KR100954507B1 - 자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 - Google Patents

자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층(12)과, 비자성체로 이루어지는 비자성층(13)과, 강자성체로 이루어지고 자화방향이 고정된 고정층(11)이 순서대로 적층되고, 자유층(12)에서의 자화방향 변화를 이용하여 정보를 기록하도록 구성된 자기저항 효과 소자에 관한 것이다. 상기 자기저항 효과 소자에 있어서, 자유층(12)을 복수 영역(12a, 12b)으로 분할하고, 이들 복수 영역(12a, 12b)은 각 층(11 내지 13)의 적층 방향을 따라서 연장하는 기록 전극(8)의 주위에 상기 기록 전극(8)을 둘러싸도록 배치되며, 그 기록 전극(8)을 둘러싸는 각 영역(12a, 12b)에 의해 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조를 형성한다.
Figure 112003004129698-pat00001
자유층, 비자성층, 고정층, 자기장 환류 구조, 복수 영역, 기록 전극

Description

자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치{Magnetoresistive effect element and magnetic memory device}
도 1은 MRAM의 기본적인 구성예를 도시하는 개략 사시도.
도 2는 MRAM을 구성하는 단일 TMR 소자 부분의 구성예를 나타내는 모식도.
도 3은 MRAM을 구성하는 단일 TMR 소자 부분의 단면 구성의 일예를 나타내는 모식도.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 TMR 소자의 제 1 구성예를 모식적으로 나타내는 도면으로, 도 4a는 그 사시도이고, 도 4b는 그 측단면도이며, 도 4c는 그 평면도.
도 5a 및 5b는 본 발명이 적용된 TMR 소자의 제조 과정의 일예를 나타내는 설명도로서, 제조 과정에서의 구성예를 나타내는 도면.
도 6a 내지 6d는 본 발명이 적용된 TMR 소자의 제조 과정의 일예를 나타내는 설명도로서, 제조 과정에서의 구성예를 나타내는 도면.
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 TMR 소자의 제 2 구성예를 모식적으로 나타내는 도면으로, 도 7a는 그 사시도이고 도 7b는 그 측단면도.
도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 TMR 소자의 제 3 구성예를 모식적으로 나타내 는 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 TMR 소자의 제 4 구성예를 모식적으로 나타내는 도면.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : TMR 소자 8 : 기록 전극
11 : 고정층 12 : 자유층
12a : 제 1 영역 12b : 제 2 영역
12c : 제 3 영역 12d : 제 4 영역
13 : 터널 장벽층 30 : 자성층
본 발명은 외부로부터 가해지는 자계에 의해 저항치가 변화하는, 소위 자기 저항(MR:MagnetoResistive) 효과를 발생하는 자기저항 효과 소자, 및 그 자기저항 효과 소자를 사용하여 정보를 기억할 수 있는 메모리 장치로서 구성된 자기 메모리 장치에 관한 것이다.
최근에, 정보통신기기, 특히 휴대용 단말 장치(예: PDA) 등의 개인용 소형 기기의 비약적인 보급에 따라, 이것을 구성하는 메모리나 로직 장치와 같은 장치에는 고집적화, 고속화, 저전력화 등 보다 일층의 고성능화가 요청되고 있다. 특히, 불휘발성 메모리의 고밀도화 및 대용량화는, 가동 부분(예를 들면, 헤드 시크(seek) 기구 및 디스크 회전기구)의 존재에 의해 본질적으로 소형화가 곤란한 하드 디스크 장치 및 광디스크 장치를 대체할 수 있는 상보적인 기술로서, 점점 중요해지고 있다.
불휘발성 메모리로서는, 반도체를 사용한 플래시 메모리 및, 강유전체를 사용한 FeRAM(Ferro electric RAM) 등이 널리 알려져 있다. 그러나, 플래시 메모리는, 정보의 기록 속도가 DRAM(dynamic RAM) 및 SRAM(static RAM)에 비해 늦어진다는 결점이 있다. 또한, FeRAM에 있어서는, 재기록(rewrite) 가능 회수가 적다는 문제가 지적되고 있다. 그래서, 이들 결점을 갖지 않는 불휘발성 메모리로서, 자기저항 효과를 이용한 MRAM(Magnetic Random Access memory)으로 지칭되는 자기 메모리 장치가 제안되었으며, 주목을 집중하고 있다(예를 들면, "Naji et al. ISSCC2001").
MRAM은, 거대 자기저항 효과(Giant MagnetorRsistive; GMR)형 또는 터널 자기저항 효과(Tunnel Magnetoresistive; TMR)형의 기억소자(이하, 이들을 "자기저항 효과소자"로 총칭함)을 사용하여 정보기록을 행하는 것이다. 자기저항 효과 소자는, 두개의 강자성체층과 이들 사이에 개재되는 절연체층 혹은 도체로 이루어지는 비자성체층을 포함하는 다층막 구조를 갖고 있고, 한쪽의 강자성체층을 자화가 반전가능한 자유층(free layer), 다른쪽 강자성체층을 자화방향이 고정되는 고정층(pinned layer)으로서 사용하고, 자유층의 자화 방향에 따라 저항이 변화하는 것을 이용하여, 정보의 "0" 과 "1" 을 구별하므로써, 정보기록을 행하도록 구성 되어 있다.
