성되며, 분리층 상부에 합성 교환 반자성층 및 상부 전극이 형성된다. 그리고, STT-MRAM 소자는 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막이 형성된 후 그 상부에 시드층 및 자기 터널 접합이 형성된다. 또한, 실리콘 기판 상에는 트랜지스터 등의 선택 소자가 형성될 수 있고, 실리콘 산화막은 선택 소자를 덮도록 형성될 수 있다. 따라서, STT-MRAM 소자는 선택 소자가 형성된 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막, 시드층, 자유층, 터널 배리어, 고정층, 분리층, 합성 교환 반자성층 및 상부 전극의 적층 구조를 갖는다. 여기서, 시드층 및 분리층은 탄탈륨(Ta)를 이용하여 형성하고, 합성 교환 반자성층은 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 하부 자성층 및 상부 자성층과, 이들 사이에 비자성층이 형성된 구조를 갖는다. 즉, 기판을 중심으로 자기 터널 접합이 하측에 형성되고 합성 교환 반자성층이 상측에 형성된다.
그런데, bcc(100) 방향으로 텍스처링되는 자기 터널 접합 상측에 fcc(111)의 합성 교환 반자성층이 형성되므로 합성 교환 반자성층을 형성할 때 fcc(111) 구조가 자기 터널 접합으로 확산되어 bcc(100) 결정을 악화시킬 수 있다. 즉, 합성 교환 반자성층을 형성할 때 그 물질의 일부가 자기 터널 접합으로 확산되어 자기 터널 접합의 결정성을 악화시킬 수 있다. 따라서, 자기 터널 접합의 자화 방향이 급격하게 변화될 수 없어 메모리의 동작 속도가 저하되거나 동작하지 않는 문제가 발생될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 기판 상에 합성 교환 반자성층을 먼저 형성한 후 그 상부에 자기 터널 접합을 형성할 수 있다. 또한, 자기 터널 접합 상에 상부 전극의 확산을 방지하기 위해 텅스텐을 이용하여 캐핑층을 형성한다. 따라서, 합성 교환 반자성층의 물질이 자기 터널 접합으로 확산되지 않으므로 자기 터널 접합의 bcc(100) 결정을 보존할 수 있다. 그런데, 패시베이션 공정 및 금속 배선 공정 등의 공정을 거치면서 자기 터널 접합 상에 형성된 캐핑층, 즉 텅스텐이 자기 터널 접합으로 확산된다. 따라서, 자기 터널 접합의 동작에 문제가 발생되어 소자의 특성이 열화될 수 있다.
본 발명은 기판 상에 합성 교환 반자성층 및 자기 터널 접합이 적층된 메모리 소자를 제공한다.
본 발명은 자기 터널 접합 상에 형성된 캐핑층 물질의 확산을 방지할 수 있는 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 메모리 소자는 기판 상에 하부 전극, 시드층, 합성 교환 반자성층, 분리층, 자기 터널 접합, 캐핑층 및 상부 전극이 적층 형성되며, 상기 자기 터널 접합과 캐핑층 사이에 확산 배리어가 형성된다.
상기 자기 터널 접합과 상기 확산 배리어 사이에 형성된 산화물층을 더 포함한다.
상기 자기 터널 접합은 고정층, 터널 배리어 및 자유층이 적층되고, 상기 자유층은 제 1 자화층, 자화를 갖지 않는 삽입층 및 제 2 자화층을 포함한다.
상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가진다.
상기 캐핑층은 bcc 구조를 갖는 물질로 형성되며, W를 포함하는 물질로 형성된다.
상기 확산 배리어는 상기 캐핑층 물질보다 원자 사이즈가 작은 물질로 형성된다.
상기 확산 배리어는 Fe, Cr, Mo, V 중 적어도 하나로 형성된다.
상기 확산 배리어는 0.1㎚ 내지 0.7㎚의 두께로 형성된다.
본 발명의 다른 양태에 따른 메모리 소자는 기판 상에 하부 전극, 시드층, 합성 교환 반자성층, 분리층, 자기 터널 접합 및 상부 전극이 적층 형성되며, 상기 자기 터널 접합은 이중 자유층을 포함하고, 상기 자기 터널 접합과 상부 전극 사이에 산화물층, 확산 배리어 및 캐핑층이 적층 형성되며, 상기 확산 배리어가 상기 캐핑층 물질의 적어도 상기 산화물층으로의 확산을 방지한다.
상기 산화물층은 MgO를 포함하고, 상기 확산 배리어는 Fe를 포함하며, 상기 캐핑층은 W를 포함한다.
상기 Fe는 0.1㎚ 내지 0.7㎚의 두께로 형성된다.
본 발명은 하부 전극을 다결정 물질로 형성하고, 그 상부에 합성 교환 반자성층을 형성한 후 자기 터널 접합을 형성한다. 따라서, 합성 교환 반자성층의 fcc(111) 구조가 자기 터널 접합으로 확산되지 않으므로 자기 터널 접합의 bcc(100) 결정을 보존할 수 있고, 그에 따라 자기 터널 접합의 자화 방향이 급격하게 변화시킬 수 있어 메모리의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 자기 터널 접합과 캐핑층 사이에 확산 배리어를 형성함으로써 캐핑층 물질의 자기 터널 접합으로의 확산을 방지할 수 있다. 따라서, 자기 터널 접합의 정상 동작을 확보할 수 있어 메모리 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 단면도.
