JP6319954B2 - Magnetic tunneling junction seed film, capping film, and spacer film material - Google Patents

Magnetic tunneling junction seed film, capping film, and spacer film material Download PDF

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Description

本発明は磁気メモリのような磁気装置で使用できる磁気素子と、前記磁気素子を使用する装置とに関する。   The present invention relates to a magnetic element that can be used in a magnetic device such as a magnetic memory, and an apparatus that uses the magnetic element.

磁気メモリ、特に磁性ランダムアクセスメモリ(magnetic random access memories、MRAMs)は速い読出し/書込み速度、優れた耐久性、非揮発性、及び動作中での低い消費電力等の可能性を有するため益々関心を集めている。MRAMは磁性物質を格納−記録媒体として利用して情報を格納できる。MRAMの一形態はスピン伝達トルクランダムアクセスメモリ(spin transfer torque random access memory、STT−RAM)である。STT−RAMは磁気素子を通じて印加される電流によって少なくとも一部に書込みが行われる磁気素子を利用する。   Magnetic memories, especially magnetic random access memories (MRAMs), are of increasing interest because of their potential for fast read / write speed, excellent durability, non-volatility, and low power consumption during operation. Collecting. The MRAM can store information using a magnetic substance as a storage-recording medium. One form of MRAM is a spin transfer torque random access memory (STT-RAM). The STT-RAM uses a magnetic element in which writing is performed at least in part by a current applied through the magnetic element.

例えば、図1は、一般的なSTT−RAMで使用され得る1つの例示的な磁気トンネリング接合(magnetic tunneling junction、MTJ、10)を図示する。一般的なMTJ10は一般的に下部コンタクト11上に形成され、一般的なシード膜12を使用し、固定膜(pinning layer、14)、例えば一般的な反強磁性(antiferromagnetic、AFM)、一般的な被固定膜(又は基準膜、16)、一般的なトンネリングバリアー膜18、一般的な自由膜20、及び一般的なキャッピング膜22を含む。また、上部コンタクト24が図示される。   For example, FIG. 1 illustrates one exemplary magnetic tunneling junction (MTJ, 10) that can be used in a typical STT-RAM. A typical MTJ 10 is generally formed on the lower contact 11, uses a typical seed film 12, a pinning layer (14), for example, general antiferromagnetic (AFM), general A fixed film (or reference film 16), a general tunneling barrier film 18, a general free film 20, and a general capping film 22. An upper contact 24 is also shown.

一般的なコンタクト11、24は面に対して垂直になる電流(current−perpendicular−to−plane、CPP)方向に、又は図1に示したように軸に沿って、電流を印加するのに使用される。一般的なトンネリングバリアー膜18は非磁性であり、例えば、MgOのような薄い絶縁体である。一般的なシード膜12は一般的に、目的とする結晶構造を有する後続される膜、例えば、AFM膜14のような膜の成長を助けるために使用される。上部コンタクト24に対する一般的な自由膜20の直接的露出は不規則な界面、磁性を喪失した領域(dead magnetic regions)及び増加されたダンピング(damping)を誘起させることができる。結果的に、一般的なキャッピング膜22は上部コンタクト24の積層の前に、自由膜20上に直接的に提供される。このような一般的なキャップは拡散防止として機能し、一般的な自由膜20の表面の質を向上させる。一般的な被固定膜16及び一般的な自由膜20は磁性体である。一般的な被固定膜16の磁化17は特定方向に、一般的にAFM膜14と交換−バイアス作用(exchange−bias interaction)によって定まれるか、或いは固定される。単純な(単一)膜として図示されても、一般的な被固定膜16は多重膜を包含することができる。例えば、一般的な被固定膜16は、Ruのような薄い導電膜を通じて反強磁性的に又は強磁性的に結合された磁性膜を含む合成反強磁性体(synthetic antiferromagnetic、SAF)であり得る。SAFのような場合、Ru薄膜が挿入された多重磁性膜が使用され得る。   Common contacts 11 and 24 are used to apply current in a current-perpendicular-to-plane (CPP) direction or along the axis as shown in FIG. Is done. The general tunneling barrier film 18 is nonmagnetic and is a thin insulator such as MgO. A typical seed film 12 is typically used to assist in the growth of subsequent films having the desired crystal structure, such as the AFM film 14. Direct exposure of a typical free film 20 to the top contact 24 can induce irregular interfaces, dead magnetic regions and increased damping. As a result, a typical capping film 22 is provided directly on the free film 20 before the top contact 24 is deposited. Such a general cap functions as diffusion prevention and improves the quality of the surface of the general free film 20. The general fixed film 16 and the general free film 20 are magnetic materials. The magnetization 17 of a typical fixed film 16 is determined or fixed in a specific direction, typically by an exchange-bias interaction with the AFM film 14. Although illustrated as a simple (single) membrane, a typical fixed membrane 16 can include multiple membranes. For example, the general fixed film 16 may be a synthetic antiferromagnetic (SAF) including a magnetic film antiferromagnetically or ferromagnetically coupled through a thin conductive film such as Ru. . In the case of SAF, a multiple magnetic film in which a Ru thin film is inserted can be used.

一般的な自由膜20は変化できる磁化21を有する。単一膜として図示されるが、一般的な自由膜20はまた多重膜を包含することができる。例えば、一般的な自由膜20は、Ruのような薄い導電膜を通じて反強磁性的に又は強磁性的に連結された磁性膜を含む合成膜であり得る。   A typical free film 20 has a changeable magnetization 21. Although illustrated as a single membrane, a typical free membrane 20 can also include multiple membranes. For example, the general free film 20 may be a synthetic film including a magnetic film antiferromagnetically or ferromagnetically coupled through a thin conductive film such as Ru.

スピン伝達トルク(Spin transfer torque)は一般的なMTJ10に書き込むために使用され得る。特に、スピン−伝達トルクは磁化容易軸(easy axis)にしたがう2つの方向の中で1つに一般的な自由膜20の磁化を回転させる。書込み電流が上記層の面と垂直になる方向に一般的なMTJ10を通過する時、電子は一般的な被固定膜16を通じる透過、又は一般的な被固定膜からの反射によってスピン分極され得る。充分な電流が一般的なMTJ10を通じて印加されれば、一般的な自由膜20の磁化21に対するスピン伝達トルクは一般的な自由膜20をスイッチングさせるのに適切である。したがって、一般的な自由膜20は望む状態に書き込まれ得る。それで、一般的なMTJ10はSTT−RAMで情報を格納するために使用され得る。   A spin transfer torque can be used to write to a generic MTJ 10. In particular, the spin-transfer torque rotates the magnetization of the general free film 20 in one of two directions according to the easy axis. When the write current passes through the general MTJ 10 in a direction perpendicular to the plane of the layer, electrons can be spin-polarized by transmission through the general fixed film 16 or reflection from the general fixed film. . If a sufficient current is applied through the general MTJ 10, the spin transfer torque for the magnetization 21 of the general free film 20 is appropriate for switching the general free film 20. Therefore, the general free film 20 can be written in a desired state. Thus, a general MTJ 10 can be used to store information in the STT-RAM.

本発明が解決しようとする一技術的課題は、狭いバンドギャップを有するトンネリング物質を提供することにある。   One technical problem to be solved by the present invention is to provide a tunneling material having a narrow band gap.

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及された課題に制限されず、言及されないその他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解され得る。   The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

本発明の概念にしたがう一実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、第1基準膜と、自由膜と、前記第1基準膜及び前記自由膜の間に配置された第1非磁性スペーサー膜と、を含み、前記第1非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む。   One embodiment in accordance with the concepts of the invention provides a magnetic element. The magnetic element includes a first reference film, a free film, and a first nonmagnetic spacer film disposed between the first reference film and the free film, and the first nonmagnetic spacer film includes two Including binary, ternary or multi-element alloy oxides, wherein the binary, ternary or multi-element alloy oxides are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

本発明の一実施形態によれば、前記第1非磁性スペーサー膜は絶縁トンネリングバリアー膜である。   According to an embodiment of the present invention, the first nonmagnetic spacer film is an insulating tunneling barrier film.

本発明の他の実施形態によれば、前記第1非磁性スペーサー膜はスピンバルブ(spin valve)として機能する。   According to another embodiment of the present invention, the first nonmagnetic spacer film functions as a spin valve.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第1基準膜上に配置されたキャッピング膜をさらに含み、前記キャッピング膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記キャッピング膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping film disposed on the first reference film, and the capping film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide, The binary, ternary or multi-element alloy oxides of the capping film are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, And MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Rh.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第1基準膜の下に配置されたシード膜をさらに含み、前記シード膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a seed film disposed under the first reference film, the seed film including a binary, ternary, or multi-element alloy oxide; The binary, ternary or multi-element alloy oxides of the seed film are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo. And MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Rh.

本発明のその他の実施形態によれば、前記第1非磁性スペーサー膜は(001)結晶構造を含む。   According to another embodiment of the present invention, the first nonmagnetic spacer film includes a (001) crystal structure.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記自由膜の対向する面上に配置された第2基準膜と、前記第2基準膜及び前記自由膜の間に配置される第2非磁性スペーサー膜と、をさらに含む。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element includes a second reference film disposed on an opposing surface of the free film, and a second reference film disposed between the second reference film and the free film. A nonmagnetic spacer film.

本発明のその他の実施形態によれば、前記第2非磁性スペーサー膜はMgOを含む。   According to another embodiment of the present invention, the second nonmagnetic spacer film includes MgO.

本発明のその他の実施形態によれば、前記自由膜及び前記第2基準膜は面内磁化方向を有し、前記第1基準膜は垂直磁化方向を有する。   According to another embodiment of the present invention, the free film and the second reference film have an in-plane magnetization direction, and the first reference film has a perpendicular magnetization direction.

本発明のその他の実施形態によれば、前記自由膜及び前記第2基準膜は垂直磁化方向を有し、前記第1基準膜は面内磁化方向を有する。   According to another embodiment of the present invention, the free film and the second reference film have a perpendicular magnetization direction, and the first reference film has an in-plane magnetization direction.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第1基準膜を覆うキャッピング膜をさらに含み、前記自由膜及び前記第2基準膜は面内磁化方向を有し、前記第1基準膜は垂直磁化方向を有する。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping film covering the first reference film, the free film and the second reference film have an in-plane magnetization direction, and the first reference The film has a perpendicular magnetization direction.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第1基準膜を覆うキャッピング膜をさらに含み、前記自由膜及び前記第2基準膜は面内磁化方向を有し、前記第1基準膜は垂直磁化方向を有する。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping film covering the first reference film, the free film and the second reference film have an in-plane magnetization direction, and the first reference The film has a perpendicular magnetization direction.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第1基準膜上に配置されたキャッピング膜と、前記第2基準膜の下に配置されたシード膜と、をさらに含み、前記キャッピング膜、前記シード膜、又はこれらの全ては、前記第1及び第2基準膜の中で隣接する1つと密接に整合(closely match)される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物で形成され、前記キャッピング膜、前記シード膜、又はこれらの全ての前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping film disposed on the first reference film and a seed film disposed on the second reference film. The film, the seed film, or all of these, have a crystal structure that is closely matched to an adjacent one of the first and second reference films, a binary, ternary, or multi-element alloy oxidation The capping film, the seed film, or all of these binary, ternary, or multi-element alloy oxides are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag. , MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

本発明の概念にしたがう他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜上に配置されたキャッピング膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜、前記キャッピング膜又は前記シード膜の中での少なくとも1つは、MgAl、(Mg、Ca、Sr、Ba、Mg)SnO、MgSnO、又はNiMnを含む。 Another embodiment consistent with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element includes a reference film, a free film, a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, a capping film disposed on the reference film, and a lower layer. And at least one of the nonmagnetic spacer film, the capping film, or the seed film includes MgAl 2 O 4 , (Mg, Ca, Sr, Ba, Mg) SnO 3 , Mg 2 SnO 4 or NiMn 2 O 4 is included.

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は1つ以上の追加元素Aを有するMgOを含み、前記AはRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はMgを含み、ここで、x+y>1であり、z<1である。 Other embodiments in accordance with the concepts of the invention provide a magnetic element. The magnetic element includes a reference film, a free film, and a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, and the nonmagnetic spacer film is a binary, ternary, or multicomponent alloy. An oxide, wherein the binary, ternary, or multi-element alloy oxide includes MgO having one or more additional elements A, where A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, Selected from the group consisting of W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh, wherein the binary alloy oxide comprises Mg x A y O z , where x + y> 1 Yes, z <1.

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、一方向で反対方向にスイッチングされる磁化方向を有する自由膜と、基準膜と、前記自由膜及び前記基準膜の間に配置されるスペーサー膜と、前記基準膜又は前記自由膜に隣接するように配置されるシード膜又はキャッピング膜と、を含み、前記シード膜又はキャッピング膜は、1つ以上の追加元素を有し、隣接する基準膜又は自由膜の結晶構造に密接に整合される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記1つ以上の追加元素はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択される。   Other embodiments in accordance with the concepts of the invention provide a magnetic element. The magnetic element includes a free film having a magnetization direction switched in one direction in the opposite direction, a reference film, a spacer film disposed between the free film and the reference film, and the reference film or the free film. A seed film or capping film disposed adjacent to the substrate, wherein the seed film or capping film has one or more additional elements and closely matches the crystal structure of the adjacent reference film or free film A binary, ternary, or multi-element alloy oxide having a crystalline structure, wherein the one or more additional elements are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, It is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

本発明の一実施形態によれば、前記二元、三元、又は多元合金酸化物はMg、O、及び1つ以上の追加元素を含み、前記1つ以上の追加元素はMgOに比べて前記酸化物の抵抗を減少させる。   According to one embodiment of the present invention, the binary, ternary, or multi-component alloy oxide includes Mg, O, and one or more additional elements, and the one or more additional elements are compared to MgO. Reduce the resistance of the oxide.