MRAM에서는, 이러한 자기저항 효과 소자가 매트릭스 형상으로 배열되어 있는 동시에, 이들 소자군을 종횡으로 횡단하는 워드 라인(word lines) 및 비트 라인(bit lines)을 갖고 있다. 그리고, 워드 라인 및 비트 라인의 양쪽에 전류를 흘리므로써 발생하는 합성 전류 자계를 이용하여, 그 교차 영역에 위치하는 자기저항 효과 소자의 자유층의 자화 방향을 제어할 수 있으므로, 그 자기저항 효과 소자에 대한 정보 기록을 행하도록 되어 있다. 이 때, 각 자기저항 효과 소자에서의 자유층은, 워드 라인 또는 비트 라인이 단독으로 발생하는 자계에서는 자화가 변화하지 않으며, 상기 두 라인의 합성 전류 자계에 의해서만 자화가 변화한다. 따라서, MRAM에서는, 자기저항 효과 소자가 매트릭스 형상으로 배열되어 있어도, 소망하는 자기저항 효과 소자에 대해 선택적으로 정보의 기록을 행할 수 있다.
한편, 각 자기저항 효과 소자로부터의 판독은, 트랜지스터 등의 소자를 사용하여 자기저항 효과 소자의 선택을 행하고, MR 효과를 통해서 그 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화방향을 전압 신호로서 취출하므로써 행한다. 이 점에 대해서 상세히 설명하면, 일반적으로, 자유층 또는 고정층으로 불리우는 강자성체층 중에서 전자 스핀은 편극(偏極: polarize)하고 있으며, 업스핀 및 다운스핀은, 상태 밀도가 큰 다수 스핀이나, 상태 밀도가 작은 소수 스핀중 어느 하나로 된다. 예를 들면, 자유층과 고정층의 자화방향이 평행한 경우에는, 자유층에서의 업스핀이 다수 스핀이었다면, 고정층에서도 업스핀은 다수 스핀이다. 또한 자유층과 고정층의 자화 방향이 서로 반평행(anti-parallel)한 경우에는, 자유층에서의 업스핀이 다수 스핀이었다면, 고정층에서의 업스핀은 소수 스핀으로 된다. 이에 대해, 전자가 자유층과 고정층 사이의 비자성체층을 통과할 때에는, 스핀은 보존되고, 또한 어떤 스핀의 통과 확률은 비자성체층을 개재하는 양 강자성체층의 스핀의 상태 밀도의 곱에 비례한다. 따라서, 자유층과 고정층의 자화 방향이 평행한 경우에는, 상태 밀도가 큰 다수 스핀은 비자성 재료층을 통과할 수 있지만, 자유층과 고정층의 자화방향이 반평행한 경우에는, 상태 밀도가 큰 다수 스핀은 비자성 재료층을 통과할 수 없다. 이러한 이유로, 자유층과 고정층의 자화방향이 반평행한 경우에는, 평행한 경우에 비해 저항이 커진다. 따라서, 워드 라인 및 비트 라인을 통해서, 자유층 및 고정층 사이의 전압을 검출하면, 그 자유층에 기록된 정보의 판독을 행할 수 있게 되는 것이다.
이렇게, 자기저항 효과 소자를 이용한 MRAM은, 그 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화 방향을 정보의 판별에 사용하기 때문에, 불휘발성이고 또한 우수한 응답특성을 갖는 정보 기록을 행할 수 있다. 또한, 정보를 유지하는 기억소자(메모리 셀)의 구조도 단순하므로, 자기저항 효과 소자는 미세화 및 집적화에 적합한 것으로 된다.
그러나, 상술한 종래의 MRAM에 사용되는 자기저항 효과 소자에서는, 그 구조의 단순함 때문에 미세화 및 집적화에 적합하지만, 미세화 및 집적화 등을 향상시켜 가면 자기저항 효과 소자의 단부에서 자화의 혼란함이 발생하며, 이것이 후술하 는 문제를 일으킬 것으로 생각된다.
이들 문제를 상세히 기술하면, MRAM에서는 자기저항 효과 소자가 매트릭스 형상으로 배열되어 있으므로, 미세화 및 집적화 등을 향상시켜 가면, 각 자기저항 효과 소자가 인접하는 자기저항 효과 소자로부터의 누설 자계에 의한 영향을 받게 되고, 이로 인해 각 자기저항 효과 소자의 자유층에서의 보자력(保磁力:coercive force)이 변화되어 버릴 우려가 있다. 이러한 보자력의 변화는, MRAM에 정보를 기록할 때 소자 선택을 곤란하게 하며, 특히 미세화 및 집적화 등에 따라 소자 사이즈가 작아질수록 심각해진다.