도 2는 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 확산 배리어의 두께에 따른 터널 자기 저항비를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 자성 특성을 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 TEM 사진.
도 7 및 도 8은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 이온 확산 분포를 도시한 도면.
도 2는 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 확산 배리어의 두께에 따른 터널 자기 저항비를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 자성 특성을 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 TEM 사진.
도 7 및 도 8은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 이온 확산 분포를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 단면도로서, STT-MRAM 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메모리 소자는 기판(100) 상에 형성된 하부 전극(110), 제 1 버퍼층(120), 시드층(130), 합성 교환 반자성층(140), 분리층(150), 고정층(160), 터널 배리어(170), 자유층(180), 제 2 버퍼층(190), 확산 배리어(200), 캐핑층(210) 및 상부 전극(220)을 포함한다. 여기서, 합성 교환 반자성층(140)은 제 1 자성층(141), 비자성층(142) 및 제 2 자성층(143)의 적층 구조로 형성되며, 고정층(160), 터널 배리어(170) 및 자유층(180)은 자기 터널 접합을 이룬다. 즉, 기판(100) 상에 하부 전극(110)으로부터 상부 전극(220)이 순서대로 적층 형성되며, 본 발명의 일 실시 예는 기판(100) 상에 합성 교환 반자성층(140)이 먼저 형성된 후 자기 터널 접합이 형성된다.
기판(100)은 반도체 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 실리콘 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 실리콘 산화막 기판 등을 이용할 수 있는데, 본 실시 예에서는 실리콘 기판을 이용한다. 또한, 기판(100) 상에는 트랜지스터를 포함하는 선택 소자가 형성될 수 있다. 한편, 기판(100) 상에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 즉, 절연층은 선택 소자 등의 소정의 구조물을 덮도록 형성될 수 있고, 절연층에는 선택 소자의 적어도 일부를 노출시키는 콘택홀이 형성될 수 있다. 이러한 절연층은 비정질 구조의 실리콘 산화막(SiO2) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
하부 전극(110)은 기판(100) 상에 형성된다. 이러한 하부 전극(110)은 금속, 금속 질화물 등의 도전 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 하부 전극(110)은 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 하부 전극(110)은 단일층으로 형성될 수도 있고, 둘 이상의 복수의 층으로 형성될 수도 있다. 하부 전극(110)이 단일층으로 형성되는 경우 예를 들어 티타늄 질화막(TiN) 등의 금속 질화물로 형성될 수 있다. 또한, 하부 전극(110)은 예를 들어 제 1 및 제 2 하부 전극의 이중 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 하부 전극은 기판(100) 상에 형성될 수 있고, 제 2 하부 전극은 제 1 하부 전극 상에 형성될 수 있다. 한편, 기판(100) 상에 절연층이 형성되는 경우 제 1 하부 전극은 절연층 상에 형성될 수 있고, 절연층 내부에 형성될 수 있으며, 그에 따라 기판(100) 상에 형성된 선택 소자와 연결될 수도 있다. 이러한 하부 전극(110)은 다결정(polycrystal)의 도전 물질로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 하부 전극는 bcc 구조의 도전 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 하부 전극은 텅스텐(W) 등의 금속으로 형성될 수 있고, 제 2 하부 전극은 티타늄 질화막(TiN) 등의 금속 질화물로 형성될 수 있다.
제 1 버퍼층(120)은 하부 전극(110) 상부에 형성된다. 제 1 버퍼층(120)은 하부 전극(110)과 시드층(130)의 격자 상수 불일치를 해소하기 위해 하부 전극(110)과 정합성이 우수한 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(110) 또는 제 2 하부 전극이 TiN으로 형성되는 경우 제 1 버퍼층(120)은 TiN과 격자 정합성이 우수한 탄탈륨(Ta)을 이용하여 형성할 수 있다. 여기서, Ta는 비정질이지만, 하부 전극(110)이 다결정이기 때문에 비정질의 제 1 버퍼층(120)은 다결정의 하부 전극(110)의 결정 방향을 따라 성장될 수 있고, 이후 열처리에 의해 결정성이 향상될 수 있다. 한편, 제 1 버퍼층(120)은 예를 들어 2㎚∼10㎚의 두께로 형성될 수 있다.
시드층(130)은 제 1 버퍼층(120) 상에 형성된다. 시드층(130)은 합성 교환 반자성층(140)이 결정 성장할 수 있도록 하는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 시드층(130)은 합성 교환 반자성층(140)의 제 1 및 제 2 자성층(141, 143)이 원하는 결정 방향으로 성장할 수 있도록 한다. 예를 들어, 면심 입방 격자(Face Centered Cubic: FCC)의 (111) 방향 또는 육방 밀집 구조(Hexagonal Close-Packed Structure: HCP)의 (001) 방향으로 결정의 성장을 용이하게 하는 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 시드층(130)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게, 시드층(130)은 백금(Pt)으로 형성할 수 있고, 1㎚∼3㎚의 두께로 형성할 수 있다.
