KR100872459B1 - 자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리 - Google Patents

자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Fe/MgO/Fe로 적층된 구조를 갖는 다층 박막 접합구조를 포함하는 자기저항소자에 있어서, 상기 Fe가 변형된 체심 입방 구조(modified body-centered cubic structure; Modified BCC)를 갖는 것인 자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리에 관한 것이다.
상기 변형된 체심 입방 구조의 Fe는 자기 모멘트 값이 양수 값과 음수 값은 교차적으로 넘나드는 반자성을 나타냄에 따라, 기존 체심 입방 구조의 Fe와 다른 상이한 자성 특성을 나타내며, 자성랜덤 액세스 메모리에 바람직하게 응용된다.
자기저항소자, 자성랜덤 액세스 메모리, 체심 입방 구조

Description

자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리{MAGNETORESISTANCE ELEMENT AND RANDOM-ACCESS MEMORY DEVICE COMPRISING THEREOF}
본 발명은 변형된 체심 입방 구조의 Fe는 자기 모멘트 값이 양수 값과 음수 값은 교차적으로 넘나드는 반자성을 나타내, 기존 체심 입방 구조의 Fe와 다른 상이한 자성 특성을 나타내며, 자성랜덤 액세스 메모리에 바람직하게 응용되는 자기저항소자, 및 이를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리에 관한 것이다.
자성랜덤 액세스 메모리 (Magnetoresistive Random Access Memory, 이하 'MRAM'이라 한다)는 저소비 전력으로 고밀도성, 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
MRAM는 전기도체의 저항이 주변 자기장에 따라 변화하는 자기저항효과 (magneto resistance effect)를 이용해 정보를 저장하는 방식으로, 단일 트랜지스터 위에 자기터널접합 구조를 갖는 자기 터널 접합 (magnetic tunneling junction, 이하 ;MTJ'라 한다) 셀로써 구성된다.
이러한 MRAM은 빠른 기록 및 재생 속도, CMOS 공정과의 호환성, 고집적 잠재 능력 등을 바탕으로 차세대 메모리 경쟁에서도 우위를 점하고 있으며, 휴대폰, 모바일 정보기기, 각종 컴퓨터에 사용될 차세대 메모리로 각광받고 있다
MRAM는 터널링 자기 저항 (TMR)효과를 이용하여 MTJ를 이용한 자기저항소자의 자화 상태에 따라 데이터를 저장한다.
자기저항소자는 다층의 박막 자성체를 이용하여 자성 다층 박막 접합으로 이루어진다. 일예로 상기 자성 다층 박막 접합은 체심 입방 정계 (Body centered cubic, 이하 'BCC'라 한다) 구조를 가지는 Fe 강자성 층과 그 사이에 MgO 부도체층이 적층된 구조로 형성된다.
최근에는 Fe 대신 Co를 사용하거나 Fe-Co 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Pt 합금 등의 Fe계 합금을 사용하고 있다. 또한 Fe 강자성 층과 MgO층 사이에 1원자층 또는 수 (數) 원자층 정도의 두께의 Co, Ni 등을 삽입하기도 한다.
2004년도에 일본 AIST (National institute of advanced industrial science and technology) 산하의 Yuasa 그룹과 미국 IBM 산하 Parkin 그룹에서 결정성이 매우 뛰어난 자성 다층 박막 접합을 MBE (Molecular beam epitaxy)와 원자 증착 방법을 통하여 제조하는데 성공하였다.
이들은 BCC 구조의 강자성 금속 층상에 암염 (Rocksalt) 구조의 MgO 층을 증착 후, 다시 금속 전극 층을 증착하여 금속/부도체/금속 다층 박막을 제조하는데 성공하였으며, 상온에서 터널링 자기 저항을 측정하였다.
MgO 기반 자성 금속 다층 박막 접합에서 발생할 수 있는 금속 전극 층의 구조적 특성 변화에 따른 자성 특성의 변화를 파악하지 못하고 있다. 이는 강자성 층의 두께가 수 십 나노미터 이하로 작아짐에 따라서 구성 원자 각각의 배열 상태가 층 전체의 자성 특성 끼치는 영향이 점차 커진다는 점에서 중요하게 다루어져야 할 부분이다.
본 발명의 목적은 기존 체심 입방 구조의 Fe와 다른 상이한 자성 특성인 반강자성 특성을 가지는 Fe를 포함하는 다층 박막 접합구조를 가지는 자기저항소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 자기저항소자를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명은 Fe/MgO/Fe로 적층된 구조를 갖는 다층 박막 접합구조를 포함하는 자기저항소자에 있어서, 상기 Fe가 변형된 체심 입방 구조(modified body-centered cubic structure; Modified BCC)를 갖는 것인 자기저항소자를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 자기저항소자를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리(Magnetroresistive Random Access Memory: MRAM)를 제공한다.
본 발명에 따른 자기저항소자는 동일한 MgO 기반 자성 금속 다층 박막 접합에서 자기적 성질이 다양하게 측정, 보고되는 원인으로써, 그동안 간과되어 왔던 전극층의 구조적 특이성이 자기적 성질에 끼치는 영향을 정량적으로 설명할 수 있다.
본 발명에 다른 자기저항소자는 Fe/MgO/Fe로 적층된 구조를 가지며, 이때 상 기 Fe가 변형된 체심 입방 구조(modified body-centered cubic structure; Modified BCC)를 갖는다.