또한, 일반적으로, 자기저항 효과 소자의 자유층내에서, 미세한 자기 모멘트는 불균일하고, 정자기(靜磁:magnetostatic) 에너지를 최소로 하도록, 소위 소용돌이 상태, C 상태, S 상태 등의 상태를 취할 수 있다. 이들 각 상태에서의 보자력은, 예를 들어 자유층이 동일 강자성체 재료로 이루어졌다고 해도 동일하지 않다. 미세한 자기 모멘트의 어떠한 상태를 취하는지는 자기저항 효과 소자의 형상이나 사이즈에 의존하지만, 종래의 자기저항 효과 소자로서 사용되는 형상은 스트립 형상이나 타원형상이 많기 때문에, 미세 자기 모멘트는 특히 소자 단부 근방에서 복수의 상태를 취할 가능성이 있다. 이러한 복수의 상태는, 각 자기저항 효과 소자의 자유층에서의 보자력의 불균일함을 초래하므로 바람직하지 않다.
그래서, 본 발명은, 미세화나 집적화 등을 향상시키는 경우에도, 보자력의 변화나 불균일이 발생하는 것을 최대한 억제하고, 양호한 정보 기록 특성을 실현할 수 있는 자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 특징에 따르면, 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층되고, 상기 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보를 기록하도록 구성된 자기저항 효과 소자가 제공된다. 상기 자기저항 효과 소자는 자유층이 발생시키는 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조를 갖고 있다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층된 자기저항 효과 소자를 구비하고, 상기 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보가 기록되도록 구성된 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 자유층은 복수 영역으로 분할되어 있고, 상기 복수 영역은, 각 층의 적층 방향을 따라서 연장되는 기록 전극(write electrode)의 주위에, 상기 기록 전극을 둘러싸도록 배치되어 있으며, 상기 기록 전극을 둘러싸는 각 영역에 의해 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층된 자기저항 효과 소자를 구비하고, 상기 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보가 기록되도록 구성된 자기 메모 리 장치가 제공된다. 상기 자기 메모리 장치는 자유층이 발생시키는 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조를 갖고 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층된 자기저항 효과 소자를 구비하고, 상기 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보를 기록하도록 구성된 자기 메모리 장치가 제공된다. 상기 자기 메모리 장치는 자유층이 복수 영역으로 분할되어 있고, 상기 복수 영역은, 각 층의 적층 방향을 따라서 연장되는 기록 전극의 주위에, 상기 기록 전극을 둘러싸도록 배치되어 있으며, 상기 기록 전극을 둘러싸는 각 영역에 의해 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치에 의하면, 자기장 환류 구조를 갖고 있으므로, 자기저항 효과 소자의 자유층이 발생시키는 자기장이 환류되어, 그 자기저항 효과 소자의 외부로 자계를 최대한 누설시키지 않게 된다. 따라서, 자기저항 효과 소자가 더욱 미세화 및 집적화되어도, 인접하는 자기저항 효과 소자에 대해 누설 자계에 의한 영향을 주지 않게 된다. 또한, 자기장이 환류하므로, 자기저항 효과 소자의 자유층내에서는, 자기 모멘트가 일정한 상태를 취할 수 있게 되고, 이로 인해 보자력이 안정하게 된다.
실시예
이하, 도면에 기초하여 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치에 대해 설명한다. 여기에서는, 자기저항 효과 소자로서 TMR 형 스핀 밸브 소자(이하, 간단히 "TMR 소자"라 함)를, 또한 자기 메모리 장치로서 TMR 소자를 구비한 MRAM을 각각 예로 들어 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치 전체의 개략 구성에 대해 설명한다.
도 1은, MRAM(magnetic random-access memory)의 기본적인 구성예를 나타내는 개략 사시도이다. 도 1에 도시되어 있듯이, MRAM은 XY 매트릭스 형상(즉, 2차원 형상)으로 배열된 복수의 TMR 소자(1)를 구비하고 있다. 또한, 이들 TMR 소자(1)가 배치된 행과 열의 각각에 대응하도록, 상호 교차하는 기록 라인(2) 및 하부 도선(3)이, 각 TMR 소자 그룹을 종횡으로 횡단하도록 설치되어 있다. 그리고 각 TMR 소자(1)는, 기록 라인(2)과 하부 도선(3)에 의해 상하로부터 샌드위치된 상태에서 상기 교차 영역에 위치하도록, 각각이 배치되어 있다. 또한, 기록 라인(2)과 하부 도선(3)은, Al(알루미늄), Cu(동) 또는 그 합금 등의 도전성 물질을, 화학적 또는 물리적으로 퇴적한 후에 선택적으로 에칭하는, 주지의 방법을 사용하여 형성된다.