합성 교환 반자성층(140)은 시드층(130) 상에 형성된다. 합성 교환 반자성층(140)은 고정층(160)의 자화를 고정시키는 역할을 한다. 합성 교환 반자성층(140)은 제 1 자성층(141), 비자성층(142) 및 제 2 자성층(143)을 포함한다. 즉, 합성 교환 반자성층(140)은 제 1 자성층(141)과 제 2 자성층(143)이 비자성층(142)을 매개로 반강자성적으로 결합된다. 이때, 제 1 자성층(141)과 제 2 자성층(143)은 FCC(111) 방향 또는 HCP(001) 방향의 결정을 가질 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 자성층(141, 143)의 자화 방향은 반평행하게 배열되는데, 예를 들어 제 1 자성층(141)은 상측 방향(즉, 상부 전극(220) 방향)으로 자화되고, 제 2 자성층(143)은 하측 방향(즉, 기판(100) 방향)으로 자화될 수 있다. 이와 반대로, 제 1 자성층(141)은 하측 방향으로 자화되고, 제 2 자성층(143)은 상측 방향으로 자화될 수도 있다. 제 1 자성층(141) 및 제 2 자성층(143)은 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 자성 금속으로 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있고, 비자성 금속으로 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 자성층(141) 및 제 2 자성층(143)은 [Co/Pd]n, [Co/Pt]n 또는 [CoFe/Pt]n (여기서, n은 1 이상의 정수)로 형성될 수 있다. 이때, 제 1 자성층(141)이 제 2 자성층(143)보다 두껍게 형성될 수 있다. 또한, 제 1 자성층(141)은 복수의 층으로 형성되고, 제 2 자성층(143)은 단일층으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 자성층(141)은 자성 금속과 비자성 금속이 복수회 반복 적층된 구조로 형성될 수 있고, 제 2 자성층(143)은 자성 금속과 비자성 금속이 한번 적층된, 즉 단일 적층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자성층(141, 143)이 동일 물질이 동일 두께로 복수 적층될 수 있는데, 제 1 자성층(141)이 제 2 자성층(143)보다 많은 적층 수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 자성층(141)은 Co 및 Pt가 6회 반복 적층된 [Co/Pt]6으로 형성될 수 있고, 제 2 자성층(143)은 Co 및 Pt가 3회 반복 적층된 [Co/Pt]3으로 형성될 수 있다. 이때, Co는 예를 들어 0.3㎚∼0.5㎚의 두께로 형성될 수 있고, Pt는 Co보다 얇거나 같은 두께, 예를 들어 0.2㎚∼0.4㎚의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 자성층(141)은 반복 적층된 Co/Pt, 즉 [Co/Pt]6 상에 Co가 더 형성될 수 있다. 즉, 제 1 자성층(141)은 Co가 Pt보다 한층 더 형성될 수 있고, 최상층의 Co는 그 하측의 Co보다 두껍게 형성될 수 있는데, 예를 들어, 0.5㎚∼0.7㎚의 두께로 형성될 수 있다. 그리고, 제 2 자성층(143)은 [Co/Pt]3 하측에 Co 및 Pt가 더 형성되고, 상측 Co가 더 형성될 수 있다. 즉, 비자성층(142) 상에 Co, Pt, [Co/Pt]3 및 Co가 적층되어 제 2 자성층(143)이 형성될 수 있다. 이때, [Co/Pt]3 하측의 Co는 [Co/Pt]3의 Co보다 같거나 두꺼운 두께, 예를 들어 0.5㎚∼0.7㎚의 두께로 형성될 수 있고, [Co/Pt]3 하측의 Pt는 [Co/Pt]3의 Pt와 동일 두께로 형성될 수 있으며, 상측의 Co는 [Co/Pt]3의 Co와 동일 두께로 형성될 수 있다. 비자성층(142)은 제 1 자성층(141)과 제 1 자성층(143)의 사이에 형성되며, 제 1 자성층(141) 및 제 2 자성층(143)이 반자성 결합을 할 수 있도록 하는 비자성 물질로 형성된다. 예를 들어, 비자성층(142)은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있다. 한편, 제 2 자성층(143)이 단일 적층 구조, 즉 단일층으로 형성될 경우 제 1 자성층(141)의 두께도 줄일 수 있고, 그에 따라 전체적인 메모리 소자의 두께를 줄일 수 있다. 즉, 비자성층(142)를 중심으로 제 1 자성층(183)의 자화값과 제 2 자성층(143) 및 고정층(160)의 자화값의 합이 동일해야 한다. 그런데, 제 2 자성층(143)을 복수 적층 구조로 형성하는 경우 제 2 자성층(143) 및 고정층(160)의 자화값의 합과 제 1 자성층(141)의 자화값이 동일하도록 하기 위해 제 1 자성층(141)은 제 2 자성층(143)보다 반복 회수를 더 증가시켜 형성한다. 그러나, 본 발명은 제 2 자성층(143)을 단일 구조로 형성함으로써 제 1 자성층(141)의 적층 회수를 종래보다 줄일 수 있고, 그에 따라 메모리 소자의 전체적인 두께를 줄일 수 있다.