HRTEM (High resolution tunneling electron microscopy)과 STM (Scanning tunneling microscopy) 등의 실험적인 관측 장비로는 박막 접합 시스템의 구조적, 자기적 특성에 대한 원자 규모의 분석이 불가능하므로 가장 정확한 원자 구조 및 전자 구조 컴퓨터 시뮬레이션 방법인 제일 원리(First-principles method) 계산을 통하여 자성 금속 다층 박막 시스템의 구조적 특이성과 이에 따른 자성 특성의 변화를 정량적으로 분석한다.
먼저, Fe층과 MgO층을 적층하여 자성 금속 다층 박막 접합을 모델링한다.
암염 구조의 MgO는 총 5 원자층으로 구성, 상, 하단에 (001) 표면이 드러나도록 하였고, 각 면에는 (001) 표면이 드러난 9 원자 층의 체심 입방 정계 구조의 Fe 전극이 접합되도록 하였다. 이때 각 층의 두께는 Fe/MgO/Fe 순으로 10.8 Å/8.2 Å/10.8 Å 이며, 접합 계면에서 모든 Fe 원자는 O 원자 상단에 위치한다.
제일 원리 계산을 통하여 얻어진 이론적인 격자 상수는 MgO가 4.1 Å(a), Fe가 3.8 Å(=2.7 Å×21/2)(b)로써, 격자 상수 불일치 정도는 7.3% [={(a)-(b)}/(b)×100]이다. 비교를 위한 이론적 격자 상수 값은 Ultrasoft Pseudopotential을 적용한 제일 원리법을 이용하여 계산되었다.
도 1은 본 발명에 따른 Fe/MgO/Fe의 결정 구조 격자를 보여주는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 금속 전극 층의 Fe 원자들이 체심 입방 구조(body-centered cubic structure, BCC)의 격자점을 비이상적으로 이탈하여 규칙적인 사다 리꼴 패턴 구조를 가짐을 알 수 있다. 즉, 한 원자 층에 속한 이웃 Fe 원자들은 이상적인 BCC 구조의 격자점(이론 격자 상수: 2.7 Å)에서 0.2 Å∼0.4 Å씩 위치 이동을 일으켰다.
이에 따라 Fe 원자들은 서로 가까워지고 멀어지기를 반복하였고, 이와 같은 원자 이동의 방향은 이웃 원자 층에서는 수직 방향으로 위치 이동을 보인다. 이와 같은 원자 이동은 규칙적인 사다리꼴 패턴을 이룬다.
도 2는 본 발명에 따른 Fe의 변형된 BCC 구조를 보여주는 모식도이다.
이때 MgO(001) 표면에 접합된 Fe층의 각 원자간 거리는 a1, a2, a3, a4로 세분화하는 경우 MgO(001) 표면에 접합된 Fe층의 각 원자간 거리는 a1≠a2≠a3≠a4를 만족한다. 구체적으로 2.30 Å≤a1≤2.34 Å, 2.99 Å≤a2≤3.00 Å, 3.52 Å≤a3≤3.55 Å, 및 2.24 Å≤a4≤2.38 Å를 만족한다.
또한 (001) 방향을 따른 층간 거리의 수축 때문에 a4가 90% 이하로 작아졌다.
또한 도 2에서 각 원자간 결합이 이루는 각도인 α, β, γ의 경우, α≠β≠γ=90°를 보여, 종래 BCC 구조에서 α=β=γ=90°인 것과 비교하여 차이를 보인다. 구체적으로, 101.4°≤α≤102.0°, 78.0°≤β≤78.6°, 및 88.3°≤γ≤90.3° 를 만족한다.
이때 Fe 원자는 동일 원자 층에 속한 Fe 원자들의 위치 이동 방향이 서로 평 행하기 때문에 α+β가 항상 180°를 유지한다.
결과적으로 본 발명에 따른 자기저항소자의 Fe층은 규칙적인 마름모와 정사각형 형태의 패턴을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기저항소자의 다층 박막 접합 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, MgO의 상, 하부에 4층의 Fe층이 적층되어 있으며, 이때의 Fe 원자간 거리 및 결합 각도를 시뮬레이션하여 얻어진 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
변수 Fe (1층) Fe (2층) Fe (3층) Fe (4층)
a1 (Å) 2.31 2.34 2.30 2.31
a2 (Å) 3.00 2.99 2.99 2.99
a3 (Å) 3.55 3.52 3.55 3.54
a4 (Å) 2.30 2.38 2.35 2.24
α(°) 102.0 101.4 101.4 101.8
β(°) 78.0 78.6 78.6 78.2
γ(°) 88.3 90.3 89.7 90.1
상기 표 1을 참조하면, Fe층의 각 원자간 거리는 a1≠a2≠a3≠a4를 만족하며, α≠β≠γ=90° 및 α+β=180°를 만족하며, 변형된 BCC 구조를 가짐을 알 수 있다.
이러한 변형된 BCC 구조를 가지는 Fe는 종래 BCC 구조의 Fe층과 상이한 자기적 성질을 나타낸다. 즉, 변형된 BCC 구조의 Fe층의 경우 자기 모멘트가 -0.82∼2.00 μB의 범위를 가져, 양수 값과 음수 값 사이에 존재한다.
도 4는 변형된 BCC 구조의 Fe층/MgO층/Fe층의 자기 모멘트 변화를 보여주는 그래프이다. 이때 비교를 위한 이론적 자기 모멘트 값은 Ultrasoft Pseudopotential 을 적용한 제일 원리법을 이용하여 계산되었다.
도 4를 참조하면, Fe층 MgO층의 접합 계면에 가장 가까운 Fe 원자 층은 1.74 μB의 자기 모멘트를, 계면에서 가장 먼 Fe층은 2.00 μB의 자기 모멘트를 나타낸다. 이러한 결과는 일반적인 BCC Fe의 이론적 자기 모멘트 값인 1.93 μB과 근접한 값이다.
그러나 Fe층 내부는 자기 모멘트 값이 0.62 μB의 양수 값과 -0.82 μB의 음수 값 사이를 교차적으로 넘나들면서 일반적인 Fe층과 상이한 자성 특성, 즉, 반강자성(Antiferromagnetism)을 나타냄을 알 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 자기저항소자를 포함하는 메모리 소자 분야, 특히 자성랜덤 액세스 메모리(Magnetroresistive Random Access Memory: MRAM)에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 Fe/MgO/Fe의 결정 구조 격자를 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 Fe의 변형된 BCC 구조를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기저항소자의 다층 박막 접합 구조를 보여주는 단면도이다.
도 4는 변형된 BCC 구조의 Fe층/MgO층/Fe층의 자기 모멘트 변화를 보여주는 그래프이다.