本発明の他の実施形態によれば、前記スペーサー膜はトンネリングバリアー膜である。   According to another embodiment of the present invention, the spacer film is a tunneling barrier film.

本発明のその他の実施形態によれば、前記トンネリングバリアー膜は隣接する自由膜及び基準膜の結晶構造に密接に整合される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物を含む。   According to another embodiment of the present invention, the tunneling barrier film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide having a crystal structure closely matched to a crystal structure of an adjacent free film and a reference film.

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気メモリ格納素子はスピンバルブ構造を提供する。   According to another embodiment of the present invention, the magnetic memory storage element provides a spin valve structure.

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜又は前記シード膜の中で少なくとも1つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は1つ以上の追加元素Aを有するMgOを含み、前記AはRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はMgであり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記三元合金酸化物はMgであり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記多元合金酸化物はMg y1 y2…A ynであり、x+y1+y2+…+yn+z=1、x>y1+y2+…+yn及び0<x、又はy1、又はy2、…、又はyn、又はz<1である。 Other embodiments in accordance with the concepts of the invention provide a magnetic element. The magnetic element includes a reference film, a free film, a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, and a seed film disposed under the reference film. At least one of the magnetic spacer film or the seed film includes a binary, ternary, or multi-element alloy material, and the binary, ternary, or multi-element alloy oxide includes MgO having one or more additional elements A. And A is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh, The binary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, and the ternary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y or z <1, the multi-component alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... An n yn O z , x + y1 + y2 +... + yn + z = 1, x> y1 + y2 +... + yn and 0 <x, or y1 Or y2,..., Or yn, or z <1.

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜の下に配置されたキャッピング膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜又は前記キャッピング膜の中で少なくとも1つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は1つ以上の追加元素Aを有するMgOを含み、前記AはRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はMgであり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記三元合金酸化物はMg y1 y2Ozであり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記多元合金酸化物はMg y1 y2… ynであり、x+y1+y2+…+yn+z=1、x>y1+y2+…+yn及び0<x、又はy1、又はy2、…、又はyn、又はz<1である。 Other embodiments in accordance with the concepts of the invention provide a magnetic element. The magnetic element includes a reference film, a free film, a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, and a capping film disposed under the reference film. At least one of the magnetic spacer film or the capping film includes a binary, ternary, or multi-element alloy material, and the binary, ternary, or multi-element alloy oxide includes one or more additional elements A. And A is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh, The binary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, and the ternary alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 Oz, where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, and the multi-element alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2... An yn O z , and x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x > Y1 + y2 + ... + yn and 0 <x, or y1, or y2, ..., or yn, or z <1.

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記自由膜を覆うキャッピング膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜、前記キャッピング膜及び前記シード膜の中で少なくとも1つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は1つ以上の追加元素Aを有するMgOを含み、前記AはRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はMgであり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記三元合金酸化物はMg y1 y2であり、ここで、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1であり、前記多元合金酸化物はMg y1 y2… ynであり、x+y1+y2+…+yn+z=1、x>y1+y2+…+yn及び0<x、又はy1、又はy2、…、又はyn、又はz<1である。 Other embodiments in accordance with the concepts of the invention provide a magnetic element. The magnetic element is disposed under a reference film, a free film, a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, a capping film covering the free film, and the reference film. A seed film, and at least one of the non-magnetic spacer film, the capping film, and the seed film includes a binary, ternary, or multi-component alloy material, and the binary, ternary, or multi-component alloy. The oxide comprises MgO with one or more additional elements A, said A being Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr , Mo, and Rh, and the binary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1 And the ternary alloy oxide is Mg x A 1 y1 An A 2 y2 O z, wherein, x + y + z = 1 , x> y and 0 <x, or y, or z <1, the multi-alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... A n yn O z , x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 <x, or y1, or y2,..., or yn, or z <1.

本発明の概念にしたがう一実施形態は磁気メモリプログラムする方法を提供する。前記磁気メモリをプログラムする方法において、前記磁気メモリは多数の磁気格納セルを含み、前記多数の磁気格納セル各々は、少なくとも1つの磁気素子及び少なくとも1つの選択素子を含み、前記少なくとも1つの磁気素子は前記磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは、前記少なくとも1つの磁気素子に電圧を印加することによってプログラムすることができ、前記少なくとも1つの磁気素子を通じて双極又は単極電流を印加するか、或いは前記少なくとも1つの磁気素子に電圧を印加することを含み、前記双極又は単極の電流又は電圧は前記少なくとも1つの磁気素子をプログラムするのに十分であり、前記少なくとも1つのメモリ素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は1つ以上の追加元素Aを有するMgOを含み、前記AはRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択される。   One embodiment in accordance with the concepts of the present invention provides a method for programming a magnetic memory. In the method of programming the magnetic memory, the magnetic memory includes a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage cells including at least one magnetic element and at least one selection element, and the at least one magnetic element. Can be programmed by passing a write current through the magnetic element, or by applying a voltage to the at least one magnetic element, applying a bipolar or monopolar current through the at least one magnetic element, or Applying a voltage to the at least one magnetic element, wherein the bipolar or monopolar current or voltage is sufficient to program the at least one magnetic element, and the at least one memory element comprises a reference film A free film, and a nonmagnetic spacer disposed between the reference film and the free film The non-magnetic spacer film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide, and the binary, ternary, or multi-element alloy oxide includes MgO having one or more additional elements A. A is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

本発明の概念にしたがう他の実施形態は磁気メモリプログラムする方法を提供する。磁気メモリをプログラムする方法において、前記磁気メモリは多数の磁気格納セルを含み、前記多数の磁気格納メモリセル各々は少なくとも1つの磁気素子及び少なくとも1つの選択素子を含み、前記少なくとも1つの磁気素子は前記磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは前記少なくとも1つの磁気素子に電圧を印加することによってプログラムすることができ、前記多数の磁気格納セルの一部の前記少なくとも1つの磁気素子を通じてでなく、隣接するように第1電流を印加し、前記第1電流は磁気場又は追加的なスピントルクを発生させることと、前記少なくとも1つの磁気素子を通じて第2電流を印加するか、或いは電圧を印加することと、を含み、前記第2電流又は電圧と、前記磁気場又は前記追加的なスピントルクは前記少なくとも1つの磁気素子をプログラムするのに十分であり、前記少なくとも1つのメモリ素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む。   Another embodiment consistent with the inventive concept provides a method for programming magnetic memory. In a method of programming a magnetic memory, the magnetic memory includes a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage memory cells including at least one magnetic element and at least one selection element, wherein the at least one magnetic element includes: Can be programmed by passing a write current through the magnetic element or by applying a voltage to the at least one magnetic element, not through the at least one magnetic element of a portion of the multiple magnetic storage cells; A first current is applied adjacently, the first current generates a magnetic field or additional spin torque, and a second current is applied through the at least one magnetic element or a voltage is applied. The second current or voltage, the magnetic field or the additional spin torque is Sufficient to program at least one magnetic element, the at least one memory element comprising a reference film, a free film, a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film; The non-magnetic spacer film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide, and the binary, ternary, or multi-element alloy oxide includes Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

本発明の一実施形態によれば、前記第2電流は双極又は単極電流である。   According to an embodiment of the present invention, the second current is a bipolar or monopolar current.

本発明の他の実施形態によれば、前記第1電流を印加することは、前記少なくとも1つの磁気素子に隣接する導電配線に交流電流を印加することを含む。   According to another embodiment of the present invention, applying the first current includes applying an alternating current to a conductive wiring adjacent to the at least one magnetic element.

本発明のその他の実施形態によれば、前記交流電流は、スピンホール効果、又はラシュバ効果の物理的効果から前記少なくとも1つの磁気素子にスピン電流又はスピントルクを誘起させる。   According to another embodiment of the present invention, the alternating current induces a spin current or a spin torque in the at least one magnetic element from a physical effect of a spin Hall effect or a Rashba effect.

本発明のその他の実施形態によれば、前記交流電流は前記少なくとも1つの磁気素子を通じて流れる前記第1電流をリード(lead)するか、又はオーバーラップできる。   According to another embodiment of the present invention, the alternating current can lead or overlap the first current flowing through the at least one magnetic element.

一実施形態で、アニーリングの後、MgOと同一な基本結晶方向(001)を有する二元合金酸化物(binary alloy oxide)、三元合金酸化物(ternary alloy oxide)、又は他の多元合金酸化物(multi−nary alloy oxide)は、MgOのバリアー高さを低くするように提供されるので、増加した厚さでさらに小さい抵抗を有する。例えば、新しい酸化物は酸化物(例えば、MgO)に追加的な元素を提供して形成され得る。追加的な元素は上記酸化物の抵抗を減少させる。追加的な元素は例えば、下記の元素の1つ以上を包含することができる:Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRh。上記新しい酸化物がシード膜、キャッピング膜又はスペーサー膜/バリアー膜として使用されて、磁気メモリ装置のような磁気装置のトンネル磁気抵抗(tunnel magnetoresistance、TMR)比率(ratio)を増加させ、RAを減少させ得る。   In one embodiment, after annealing, a binary alloy oxide, a ternary alloy oxide, or other multi-element alloy oxide having the same basic crystal orientation (001) as MgO. (Multi-nary alloy oxide) is provided to lower the barrier height of MgO, so it has a smaller resistance with increased thickness. For example, new oxides can be formed by providing additional elements to the oxide (eg, MgO). Additional elements reduce the resistance of the oxide. Additional elements can include, for example, one or more of the following elements: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb , Cr, Mo, and Rh. The new oxide is used as a seed film, capping film or spacer film / barrier film to increase the tunnel magnetoresistance (TMR) ratio and decrease RA of magnetic devices such as magnetic memory devices. Can be.

したがって、MgO膜の特性が、添加剤又は追加的な元素の使用を通じて向上され得る。添加剤は例えば、格子定数を合わせるように結晶構造を増やすか、或いは減らすために使用され得る。又は、添加剤は格子不一致によるストレイン(strain)の影響を増加させるように使用され得る。   Thus, the properties of the MgO film can be improved through the use of additives or additional elements. Additives can be used, for example, to increase or decrease the crystal structure to match the lattice constant. Alternatively, additives can be used to increase the effect of strain due to lattice mismatch.

新しい酸化物はより狭いバンドギャップ、又は幾つかの例示では導電性を有するので、より低いRA値を提供する。より狭いバンドギャップはトンネリングのための物質の電気抵抗を減少させる。導電性酸化物は例えば、減少された抵抗を有するシード又はキャッピング膜を提供するために使用され得る。そして、導電性はスピン伝達トルクMTJ構造でのバリアー膜で一般的に回避されなければならないが、導電性スペーサー(挿入)膜はスピンバルブ構造で有用に使用され得る。シード膜、キャッピング膜及びバリアー膜/スペーサー膜で減少されたRA値を有する新しい酸化物を利用することによって、メモリ書込み電流と電力は減少され、読出し信号及び速度は増加され、書込み及び読出しエラーの可能性は大きく減少されることができる。   The new oxide provides a lower RA value because it has a narrower band gap or, in some instances, is conductive. A narrower band gap reduces the electrical resistance of the material for tunneling. Conductive oxides can be used, for example, to provide seed or capping films with reduced resistance. Conductivity must generally be avoided with a barrier film in a spin transfer torque MTJ structure, but a conductive spacer (insert) film can be usefully used in a spin valve structure. By utilizing new oxides with reduced RA values in seed films, capping films and barrier / spacer films, memory write current and power are reduced, read signals and speed are increased, and write and read error The potential can be greatly reduced.