분리층(150)은 합성 교환 반자성층(140) 상부에 형성된다. 분리층(150)이 형성됨으로써 합성 교환 반자성층(140)과 고정층(160)의 자화는 서로 독립적으로 발생된다. 또한, 분리층(150)은 고정층(160), 터널 배리어(170) 및 자유층(180)을 포함하는 자기 터널 접합의 결정성을 향상시킬 수 있는 물질로 형성된다. 이를 위해 분리층(150)은 다결정 물질, 예를 들어 bcc 구조의 도전 물질로 형성될 수 있는데, 텅스텐(W)으로 형성될 수 있다. 이렇게 분리층(150)이 다결정 물질로 형성됨으로써 그 상부에 형성되는 고정층(160), 터널 배리어(170) 및 자유층(180)을 포함하는 자기 터널 접합의 결정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 다결정의 분리층(150)이 형성되면 그 상부에 형성되는 비정질의 자기 터널 접합이 분리층(150)의 결정 방향을 따라 성장되고, 이후 수직 자기 이방성을 위해 열처리를 하게 되면 자기 터널 접합이 결정성이 종래보다 향상될 수 있다. 특히, W을 분리층(150)으로 이용하게 되면 400℃ 이상, 예를 들어 400℃∼500℃의 고온 열처리 후에 결정화됨으로써 터널 배리어(170) 안으로의 이종 물질의 확산을 억제하고 더 나아가 고정층(160) 및 자유층(180)을 결정화시켜 자기 터널 접합의 수직 자기 이방성을 유지할 수 있다. 즉, 자기 터널 접합의 결정성이 향상되면 자기장을 인가했을 때 자화가 더 크게 발생되고, 평행 상태에서 자기 터널 접합을 통해 흐르는 전류가 더 많아진다. 따라서, 이러한 자기 터널 접합을 메모리 소자에 적용하면 소자의 동작 속도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 한편, 분리층(150)은 예를 들어 0.2㎚∼0.5㎚의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 합성 교환 반자성층(140)의 제 2 자성층(143)과 고정층(160)이 페로커플링(ferro coupling)되어야 고정층(160)의 자화 방향이 고정되지만, W를 이용한 분리층(150)이 0.5㎚를 초과하는 두께로 형성되면 분리층(150)의 두께 증가로 인하여 고정층(160)의 자화 방향이 고정되지 않고 자유층(180)과 동일한 자화 방향을 가져 MRAM 소자에서 필요한 동일 자화 방향 및 다른 자화 방향이 발생하지 않아 메모리로 동작하지 않는다.
고정층(160)은 분리층(150) 상에 형성되고, 강자성체 물질로 형성된다. 고정층(160)은 소정 범위 내의 자기장에서 자화가 한 방향으로 고정되며, 강자성체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부에서 하부로 향하는 방향으로 자화가 고정될 수 있다. 이러한 고정층(160)은 예를 들어 풀-호이슬러(Full-Heusler) 반금속 계열의 합금, 비정질계 희토류 원소 합금, 자성 금속(ferromagnetic metal)과 비자성 금속(nonmagnetic matal)이 교대로 적층된 다층 박막, L10형 결정 구조를 갖는 합금 또는 코발트계 합금 등의 강자성체 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 풀-호이슬러 반금속 계열의 합금으로는 CoFeAl, CoFeAlSi 등이 있고, 비정질계 희토류 원소 합금으로는 TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo 등의 합금이 있다. 또한, 비자성 금속과 자성 금속이 교대로 적층된 다층 박막으로는 Co/Pt, Co/Pd, CoCr/Pt, Co/Ru, Co/Os, Co/Au, Ni/Cu, CoFeAl/Pd, CoFeAl/Pt, CoFeB/Pd, CoFeB/Pt 등이 있다. 그리고, L10형 결정 구조를 갖는 합금으로는 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Fe30Ni20Pt50, Co30Ni20Pt50 등이 있다. 또한, 코발트계 합금으로는 CoCr, CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCrPtTa, CoCrNb, CoFeB 등이 있다. 이러한 물질들 중에서 CoFeB 단일층은 CoFeB와 Co/Pt 또는 Co/Pd의 다층 구조에 비해 두껍게 형성될 수 있어 자기 저항비를 증가시킬 수 있다. 또한, CoFeB는 Pt 또는 Pd 등과 같은 금속보다 식각이 용이하므로 CoFeB 단일층은 Pt 또는 Pd 등이 함유된 다층 구조에 비해 제조 공정이 용이하다. 뿐만 아니라 CoFeB는 두께를 조절함으로써 수직 자화 뿐만 아니라 수평 자화를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 CoFeB 단일층을 이용하여 고정층(160)을 형성하며, CoFeB는 비정질로 형성된 후 열처리에 의해 BCC(100)으로 텍스처링(texturing)된다. 한편, 고정층(160)은 예를 들어 0.5㎚∼1.5㎚의 두께로 형성될 수 있다.
터널 배리어(170)는 고정층(160) 상에 형성되어 고정층(160)과 자유층(180)을 분리한다. 터널 배리어(170)는 고정층(160)과 자유층(180) 사이에 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)이 가능하게 한다. 이러한 터널 배리어(170)는 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 실리콘 질화물(SiNx) 또는 알루미늄 질화물(AlNx) 등으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 터널 배리어(170)로 다결정의 마그네슘 산화물을 이용한다. 마그네슘 산화물은 이후 열처리에 의해 BCC(100)으로 텍스처링된다. 한편, 터널 배리어(170)는 고정층(160)과 동일하거나 두껍게 형성될 수 있는데, 예를 들어 0.5㎚∼1.5㎚의 두께로 형성될 수 있다.