도 2는 MRAM을 구성하는 단일 TMR 소자 부분의 구성예를 도시하는 개략 사시도이다. 각각의 TMR 소자(1) 부분에서는, 상세히 후술하듯이, 그 TMR 소자(1)의 대략 중앙부를 관통하도록 기록 전극(비도시)이 설치되어 있다. 기록 전극에는, 기록 라인(2) 및 하부 도선(3)에의 선택적인 전류 인가에 의해, 도 2에 도시하듯이 하향 전류 혹은 상향 전류중 어느 하나가 흐른다. 이 전류는, 기록 전극의 주위에, 시계 방향 혹은 반시계 방향중 어느 하나의 전류 자계를 발생시키는 것이다. 이러한 구성에 의해, MRAM에서는, 매트릭스상으로 배열된 TMR 소자(1)중 어느 하나를 통해 기록 전극에 선택적으로 전류를 흘리는 동시에, 이로 인해 발생하는 전류 자계를 사용하여 TMR 소자(1)에서의 자유층의 자화 방향을 변화시키므로써, TMR 소자(1)에의 정보 기록을 행하도록 되어 있다.
도 3은, MRAM을 구성하는 단일의 TMR 소자 부분의 단면 구성의 일예를 도시하는 모식도이다. 각각의 TMR 소자(1) 부분에서는, 반도체 기판(4)상에, 게이트 전극(5), 소스 영역(6) 및 드레인 영역(7)으로 이루어지는 전계 효과 트랜지스터가 배치되고, 추가로 그 상방에, TMR 소자(1), 기록 라인(2) 및 하부 도선(3)과 기록 전극(8)이 배치되어 있다. 또한, TMR 소자(1)의 상방에는, 기록 전극(8)을 개재하여 두개의 판독 라인(9a, 9b)이 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해, MRAM 에서는, 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 TMR 소자(1)의 선택을 행하고, 그 TMR 소자(1)에서의 자유층의 자화 방향을 전압 신호로서 취출하므로써, 그 TMR 소자(1)에 기록된 정보의 판독을 행하게 되어 있다. 또한 두개의 판독 라인(9a, 9b)을 사용한 정보 판독에 대해서는, 그 상세한 것을 후술한다.
이어서, 이러한 MRAM에 사용되는 TMR 소자(1) 자체의 구성에 대해 설명한다. 도 4a 내지 4c는, TMR 소자의 제 1 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있듯이, TMR 소자(1)는, 강자성 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)으로 지칭되는 구조의 막 구성을 갖고 있다. MTJ 구조는, 강자성체/비자성체/강자성체로 이루어지는 3층 구조로 이루어지며, 한쪽 강자성체층을 자화 방향이 고정된 고정층(핀드 층(pinned layer))(11), 다른쪽을 자유층(프리층(free layer))(12)으로 하고, 이들 사이에 개재된 비자성체층을 터널 장벽층(13)으로 하여 사용한다. 그리고, 기록 전극(8)이 발생시키는 전류 자계에 의해, 그 자유층(12)의 자화 방향을 변화시키므로써, 정보를 TMR 소자(1)에 기록한다. 또한, 터널 MR 효과를 통해 그 자유층(12)에서의 자화 방향과 전압 신호를 대응시키고 있다.
고정층(11) 및 자유층(12)은, 예를 들어 Fe(철), Ni(니켈), Co(코발트)중 한 종류 또는 2종류 이상의 합금, 또는 이들 이종의 첨가원소를 함유한 합금으로 이루어지는 강자성체 재료를 사용하여, 20 nm 두께 정도로 형성하면 좋다. 또한, 터널 장벽층(13)은, 예를 들어 Al(알루미늄)의 산화물 등의 비자성 도전 재료를 사용하여, 1 nm 두께 정도로 형성하면 좋다.
단, 이들 각 층(11, 12, 13)으로 이루어지는 TMR 소자(1)의 대략 중앙부에는, 그 대략 중앙부를 관통하도록, 각 층(11, 12, 13)의 적층 방향을 따라서 연장되는 기록 전극(8)이 설치되어 있다. 따라서, TMR 소자(1)를 구성하는 각 층(11, 12, 13)은, 기록 전극(8)의 주위를 둘러싸는 형상으로 형성되어 있다. 기록 전극(8)을 둘러싸는 형상으로서는, 예를 들어 내경이 60 nm, 외경이 120 nm 인 링 형상이 거론된다. 또한, 기록 전극(8)은, 예를 들어 Cu(구리), Ag(은), Pt(백금), W(텅스텐)과 같은 도전성을 갖는 비자성 금속재료로 형성된 것이면 좋다.
또한, 기록 전극(8)을 둘러싸는 고정층(11)의 일부, 자유층(12) 및 터널 장벽층(13)은, 링 형상의 둘레상의 2개소에서 절단되고 있다. 단, 적어도 자유층(12)이 절단되어 있으면, 고정층(11) 및 터널 장벽층(13)은 절단되어 있지 않아도 무방하다. 또한, 이와 반대로, 고정층(11)이 일부가 아니고, 전부가 절단 되어 있어도 무방하다.