Claims (5)

  1. Fe/MgO/Fe로 적층된 구조를 갖는 다층 박막 접합구조를 포함하는 자기저항소자에 있어서,
    상기 Fe는 a-축 격자 상수가 이론 격자 상수(2.7 Å)에서 0.2∼0.4 Å 위치 이동이 일어나며, 하기를 만족하는 변형된 체심 입방 구조(modified body-centered cubic structure; Modified BCC)를 갖는 것인 자기저항소자:
    (1) MgO (001) 표면에 접합된 Fe층의 각 원자간 거리: a1≠a2≠a3≠a4
    (2) Fe 원자간 결합 각도: α≠β≠γ=90°, α+β=180°
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변형된 체심 입방 구조에서 Fe층의 각 원자간 거리는 2.30 Å≤a1≤2.34 Å, 2.99 Å≤a2≤3.00 Å, 3.52 Å≤a3≤3.55 Å, 및 2.24 Å≤a4≤2.38 Å을 만족하고,
    Fe 원자간 결합 각도는 101.4°≤α≤102.0°, 78.0°≤β≤78.6°, 및 88.3°≤γ≤90.3° 를 만족하는 것인 자기저항소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변형된 체심 입방 구조를 갖는 Fe의 자기 모멘트는 -0.82∼2.00 μB의 범위를 갖는 것인 자기저항소자.
  5. 제1항의 자기저항소자를 포함하는 자성랜덤 액세스 메모리(Magnetroresistive Random Access Memory: MRAM).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030097904A (ko) * 2001-05-31 2003-12-31 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 터널자기저항소자
KR20070049654A (ko) * 2004-08-27 2007-05-11 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 자기저항소자 및 그 제조 방법

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