자유층(180)은 터널 배리어(170) 상에 형성된다. 이러한 자유층(180)은 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변화될 수 있다. 즉, 자유층(180)은 고정층(160)과 자화 방향이 동일(즉 평행)할 수 있고, 반대(즉 반평행)일 수도 있다. 자기 터널 접합은 자유층(180)과 고정층(160)의 자화 배열에 따라 변하는 저항값에 '0' 또는 '1'의 정보를 대응시킴으로써 메모리 소자로 활용될 수 있다. 예를 들어, 자유층(180)의 자화 방향이 고정층(160)과 평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 작아지고, 이 경우를 데이터 '0' 이라 규정할 수 있다. 또한, 자유층(180)의 자화 방향이 고정층(160)과 반평행일 때, 자기 터널 접합의 저항값은 커지고, 이 경우를 데이터 '1'이라 규정할 수 있다. 이러한 자유층(180)은 예를 들어 풀-호이슬러(Full-Heusler) 반금속 계열의 합금, 비정질계 희토류 원소 합금, 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 다층 박막 또는 L10형 결정 구조를 갖는 합금 등의 강자성체 물질로 형성될 수 있다. 한편, 자유층(180)은 제 1 자유층(181), 삽입층(182) 및 제 2 자유층(183)의 적층 구조로 형성될 수 있다. 즉, 자유층(180)은 삽입층(182)에 의해 상하 분리된 제 1 및 제 2 자유층(181, 183)의 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 자유층(181, 183)은 동일 방향의 자화를 가질 수 있고, 서로 다른 방향의 자화를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자유층(181, 183)은 수직 자화를 각각 가질 수 있고, 제 1 자유층(181)이 수직 자화를 갖고 제 2 자유층(183)이 수평 자화를 가질 수 있다. 또한, 삽입층(182)은 자화를 갖지 않는 bcc 구조의 물질로 형성할 수 있다. 즉, 제 1 자유층(181)이 수직으로 자화되고, 삽입층(182)이 자화되지 않으며, 제 2 자유층(183)이 수직 또는 수평으로 자화될 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 자유층(181, 183)은 각각 CoFeB로 형성되며, 제 1 자유층(181)이 제 2 자유층(183)보다 얇거나 같은 두께로 형성될 수 있다. 또한, 삽압층(182)은 제 1 및 제 2 자유층(183)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자유층(181, 183)은 CoFeB를 이용하여 0.5㎚∼1.5㎚의 두께로 형성하고, 삽입층(182)은 bcc 구조의 물질, 예를 들어 W을 0.2㎚∼0.5㎚의 두께로 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 자유층(181, 182)은 고정층(160)과 동일하거나 얇은 두께로 형성될 수 있고, 자유층(180) 전체 두께는 고정층(160)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 한편, 제 1 자유층(181)은 수직 자화를 더 증대시키기 위해 Fe를 더 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 제 1 자유층(181)은 Fe 및 CoFeB가 적층되어 형성될 수 있다. 이때, Fe는 CoFeB보다 얇은 두께로 형성될 수 있는데, 예를 들어 0.3㎚∼0.5㎚의 두께로 형성될 수 있다.
제 2 버퍼층(190)은 자유층(180) 상에 형성된다. 이러한 제 2 버퍼층(190)은 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5) 등으로 형성될 수 있다. 즉, 제 2 버퍼층(190)은 산화물로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 제 2 버퍼층(190)로 다결정의 마그네슘 산화물을 이용한다. 이러한 제 2 버퍼층(190)은 자유층(180)이 수직 자기 특성을 갖도록 하기 위해 형성된다. 즉, 제 2 버퍼층(190)의 산소가 자유층(180)으로 확산하여 자유층(180) 내의 물질과 결합함으로써 자유층(180)이 수직 자기 특성을 갖도록 한다. 한편, 제 2 버퍼층(190)은 예를 들어, 0.8㎚∼1.2㎚의 두께로 형성할 수 있다.
확산 배리어(200)는 제 2 버퍼층(190) 상에 형성된다. 이러한 확산 배리어(200)는 확산 배리어(200) 상에 형성되는 캐핑층(210) 구성 물질의 확산을 방지하기 위해 형성된다. 즉, 패시베이션 공정 및 배선 공정 등의 후속 공정을 실시할 때 캐핑층(210), 예를 들어 텅스텐이 하측의 자기 터널 접합으로 확산할 수 있다. 텅스텐이 자기 터널 접합으로 확산되면 자기 터널 접합의 수직 자기 특성에 문제를 발생시켜 소자의 특성을 열화시키게 된다. 이러한 캐핑층(210) 물질의 확산을 방지하기 위해 제 2 버퍼층(190)과 캐핑층(210) 사이에 확산 배리어(200)를 형성한다. 확산 배리어(200)는 텅스텐보다 원자 사이즈가 작은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 확산 배리어(200)는 Fe, Cr, Mo, V 등의 물질로 형성될 수 있고, 바람직하게는 Fe로 형성될 수 있다. 또한, 확산 배리어(200)는 예를 들어 0.1㎚∼0.7㎚의 두께로 형성될 수 있다. 그런데, 확산 배리어(200), 예를 들어 Fe를 0.7㎚를 초과하여 두껍게 형성할 경우 Fe가 자기 특성을 갖기 때문에 수평 자기 특성을 나타낸다. 즉, Fe가 두껍게 형성되면 자기 터널 접합의 자유층(180)이 수직 자기 특성을 갖지 않고 수평 자기 특성을 가질 수 있다. 또한, 확산 배리어(200)를 얇게 형성할 경우 캐핑층(210) 물질의 확산 방지 효과가 크지 않을 수 있다. 따라서, 확산 배리어(200)는 캐핑층(210)의 확산을 방지하고 자기 터널 접합이 수평 자기 특성이 나타나지 않을 정도의 두께로 형성할 수 있는데, 예를 들어 0.1㎚∼0.7㎚로 형성할 수 있다.