一般的な磁気素子を図示する。A general magnetic element is illustrated. 一実施形態の磁気素子を図示する。1 illustrates a magnetic element of one embodiment. 2つのスイッチング方向で図2に図示された磁気メモリ構造に対して多様な電圧でのスイッチング速度(switching speed)を示したグラフである。3 is a graph illustrating switching speeds at various voltages with respect to the magnetic memory structure illustrated in FIG. 2 in two switching directions. 2つのスイッチング方向で図2に図示された磁気メモリ構造に対して多様な電圧でのスイッチング速度(switching speed)を示したグラフである。3 is a graph illustrating switching speeds at various voltages with respect to the magnetic memory structure illustrated in FIG. 2 in two switching directions. 図2に図示された構造で、MTJメモリビットの数と2つのスイッチング方向(P→AP、AP→P)に対する書込み電流を示したグラフである。3 is a graph illustrating the number of MTJ memory bits and the write current for two switching directions (P → AP, AP → P) in the structure illustrated in FIG. 2. DMTJ構造の長所と、2つのバリアーの中で1つが本発明概念の原理にしたがって配置されたDMTJ構造の長所を示したグラフのセットを提供する。Provided is a set of graphs illustrating the advantages of the DMTJ structure and the advantages of the DMTJ structure, one of the two barriers arranged according to the principles of the inventive concept. 本発明の概念の原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜を有するように形成された磁気メモリ素子の概略的な代表図である。1 is a schematic representation of a magnetic memory device formed with a barrier film formed of one or more new oxides in accordance with the principles of the present invention. FIG. 面内磁化された基準膜、及び垂直磁化された基準膜の両方を有し、面内磁化された自由膜をさらに含み、本発明の概念の原理にしたがう1つ以上の新しい物質で形成されたバリアー膜を含む磁気メモリ素子の概略的な代表図である。It has both an in-plane magnetized reference film and a perpendicularly magnetized reference film, further comprising an in-plane magnetized free film, formed of one or more new materials in accordance with the principles of the present invention 1 is a schematic representative view of a magnetic memory element including a barrier film. 図8と類似するが、本発明概念の追加的な原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜をさらに含む磁気メモリ素子の概略的な代表図である。FIG. 9 is a schematic representation of a magnetic memory element similar to FIG. 8, but further including a capping film formed of one or more new oxides in accordance with additional principles of the inventive concept. 垂直(磁化された)基準膜、及び面内(磁化された)基準膜の両方と、垂直磁化された自由膜を有し、本発明の概念のその他の実施形態に他の1つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。It has both a perpendicular (magnetized) reference film and an in-plane (magnetized) reference film, and a perpendicularly magnetized free film, and one or more other new ones in other embodiments of the inventive concept 1 is a schematic representative view of a magnetic memory element further having a barrier film formed of an oxide. 垂直(磁化された)基準膜、及び面内(磁化された)基準膜の両方と、垂直に磁化された自由膜を含み、本発明の概念の追加的な原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有するその他の実施形態の磁気メモリ素子の概略的な代表図である。One or more new oxidations that include both a perpendicular (magnetized) reference film and an in-plane (magnetized) reference film, and a perpendicularly magnetized free film, according to additional principles of the inventive concept It is a schematic representative figure of the magnetic memory element of other embodiment which further has the barrier film | membrane formed with the thing. 本発明概念のその他の原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたシード膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。FIG. 3 is a schematic representation of a magnetic memory device having a seed film formed of one or more new oxides according to other principles of the inventive concept. 本発明の概念の追加的な原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。1 is a schematic representation of a magnetic memory device having a capping film formed of one or more new oxides according to additional principles of the inventive concept. FIG. 本発明の概念のその他の原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物の1つ以上に形成されたキャッピング膜及びシード膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。FIG. 3 is a schematic representation of a magnetic memory device having a capping film and a seed film formed on one or more of one or more new oxides according to other principles of the inventive concept. 実質的に垂直に磁化された自由膜及び基準膜を有し、本発明の概念の原理にしたがう1つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。Schematic representation of a magnetic memory element having a free film and a reference film magnetized substantially perpendicularly, and further comprising a barrier film formed of one or more new oxides according to the principles of the present invention. It is. 実質的に垂直に磁化された基準膜及び自由膜を有する磁気メモリ素子の概略的な体表図として、本発明の概念の追加的な原理にしたがうキャッピング膜、バリアー膜及び/又はシード膜として1つ以上の新しい酸化物の使用を追加的に図示する。As a schematic body surface view of a magnetic memory element having a substantially perpendicularly magnetized reference film and free film, 1 as a capping film, barrier film and / or seed film according to additional principles of the inventive concept The use of more than one new oxide is additionally illustrated. 本願明細書の幾つかの実施形態による磁気素子を使用した磁気メモリの一実施形態を図示する。1 illustrates one embodiment of a magnetic memory using magnetic elements according to some embodiments herein. 本願明細書の原理にしたがって形成されたMTJ素子を含む磁気装置の概略的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a magnetic device including an MTJ element formed according to the principles of the present specification. 上述した本発明の概念の幾つかの実施形態による磁気装置が使用された電子システムの概略的な図面である。1 is a schematic drawing of an electronic system in which a magnetic device according to some embodiments of the inventive concept described above is used.

例示的な実施形態は磁気メモリのような磁気装置で使用できる磁気素子と、上記磁気素子を使用する装置とに関する。下記の技術は当該技術で熟練された者が作るか、或いは使用するように記述され、特許請求の範囲及びその要件が本願明細書内で提供される。例示的な実施形態に対する多様な変更と一般的な概念と本願明細書で記述された特徴は非常に明確である。例示的な実施形態は主に、特定の実施形態で提供される特定の方法及びシステムの用語内で記述される。しかし、上記方法及びシステムは他の実行内で効率的に動作する。“例示的な実施形態(exemplary embodiment)”、“一実施形態(one embodiment)”及び“他の実施形態(another embodiment)”のような語句は多数の実施形態のみだけでなく、同一であるか、或いは異なる実施形態として見なされ得る。上記実施形態は特定要素を有するシステム及び/又は装置に関連して記述される。しかし、上記システム及び/又は装置は図示されたことより多いか、或いは少ない要素が包含され得り、上記要素の配列及び形態に対する多様性は発明の範囲から逸脱しないように作られる。例示的な実施形態はまた、特定段階を有する特定の文脈内で記述され得る。しかし、上記方法及びシステムは異なり/又は追加した段階及び例示的な実施形態とは不一致する他の順序の段階を有する他の方法に対して効率的に動作する。それで、本発明は図示された実施形態に限定されることではなく、本願明細書内に記述された原理及び特徴を有し、適用された最も広い範囲に相応しい。   Exemplary embodiments relate to a magnetic element that can be used in a magnetic device, such as a magnetic memory, and a device that uses the magnetic element. The following techniques are described as being made or used by those skilled in the art, and the claims and their requirements are provided herein. Various modifications to the exemplary embodiments, general concepts, and features described herein are very clear. Exemplary embodiments are primarily described within the terms of the specific methods and systems provided in the specific embodiments. However, the method and system operate efficiently within other runs. Whether terms such as “exemplary embodiment”, “one embodiment” and “another embodiment” are the same, as well as a number of embodiments. Or may be viewed as a different embodiment. The above embodiments are described in the context of systems and / or devices having specific elements. However, the system and / or apparatus may include more or fewer elements than shown and variations in the arrangement and form of the elements are made without departing from the scope of the invention. Exemplary embodiments may also be described within a specific context having specific steps. However, the methods and systems operate efficiently for other methods having different / or additional steps and other sequences of steps that are inconsistent with the exemplary embodiments. Thus, the present invention is not limited to the illustrated embodiments, but has the principles and features described within this specification and is appropriate for the widest range of applications.

例示的な実施形態は、特定要素を有する特定磁気素子及び磁気メモリが記述される。本発明が、本発明に矛盾されない他の要素及び/又は追加要素及び/又は他の特性を有する上記磁気素子及び磁気メモリの使用に適用されることを当該技術で熟練された者は容易に認識する。上記方法及びシステムはまた、スピン伝達現象を理解するように文脈内で記述される。結果的に、当業者は上記方法及びシステムの動作の理論的な説明はスピン伝達の理解を基づいて作られたことを容易に認識する。当業者はまた、上記方法及びシステムが基板との特定の関係を有する構造の文脈内に記述されたことを容易に認識する。しかし、当業者は上記方法及びシステムが他の構造でも適用されることを容易に認識する。追加的に、上記方法及びシステムは合成及び/又は単純な特定膜を有するいずれの層の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記膜が他の構造を有することができることを容易に認識する。さらに、上記方法及びシステムは特定膜を有する磁気素子の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記方法及びシステムに矛盾しない追加的な/又は異なる膜を有する磁性素子も使用され得ることを容易に認識する。その上に、いずれの要素は磁性、強磁性、及びフェリ磁性であることとして記述される。本願明細書内で使用されたように、上記磁性という用語は強磁性、フェリ磁性、又はそれと類似な構造を包含することができる。したがって、本願明細書内で使用されたように、“磁性(magnetic)”又は“強磁性(ferromagnetic)”は強磁性体(ferromagnets)及びフェリ磁性体(ferrimagnets)を含み、これに限定されない。上記方法及びシステムはまた、単一要素の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記方法及びシステムが多数の要素を有する磁気メモリの使用に適用されることを容易に認識する。その上に、本願明細書内で使用されたように、“面内(in−plane)”は磁気素子の1つ以上の膜の実質的に面内に又は面に対して平行である。反対に、“垂直(perpendicular)”は磁気素子の1つ以上の膜に対して実質的に垂直である方向に対応される。   The illustrative embodiments describe a specific magnetic element and magnetic memory having specific elements. Those skilled in the art will readily recognize that the present invention applies to the use of such magnetic elements and magnetic memories having other elements and / or additional elements and / or other characteristics not inconsistent with the present invention. To do. The above methods and systems are also described in context to understand the spin transfer phenomenon. Consequently, those skilled in the art will readily recognize that the theoretical description of the operation of the method and system was made based on an understanding of spin transfer. Those skilled in the art will also readily recognize that the above methods and systems have been described within the context of a structure having a particular relationship with a substrate. However, those skilled in the art will readily recognize that the above methods and systems may be applied in other configurations. Additionally, the methods and systems are described in the context of any layer having a synthetic and / or simple specific membrane. However, those skilled in the art will readily recognize that the membrane can have other structures. Furthermore, the method and system are described in the context of a magnetic element having a particular film. However, those skilled in the art will readily recognize that magnetic elements having additional / or different films consistent with the methods and systems described above may also be used. Moreover, any element is described as being magnetic, ferromagnetic, and ferrimagnetic. As used herein, the term magnetism can encompass ferromagnetism, ferrimagnetism, or similar structures. Accordingly, as used herein, “magnetic” or “ferromagnetic” includes, but is not limited to, ferromagnets and ferrimagnets. The methods and systems are also described in the context of a single element. However, those skilled in the art will readily recognize that the above methods and systems apply to the use of magnetic memories having multiple elements. Moreover, as used herein, “in-plane” is substantially in-plane or parallel to one or more films of the magnetic element. Conversely, “perpendicular” corresponds to a direction that is substantially perpendicular to one or more films of the magnetic element.

上記議論されたように、図1のMTJ10のようなMTJ素子はMgOトンネリングバリアー膜を包含することができる。一般的にMgOはアニーリングの後、bcc(001)CoFe、又はCoFeBとの優れた結晶構造整合性(match)を提供する(001)(“岩塩”)結晶構造を有する。このような優れた結晶構造整合性(match)は、例えばメモリ素子への応用に適合するより高いトンネリング磁気抵抗(tunneling magnetoresistance、TMR)比率を提供する。他のもの中で、高いTMR比率(例えば、100%以上)はさらに速い読出し動作を実施するようにする。そして、対称フィルタリング強化スピン分極(symmetry filtering enhanced spin polarization)は、スピン伝達トルク(spin transfer torque、STT)臨界スイッチング電流密度の減少を誘起させる。   As discussed above, an MTJ element such as the MTJ 10 of FIG. 1 can include a MgO tunneling barrier film. Generally, MgO has a (001) (“rock salt”) crystal structure that provides excellent crystal structure match with bcc (001) CoFe or CoFeB after annealing. Such excellent crystal structure matching provides a higher tunneling magnetoresistance (TMR) ratio that is compatible with, for example, memory device applications. Among other things, a high TMR ratio (eg, 100% or more) causes a faster read operation to be performed. Symmetric filtering enhanced spin polarization induces a decrease in spin transfer torque (STT) critical switching current density.

しかし、さらに小さい素子への適用は、MTJのRAを減少させるのが望ましい。このようにするために、1つのアプローチはMgOバリアー膜の厚さを減少させることである。しかし、残念ながら、上記MgO膜があまりにも薄い場合、このような効果を失うことがあり得る。特に、約5−10ΩμmRA値以下で、上記バリアーの質(qualitity)は急速に低下し、TMR比率が減少する。MTJセルの直径が20nmである時、10ΩμmのRA値はMTJビットが約32kΩ抵抗を有するようにする。高いMRJビット抵抗は書込み電圧Vw及び書込みエネルギーEwが非常に高くなるようにする。 However, application to smaller elements is desirable to reduce the MTJ RA. To do this, one approach is to reduce the thickness of the MgO barrier film. Unfortunately, this effect can be lost if the MgO film is too thin. In particular, below about 5-10 Ωμm 2 RA value, the quality of the barrier rapidly decreases and the TMR ratio decreases. When the MTJ cell diameter is 20 nm, an RA value of 10 Ωμm 2 allows the MTJ bit to have a resistance of about 32 kΩ. A high MRJ bit resistance causes the write voltage Vw and write energy Ew to be very high.

したがって、MgOと同一であるか、或いは類似な効果を有するが、薄膜品質が低下される程度のあまりにも薄いバリアー膜の形成無しで低いRAを提供するように、より低いバリアー高さを有し、改善されたトンネリングバリアー膜を有することが望ましい。例えば、PMTJ(perpendicular MTJ)に基づいた20nmノード以下のSTT−RAMの大きさを調整するように、より低いRAが望ましい。   Thus, it has the same or similar effect as MgO, but has a lower barrier height to provide a low RA without the formation of a barrier film that is too thin to reduce thin film quality. It would be desirable to have an improved tunneling barrier film. For example, a lower RA is desirable so as to adjust the size of an STT-RAM of 20 nm node or less based on PMTJ (perpendicular MTJ).