상기 절단에 의해, 적어도 자유층(12)은, 도 4c에 도시하듯이 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)으로 분할되게 된다. 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)은 어느 것이나 평면 형상이 대략 C자 형상(C자 형상의 대칭 형상을 포함)으로 형성되어 있고, 각각이 마주 향해 기록 전극(8)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 그리고, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)은, 각각이 터널 장벽층(13)을 통해서 고정층(11)과의 사이에서 독립적인 두개의 MTJ 구조를 구성하고 있다.
이와 같이, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)이 각각 독립적인 두개의 MTJ 구조를 구성하고 있으므로, 자유층(12) 등에 대한 절단은, 도 4a에 도시하듯이, 고정층(11)에서의 자화 고정 방향을 따라 이루어진다. 추가로, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)에는, 각각의 자화 방향을 전압 신호로서 취출하기 위한 판독 라인(9a, 9b)이, 각각 독립하여 접속되고 있다. 이로부터, 판독 라인(9a, 9b)은, 상술한 바와 같이 기록 전극(8)을 개재하여 두개 배치되게 된다.
이들 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)으로 둘러싸이는 기록 전극(8)은, 그 일단이 기록 라인(2)에 접속되어 있다. 또한 그 타단은, 일부만이 절단된 고정층(11)에 접속되어 있지만, 그 고정층(11)을 거쳐서 하부 도선(3)에 도통하고 있는 것으로 한다.
다음으로, 이상과 같은 구성의 TMR 소자(1)의 제조 과정에 대해 설명한다. 도 5a 및 5b와 도 6a 내지 6d는, TMR 소자의 제조 과정의 일예를 도시하는 설명도이다. TMR 소자(1)는, 반도체 기판(4)상에 배치된 전계 효과 트랜지스터의 더 상 방에 형성된다(도 3 참조). 또한, 전계효과 트랜지스터 등에 대해서는, 종래와 마찬가지의 순서로 제조하면 되므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
TMR 소자(1)의 제조에 있어서는, 우선 도 5a에 도시하듯이, 예를 들어 스퍼터링 법을 사용하여, 고정층(11), 터널 장벽층(13) 및 자유층(12)으로 이루어지는 MTJ 구조를 순서대로 성막하여 형성하고(도 5a중 상단 참조), 그 후, 포토리소그래피 기술을 사용하여 평면 형상이 대략 원형(디스크형)인 MTJ 구조의 적층막을 얻는다 (도 5a중 하단 참조).
그리고, 대략 원형의 적층막을 얻은 후에는, 소자 사이의 절연 및 판독 라인의 형성을 행한다. 즉, 도 5b 에 도시하듯이, 예를 들어 Al2O3 (산화 알루미늄)이나 SiO2(이산화 규소)와 같은 절연재료를 성막하여 MTJ 적층막을 매립한 후, 대략 원형의 평면 형상을 얻기 위해 사용한 레지스트막(21)을 박리하여, 그 MTJ 적층막의 상면을 노출시킨다. 추가로, MTJ 적층막의 단부에 접속하는 두개의 판독 라인(9a, 9b)을, 소정 방향(예를 들어 도 5b의 평면도중에서의 상하 방향)으로 연장하도록 형성한다. 판독 라인(9a, 9b)의 형성은, 예를 들어 Cu 등의 도전 재료를 스퍼터링하여 행할 수 있다.
판독 라인(9a, 9b)의 형성 후에는, 도 6a에 도시하듯이, Al2O3 및 SiO2 와 같은 적절한 재료에 의해 층간 절연막(22)을 퇴적하고, 그 표면을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 연마 장치를 사용하여 평탄하게 한다.
층간 절연막(22)의 표면을 평탄하게 한 후, 계속하여, 기록 전극 구멍을 개 구하고 MTJ 적층막을 절단한다. 즉, 도 6b에 도시하듯이, 층간 절연막(21), MTJ 적층막을 구성하는 자유층(12) 및 터널 장벽층(13)을 관통하여, 고정층(11)을 노출하게 되는 개구(23)를, 예를 들면 에칭 처리를 행하므로써 형성한다. 이 개구(23)는, 기록 전극(8)을 형성하기 위한 것이며, 동시에, MTJ 적층막의 일부분(특히 자유층(12))의 원주상을 2개소에서 절단하기 위한 것이다. 따라서, 개구(23)는, 그 평면 형상이 대략 Φ자 형상, 즉 원에 두개의 홈을 추가한 형상으로 되어 있다.
개구(23)의 형성 후에는, 도 6c 에 도시하듯이, SiO2 등과 같은 적절한 재료를 퇴적하고, 에칭하므로써, 측벽 절연막(사이드 월)(24)을 형성한다. 측벽 절연막(24)은, 기록 전극(8)을 형성하기 위한 원형 구멍의 내벽 및 자유층(12) 등을 절단하기 위한 두개의 홈을 덮도록 형성된다.