캐핑층(210)은 확산 배리어(200) 상에 형성된다. 이러한 캐핑층(210)은 다결정 물질, 예를 들어 bcc 구조의 도전 물질로 형성된다. 예를 들어, 캐핑층(210)은 텅스텐(W)으로 형성될 수 있다. 이렇게 캐핑층(210)이 다결정 물질로 형성됨으로써 그 하부의 자기 터널 접합의 결정성을 향상시킬 수 있다. 즉, bcc 구조의 분리층(150) 상에 비정질의 자기 터널 접합이 형성되면 비정질의 자기 터널 접합이 분리층(150)의 결정 방향을 따라 성장되고, 자기 터널 접합 상에 bcc 구조의 캐핑층(210)이 형성되어 이후 열처리를 하게 되면 자기 터널 접합의 결정성이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 캐핑층(210)은 상부 전극(220)의 확산을 방지하는 역할을 한다. 이러한 캐핑층(210)은 예를 들어 1㎚∼4㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상부 전극(220)은 캐핑층(210) 상에 형성된다. 이러한 상부 전극(220)은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(220)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따른 메모리 소자는 하부 전극(110)을 다결정 물질로 형성하고, 그 상부에 합성 교환 반자성층(140)을 형성한 후 자기 터널 접합을 형성한다. 따라서, 합성 교환 반자성층(140)의 fcc(111) 구조가 자기 터널 접합으로 확산되지 않으므로 자기 터널 접합의 bcc(100) 결정을 보존할 수 있고, 그에 따라 자기 터널 접합의 자화 방향이 급격하게 변화시킬 수 있어 메모리의 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 자기 터널 접합 상의 제 2 버퍼층(190)과 캐핑층(210) 사이에 확산 배리어(200)를 형성함으로써 캐핑층(210)의 확산을 방지할 수 있다. 즉, 자기 터널 접합과 캐핑층(210) 사이에 확산 배리어(200)가 형성됨으로써 후속 공정에서 캐핑층(210)의 구성 물질이 자기 터널 접합 측으로 확산되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 자기 터널 접합의 정상 동작을 확보할 수 있어 메모리 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 확산 배리어의 두께에 따른 자기 저항(Tunnel Magnetic Resistance; TMR)비를 도시한 도면이다. 즉, 도 2는 확산 배리어를 형성하지 않은 비교 예의 메모리 소자와, 확산 배리어를 0.2㎚∼0.7㎚의 두께로 형성한 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 자기 저항비를 측정한 그래프이다. 이때, 종래 예 및 본 발명의 실시 예는 구조 및 두께를 동일하게 형성하고 본 발명의 실시 예는 종래 예에 비해 확산 배리어를 더 형성하였다. 도 2에 도시된 바와 같이 확산 배리어를 형성하고 확산 배리어의 두께가 0.3㎚까지는 자기 저항비가 상승하다가 0.3㎚를 초과하여 0.7㎚까지는 감소하였다. 자기 저항비는 확산 배리어가 0.3㎚일 때 153%으로 최대인 것을 확인할 수 있다. 그러나, 확산 배리어의 두께가 0.2㎚ 이상 0.3㎚ 미만인 경우나 0.3㎚ 초과 0.7㎚ 이하인 경우에도 자기 저항비가 확산 배리어를 형성하지 않은 비교 예에 비해 증가하게 된다. 한편, 터널 자기 저항비는 CiPT(current in plane tunneling method) 방식의 장비를 통해 측정되었다. CiPT 측정 방식은 얇은 상부 전극 위에 두개의 프로브를 접합시켜 수 ㎛씩 간격을 차별화하여 측정하게 되며, 이때 수 ㎛ 간격씩 측정된 얇은 상부 전극과 두꺼운 하부 전극 사이의 저항들을 피팅하여 장비 자체에서 터널 자기 저항비를 산출하게 된다.
