KR100576927B1 - 자기저항 소자 - Google Patents
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Abstract
자기저항 소자내에서는 비자성 층 부품(3)이 제 1 강자성 층 부품(1)과 제 2 강자성 층 부품(2) 사이에 배치된다. 상기 비자성 층 부품(3)은, 자기저항 소자의 제조시 요구되는 온도 범위에서 확산 배리어 효과를 나타내고 인접한 강자성 층 부품내로 스스로 확산되지 않는 재료로 만들어진다. 자기저항 소자는 센서 소자로서뿐만 아니라 메모리 셀 장치의 기억 소자로서도 적합하다.
Description
본 발명은 메모리 셀 장치내에서 기억 소자로서 사용되는 자기저항 소자에 관한 것이다.
자기저항 소자가 센서 소자 또는 메모리 셀 장치, 소위 MRAM용 기억 소자로서 점차 많이 사용되고 있다(S. Mengel, Technologieanalyse Magnetismus, 제 2권, XMR-Technologien, VDI Techmologiezentrum Physikalische technologien 사 발행, 1997년 8월). 전문 분야에서는 2 개 이상의 강자성 층 및 그 사이에 배치된 하나의 비자성 층을 포함하는 구조가 자기저항 소자로서 이해되고 있다. 층 구조의 형성에 따라 GMR-부품, TMR-부품 및 CMR-부품들이 서로 구별된다.
GMR-부품의 개념은 2 개 이상의 강자성 층 및 그 사이에 배치된 비자성 도전층을 가지며, 소위 GMR(giant magnetoresistance)-효과를 나타내는 층 구조에 대한 전문 분야에서 사용된다. GMR-효과는 두 강자성 층내에서 자화부가 평행하게 배치되는지 또는 역평행하게 배치되는지의 여부에 따라 GMR-부품의 전기 저항이 좌우된다는 것을 의미한다. GMR-효과는 소위 AMR(anisotropic magnetoresistance)-효과에 비해 크다. AMR-효과는 자화된 도체내에서 저항이 자화 방향에 대해 평행하게 및 수직으로 상이하다는 것을 의미한다. AMR-효과는 강자성 단일층에서 나타나는 부피효과이다.
TMR-개념은 2 개 이상의 강자성 층 및 그 사이에 배치되는 비자성 절연층을 포함하는 터널링 자기저항 층 구조에 대한 전문 분야에서 사용된다. 상기 절연층은 상기 두 강자성 층 사이에 터널 전류를 일으킬 정도로 매우 얇다. 상기 층 구조도 역시 자기저항 효과를 나타내며, 상기 자기 저항 효과는 상기 두 강자성 층 사이에 배치된 비자성 절연층을 통하는 스핀 분극된 터널 전류에 의해 야기된다. 또한 이 경우 TMR-엘리먼트의 전기 저항은 상기 두 강자성 층내에서의 자화 방향이 평행하게 설정되는지 또는 역평행하게 설치되는지의 여부에 따라 좌우된다. 이 때 상대 저항 변동은 약 6% 내지 30%에 달한다.
그 크기(실온에서 100 내지 400 %의 상대 저항 변동)때문에 콜로절(collosal) 자기저항-효과(CMR-효과)라고 불리는 또 다른 자기저항 효과는 그의 높은 보자력으로 인해 자화 상태 사이의 전환을 위한 높은 자계를 필요로 한다.
메모리 셀 장치내에 기억 소자로서 GMR-엘리먼트를 사용하는 것이 제안된 바 있다(예컨대, IEDM 96-193, S. Tehrani 외 및 IEDM 95-997, D. D. Tang 외 참조). 상기 기억 소자는 판독 라인을 통해 직렬 접속된다. 상기 기억 소자에 대해 횡으로 연장하는 워드선은 판독 라인뿐만 아니라 기억 소자에 대해서도 절연된다. 상기 워드선에 인가된 신호는 상기 워드선을 통해 흐르는 전류에 의해 자계를 형성하 고, 상기 자계는 충분한 강도에서 그 하부에 있는 기억 소자에 영향을 미친다. 정보의 기록을 위해 추후 설명할 메모리 셀의 상부에서 교차하는 X/Y-라인이 사용된다. 상기 라인에는 교차점에서의 자화 반전을 위해 충분한 자계를 형성하는 신호가 가해진다. 이 경우 두 강자성 층 중 하나의 층에서의 자화 방향이 전환된다. 그에 비해 두 강자성 층 중 다른 하나에서의 자화 방향은 변경되지 않고 유지된다. 후자의 층에서의 자화 방향의 고정은 자화 방향을 고정시키는, 인접한 반강자성 층에 의해 이루어지거나, 또는 전자의 강자성 층과 상이한 재료 및 규격(예: 층 두께)에 의해 상기 강자성 층의 스위칭 임계값이 더 증가됨으로써 이루어진다.