그리고, 도 6f 에 도시하듯이, 측벽 절연막(24)으로 덮인 개구(23) 내에, 예를 들면 Cu 등의 도전 재료로 이루어지는 기록 전극(8)을 형성하는 동시에, 그 기록 전극(8)에 접속하는 기록 라인(2)을, 판독 라인(9a, 9b)과 마찬가지의 방법으로, 소정 방향(예를 들면, 판독 라인(9a, 9b)과의 직교 방향인 평면도 중 좌우 방향))으로 연장하도록 형성한다. 이상과 같은 과정을 거쳐서, 상술한 구성의 TMR 소자(1)(도 3 및 도 4a 내지 4c 참조)가 구성된다.
다음으로, 이상과 같은 과정을 거쳐서 얻어진 TMR 소자(1)에서의 동작예를 설명한다. 여기에서는, TMR 소자(1)에 대한 정보 기록 동작 및 TMR 소자(1)로부터의 정보 판독 동작에 대하여 도 4a 내지 4c를 참조하여 설명한다.
TMR 소자(1)에 대한 정보 기록을 행하는 경우에는, 이미 설명했듯이, 기록 전극(8)에 전류가 흐른다. 그리고, 기록 전극(8)의 주위에는 전류 자계가 발생한다. 이로 인해, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)으로 이루어지는 자유층(12)에서는, 도면중의 화살표로 도시하는 위에서 보아 시계방향, 또는 그 반대인 반시계 방향중 어느 하나의 방향의 자화를 형성할 수 있다. 즉, TMR 소자(1)에 대한 정보 기록은, 기록 전극(8)이 발생하는 전류 자계를 이용하여, 자유층(12)에서의 자화를 시계 방향과 반시계 방향중 어느 하나로 전환하므로써 행하는 것이다. 따라서, 기록을 할 필요가 없는 소자에 대해서 불필요한 자계가 발생하지 않고, 기록 에러가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 때, TMR 소자(1)에서는, 자유층(12)에서의 자화 방향에 따라 " 0 " 또는 " 1 " 이라는 정보를 기억하게 되지만, 그 자유층(12)이 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)의 두개로 분할되어 있고, 더욱이 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)이 서로 대향하는 대략 C자 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)의 절단 개소, 즉 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)의 각 단부에지에서는, 그 단부 에지로부터 누설된 자계가, 이것과 대향하는 단부 에지에 흡입되게 된다. 결국, 기록 전극(8)을 둘러싸도록 배치된 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)에 의해, 자유층이 발생시키는 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 형성된다.
따라서, 자유층(12)에서의 자화 방향에 따라 " 0 " 또는 " 1 " 이라는 정보를 기억하는 경우에도, 자기장 환류 구조에 의해 자기장이 환류되므로, 자유층(12) 으로부터의 누설 자계를 최대한 억제할 수 있으며, 인접 소자에 대해 누설 자계에 의한 악영향을 주지 않게 된다.
또한, 자기장 환류 구조에 따라 자기장이 환류되므로, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)의 각각에서는, 특히 그 단부 근방에 있어서 자화 상태가 일정한 상태를 얻을 수 있게 된다. 구체적으로는, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)의 어느 것이나 대략 C자 형상이므로, 미세한 자기 모멘트는 소위 C상태만을 취하고, 따라서 소용돌이 상태, C 상태, S 상태 등의 여러가지 상태가 혼재하지 않는다. 그 때문에, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)에서의 보자력이 안정하게 될 수 있다.
이러한 이유로, 자기장 환류 구조를 갖는 자유층(12)은, 그 자화 방향에 따라 정보기록을 행하는 경우에도, 양호한 정보 기록을 실현할 수 있으며, 더욱이 TMR 소자(1)의 미세화 및 집적화 등에도 적절히 대응할 수 있다.
한편, 자유층(12)이 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)의 두 영역으로 분할되어 있으므로, TMR 소자(1)로부터의 정보 판독은, 상기 영역의 각각에 접속하는 두개의 판독 라인(9a, 9b)을 사용하여 각각에서의 MTJ 구조의 저항치를 측정하고, 상호 측정 결과를 비교하는 것에 의해 이루어진다. 상세하게 기술하면, 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)의 절단 개소는 고정층(11)에서의 자화 고정 방향을 따르도록 배치되어 있으므로, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b) 각각에서의 자화 방향(도 4c에서의 실선 화살표 참조)은, 고정층(11)에서의 자화 고정 방향(도 4c에서의 점선 화살표 참조)과 이루는 상대 각이, 필연적으로 서로 다른 것으로 된다. 그 때문에, 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)에 의해 형성되는 두개의 독립적인 MTJ 구조에 전류를 흘리는 경우에는, 각각의 저항치도 반드시 서로 다른 것으로 된다. 그 때문에, 양자의 저항치의 측정 결과를 비교하여, 어느쪽이 큰지를 판별하면, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)으로 이루어지는 자유층(12)에서의 자화 방향이 시계 방향인지 아니면 반시계 방향인지를 알 수 있다. 즉, TMR 소자(1)로부터의 정보 판독은, 기록 전극(8)을 개재하여 대향하는 두개의 영역(12a, 12b)에 대한 TMR 효과의 차이를 이용하여, 자유층(12)에서의 자화가 시계 방향인지 반시계 방향인지를 판단하므로써 이루어진다.