도 3 및 도 4는 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 자성 특성을 도시한 도면이다. 즉, 도 3(a) 및 도 4(a)는 확산 배리어를 형성하지 않은 비교 예의 자기 터널 접합 및 자유층의 자성 특성을 도시한 도면이고, 도 3(b) 및 도 4(b)는 확산 배리어를 형성한 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 터널 접합 및 자유층의 자성 특성을 도시한 도면이다. 여기서, 도 3(a) 및 도 4(a) 내의 화살표는 하측으로부터 상측으로 합성 교환 반자성층의 제 1 자성층 및 제 2 자성층, 고정층 및 자유층의 자기 방향을 나타내며, 도 3(b) 및 도 4(b)은 수직 자기 이방성과 수평 자기 이방성을 나타낸다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예는 도 3(a)에 도시된 비교 예와 마찬가지로 자유층이 보자력과 스퀘어니스를 잘 유지함을 알 수 있다. 또한, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 비교 예의 자유층은 수직 자화도가 165μemu이며 수평 자화도는 73μemu로서 수직 및 수평 자기 이방성이 모두 나타난다. 그러나, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예의 자유층은 수직 자화도가 217μemu이며 수평 자화도는 수평 자기 이방성이 없이 자화도만 29μemu를 가지고 있다. 따라서, Fe를 이용하여 확산 배리어를 형성하면 수직 자기 이방성이 향상되며 수직 자기 이방성의 방해가 되는 수평 자기 이방성이 사라진 것을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 TEM 사진이다. 즉, 도 5는 확산 배리어를 형성하지 않은 비교 예에 따른 메모리 소자의 TEM 사진이고, 도 6은 0.3㎚의 확산 배리어를 형성한 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 TEM 사진이다. 도 5의 비교 예에 따른 메모리 소자는 하측으로부터 상측으로 합성 교환 반자성층(SyAF), W 분리층, CoFeB 고정층, MgO 터널 배리어, CoFeB 제 1 자유층, W 삽입층, CoFeB 제 2 자유층, MgO 버퍼층 및 W 캐핑층이 적층 형성되고, 도 6의 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자는 도 5의 메모리 소자에 MgO 버퍼층과 W 캐핑층 사이에 Fe 확산 배리어가 더 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이 Fe 확산 배리어를 형성하지 않은 비교 예의 경우 MgO 버퍼층이 비정질화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 0.3㎚의 Fe가 확산 배리어로 형성된 경우 MgO 버퍼층이 고르게 결정화된 것을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 비교 예 및 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 소자의 이온 확산 분포를 각각 도시한 SIMS(Secondary ion mass spectroscopy) 결과이다. 도 7에 도시된 바와 같이 확산 배리어를 형성하지 않은 경우 캐핑층의 W 원자가 자기 터널 접합까지 확산된 것을 확인할 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 Fe 확산 배리어를 형성한 경우 캐핑층의 W가 자기 터널 접합으로 확산되는 것을 확산 배리어가 방지하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 메모리 소자는 비교 예의 메모리 소자에 비해 캐핑층 형성 물질의 확산을 방지할 수 있고, 그에 따라 터널 자기 저항비를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판
110 : 하부 전극
120 : 제 1 버퍼층 130 : 시드층
140 : 합성 교환 반자성층 150 : 분리층
160 : 고정층 170 : 터널 배리어
180 : 자유층 190 : 제 2 버퍼층
200 : 확산 배리어 210 : 캐핑층
220 : 상부 전극
120 : 제 1 버퍼층 130 : 시드층
140 : 합성 교환 반자성층 150 : 분리층
160 : 고정층 170 : 터널 배리어
180 : 자유층 190 : 제 2 버퍼층
200 : 확산 배리어 210 : 캐핑층
220 : 상부 전극
Claims (12)
- 기판 상에 하부 전극, 시드층, 합성 교환 반자성층, 분리층, 자기 터널 접합, 캐핑층 및 상부 전극이 적층 형성되며,
상기 자기 터널 접합과 캐핑층 사이에 확산 배리어가 형성된 메모리 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 자기 터널 접합과 상기 확산 배리어 사이에 형성된 산화물층을 더 포함하는 메모리 소자.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 자기 터널 접합은 고정층, 터널 배리어 및 자유층이 적층되고,
상기 자유층은 제 1 자화층, 자화를 갖지 않는 삽입층 및 제 2 자화층을 포함하는 메모리 소자.
- 청구항 3에 있어서, 상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가지는 메모리 소자.
- 청구항 3에 있어서, 상기 캐핑층은 bcc 구조를 갖는 물질로 형성된 메모리 소자.
- 청구항 5에 있어서, 상기 캐핑층은 W를 포함하는 물질로 형성된 메모리 소자.
- 청구항 6에 있어서, 상기 확산 배리어는 상기 캐핑층 물질보다 원자 사이즈가 작은 물질로 형성된 메모리 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 확산 배리어는 Fe, Cr, Mo, V 중 적어도 하나로 형성된 메모리 소자.
- 청구항 8에 있어서, 상기 확산 배리어는 0.1㎚ 내지 0.7㎚의 두께로 형성된 메모리 소자.
- 기판 상에 하부 전극, 시드층, 합성 교환 반자성층, 분리층, 자기 터널 접합 및 상부 전극이 적층 형성되며,
상기 자기 터널 접합은 이중 자유층을 포함하고,
상기 자기 터널 접합과 상부 전극 사이에 산화물층, 확산 배리어 및 캐핑층이 적층 형성되며,
상기 확산 배리어가 상기 캐핑층 물질의 적어도 상기 산화물층으로의 확산을 방지하는 메모리 소자.
- 청구항 10에 있어서, 상기 산화물층은 MgO를 포함하고, 상기 확산 배리어는 Fe를 포함하며, 상기 캐핑층은 W를 포함하는 메모리 소자.
- 청구항 11에 있어서, 상기 Fe는 0.1㎚ 내지 0.7㎚의 두께로 형성된 메모리 소자.