US 5 541 868에서는 GMR-효과에 기인하는 링형 기억 소자가 제시된 바 있다. 하나의 기억 소자가 2 개 이상의 링형 강자성 층 엘리먼트 및 그 사이에 놓인 비자성 층 엘리먼트를 갖는 하나의 스택을 포함한다. 상기 강자성 층 엘리먼트는 그의 재료 조성에 있어서 서로 상이하다. 그 중 하나는 자기가 강하고, 다른 하나는 자기가 더 약하다. 정보의 기록을 위해 자기가 더 약한 층 엘리먼트내에서의 자화 방향이 전환되는 반면, 자기가 더 강한 층 엘리먼트내에서의 자화 방향은 그대로 유지된다.
자기저항 소자가 대량생산 기술에 의해 예컨대 집적 자기저항 메모리 셀 장치(소위 MRAM) 또는 집적 센서 장치로서 사용된다는 관점에서 반도체 프로세스기술에는 집적 자기저항 소자가 필요하다. 반도체 프로세스기술에서는 특히 반도체 장치의 제조시 BEOL(back end of line)이라고도 불리는, 소위 웨이퍼 평면에서의 백엔드 프로세스에서 역시 자기저항 소자가 노출되는 온도가 최소 약 450℃까지 달한 다(예: 「집적 회로 기술」, Widmann 외, Springer 출판사, 1996, 58쪽 참조). 상기 온도 범위에서는 자기저항 층 시스템에 함유된, 특히 Fe, Co, Ni, Cu 등의 원소의 확산 이동성에 따라, 상이한 재료 조성으로 이루어진 강자성 층 엘리먼트를 갖는 자기저항 소자가 더 이상 동작하지 않을 정도로 상기 강자성 층 엘리먼트의 특성을 변동시키는 확산을 고려해야만 한다. 상기 확산에 의해 경계면 구역내 재료 조성이 변동되고, 이는 상기 소자의 자기저항 효과를 일으키는 스핀에 따른 전극 이동에 악영향을 미친다. 따라서 상기 경계면을 지나 1 내지 5 nm의 범위를 갖는, 확산에 기인한 약간의 재료 이동이 자기 및 전기 특성의 현저한 변동을 야기한다. 이삼 나노미터의 확산 길이가 경계면 특성을 거의 완전히 변동시킬 수 있으며, 이는 자기저항 소자의 특성 드리프트를 일으키거나 심지어 소자 전체의 고장으로 이어진다('Fundamentals of Grain an Interphase Boundary Diffusion', I. Kaur, W. Gust, Ziegler Press, Stuttgart(1989), 16-26, 287, 316-318쪽 및 'Handbook of Grain and Interphase Boundary Data, 1·2권, Ziegler Press, Stuttgart(1989), 8-13, 220-224, 403, 515, 528, 530, 776, 952-953, 966-998쪽 참조).
자기저항 소자를 반도체 프로세스 기술로 집적화하는 문제 및 이 때 발생할 수도 있는 어려움이 지금까지의 문헌에서는 다루어지지 않았다.