追加的に、最も高いTMR比率と最も低いスピン伝達トルクのスイッチング電流密度を獲得するのに望ましい、最上の結晶構造整合性(matching)のために、薄いMgO膜はシード膜、キャッピング膜、又はスペーサー(挿入)膜として使用され得る。このような膜は多様な望ましい機能を有する。例えば、このような膜はスイッチングの間にMTJで電圧降下を減少させるのに役に立つことができる。例えば、一般的なキャッピング膜は、反応して磁性を失った膜(magnetic dead layer)を形成できる磁性物質(例えば、Ta)の酸化を防止することができる。MgOキャッピング膜を有し、磁性を失った膜の形成は防止され、強い垂直界面異方性(perpendicular interfacial anisotropy)が達成されることができる。しかし、残念ながら、追加的なMgO膜の提供は、あまりにも大きい抵抗を提供することによって、TMR比率を究極的により低くすることができる直列抵抗を追加することができる。   Additionally, a thin MgO film can be a seed film, a capping film, or a spacer for the best crystal structure matching, which is desirable to obtain the highest TMR ratio and the lowest spin transfer torque switching current density. Can be used as (insert) membrane. Such membranes have a variety of desirable functions. For example, such a film can help reduce the voltage drop at the MTJ during switching. For example, a general capping film can prevent oxidation of a magnetic material (for example, Ta) that can form a film that has lost its magnetism upon reaction. Formation of a film having an MgO capping film and losing magnetism can be prevented, and a strong vertical interface anisotropy can be achieved. Unfortunately, however, the provision of additional MgO films can add series resistance that can ultimately lower the TMR ratio by providing too much resistance.

したがって、より多く低いRA値を有する優れた結晶構造整合性を有するシード膜、キャッピング膜及び/又はスペーサー(挿入)膜を有することがまた望ましい。したがって、そうではなければ、発生されることができる性能低下を減少させ得る。   Therefore, it is also desirable to have a seed film, capping film, and / or spacer (insert) film with better crystal structure matching that has a much lower RA value. Thus, otherwise, the performance degradation that can be generated can be reduced.

さらに、例えば、図2に図示された幾つかのメモリ構造で、MgOがトンネリングバリアー膜、複数のシード膜、及び複数のキャッピング膜のみに使用される時、上記最終メモリ100は下で記述される幾つかの書込み及び読出し実施問題に当てられることができる。   Further, for example, in some memory structures illustrated in FIG. 2, when MgO is used only for a tunneling barrier film, a plurality of seed films, and a plurality of capping films, the final memory 100 is described below. Several write and read implementation problems can be addressed.

図2で、メモリ100は垂直異方性キャッピング膜140、変化可能である磁化131を有する自由膜130、スペーサー膜120(例えば、トンネリングバリアー)、及び被固定膜(pinned layer)110を含む。磁気素子100は磁気メモリのような磁気装置に使用され、電流は磁気素子100を通じて印加され得る。結局、このような装置はコンタクト(図2に図示せず)を含み、コンタクトを通じて電流が磁気素子100へ提供され、磁気素子100から出力され得る。また、このようなコンタクトは例えば、図7乃至図16に関連され、図示されなくても下で議論される装置の幾つか又は全体で包含され得る。本願明細書の磁気素子はまた図2で図示されなかった他の要素を包含することができる。例えば、複数のシード膜に追加して、磁気素子は、被固定膜110に隣接し、被固定膜110の磁化111を固定するためのAFM膜(図示せず)を包含することができる。   In FIG. 2, the memory 100 includes a vertical anisotropic capping film 140, a free film 130 having a changeable magnetization 131, a spacer film 120 (eg, a tunneling barrier), and a pinned layer 110. The magnetic element 100 is used in a magnetic device such as a magnetic memory, and current can be applied through the magnetic element 100. Eventually, such a device includes a contact (not shown in FIG. 2) through which current can be provided to and output from the magnetic element 100. Such contacts may also be included, for example, in some or all of the devices discussed below and associated with FIGS. The magnetic elements herein can also include other elements not shown in FIG. For example, in addition to the plurality of seed films, the magnetic element can include an AFM film (not shown) that is adjacent to the fixed film 110 and fixes the magnetization 111 of the fixed film 110.

図2に図示された実施形態で、スピン伝達トルクは、被固定膜110の磁化111に対して平行Pに又は非平行APに自由膜130の磁化131をスイッチするのに使用され得る。要求された中間スイッチング電流値は、方向をスイッチしにくい場合(例えば、A→AP)で、方向をスイッチしやすい場合(例えば、AP→A)の約2倍である。その上に、同一の技術ノードでセルサイズがDRAMセルサイズに相当する時、セルトランジスター(例えば、図17の414)から供給される電流が制限されるため、すべてのMTJビットがスイッチングされるスイッチング時間の桁が増加されるので、遅い書込み動作をもたらし、それでは他のメモリ技術と競争できない。方向をスイッチするのに容易である場合でも、メモリ100は数千乃至数万回の書込みを行う時、MTJビットはさらに悪くなって、幾つかの書込みサイクルの間にスイッチされなく、その後に再び良くなる。これは、スピントルクによって、スイッチされる時、MTJビットが時間にしたがって変化される潜伏期を有するからである。MTJビットはスピントルクが適用される時、それの正確な磁化方向に依存する。MgOがシード膜及びキャッピング膜として使用される時、上記MgOは直列抵抗を追加し、読出し信号を低く、したがって、メモリ読出し速度を減少させる。これに対することは以下でさらに説明する。   In the embodiment illustrated in FIG. 2, the spin transfer torque can be used to switch the magnetization 131 of the free film 130 parallel P or non-parallel AP to the magnetization 111 of the fixed film 110. The required intermediate switching current value is approximately twice as large as when the direction is difficult to switch (for example, A → AP) and when it is easy to switch the direction (for example, AP → A). In addition, when the cell size corresponds to the DRAM cell size at the same technology node, the current supplied from the cell transistor (eg, 414 in FIG. 17) is limited, so that all MTJ bits are switched. The time digits are increased, resulting in a slow write operation that cannot compete with other memory technologies. Even if it is easy to switch direction, when memory 100 performs thousands to tens of thousands of writes, the MTJ bit gets worse and is not switched during several write cycles, and then again Get better. This is because the MTJ bit has a latency period that varies with time when switched by spin torque. The MTJ bit depends on its exact magnetization direction when spin torque is applied. When MgO is used as a seed film and a capping film, the MgO adds a series resistance and lowers the read signal, thus reducing the memory read speed. This will be explained further below.

図3乃至図5は図2に図示された装置構造でのように、MTJ100がメモリセル構造で単一トンネリングバリアー膜、及び1つ以上のシード膜及びキャッピング膜としてMgOを形成する時に、メモリ100からの書込み動作実施データを提供する。   3 to 5 illustrate the memory 100 when the MTJ 100 forms a single tunneling barrier film and one or more seed films and a capping film in the memory cell structure as in the device structure illustrated in FIG. Provides write operation execution data from

図3乃至図5を参照すれば、単なるMgOのみで形成されたシード膜、キャッピング膜、及びバリアー膜を有するメモリ構造で書込み動作での問題点が議論される。図3はセルトランジスターへ印加された多様なゲート電圧Vppで、単一の書込み動作を通過したMTJセル数と、書込みパルス幅を図示する。図3に示したように、方向のスイッチングが容易である時(例えば、AP→A)、上記書込み速度(すべての優れたMTJセル、又はメモリアレイでスイッチングされるビットに対する)は20nsより速い。しかし、図4で示したように、方向のスイッチングが難しい場合(例えば、A→AP)、単一書込み動作速度はすべてのMTJセル又はスイッチングするビットに対して500nsより遅い。したがって、全体的な書込み速度は相当に減少される。   Referring to FIGS. 3 to 5, problems in a write operation are discussed in a memory structure having a seed film, a capping film, and a barrier film formed of only MgO. FIG. 3 illustrates the number of MTJ cells that have passed through a single write operation and the write pulse width at various gate voltages Vpp applied to the cell transistor. As shown in FIG. 3, when direction switching is easy (eg, AP → A), the write speed (for all good MTJ cells or bits switched in the memory array) is faster than 20 ns. However, as shown in FIG. 4, when direction switching is difficult (eg, A → AP), the single write operation speed is slower than 500 ns for all MTJ cells or bits to be switched. Thus, the overall write speed is significantly reduced.

図5は、書込みパルスが5nsに固定される時、方向のスイッチングが容易である場合及びスイッチングが難しい場合の両方において、書込み動作のための書込み電流分布を図示する。図5に示したように、方向のスイッチングが難い場合のセルをプログラムするのに要求される書込み電流はまた方向のスイッチングが容易である場合のセルをプログラムするのに要求される書込み電流より著しく高いことがあり得る。示したように、方向のスイッチングが難い場合の平均書込み電流は、標準偏差約47μAで、約113μAである。しかし、方向のスイッチングが容易である場合の平均書込み電流は、標準偏差9μAで、約86μAにしかならない。方向のスイッチングが難い場合の書込み電流の広い分布のため、このような方式に形成された装置は効率的に機能するのが難しい。   FIG. 5 illustrates the write current distribution for the write operation, both when the direction pulse is fixed and when switching is difficult, when the write pulse is fixed at 5 ns. As shown in FIG. 5, the write current required to program the cell when direction switching is difficult is also significantly greater than the write current required to program the cell when direction switching is easy. It can be expensive. As shown, the average write current when the direction switching is difficult is about 113 μA with a standard deviation of about 47 μA. However, the average write current when the direction switching is easy is only about 86 μA with a standard deviation of 9 μA. Due to the wide distribution of the write current when direction switching is difficult, devices formed in this manner are difficult to function efficiently.

図6は単一バリアー膜MTJ構造(MTJ構造内で自由膜が下に配置される構造のような)、及び議論された問題点を克服する本発明の概念の幾つかの原理にしたがって形成されたDMTJ(Dual magnetic tunneling junction:二重磁気トンネル接合)構造(例えば、図7に示したように)でスイッチング電流を比較するグラフ図である。   FIG. 6 is formed in accordance with several principles of the single barrier film MTJ structure (such as a structure in which a free film is disposed within the MTJ structure) and the problems of the present invention that overcome the problems discussed. FIG. 8 is a graph comparing switching currents with a DMTJ (Dual Magnetic Tunneling Junction) structure (for example, as shown in FIG. 7).

図6を参照すれば、単一トンネリングバリアー膜は方向のスイッチングが容易である場合、集中されたスイッチング電流分布を有するが、方向のスイッチングが難い場合、広い分布を有する。本発明の概念の幾つかの原理にしたがって形成されたDMTJ構造を使用することによって、方向のスイッチングが難い場合でスイッチング電流の分布を相当に減らし得る。   Referring to FIG. 6, the single tunneling barrier film has a concentrated switching current distribution when the direction switching is easy, but has a wide distribution when the direction switching is difficult. By using a DMTJ structure formed in accordance with some principles of the inventive concept, the distribution of switching currents can be significantly reduced when directional switching is difficult.

追加的に、多重MgOバリアー膜を使用したDMTJ構造は2つの方向全てで速いスイッチング速度(例えば、50ns以下)を獲得することができるにも関わらず、MgOバリアーの全ての磁化状態の統合(cancellation from both MgO barriers)によって、低いTMR比率が可能することができる。これは50%乃至80%のTMR比率と20Ωμmより大きいRAをもたらし、20nmノードより小さい応用製品に不適合である。 In addition, although the DMTJ structure using multiple MgO barrier films can achieve fast switching speeds in all two directions (eg, 50 ns or less), all the magnetization states of the MgO barrier are integrated. low TMR ratios may be possible with from both MgO barriers). This results in a TMR ratio between 50% and 80% and an RA greater than 20 Ωμm 2 , which is incompatible with application products smaller than the 20 nm node.

したがって、2つのMgOバリアーを提供することの代わりに、本発明概念の原理にしたがってバリアーの1つ(又は2つ)を本願明細書に開示された1つ以上の新しい酸化物で形成されたものに代替すれば、さらに低いRAの新しい酸化物バリアーはさらに改善されたTMR比率を提供することによって、このような問題を解消する。   Thus, instead of providing two MgO barriers, one (or two) of the barriers formed from one or more new oxides disclosed herein in accordance with the principles of the inventive concept Alternatively, a new oxide barrier with a lower RA eliminates these problems by providing a further improved TMR ratio.

特に図7を参照すれば、本発明概念の一実施形態によるDMTJ構造が開示される。本実施形態のDMTJ構造で、2つのバリアーの中で1つはMgOよりは新しい1つ以上の酸化物で形成され得る。   With particular reference to FIG. 7, a DMTJ structure according to an embodiment of the inventive concept is disclosed. In the DMTJ structure of the present embodiment, one of the two barriers may be formed of one or more oxides that are newer than MgO.