상술한 바와 같이, 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)에서의 TMR 효과의 차이를 이용하여 정보를 판독하는 경우에는, 저항값의 측정 결과의 차이로부터 자유층(12)에서의 자화 방향을 판단하게 되므로, 일반적인 TMR 소자와 같이 단일의 저항값의 측정 결과를 기초로 정보 판독을 행하는 경우와는 달리, 자화 방향의 판단에 사용되는 임계치 등의 설정이 불필요해진다. 그 때문에, 각 소자의 보자력의 불균일 등의 영향을 받지 않고 적절하게 자화방향을 판단할 수 있게 되므로, 양호한 판독 특성을 실현할 수 있다.
또한, 자유층(12)을 두 영역(12a, 12b)으로 분할하는 것만으로 양호한 판독 특성을 실현할 수 있으므로, 제조 과정의 복잡화를 최대한 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 TMR 소자(1)의 변형예에 대해 설명한다. 도 7a 및 7b는, TMR 소자의 제 2 구성예를 나타내는 모식도이다. 상술한 실시예에서는, TMR 소자(1)의 막 구성으로서, 고정층(11), 터널 장벽층(13) 및 자유층(12)만이 순서대로 적층된 MTJ 구조를 예로 들어 설명했지만, 도 7a 및 7b에 도시하듯이, 고정 층(11)의 하방에 반강자성층(antiferromagnetic layer)(14)을 부가하는 것도 고려할 수 있다. 반강자성층(14)은, 예를 들어 PtMn (백금 망간)등을 30 nm 정도 두께로 성막하므로써 형성하면 좋다. 이 반강자성층(14)을 부가한 경우에는, 고정층(11)에서의 자화방향의 고정이 보다 확실한 것으로 되고, TMR 소자(1)로서의 기능의 안정성이 향상될 수 있다.
또한, TMR 소자(1)의 막구성은, 상술한 실시예 및 변형예에 한정되지 않고, 예를 들면 적층 순서를 역으로 하거나, Ta(탄탈) 등으로 이루어지는 보호층을 부가하여도 무방하다. 또한, 각 층의 재료 및 막 두께 등에 대해서도 마찬가지이며, TMR 소자(1)의 사이즈 등을 고려하여 적절히 결정하면 좋다. 예를 들어, 고정층(11)에 대해서는, 자유층(12)과 같은 정도의 크기로 하지 않고, 복수의 자유층(12)을 배열할 수 있는 크기로 하여, 이들 자유층(12)으로 고정층(11)을 공유하여 MTJ 구조를 구성하는 것도 고려할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는, 자유층(12)을 구성하는 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)이 둘다 대략 C자 형상으로 형성되어 있는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조를 형성할 수 있는 형상이라면, 다른 형상으로 형성하여도 무방하다. 다른 형상으로서는, 예를 들면, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)이 어느 것이나 대략 U자 형상(U자 형상의 대칭 형상을 포함)으로 형성되어 있는 경우 및, C자 형상과 U자 형상이 조합되어 형성되어 있는 경우(외주측이 C자 형상이고 내주측이 U자 형상, 혹은 그 반대)가 고려될 수 있다.
자유층(12)의 분할수에 대해서도, 상술한 실시예와 같은 2개소에 한정되지 않는다. 도 8a 와 8b는, TMR 소자의 제 3 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 8a와 8b에 도시된 실시예에서는, 자유층을 제 1 영역(12a), 제 2 영역(12b), 제 3 영역(12c), 제 4 영역(12d)으로 이루어지는 네개로 분할한 경우를 도시하고 있다. 이와 같이, 자유층(12)을 네 영역으로 분할한 경우에도, 각 영역(12a 내지 12d)이 기록 전극(8)을 둘러싸도록 배치되어 있고, 또한 각 영역(12a 내지 12d)에 의해 자기장 환류 구조가 형성되어 있으면, 상술한 2개소에서 분할한 경우와 완전히 동일하게, 외부로의 누설 자계의 발생을 억제하면서, 변동이 없는 양호한 보자력이 얻어지게 된다. 또한, 이 경우에 자기장 환류 구조를 형성하기 위한 각 영역(12a 내지 12d)의 형상으로서는, 도 8a 에 도시하는 원호 형상 및, 도 8b에 도시하는 직선 형상, 또는 이들을 조합한 것 등이 고려될 수 있다.