본 발명의 목적은 반도체 프로세스 기술의 범주내에서 제조가능한 자기저항 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 의해 청구항 제 1항에 따른 자기저항 소자에 의해 달성된다. 즉, 제 1 강자성 층 엘리먼트, 제 2 강자성 층 엘리먼트, 및 상기 제 1 강자성 층 엘리먼트와 제 2 강자성 층 엘리먼트 사이에 배치되는 비자성층 엘리먼트를 포함하는 자기저항 소자로서,
상기 비자성 층 엘리먼트가 20℃ 내지 450℃ 사이의 온도 범위내에서 확산 배리어 효과를 나타내고 상기 제1 및 제2 강자성 층 엘리먼트 내로 실질적으로 확산되지 않는 물질을 함유하며,
상기 층 엘리먼트들은 반도체 프로세스 기술로 제조될 수 있고,
상기 비자성층 엘리먼트는 Ti, W, Mo로 이루어지는 그룹에서 선택된 원소들의 질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나의 원소, Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 규화물, 및 Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 붕화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 물질을 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 개선예들은 그 외 항들에 제시되어있다.
상기 비자성 층 엘리먼트가 20℃ 내지 450℃ 사이의 온도 범위내에서 확산 배리어 효과를 나타내고 상기 제1 및 제2 강자성 층 엘리먼트 내로 실질적으로 확산되지 않는 물질을 함유하며,
상기 층 엘리먼트들은 반도체 프로세스 기술로 제조될 수 있고,
상기 비자성층 엘리먼트는 Ti, W, Mo로 이루어지는 그룹에서 선택된 원소들의 질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나의 원소, Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 규화물, 및 Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 붕화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 물질을 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 개선예들은 그 외 항들에 제시되어있다.
자기저항 소자는 제 1 강자성 층 엘리먼트, 비자성 층 엘리먼트 및 제 2 강자성 층 엘리먼트를 포함하고, 상기 비자성 층 엘리먼트는 상기 제 1 강자성 층 엘리먼트와 제 2 강자성 층 엘리먼트 사이에 배치된다. 상기 비자성 층 엘리먼트는 자기저항 소자의 제조시 요구되는 온도 범위에서 확산 배리어 효과를 나타낸다. 제조시 상기 자기저항 소자가 상기 온도 범위내 온도에 노출된다.
본 발명에 따른 자기저항 소자에서는 확산 배리어 효과를 갖는 재료로 이루어진 비자성 층이 형성되고, 상기 비자성 층 엘리먼트가 인접한 강자성 층 엘리먼트로 스스로 확산되지 않음으로써, 프로세스시 나타나는 온도 부하에 따른 강자성 층 엘리먼트의 특성 변동이 방지된다.
바람직하게는 상기 비자성 층이, 20℃ 내지 450℃의 온도 범위에서 확산 배리어 효과를 나타내는 재료로 형성된다. 따라서 실리콘 프로세스 기술로 자기저항 소자를 포함하는 장치를 제조할 때, 특히 금속화 장치의 프로세싱시 450℃까지 달하는 온도 하중이 나타나는 경우 제 1 강자성 층 엘리먼트, 제 2 강자성 층 엘리먼트 및 비자성 층 엘리먼트 사이에 확산이 일어나지 않는다는 것이 보증된다.
본 발명의 범위내에서 비자성 층 엘리먼트는 N, Si 또는 B가 첨가되거나 첨가되지 않은, Ti, Ta, W, Nb, Mo 중 하나의 원소를 함유한다.
상기 비자성 층 엘리먼트의 두께는 바람직하게는 2 nm 내지 4nm이다.
제 1 및 제 2 강자성 층 엘리먼트는 바람직하게는 각각 Fe, Ni, Co, Gd, Dy 중 하나 이상의 원소를 함유한다. 상기 제 1 및 제 2 강자성 층 엘리먼트의 두께 는 바람직하게는 2nm 내지 20 nm이다. 상기 강자성 층 엘리먼트의 횡단면은 층 평면에 대해 평행하게 임의의 형태, 특히 원형, 타원형, 다각형 또는 링형일 수 있다.
제 1 강자성 층 엘리먼트와 제 2 강자성 층 엘리먼트는 그 재료 조성 및/또는 크기에 있어서 서로 구별된다.
자기저항 소자는 센서 소자로서뿐만 아니라 메모리 셀 장치의 기억 소자로서도 적합하다.
하기에 본 발명의 실시예가 도면에 따라 더 자세히 설명된다. 도면은 정확한 척도로 도시되어있지 않다.
도 1은 자기저항 소자의 단면도.
도 2는 메모리 셀 장치의 평면도.