特に、図7で、磁気メモリのような磁気装置で使用される磁気素子70は被固定膜(又は下部基準膜)72、MgOスペーサー膜74、自由膜76、新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜78、及びその他の被固定膜(又は上部基準膜)79を含む。新しい酸化物は例えば、アニーリングの後のMgOのような基本結晶方向(001)を有し、その抵抗を減少させるために提供される追加した元素を有する二元、三元、又は多元合金酸化物であり得る。多様な磁性膜の磁化方向は面内又は垂直であり得る。幾つかの実施形態で、多様な磁性膜の磁化方向は面内及び垂直磁化方向の組み合わせであり得る。   In particular, in FIG. 7, a magnetic element 70 used in a magnetic device such as a magnetic memory is a fixed film (or lower reference film) 72, an MgO spacer film 74, a free film 76, and a nonmagnetic material formed of a new oxide. A spacer film 78 and other fixed film (or upper reference film) 79 are included. New oxides, for example, binary, ternary or multi-element alloy oxides with a basic crystal orientation (001) such as MgO after annealing and with additional elements provided to reduce its resistance It can be. The magnetization direction of various magnetic films can be in-plane or perpendicular. In some embodiments, the magnetization directions of various magnetic films can be a combination of in-plane and perpendicular magnetization directions.

さらに特に、二元合金酸化物は例えば、化学式Mgで表現され、例えば、x+y+z=1、x>y及び0<x、又はy、又はz<1である。“A”はMgOに添加された追加元素を表現する。このような元素は例えば、下記の元素の中の1つであり得る:Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRh。MgOの一般的なバリアー高さは約2〜3eVであるが、追加原子Aを有するバリアー高さは2eVより下に低くなり、より低いRA値を提供する。二元合金酸化物MgxAyOzは相変わらず、MgOの(001)結晶構造を有することができる。 More particularly, the binary alloy oxide is represented, for example, by the chemical formula Mg x A y O z , for example, x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1. “A” represents an additional element added to MgO. Such an element can be, for example, one of the following elements: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr , Mo, and Rh. The typical barrier height of MgO is about 2-3 eV, but the barrier height with additional atoms A will be below 2 eV, providing a lower RA value. The binary alloy oxide MgxAyOz can still have the (001) crystal structure of MgO.

同様に、三元合金酸化物は例えば、化学式Mg y1 y2で表現でき、例えば、x+y1+y2+z=1、x>y1+y2、及び0<x、y1、y2、又はz<1である。A及びAはMgOに追加された元素として、バリアー高さを約2eV以下に低くし、これによって、より低いRA値を提供する。 Similarly, the ternary alloy oxide can be expressed by, for example, the chemical formula Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z , for example, x + y1 + y2 + z = 1, x> y1 + y2, and 0 <x, y1, y2, or z <1 is there. A 1 and A 2 are elements added to MgO that lower the barrier height below about 2 eV, thereby providing a lower RA value.

多元合金酸化物は例えば、化学式Mg y1 y2…A ynで表現され、例えば、x+y1+y2+…+yn+z=1であり、0<x、y1、y2、…、yn、又はz<1である。A、A、…、AはMgOに追加された元素としてバリアー高さを約2eV以下に低くし、より低いRA値を提供する。 The multi-element alloy oxide is expressed by, for example, the chemical formula Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... An n yn O z , for example, x + y1 + y2 +... + Yn + z = 1, and 0 <x, y1, y2,. <1. A 1 , A 2 ,..., An are elements added to MgO that lower the barrier height to about 2 eV or less and provide a lower RA value.

しかし、幾つかの実施形態で、x+y又はx+y1+…+yn>1であり、z>1であり得る点を確認する。例えば、MgAl、(Mg、Ca、Sr、Ba)SnO、MgSnO、又はNiMn物質の中で1つ以上は新しい酸化物として使用され得る。 However, in some embodiments, it is confirmed that x + y or x + y1 +... + Yn> 1 and z> 1. For example, one or more of the MgAl 2 O 4 , (Mg, Ca, Sr, Ba) SnO 3 , Mg 2 SnO 4 , or NiMn 2 O 4 materials can be used as new oxides.

新しい酸化物は例えば、目的とする複数の追加原子を有するマグネシウムターゲットをスパッタリングして形成され、スパッタされたフィルムを酸素に露出させることによって、形成され得る。選択的に2つ、3つ又はそれ以上のターゲットが二元、三元、又は多元合金酸化物のために共にスパッタされることができる。予め混合されたターゲットもまた提供され得り、この場合、目的とする金属がスパッタリングされる前に、予め混合され、酸素に露出される。或いは、メモリ装置でパーティクル数があまりにも多いに関わらず、上記金属及び酸素はスパッタリングする前に、1つの単一ターゲットに予め混合され得る。新しい酸化物がバリアー膜として使用される時、導電性がないとしても、シード膜又はキャッピング膜として使用される時やスピンバルブ構造でスペーサー膜として使用される時、上記新しい酸化物は導電性であり得る。   New oxides can be formed, for example, by sputtering a magnesium target having a plurality of additional atoms of interest and exposing the sputtered film to oxygen. Optionally, two, three or more targets can be sputtered together for binary, ternary, or multi-element alloy oxides. A premixed target can also be provided, in which case the premixed and exposed to oxygen before the metal of interest is sputtered. Alternatively, regardless of the number of particles in the memory device, the metal and oxygen can be premixed into one single target before sputtering. When a new oxide is used as a barrier film, the new oxide is not conductive when used as a seed film or a capping film or as a spacer film in a spin valve structure. possible.

1つ以上のMgOバリアー膜に新しい酸化物を使用しなければ、TMR比率はMgO膜の直列抵抗のためにより低いことがあり得る。新しい酸化物の中での1つの使用で、より高いTMR比率と向上されたスピン分極が獲得され得る。   Without the use of new oxides in one or more MgO barrier films, the TMR ratio can be lower due to the series resistance of the MgO films. With one use in the new oxide, higher TMR ratios and improved spin polarization can be obtained.

図8乃至図16は本発明概念の原理にしたがって形成されたメモリ素子のための磁気スタック構造におけるその他の実施形態を図示する。このような実施形態の各々で、基準膜は例えば、自由膜に対するバイアス磁気場効果を減少させるか、或いは無くすSAF構造であり得る。また、上記自由膜はSAF構造であり得る。   8-16 illustrate other embodiments in a magnetic stack structure for a memory device formed in accordance with the principles of the present invention. In each such embodiment, the reference film can be, for example, a SAF structure that reduces or eliminates bias magnetic field effects on the free film. Further, the free film may have a SAF structure.

図8によれば、磁気素子又は磁気スタック構造80は、面内磁化方向(面内磁化)を有する自由膜86上に配列された垂直磁化方向(垂直磁化)を有する被固定膜(又は上部基準膜)89を含み、自由膜86及び上部基準膜89の間に1つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜(又はトンネリングバリアー膜)88を有する。その他の被固定膜(又は下部基準膜)82が、面内磁化方向を有するように、提供され得る。下部基準膜82及び自由膜86の間にMgOトンネリングバリアー膜84が形成される。本実施形態は下部の面内(磁化の)基準膜及び上部の垂直(磁化の)基準膜からの2つのスピントルクの組み合わせで非常に速いスイッチングを提供することができる。MgOはより高いRA値を提供するようにメイントンネリングバリアー膜として本実施形態で使用され得る。したがって、読出し信号は、さらに大きい読出し信号及びさらに速い読出し動作のためのより高いTMR比率を有するメインMgOバリアーによって改善され得る。書込み電流が図8に図示されたMTJ構造を通過する時、上部垂直(磁化の)基準膜は、自由膜86に対して大きい垂直スピントルクを提供し、自由膜磁化を面に対して直ちに傾かないようにする。また、下部基準膜82からのスピントルクは自由膜磁化に影響を与えて、自由膜86磁化が下部基準膜82に対して平行であるか、或いは非平行であるようにする。また、自由膜がフィルム面に対して傾けられる時、自由膜磁化の歳差回転効果(precessional rotational effect)がある。それで、自由膜磁化のスイッチングが非常に速くになる(例えば、数十乃至数百ピコ秒)。   According to FIG. 8, the magnetic element or magnetic stack structure 80 includes a fixed film (or upper reference) having a perpendicular magnetization direction (perpendicular magnetization) arranged on a free film 86 having an in-plane magnetization direction (in-plane magnetization). A non-magnetic spacer film (or tunneling barrier film) 88 formed of one or more new oxides between the free film 86 and the upper reference film 89. Another fixed film (or lower reference film) 82 may be provided to have an in-plane magnetization direction. An MgO tunneling barrier film 84 is formed between the lower reference film 82 and the free film 86. This embodiment can provide very fast switching with a combination of two spin torques from the lower in-plane (magnetized) reference film and the upper perpendicular (magnetized) reference film. MgO can be used in this embodiment as a main tunneling barrier film to provide a higher RA value. Thus, the read signal can be improved by a main MgO barrier with a larger read signal and a higher TMR ratio for faster read operations. When the write current passes through the MTJ structure illustrated in FIG. 8, the upper perpendicular (magnetized) reference film provides a large perpendicular spin torque to the free film 86 and immediately tilts the free film magnetization with respect to the plane. Do not leave. Further, the spin torque from the lower reference film 82 affects the free film magnetization so that the magnetization of the free film 86 is parallel or non-parallel to the lower reference film 82. Also, when the free film is tilted with respect to the film surface, there is a precession rotational effect of free film magnetization. Therefore, the switching of the free film magnetization becomes very fast (eg, tens to hundreds of picoseconds).

図9に図示された実施形態は被固定膜(又は上部基準膜)98上に整列された1つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜99を除外すれば、図8に図示されたものと類似である。新しい酸化物キャッピング膜99は、上部基準膜98で追加的な界面垂直異方性をもたらすようにする。前述した実施形態と後述される実施形態の各々で、上記構造は本願明細書で記述された発明原理から逸脱しなければ、その順序は変わることができることを確認する。磁気素子90はまた、面内の自由膜96、下部基準膜92、及びそれらの間のMgO膜94を包含することができる。非磁性スペーサー膜(又はトンネリングバリアー膜)97は自由膜96及び上部基準膜98の間に配置され、1つ以上の新しい酸化物で形成される。   The embodiment illustrated in FIG. 9 is the same as that illustrated in FIG. 8 except for the capping film 99 formed of one or more new oxides aligned on the fixed film (or upper reference film) 98. And similar. A new oxide capping film 99 provides additional interface perpendicular anisotropy in the upper reference film 98. In each of the above-described embodiments and the embodiments described below, it will be confirmed that the order of the structures can be changed without departing from the inventive principle described in the present specification. The magnetic element 90 can also include an in-plane free film 96, a lower reference film 92, and an MgO film 94 therebetween. A non-magnetic spacer film (or tunneling barrier film) 97 is disposed between the free film 96 and the upper reference film 98 and is formed of one or more new oxides.

図10は磁気素子(又は磁気スタック構造又はMTJ)100を図示する。上記磁気素子内の上部基準膜109は面内磁化方向を有する反面、自由膜106及び下部基準膜102は垂直磁化方向を有する。1つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜108は上部基準膜109及び自由膜106の間に配置でき、MgOトンネリングバリアー膜104は自由膜106及び下部基準膜102の間に配置され得る。垂直磁化物質は面内磁化物質より大きい磁気異方性を有するので、垂直磁化方向は上記磁気装置の大きさを20nmに減少するようにする。書込み電流が図10に図示されたMTJを通じて印加される時、面内磁化された上部基準膜109は上記自由膜に最大スピントルクを提供して、上記自由膜が面内方向に磁化されるようにする。そして、下部垂直磁化された基準膜102からのスピントルクによって、上記自由膜は短い期間に下部基準膜102と平行又は非平行になるようにスイッチされる。しかし、面内磁化された上部基準膜109がなければ、初期スピントルクは0であるか、或いは0に近く、スイッチングされるのに望ましくないように長い時間が掛かる。   FIG. 10 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ) 100. The upper reference film 109 in the magnetic element has an in-plane magnetization direction, while the free film 106 and the lower reference film 102 have a perpendicular magnetization direction. A non-magnetic spacer film or tunneling barrier film 108 formed of one or more new oxides can be disposed between the upper reference film 109 and the free film 106, and the MgO tunneling barrier film 104 is formed of the free film 106 and the lower reference film 102. Can be placed between. Since the perpendicular magnetization material has a magnetic anisotropy greater than the in-plane magnetization material, the perpendicular magnetization direction reduces the size of the magnetic device to 20 nm. When a write current is applied through the MTJ shown in FIG. 10, the in-plane magnetized upper reference film 109 provides maximum spin torque to the free film so that the free film is magnetized in the in-plane direction. To. The free film is switched so as to be parallel or non-parallel to the lower reference film 102 in a short period of time by the spin torque from the lower perpendicularly magnetized reference film 102. However, without the in-plane magnetized upper reference film 109, the initial spin torque is zero or close to zero and takes an undesirably long time to be switched.