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160015086A KR101956975B1 (ko) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | 메모리 소자 |
| US16/075,474 US10453510B2 (en) | 2016-02-05 | 2017-02-03 | Memory device |
| CN201780022500.7A CN109155360A (zh) | 2016-02-05 | 2017-02-03 | 存储器件 |
| CN202310098689.5A CN115915906A (zh) | 2016-02-05 | 2017-02-03 | 存储器件 |
| PCT/KR2017/001234 WO2017135767A1 (ko) | 2016-02-05 | 2017-02-03 | 메모리 소자 |
| US16/389,458 US10643681B2 (en) | 2016-02-05 | 2019-04-19 | Memory device |
| US16/671,501 US10854254B2 (en) | 2016-02-05 | 2019-11-01 | Memory device |
| US16/686,510 US10783945B2 (en) | 2016-02-05 | 2019-11-18 | Memory device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160015086A KR101956975B1 (ko) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | 메모리 소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170093546A true KR20170093546A (ko) | 2017-08-16 |
| KR101956975B1 KR101956975B1 (ko) | 2019-03-11 |
Family
ID=59752634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160015086A Active KR101956975B1 (ko) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | 메모리 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101956975B1 (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109768156A (zh) * | 2017-11-10 | 2019-05-17 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 磁性随机存取存储器及其制造方法 |
| KR20190142201A (ko) * | 2018-06-15 | 2019-12-26 | 인텔 코포레이션 | 개선된 보유 및 열 안정성을 갖는 수직 스핀 전달 토크 디바이스 |
| KR20200034930A (ko) * | 2018-09-21 | 2020-04-01 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | 자기 디바이스 및 자기 랜덤 액세스 메모리 |
| CN112786779A (zh) * | 2019-11-05 | 2021-05-11 | 汉阳大学校产学协力团 | 基于多位垂直磁隧道结的存储器件 |
| CN112928116A (zh) * | 2019-12-06 | 2021-06-08 | 财团法人工业技术研究院 | 铁电记忆体 |
| US12575331B2 (en) | 2020-07-28 | 2026-03-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic tunnel junction and magnetic memory device with amorphous metal boride and diffusion barrier |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040163B1 (ko) | 2008-12-15 | 2011-06-09 | 한양대학교 산학협력단 | 다치화 구조를 갖는 ｓｔｔ-ｍｒａｍ 메모리 소자와 그 구동방법 |
| US20140306302A1 (en) * | 2013-04-16 | 2014-10-16 | Headway Technologies, Inc. | Fully Compensated Synthetic Antiferromagnet for Spintronics Applications |
| US20140306305A1 (en) * | 2011-01-19 | 2014-10-16 | Headway Technologies, Inc. | Magnetic Tunnel Junction for MRAM Applications |
-
2016
- 2016-02-05 KR KR1020160015086A patent/KR101956975B1/ko active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040163B1 (ko) | 2008-12-15 | 2011-06-09 | 한양대학교 산학협력단 | 다치화 구조를 갖는 ｓｔｔ-ｍｒａｍ 메모리 소자와 그 구동방법 |
| US20140306305A1 (en) * | 2011-01-19 | 2014-10-16 | Headway Technologies, Inc. | Magnetic Tunnel Junction for MRAM Applications |
| US20140306302A1 (en) * | 2013-04-16 | 2014-10-16 | Headway Technologies, Inc. | Fully Compensated Synthetic Antiferromagnet for Spintronics Applications |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109768156A (zh) * | 2017-11-10 | 2019-05-17 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 磁性随机存取存储器及其制造方法 |
| KR20190053760A (ko) * | 2017-11-10 | 2019-05-20 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | 자기 랜덤 액세스 메모리 |
| US12082511B2 (en) | 2017-11-10 | 2024-09-03 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Magnetic random access memory |
| US10727401B2 (en) | 2017-11-10 | 2020-07-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic random access memory |
| CN109768156B (zh) * | 2017-11-10 | 2022-11-29 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 磁性随机存取存储器及其制造方法 |
| US11374169B2 (en) | 2017-11-10 | 2022-06-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic random access memory |
| KR20190142201A (ko) * | 2018-06-15 | 2019-12-26 | 인텔 코포레이션 | 개선된 보유 및 열 안정성을 갖는 수직 스핀 전달 토크 디바이스 |
| TWI738051B (zh) * | 2018-09-21 | 2021-09-01 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | 自旋軌道轉矩磁性裝置與其製作方法 |
| US11437434B2 (en) | 2018-09-21 | 2022-09-06 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic device and magnetic random access memory |
| US10879307B2 (en) | 2018-09-21 | 2020-12-29 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic device and magnetic random access memory |
| US11963366B2 (en) | 2018-09-21 | 2024-04-16 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Magnetic device and magnetic random access memory |
| KR20200034930A (ko) * | 2018-09-21 | 2020-04-01 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | 자기 디바이스 및 자기 랜덤 액세스 메모리 |
| CN112786779A (zh) * | 2019-11-05 | 2021-05-11 | 汉阳大学校产学协力团 | 基于多位垂直磁隧道结的存储器件 |
| CN112786779B (zh) * | 2019-11-05 | 2024-07-02 | 汉阳大学校产学协力团 | 基于多位垂直磁隧道结的存储器件 |
| CN112928116A (zh) * | 2019-12-06 | 2021-06-08 | 财团法人工业技术研究院 | 铁电记忆体 |
| CN112928116B (zh) * | 2019-12-06 | 2024-03-22 | 财团法人工业技术研究院 | 铁电记忆体 |
| US12575331B2 (en) | 2020-07-28 | 2026-03-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic tunnel junction and magnetic memory device with amorphous metal boride and diffusion barrier |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101956975B1 (ko) | 2019-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10643681B2 (en) | Memory device | |
| US10580964B2 (en) | Memory device | |
| KR101661275B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101956975B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101549625B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| US10586919B2 (en) | Memory device | |
| KR101721618B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101636492B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| US11050014B2 (en) | Memory device | |
| CN107735874B (zh) | 存储器件 | |
| CN107710433B (zh) | 存储器件 | |
| KR101756883B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101956976B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101956977B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| KR101933268B1 (ko) | 메모리 소자 | |
| WO2016148393A1 (ko) | 메모리 소자 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20160205 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20180529 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20190227 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20190305 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20190305 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20220204 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20221219 Start annual number: 5 End annual number: 5 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20241224 Start annual number: 7 End annual number: 7 |