자기저항 소자는 Fe, Ni, Co, Gd, Dy 또는 이들의 합금으로 이루어진 제 1 강자성 층 엘리먼트(1), N, Si 또는 B가 첨가된 또는 첨가되지 않은 Ti, Ta, W, Nb, Mo로 이루어진 비자성 층 엘리먼트(3) 및 Fe, Ni, Co, Gd, Ry 또는 이들의 합금으로 이루어진 제 2 강자성 층 엘리먼트(2)를 포함한다. 제 1 강자성 층 엘리먼트(1)는 약 100 nm x 150 nm 크기의 직사각형 횡단면 및 약 20 nm의 두께를 갖는다. 제 2 강자성 층 엘리먼트는 100 nm x 150 nm 크기의 직사각형 횡단면 및 약 5 nm의 두께를 갖는다. 비자성 층 엘리먼트(3)는 마찬가지로 100 nm x 150 nm 크기 의 직사각형 횡단면 및 2 내지 4 nm의 두께를 갖는다. 이러한 자기저항 소자의 경우 Si 또는 B가 첨가된 또는 첨가되지 않은 Ti, Ta, W, Nb, Mo로 이루어진 비자성 층 엘리먼트(3)에 의해 450℃의 온도까지 확산이 효과적으로 억제된다.
기억 소자(S)로서 도 1에 따라 도시된 자기저항 소자를 포함하는 메모리 셀 장치를 형성하기 위해, 기억 소자(S)가 매트릭스 형태로 배치된다. 각각의 기억 소자(S)는 제 1 라인(L1)과 제 2 라인(L2) 사이에 연결된다. 상기 제 1 라인(L1)은 서로 평행하게 연장되며, 역시 서로 평행하게 연장되는 제 2 라인(L2)과 교차한다(도 2 참조). 기억 소자(S)의 기록을 위해 관련 라인(L1) 및 관련 제 2 라인(L2)을 통해 각각 상기 기억 소자가 배치되는, 제 1 라인(L1)과 제 2 라인(L2)의 교차점에 충분한 자계를 형성하는 전류가 흐름으로써, 제 2 강자성 층 엘리먼트의 자화 방향이 전환된다. 각각의 교차점에 작용하는 자계는 제 1 라인(L1)내 전류 흐름에 의해 유도된 자계 및 제 2 라인(L2)내 전류 흐름에 의해 유도된 자계가 중첩된 것이다.
상기 메모리 셀 장치에서는 제 2 강자성 층 엘리먼트내 자화 방향에 대한 제 1 강자성 층 엘리먼트내 자화 방향이 평행하게 설정된 것에 대해 상응하는 저항값에 제 1 논리값이 할당되고, 제 2 강자성 층 엘리먼트내 자화 방향에 대한 제 1 강자성 층 엘리먼트내 자화 방향이 역평행하게 설정된 것에 대해 상응하는 저항값에 제 2 논리값이 할당된다.
Claims (6)
- 제 1 강자성 층 엘리먼트,제 2 강자성 층 엘리먼트, 및상기 제 1 강자성 층 엘리먼트와 제 2 강자성 층 엘리먼트 사이에 배치되는 비자성층 엘리먼트를 포함하는 자기저항 소자로서,상기 비자성 층 엘리먼트가 20℃ 내지 450℃ 사이의 온도 범위내에서 확산 배리어 효과를 나타내고 상기 제1 및 제2 강자성 층 엘리먼트 내로 실질적으로 확산되지 않는 물질을 함유하며,상기 층 엘리먼트들은 반도체 프로세스 기술로 제조될 수 있고,상기 비자성층 엘리먼트는 Ti, W, Mo로 이루어지는 그룹에서 선택된 원소들의 질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나의 원소, Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 규화물, 및 Ti, Ta, W, Mo로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소들의 붕화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 강자성 층 엘리먼트 및 제 2 강자성층 엘리먼트가 재료 조성에 있어서 서로 상이한 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
- 삭제
- 제 1항 또는 2항에 있어서,상기 제 1 강자성 층 엘리먼트 및 제 2 강자성 층 엘리먼트가 각각 Fe, Ni, Co, Gd, Dy로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 원소 중 적어도 하나의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
- 제 1항 또는 2항에 있어서,메모리 셀 장치내에서 기억 소자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
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