図11は磁気素子(又は磁気スタック構造又はMTJ)110を図示する。上部基準膜119及び自由膜116は垂直磁化方向を有し、下部基準膜112は面内磁化方向を有する。MgOトンネリングバリアー膜118は上部基準膜119及び自由膜116の間に配置され、1つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜(又はトンネリングバリアー膜)114は自由膜116及び下部基準膜112の間に配置され得る。図10に図示された実施形態の面内磁化された上部基準膜109のように、本実施形態の面内磁化された下部基準膜112はスイッチング動作を初期化するようにして、さらに速いスイッチング速度を提供するようにすることができる。   FIG. 11 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ) 110. The upper reference film 119 and the free film 116 have a perpendicular magnetization direction, and the lower reference film 112 has an in-plane magnetization direction. The MgO tunneling barrier film 118 is disposed between the upper reference film 119 and the free film 116, and the nonmagnetic spacer film (or tunneling barrier film) 114 formed of one or more new oxides is the free film 116 and the lower reference film. 112 may be disposed between. Like the in-plane magnetized upper reference film 109 of the embodiment illustrated in FIG. 10, the in-plane magnetized lower reference film 112 of the present embodiment initializes the switching operation, thereby further increasing the switching speed. Can be provided.

図7乃至図11の各々は本発明の概念の原理にしたがって形成されたDMTJ構造を図示する。多様な単一バリアー膜MTJ構造はまた、本発明の原理の範囲内で考慮され、幾つかの実施形態は図12乃至図14を参照して記述される。   Each of FIGS. 7-11 illustrates a DMTJ structure formed in accordance with the principles of the present invention. Various single barrier film MTJ structures are also contemplated within the scope of the principles of the present invention, and some embodiments are described with reference to FIGS.

図12は磁気素子(又は磁気スタック構造)120を図示する。1つ以上の新しい酸化物がシード膜122として使用され、自由膜124がシード膜上に形成される。MgOトンネリングバリアー膜126は被固定膜(又は上部基準膜)128から自由膜124を分離させる。このような特定の実施形態で、自由膜124及び上部基準膜128の両方は垂直磁化方向を有する。前述したように、垂直磁化方向はより小さい装置構造を可能にできる。Applied Physics Letters、Vol.99、042501(2001)、及びIEEE Magnetics Letters、Vol.2、3000204(2011)で詳細に議論されたように、自由膜の活性体積(activation volume)が全体体積より小さい場合、垂直単一トンネリングバリアー膜構造で、スイッチングはドメインの速い核生成(nucleation)を通じて達成され得る。   FIG. 12 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure) 120. One or more new oxides are used as the seed film 122 and a free film 124 is formed on the seed film. The MgO tunneling barrier film 126 separates the free film 124 from the fixed film (or upper reference film) 128. In certain such embodiments, both the free film 124 and the upper reference film 128 have a perpendicular magnetization direction. As previously mentioned, the perpendicular magnetization direction can allow for smaller device structures. Applied Physics Letters, Vol. 99, 042501 (2001), and IEEE Magnetics Letters, Vol. 2, 3000204 (2011) as discussed in detail, when the activation volume of the free membrane is smaller than the total volume, in a vertical single tunneling barrier membrane structure, switching is fast nucleation of domains. Can be achieved through.

図13は磁気素子(又は磁気スタック構造又はMTJ)130を図示する。1つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜138が提供され得る。キャッピング膜138は自由膜136上に配置でき、自由膜136はMgOトンネリングバリアー膜134によって被固定膜(又は下部基準膜)132と分離され得る。本実施形態で、自由膜136及び下部基準膜132の両方は垂直磁化方向を有することができる。   FIG. 13 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ) 130. A capping film 138 formed of one or more new oxides may be provided. The capping film 138 can be disposed on the free film 136, and the free film 136 can be separated from the fixed film (or lower reference film) 132 by the MgO tunneling barrier film 134. In this embodiment, both the free film 136 and the lower reference film 132 may have a perpendicular magnetization direction.

図14は本発明の概念の原理にしたがって形成されたその他の磁気素子(又は磁気スタック構造)140を図示する。図14に示したように、シード膜142は本願明細書で開示された1つ以上の新しい酸化物で形成され得る。被固定膜(又は下部基準膜)144はシード膜142上に形成され得る。自由膜148はMgOトンネリングバリアー膜146によって、下部基準膜144から分離されて提供され得る。最後に、キャッピング膜149は1つの新しい酸化物で形成でき、自由膜148上に配置され得る。本実施形態で、自由膜148及び下部基準膜144の両方は垂直磁化方向を有することができる。   FIG. 14 illustrates another magnetic element (or magnetic stack structure) 140 formed in accordance with the principles of the inventive concept. As shown in FIG. 14, the seed film 142 may be formed of one or more new oxides disclosed herein. The fixed film (or lower reference film) 144 may be formed on the seed film 142. The free film 148 may be provided separated from the lower reference film 144 by the MgO tunneling barrier film 146. Finally, the capping film 149 can be formed of one new oxide and placed on the free film 148. In this embodiment, both the free film 148 and the lower reference film 144 may have a perpendicular magnetization direction.

図15は、磁性膜の各々が垂直磁化方向を有することを除外すれば、図8に図示されたことと類似な磁気素子又はDMTJ磁気スタック構造150を図示する。さらに詳細には、図15に示したように、被固定膜(又は上部基準膜)159は自由膜156上に配置され得る。非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜158が被固定膜及び自由膜の間に配置される。スペーサー膜158は本願明細書に開示された1つ以上の新しい酸化物で形成され得る。他の被固定膜(又は下部基準膜)152は自由膜156下に配置され得る。MgOトンネリングバリアー膜154が自由膜156及び下部基準膜152の間に配置される。図面符号152、159の各々と自由膜156は垂直磁化方向を有し得り、上部基準膜159の磁化方向は下部基準膜152の磁化方向と反対に配列される。前述したように、垂直磁化方向はより小さい装置構造を製造することができ、活性体積が自由膜の全体体積より小さい場合、速いスイッチングを達成することができる。   FIG. 15 illustrates a magnetic element or DMTJ magnetic stack structure 150 similar to that illustrated in FIG. 8, except that each of the magnetic films has a perpendicular magnetization direction. More specifically, as shown in FIG. 15, the fixed film (or upper reference film) 159 may be disposed on the free film 156. A nonmagnetic spacer film or tunneling barrier film 158 is disposed between the fixed film and the free film. The spacer film 158 can be formed of one or more new oxides disclosed herein. Another fixed film (or lower reference film) 152 may be disposed under the free film 156. An MgO tunneling barrier film 154 is disposed between the free film 156 and the lower reference film 152. Each of the reference numerals 152 and 159 and the free film 156 may have a perpendicular magnetization direction, and the magnetization direction of the upper reference film 159 is arranged opposite to the magnetization direction of the lower reference film 152. As previously mentioned, device structures with smaller perpendicular magnetization directions can be produced, and fast switching can be achieved if the active volume is less than the total volume of the free membrane.

図16を参照すれば、その他の実施形態による磁気素子(又は磁気スタック構造又はMTJ)160は1つ以上の新しい酸化物で形成されたシード膜161、シード膜161上に形成された被固定膜(又は下部基準膜)163、下部基準膜163及び自由膜165の間に配置されたMgOトンネリングバリアー膜164、1つ以上の新しい酸化物で形成され、自由膜165及び他の被固定膜(又は上部基準膜)168の間に配置された非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜167、及び1つ以上の酸化物で形成され、上部基準膜の上に配置されるキャッピング膜169を包含することができる。自由膜及び基準膜の各々は垂直磁化方向を有し、上部及び下部基準膜163、168は互いに反対方向の磁化方向を有する。   Referring to FIG. 16, a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ) 160 according to another embodiment includes a seed film 161 formed of one or more new oxides and a fixed film formed on the seed film 161. (Or lower reference film) 163, MgO tunneling barrier film 164 disposed between lower reference film 163 and free film 165, one or more new oxides, free film 165 and other fixed film (or A non-magnetic spacer film or tunneling barrier film 167 disposed between the upper reference film 168 and a capping film 169 formed of one or more oxides and disposed on the upper reference film. . Each of the free film and the reference film has a perpendicular magnetization direction, and the upper and lower reference films 163 and 168 have magnetization directions opposite to each other.

図17は前述した磁気素子を利用する磁気メモリ400の一部の実施形態を図示する。本実施形態で、磁気メモリはSTT−RAM400であり得る。STT−RAM400は、ワードラインセレクター/ドライバー(word line selector/driver)404のみならず、読出し/書込みカラムセレクター/ドライバー(reading/writing column selector/drivers)402、406を含む。SST−RAM400はまた、磁気素子412及び選択/分離素子414を含むメモリセル410を含む。磁気素子412は図7乃至図16に図示されたいずれの磁気素子であり得る。読出し/書込みカラムセレクター/ドライバー402、406はビットライン403及びセル410へ選択的に電流を印加するのに使用され得る。ワードラインセレクター/ドライバー404は、選択されたワードライン405に結合された選択/分離素子(selection/isolation device)414をイネーブルすることによって、STT−RAM400の複数の列を選択することができる。図示された実施形態で、書込みに使用された追加的な磁気場はビットライン403によって提供され得る。   FIG. 17 illustrates an embodiment of a portion of a magnetic memory 400 that utilizes the magnetic elements described above. In this embodiment, the magnetic memory may be the STT-RAM 400. The STT-RAM 400 includes not only a word line selector / driver (word line selector / driver) 404 but also read / write column selector / driver (reading / writing column selector / drivers) 402 and 406. The SST-RAM 400 also includes a memory cell 410 that includes a magnetic element 412 and a selection / separation element 414. The magnetic element 412 can be any of the magnetic elements illustrated in FIGS. Read / write column selector / drivers 402, 406 can be used to selectively apply current to bit line 403 and cell 410. The word line selector / driver 404 can select multiple columns of the STT-RAM 400 by enabling a selection / isolation device 414 coupled to the selected word line 405. In the illustrated embodiment, the additional magnetic field used for writing can be provided by bit line 403.

図17を参照すれば、本発明の概念の他の原理にしたがって、図17に図示されたような回路構造は、シード膜、キャッピング膜、又はバリアー膜として二元、三元、又は多元合金酸化物を含む磁気メモリ素子を利用して形成されることができるので、小さくなったメモリセル大きさでの実行特性、さらに速い書込み及び読出し速度、及び減少された読出し/書込み無作為エラーを改善させ得る。   Referring to FIG. 17, in accordance with other principles of the inventive concept, a circuit structure such as that illustrated in FIG. 17 can be used as a seed, capping, or barrier film for binary, ternary, or multi-component alloy oxidation. Can be formed using a magnetic memory device including an object, thereby improving the performance characteristics at a reduced memory cell size, faster write and read speed, and reduced read / write random errors. obtain.

図18を参照すれば、アクセス装置は基板10の指定された領域内に配置される。   Referring to FIG. 18, the access device is disposed in a designated area of the substrate 10.

基板10はシリコン基板、ガリウム砒素基板、シリコンゲルマニウム基板、セラミック基板、石英基板、又はディスプレー用ガラス基板であり、SOI(Silicon On Insulator)であり得る。この場合、アクセス装置はMOSトランジスターであり得る。この場合、アクセストランジスターは、基板10の指定された領域内に形成された素子分離膜11によって、限定されたアクティブ領域内に配置される。特に、アクセストランジスターはアクティブ領域内に配置され、互いに離隔されたソース領域13及びドレーン領域12と、ソース領域13及びドレーン領域12の間のチャンネル領域上部領域上に形成されたゲート電極22を包含することができる。ゲート電極22はワードラインとして機能するようにアクティブ領域の上部を横切って延長できる。ゲート電極22はゲート絶縁膜21によって、アクティブ領域から絶縁される。   The substrate 10 is a silicon substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for display, and may be an SOI (Silicon On Insulator). In this case, the access device can be a MOS transistor. In this case, the access transistor is arranged in the limited active region by the element isolation film 11 formed in the designated region of the substrate 10. In particular, the access transistor includes a source region 13 and a drain region 12 which are disposed in the active region and are spaced apart from each other, and a gate electrode 22 formed on a channel region upper region between the source region 13 and the drain region 12. be able to. The gate electrode 22 can extend across the top of the active region to function as a word line. The gate electrode 22 is insulated from the active region by the gate insulating film 21.

第1層間絶縁膜20はアクセストランジスターを有する基板10の上部上に形成され、ソースライン32はソース領域13に対応される第1層間絶縁膜20の指定された領域上に配置され得る。ソースライン32はゲート電極22と同一な方向に延長するように形成され得る。ソースラインコンタクト24及びランディングコンタクト(landing contact)23は第1層間絶縁膜20内に形成される。ソースラインコンタクト24はソースライン32とソース領域13を電気的に連結し、ランディングコンタクト23はドレーン領域12上に形成されてMTJ素子をアクセストランジスターのドレーン領域12に電気的に連結させることができる。   The first interlayer insulating film 20 may be formed on an upper portion of the substrate 10 having an access transistor, and the source line 32 may be disposed on a designated region of the first interlayer insulating film 20 corresponding to the source region 13. The source line 32 may be formed to extend in the same direction as the gate electrode 22. The source line contact 24 and the landing contact 23 are formed in the first interlayer insulating film 20. The source line contact 24 electrically connects the source line 32 and the source region 13, and the landing contact 23 is formed on the drain region 12 to electrically connect the MTJ element to the drain region 12 of the access transistor.

第2層間絶縁膜30は第1層間絶縁膜20上に形成され得る。ソースライン32は第1層間絶縁膜20上に配置される。第2層間絶縁膜30内に、ランディングコンタクト23と電気的に連結される下部電極コンタクト31が形成され得る。   The second interlayer insulating film 30 may be formed on the first interlayer insulating film 20. The source line 32 is disposed on the first interlayer insulating film 20. A lower electrode contact 31 electrically connected to the landing contact 23 may be formed in the second interlayer insulating film 30.

例えば、図7乃至図16に関連して前述した本願明細書の幾つかの実施形態によるMTJ素子10は電極コンタクト31及び/又は第2層間絶縁膜30上に配置され得る。磁気トンネル接合素子(magnetic tunnel junction element)10は上述されたので、これに対する詳細な説明は省略する。   For example, the MTJ element 10 according to some embodiments of the present specification described above with reference to FIGS. 7 to 16 may be disposed on the electrode contact 31 and / or the second interlayer insulating film 30. Since the magnetic tunnel junction element 10 has been described above, a detailed description thereof will be omitted.

磁気トンネル接合素子10及びドレーン領域12はランディングコンタクト23及び下部電極コンタクト31を通じて電気的に連結される。   The magnetic tunnel junction device 10 and the drain region 12 are electrically connected through the landing contact 23 and the lower electrode contact 31.

第3層間絶縁膜40はMTJ素子10上に形成され得る。第3層間絶縁膜40上に、ビットライン50がゲート電極22を横切りながら、配列され得る。ビットライン50及び磁気トンネル接合素子10は上部電極コンタクト41によって電気的に連結される。選択的な工程で、上部電極コンタクト41は省略され得る。   The third interlayer insulating film 40 can be formed on the MTJ element 10. The bit lines 50 may be arranged on the third interlayer insulating film 40 while crossing the gate electrode 22. The bit line 50 and the magnetic tunnel junction device 10 are electrically connected by the upper electrode contact 41. In an optional step, the upper electrode contact 41 may be omitted.

第1、第2及び第3層間絶縁膜20、30、40は例えば、シリコン酸化膜又はシリコン硝酸窒酸化膜で形成され得る。ランディングコンタクト23、ソースラインコンタクト24、ソースライン32、下部電極コンタクト31、上部電極コンタクト41、及びビットライン50は例えば、W、Ru、Ta、Cu、Al、又は不純物がドーピングされたポリシリコンを使用して形成され得る。   The first, second, and third interlayer insulating films 20, 30, and 40 can be formed of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitrite oxynitride film. For example, the landing contact 23, the source line contact 24, the source line 32, the lower electrode contact 31, the upper electrode contact 41, and the bit line 50 are made of W, Ru, Ta, Cu, Al, or impurity-doped polysilicon. Can be formed.

ビットライン50上に、回路回路領域(図示せず)の回路と電気的な接触のための導電配線がさらに形成され得る。   On the bit line 50, a conductive wiring for electrical contact with a circuit in a circuit circuit region (not shown) may be further formed.

図19は前述した本発明の概念の幾つかの実施形態による磁気素子が使用された電子システム900の概略的な図面である。電子システム900はコンピューター、ノートブック型コンピューター、ウルトラモバイルPC(UMPC)、タブレットPC、サーバー、ワークステーション、モバイルテレコミュニケーション装置、衛星、セットトップボックス、TV等のような多様な電子装置に使用され得るが、上述したものに限定されない。例えば、電子システム900はメモリシステム912、プロセッサー914、RAM916、及びユーザーインターフェイス918を包含でき、バス920を使用して情報交換を実行することができる。メモリシステム912は前述した本願明細書の幾つかの実施形態による磁気素子を包含することができる。プロセッサー914はマイクロプロセッサー又はモバイルプロセスAPであり得る。プロセッサー914は、フローティングポイントユニット(floating point unit、FPU)、算術論理ユニット(arithmetic logic unit、ALU)、グラフィックプロセシングユニット(graphics processing unit、GPU)、及びデジタル信号プロセシングコア(digital signal processing core、DSP Core)又はこれらの組み合わせを包含することができるプロセッサーコア(図示せず)を有することができる。プロセッサー914は電子システム900をプログラム及び制御を実行することができる。RAM916はプロセッサー914の動作メモリとして使用され得る。例えば、プロセッサー914又はRAM916は前述した実施形態による磁気メモリを包含することができる。選択的に、プロセッサー914及びRAM916は電子システムに/からの、入力する/出力するデータとして使用され得る。メモリシステム912はプロセッサー914の動作のためのコード、プロセッサー914によって、進行されたデータ、又は外部入力データを格納できる。メモリシステム912はコントローラ及びメモリを包含することができる。   FIG. 19 is a schematic drawing of an electronic system 900 in which a magnetic element according to some embodiments of the inventive concept described above is used. The electronic system 900 can be used in various electronic devices such as computers, notebook computers, ultra mobile PCs (UMPC), tablet PCs, servers, workstations, mobile telecommunications devices, satellites, set top boxes, TVs, etc. However, it is not limited to what was mentioned above. For example, the electronic system 900 can include a memory system 912, a processor 914, a RAM 916, and a user interface 918, and the bus 920 can be used to perform information exchange. The memory system 912 can include a magnetic element according to some embodiments described hereinabove. The processor 914 can be a microprocessor or a mobile process AP. The processor 914 includes a floating point unit (FPU), an arithmetic logic unit (ALU), a graphics processing unit (GPU), and a digital signal processing core (digital signal processing). ) Or a combination thereof may have a processor core (not shown). The processor 914 can execute programs and controls for the electronic system 900. The RAM 916 can be used as an operating memory for the processor 914. For example, the processor 914 or the RAM 916 can include a magnetic memory according to the above-described embodiments. Alternatively, processor 914 and RAM 916 can be used as input / output data to / from the electronic system. The memory system 912 can store code for operation of the processor 914, data advanced by the processor 914, or external input data. The memory system 912 can include a controller and memory.

電子システム900は多様な電子装置のための電子的コントローラとして使用され得る。   The electronic system 900 can be used as an electronic controller for a variety of electronic devices.

シード膜、キャッピング膜、及び/又はバリアー又はスペーサー膜として1つ以上の新しい酸化物を有する磁気スタック構造を形成することによって、より低いRA値及びより低いSTT書込み電流密度と電圧と共により高いTMR比率が提供され得る。追加的に、より高い界面垂直異方性はこのような改善されたシード膜、キャッピング膜及び挿入物質の使用することによって達成されることができる。改善された物質はまた、スイッチングのための設定された方向と優れた選択特徴と共に読出し及び書込みエラーの非常に減少された可能性を提供する。   Higher TMR ratio with lower RA value and lower STT write current density and voltage by forming a magnetic stack structure with one or more new oxides as seed film, capping film, and / or barrier or spacer film Can be provided. Additionally, higher interface normal anisotropy can be achieved by using such improved seed films, capping films and intercalation materials. The improved material also provides a greatly reduced possibility of read and write errors with a set direction for switching and excellent selection characteristics.

例えば、新しいMg二元酸化物としてMgTbOを使用したバリアー膜の中で1つを形成することによって、高いコヒーレントトンネリング(coherent tunneling)が達成されることができ、TMR比率が高くなることができる。追加的に、バリアー膜及び磁性被固定膜又は自由膜の間での優れた結晶整合性が獲得され得る。同様に、MgTbO(又は新しい酸化物の中で1つ)はシード又はキャッピング膜を形成するために使用され、結晶構造の間での優れた格子整合性が獲得され、より低いRA値が達成されることができる。即ち、望ましくTbがOと結合するので、より少ない酸素原子がMgと反応して結果的により低いバリアー高さ及びより低いRA値が誘起される。 For example, by forming one of the barrier films using MgTb y O as a new Mg x A y O z binary oxide, high coherent tunneling can be achieved and the TMR ratio Can be high. In addition, excellent crystal matching between the barrier film and the magnetic fixed film or free film can be obtained. Similarly, MgTb y O (or one of the new oxides) is used to form a seed or capping film, obtaining excellent lattice matching between crystal structures and lower RA values. Can be achieved. That is, since Tb is preferably bonded to O, fewer oxygen atoms react with Mg, resulting in a lower barrier height and lower RA value.

図示された幾つかの実施形態で、MgOは一般的にバリアー膜の中で1つとして使用され、新しい酸化物が第2バリアー膜、キャッピング膜、又はシード膜として使用される。しかし、本願明細書の原理は、MgOと異なるバリアー物質が使用される時もまた適用され得る。新しい酸化物が2つ以上のバリアー膜を提供するために使用されれば、新しい酸化物膜の中で1つは望ましく、他の新しい酸化物バリアー膜より少なくとも1桁高いRA値を有することができる。磁化状態の統合はRA値に依存するので、RA値があまりにも小さければ、装置の効率的な読出しが難しいことがある。したがって、他の実施形態で、メイントンネリングバリアーは1つ以上の新しい酸化物系から形成され得る。   In some of the illustrated embodiments, MgO is generally used as one of the barrier films and a new oxide is used as the second barrier film, capping film, or seed film. However, the principles herein can also be applied when a barrier material different from MgO is used. If a new oxide is used to provide more than one barrier film, one of the new oxide films is desirable and may have an RA value that is at least an order of magnitude higher than the other new oxide barrier films. it can. Since the integration of the magnetization states depends on the RA value, it may be difficult to read the device efficiently if the RA value is too small. Thus, in other embodiments, the main tunneling barrier can be formed from one or more new oxide systems.

幾つかの実施形態で、上記装置での書込み方法は、スイッチングを誘起するようにMTJ装置を通じて流れる双極(bipolar)又は単極(unipolar)電流(又は電圧)を使用することを包含することができる。選択的に、書込み方法はMTJ装置に隣接して補助的なパルス電流と共にMTJ装置を通じて流れる双極又は単極電流(又は電圧)を使用することを包含することができる。一実施形態で、補助的なパルス電流は磁気場を通じてMTJと結合させることができる。他の実施形態で、補助的なパルス電流はスピンホール効果(Spin Hall Effect)又はラシュバ効果(Rashba effect)のような物理的効果からMTJでスピン電流又はスピントルクを誘起させることができる。補助的なパルス電流はMTJを通じて流れる電流(又は電圧)をリードするか、又は重畳することができる。上記方法はより低い書込みエラー率と共にさらに速いスイッチングするようにすることができる。   In some embodiments, the writing method in the device can include using a bipolar or unipolar current (or voltage) that flows through the MTJ device to induce switching. . Optionally, the writing method can include using a bipolar or monopolar current (or voltage) that flows through the MTJ device with an auxiliary pulse current adjacent to the MTJ device. In one embodiment, the auxiliary pulse current can be coupled to the MTJ through a magnetic field. In other embodiments, the auxiliary pulse current can induce a spin current or spin torque at the MTJ from a physical effect such as the Spin Hall Effect or the Rashba effect. The auxiliary pulse current can lead or superimpose the current (or voltage) flowing through the MTJ. The method can be made to switch even faster with a lower write error rate.

特に、一実施形態によれば、図17に示したように多数の磁気格納セル(各々は前述した少なくとも1つの磁気素子を包含)を含む磁気メモリは少なくとも1つの磁気素子を通じて双極又は単極電流を印加するか、或いは少なくとも1つの磁気素子に電圧を印加することによって、プログラムされ得る。双極又は単極の電流又は電圧は少なくとも1つの磁気素子をプログラムするのに十分であり得る。また多数の磁気格納セルの各々は少なくとも1つの選択素子を包含することができる。それで、少なくとも1つの磁気素子は少なくとも1つの磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは少なくとも1つの磁気素子に電圧を印加することによって、プログラムすることができる。   In particular, according to one embodiment, a magnetic memory including multiple magnetic storage cells (each including at least one magnetic element described above) as shown in FIG. 17 is a bipolar or monopolar current through at least one magnetic element. Or can be programmed by applying a voltage to at least one magnetic element. Bipolar or monopolar currents or voltages may be sufficient to program at least one magnetic element. Each of the multiple magnetic storage cells can include at least one selection element. Thus, the at least one magnetic element can be programmed by passing a write current through the at least one magnetic element or by applying a voltage to the at least one magnetic element.

他の実施形態で、図17に示したように、多数の磁気格納セル(前述した少なくとも1つの磁気素子を包含)を含む磁気メモリは、多数の磁気格納セルの一部の少なくとも1つの磁気素子を通じてではなく、磁気素子に隣接するように第1電流を印加し(例えば、少なくとも1つの磁気素子に隣接する導電配線に交流電流を印加し)、そして少なくとも1つの磁気素子を通じて第2電流を印加するか、或いは電圧を印加することによって、プログラムされることができる。第1電流は磁気場又は追加的なスピントルクを形成することができる。第2電流又は電圧、及び磁気場又は追加的なスピントルクは少なくとも1つの磁気素子をプログラムするのに十分であり得る。本発明の概念の前述した実施形態にしたがえれば、磁気メモリの動作でより低いエラー率を有し、さらに速いスイッチングが実現されることができる。即ち、本発明概念の新しい酸化物で、前述した補助書込みを加えて、最も小さいメモリセルサイズ、例えば、20nmノード以下で最も速いスイッチングが実現されることができる。   In another embodiment, as shown in FIG. 17, a magnetic memory that includes a number of magnetic storage cells (including at least one magnetic element described above) includes at least one magnetic element that is part of the number of magnetic storage cells. A first current is applied adjacent to the magnetic element rather than through (eg, an alternating current is applied to a conductive line adjacent to the at least one magnetic element) and a second current is applied through the at least one magnetic element Or can be programmed by applying a voltage. The first current can create a magnetic field or additional spin torque. The second current or voltage and the magnetic field or additional spin torque may be sufficient to program at least one magnetic element. According to the above-described embodiments of the inventive concept, a faster switching can be realized with a lower error rate in the operation of the magnetic memory. In other words, with the new oxide of the present invention concept, the fastest switching can be realized with the smallest memory cell size, for example, 20 nm node or less, by adding the above-described auxiliary writing.

一般的に本願明細書に使用された用語と特に添付された請求項(例えば、添付された請求項の本文)は“開放(open)”用語(例えば、用語“including、含む”は“including but not limited to、包含するが、これに限定されない”と解釈されなければならなく、用語“having、有する”は“having at least、少なくとも有する”と解釈されなければならなく、用語“includes、含む”は”includes but is not limited to包含するが、これに限定されない”と解釈されなければならない等)として使用されるように意図されたことは当業者に理解できる。仮に開示された請求項の上述の特定な数字が意図されたことであれば、そのような意図は請求項に定まれることで、そのような上述が存在しなければ、そのような意図は存在しないことは当業者に理解できる。例えば、理解を助ける意図に、次の添付された請求項は導入句“at least one、少なくとも1つ”と“one or more、1つ以上”を請求項に上述されたことを含む。しかし、同一な請求項が導入句節“1つ以上”又は“少なくとも1つ”そして、“a”、“an”ような不明確な句節を包含する時、そのような句節の使用は不明確な句節“a”又は“an”による請求項の上述の導入が、単なる1つのそのような上述したこと含むそのような発明に導入された請求項上述したこと含む、いずれの特定請求項を限定することを内包すること排除しない(例えば、“1つの”及び/又は“1”は通常“少なくとも1つ”又は“1つ以上”を意味することと解釈される)、同一なことは請求項を上述を導入するために使用された不明確な句節の使用のために有効である。さらに、“A、B、及びCの中での少なくとも1つ”と類似な規則が使用された場合には、一般的にそのような解釈は当業者がその規則を理解することを前提して意図される(例えば、“A、B、及びCの中での少なくとも1つを有するシステム”は、Aのみを有するか、Bのみを有するか、Cのみを有するか、A及びBを共に有するか、A及びCを共に有するか、B及びCを共に有するか、或いはA、B、及びCを共に有するシステムを包含するがこれに制限されない)。“A、B、又はCの中での少なくとも1つ”と類似な規則が使用された場合には、一般的にそのような解釈は当業者がその規則を理解することを前提して意図される(例えば、“A、B、又はCの中での少なくとも1つを有するシステム”は、Aのみを有するか、Bのみを有するか、Cのみを有するか、A及びBを共に有するか、A及びCを共に有するか、B及びCを共に有するか、或いはA、B、及びCを共に有するシステムを包含するがこれに制限されない)。また当業者であれば、実質的に何らかの離接的接続詞(disjunctive word)及び/又は2つ以上の代案的な用語を示す句節は、それが詳細な説明、請求の範囲又は図面にあるかに関係なく、その用語の中での1つ、その用語の中でのいずれか1つ、又はその用語2つ両方を含む可能性を考慮したことを理解する。例えば、“A又はB”という句節は“A”又は“B”又は“A及びB”の可能性を含むことと理解できる。   In general terms used in this specification and specifically appended claims (eg, the body of the appended claims) are “open” terms (eg, the term “including” includes “including” but not limited to, including, but not limited to, the term “having,” must be interpreted as “having at least,” and the term “includes,” includes. Can be understood by those skilled in the art to be used as "includes but is not limited to". If the above specific number of a claim is intended, such intention is defined in the claim, and if there is no such above, such intention is It can be understood by those skilled in the art that it does not exist. For example, for the purpose of assisting understanding, the following appended claims include the introductory phrases “at least one, at least one” and “one or more, one or more” as described above in the claims. However, when the same claim includes introductory phrases “one or more” or “at least one” and ambiguous phrases such as “a”, “an”, the use of such phrases is Any particular claim, including the above-described introduction of a claim by an ambiguous phrase “a” or “an”, may be just one such claim, such as the claim introduced to such invention. Do not exclude the inclusion of limiting terms (eg, “one” and / or “1” is usually taken to mean “at least one” or “one or more”) and are identical Is valid for the use of ambiguous phrases used to introduce the claims above. Furthermore, where a rule similar to “at least one of A, B, and C” is used, such an interpretation generally assumes that the skilled person understands the rule. Intended (eg, “a system having at least one of A, B, and C” has only A, only B, only C, or both A and B Including, but not limited to, systems having both A and C, both B and C, or both A, B, and C). Where a rule similar to “at least one of A, B, or C” is used, such an interpretation is generally intended with the understanding of those skilled in the art. (Eg, “a system having at least one of A, B, or C” has only A, only B, only C, or both A and B, Including but not limited to systems having both A and C, B and C together, or A, B and C together). Those skilled in the art will also recognize that any clauses indicating substantially any disjunctive word and / or two or more alternative terms are in the detailed description, claims or drawings. Regardless of the case, it is understood that the possibility of including one of the terms, any one of the terms, or both of the terms is considered. For example, the phrase “A or B” can be understood to include the possibilities of “A” or “B” or “A and B”.

本願明細書全体に掛けて“一実施形態”又は“1つの実施形態”に対する参照は、実施形態に関連して記述された特定の特徴、構造又は特性が本発明に含まれる少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、“1つの実施形態”又は“一実施形態で”という語句は必ず同一の実施形態を参照することではない。また、特定の特徴、構造又は特性は図示された特定実施形態を除外した他の適切な形態に形成され得り、このようなすべての形態は本出願の特許請求の範囲内に包含される。多様な磁気メモリ素子構造、そして上記磁気メモリ素子を使用して製造された磁気メモリ素子及びメモリを提供する方法及びシステムが記述される。上記構造、方法及びシステムが実施形態によって記述されるが、本実施形態に対する多様な変形が可能であり、したがって、変形は本願明細書に開示された装置、方法及びシステムのマッピング及び範囲内で考慮されたことを当業者は容易に認識する。したがって、多様な変形は当業者によって、添付された請求項のマッピング及び範囲から逸脱しながら、行われる。   Throughout this specification, references to “one embodiment” or “an embodiment” refer to at least one embodiment in which the particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in the invention. It is included in. Thus, the phrase “in one embodiment” or “in one embodiment” does not necessarily refer to the same embodiment. In addition, the particular features, structures, or characteristics may be formed in other suitable forms other than the particular embodiments illustrated, and all such forms are encompassed within the claims of this application. Various magnetic memory device structures and methods and systems for providing magnetic memory devices and memories manufactured using the magnetic memory devices are described. Although the above structures, methods, and systems are described by embodiments, various modifications to the embodiments are possible, and therefore, modifications are considered within the mapping and scope of the devices, methods, and systems disclosed herein. Those skilled in the art will readily recognize that. Accordingly, various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the mapping and scope of the appended claims.

10・・・基板
11・・・素子分離膜
12・・・ドレーン領域
13・・・ソース領域
20・・・第1層間絶縁膜
21・・・ゲート絶縁膜
22・・・ゲート電極
23・・・ランディングコンタクト
24・・・ソースラインコンタクト
30・・・第2層間絶縁膜
31・・・下部電極コンタクト
32・・・ソースライン
40・・・第3層間絶縁膜
41・・・上部電極コンタクト
50・・・ビットライン
70、80、90、100、110、120,130、140、150、160、412・・・磁気素子
72、82、79、89、98、110、128、132、144、152、159、163、168・・・被固定膜
74、84、120・・・スペーサー膜
76、86、96、106、116、124、130、136、148、156、165・・・自由膜
78、88、97、108、114、158、167・・・非磁性スペーサ―層
92、102,112・・・下部基準膜
94、104、118、126、134、146、154、164・・・MgO膜
99、138、149・・・キャッピング膜
109、119・・・上部基準膜
111、131・・・磁化
122、142、161・・・シード膜
140・・・垂直異方性キャッピング膜
400・・・磁気メモリ
402、406・・・読出し/書込みカラムセレクター/ドライバー
403・・・ビットライン
405・・・ワードライン
404・・・ワードラインセレクター/ドライバー
410・・・メモリセル
414・・・選択/分離素子、トランジスタ
900・・・電子システム
912・・・メモリシステム
914・・・プロセッサー
916・・・RAM
918・・・ユーザーインターフェース
920・・・バス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate 11 ... Element isolation film 12 ... Drain region 13 ... Source region 20 ... 1st interlayer insulation film 21 ... Gate insulation film 22 ... Gate electrode 23 ... Landing contact 24 ... Source line contact 30 ... Second interlayer insulating film 31 ... Lower electrode contact 32 ... Source line 40 ... Third interlayer insulating film 41 ... Upper electrode contact 50 ... -Bit lines 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 412 ... magnetic elements 72, 82, 79, 89, 98, 110, 128, 132, 144, 152, 159 , 163, 168... Fixed film 74, 84, 120... Spacer film 76, 86, 96, 106, 116, 124, 130, 136, 148 156, 165 ... free film 78, 88, 97, 108, 114, 158, 167 ... nonmagnetic spacer layer 92, 102, 112 ... lower reference film 94, 104, 118, 126, 134, 146, 154, 164 ... MgO films 99, 138, 149 ... capping films 109, 119 ... upper reference films 111, 131 ... magnetizations 122, 142, 161 ... seed films 140 ... Vertical anisotropic capping film 400 ... Magnetic memory 402, 406 ... Read / write column selector / driver 403 ... Bit line 405 ... Word line 404 ... Word line selector / driver 410 ... Memory cell 414 ... selection / separation element, transistor 900 ... electronic system 912 ... memo Resystem 914 ... Processor 916 ... RAM
918 ... User interface 920 ... Bus

Claims (9)

第1基準膜と、
自由膜と、
前記第1基準膜及び前記自由膜の間に配置された第1非磁性スペーサー膜と、
前記第1基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、
前記第1非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記第1非磁性スペーサー膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、Ru、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含み、
前記シード膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含み、
前記第1非磁性スペーサー膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物とは異なる、半導体装置のための磁気素子。
A first reference membrane;
A free membrane,
A first nonmagnetic spacer film disposed between the first reference film and the free film;
A seed film disposed under the first reference film,
The first nonmagnetic spacer film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide;
The binary, ternary, or multi-element alloy oxide of the first nonmagnetic spacer film is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Nb, Cr, Mo, and Rh,
The seed film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide;
The two-source the seed layer, ternary or multi-alloy oxide is Ru, T a, Tb, Cu , V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, And MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Rh,
The magnetic element for a semiconductor device, wherein the binary, ternary, or multi-element alloy oxide of the first nonmagnetic spacer film is different from the binary, ternary, or multi-element alloy oxide of the seed film.
前記第1非磁性スペーサー膜は絶縁トンネリングバリアー膜である請求項1に記載の磁気素子。   The magnetic element according to claim 1, wherein the first nonmagnetic spacer film is an insulating tunneling barrier film. 前記第1非磁性スペーサー膜はスピンバルブ(spin valve)として機能する導電物質を含む請求項1又は2に記載の磁気素子。   The magnetic element according to claim 1, wherein the first nonmagnetic spacer film includes a conductive material that functions as a spin valve. 前記第1基準膜の上に配置されたキャッピング膜をさらに含み、
前記キャッピング膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記キャッピング膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はRu、Al、Ta、Tb、Cu、V、Hf、Zr、W、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Nb、Cr、Mo、及びRhからなるグループから選択された1つ以上の追加元素を有するMgOを含む請求項1から3の何れか一項に記載の磁気素子。
A capping film disposed on the first reference film;
The capping film includes a binary, ternary, or multi-element alloy oxide;
The binary, ternary or multi-element alloy oxides of the capping film are Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo. 4. The magnetic element according to claim 1, comprising MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Rh and Rh.
前記第1非磁性スペーサー膜は(001)結晶構造を含む請求項1から4の何れか一項に記載の磁気素子。   The magnetic element according to claim 1, wherein the first nonmagnetic spacer film includes a (001) crystal structure. 前記自由膜の対向する面上に配置された第2基準膜と、
前記第2基準膜及び前記自由膜の間に配置される第2非磁性スペーサー膜と、をさらに含む請求項1から5の何れか一項に記載の磁気素子。
A second reference film disposed on an opposing surface of the free film;
The magnetic element according to claim 1, further comprising: a second nonmagnetic spacer film disposed between the second reference film and the free film.
前記第2非磁性スペーサー膜はMgOを含む請求項6に記載の磁気素子。   The magnetic element according to claim 6, wherein the second nonmagnetic spacer film contains MgO. 前記自由膜及び前記第2基準膜は面内磁化方向を有し、
前記第1基準膜は垂直磁化方向を有する請求項6又は7に記載の磁気素子。
The free film and the second reference film have an in-plane magnetization direction;
The magnetic element according to claim 6, wherein the first reference film has a perpendicular magnetization direction.
前記自由膜及び前記第2基準膜は垂直磁化方向を有し、
前記第1基準膜は面内磁化方向を有する請求項6から8の何れか一項に記載の磁気素子。
The free film and the second reference film have a perpendicular magnetization direction;
The magnetic element according to claim 6, wherein the first reference film has an in-plane magnetization direction.
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