그런데, 자유층(12)을 네 영역으로 분할한 경우에는, 정보 판독을 행하기 위한 판독 라인(9a, 9b)이 제 1 영역(12a)과 제 2 영역(12b)에만 접속되어 있으며, 각각에서의 MTJ 구조의 저항치를 측정하고, 상호의 측정 결과를 비교하므로써, 당해 자유층(12)으로부터의 정보 판독을 행하는 것으로 한다. 따라서, 제 3 영역(12c) 및 제 4 영역(12d)은 자기장 환류 구조를 형성할 수 있는 것이라면, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)과는 다른 재질로 이루어지는 것이어도 무방하다.
이와 같이, 제 1 영역(12a) 및 제 2 영역(12b)에서의 저항치의 측정 결과를 기초로 하여 정보 판독을 행하면, 고정층(11)에서의 자화 고정 방향과의 상대 각도의 차이가, 자유층을 두 영역(12a, 12b)으로 분할한 경우보다 커진다는 이점이 있 다. 즉, 정보 판독에 대하여, 고정층(11)에서의 자화 고정 방향과 비평행 성분에 대해서는 그 영향을 최대한 배제할 수 있다. 따라서 자유층을 두 영역으로 분할한 경우보다 더 각 소자의 보자력의 변동 등의 영향을 받지 않고 적절히 자화 방향을 판단할 수 있으며, 보다 일층 양호한 판독 특성을 실현할 수 있게 된다.
자유층의 분할수로서는, 상술한 두개 또는 네개가 바람직하지만, 본 발명은 반드시 이것에 한정되지 않는 것은 물론이다. 자유층을 두개 또는 네개 이외의 복수 영역으로 분할하므로써 자기장 환류 구조를 형성해도 무방하다.
또한, 자기장 환류 구조는, 자유층을 평면적으로 분할한 것 이외에 의해서도 실현할 수 있다. 예를 들면 도 9에 도시하듯이, 상술한 기록 전극(8)을 갖지 않는 구성의 TMR 소자(1)에 대해서는, 자유층(12)에 근접하여 배치된 워드 라인 또는 비트 라인을 개재하여 대향하는 위치에 자성층(30)을 적층하므로써, 자기장 환류 구조를 형성해도 무방하다. 이 경우에도, 그 자기장 환류 구조에 의해서, 자유층(11)이 발생시키는 자기장이 환류하게 되므로, 그 TMR 소자(1)의 외부로 자계가 최대한 누설되지 않도록 되는 동시에, 자유층(11)내에서의 자기 모멘트가 일정한 상태를 취할 수 있게 된다.
추가로, 자기장 환류 구조는, TMR 소자뿐 아니라, 기억층과 고정층 사이의 비자성체층이 Cu 등으로 구성된 GMR(giant magnetoresistive)형의 것에 대해서도, 완전히 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 MR 효과를 발생할 수 있는한 어떠한 자기저항 효과 소자에도 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 자유층이 발생시키는 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 누설 자기장을 발생시키지 않으므로, 자기저항 효과 소자의 미세화 및 집적화를 향상시켜도 누설 자기장에 의한 악영향이 발생하지 않는다. 또한, 자기장이 환류하므로, 자기저항 효과 소자의 자유층에서의 자기 모멘트가 일정한 상태로 되고, 이로 인해 보자력이 안정하게 된다. 따라서, 자기저항 효과 소자가 미세화되고 집적도가 증대된 경우에도, 보자력의 변화 및 변동이 발생하는 것을 최대한 억제할 수 있고, 양호한 정보 기록 특성을 실현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층되고, 상기 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보를 기록하도록 구성된 자기저항 효과 소자에 있어서,
    상기 자유층은 복수 영역으로 분할되어 있고,
    상기 복수 영역은, 각 층의 적층 방향을 따라서 연장되는 기록 전극의 주위에 상기 기록 전극을 둘러싸도록 배치되어 있으며,
    상기 기록 전극을 둘러싸는 각 영역에 의해 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 형성되어 있으며,
    상기 기록 전극을 개재하여 대향하는 두 영역의 자기저항 효과의 차이를 이용하여 정보가 판독되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 자유층은, C자 형상, 또는 U자 형상, 또는 영역의 외주측이 U자 형상이고 영역의 내주측이 C자 형상 또는 그 반대의 형상인, C자 형상과 U자 형상의 조합 형상으로 형성된 두개의 영역으로 분할되어 있는 자기저항 효과 소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 자유층은, 원호 형상, 또는 직선 형상, 또는 일부 영역은 원호 형상이고 나머지 영역은 직선 형상인, 원호 형상과 직선 형상의 조합 형상으로 형성된 네개의 영역으로 분할되어 있는 자기저항 효과 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 적어도 강자성체로 이루어지는 자유층과, 비자성체로 이루어지는 비자성층과, 강자성체로 이루어지고 그 자화방향이 고정되는 고정층이 순서대로 적층된 자기저항 효과 소자를 구비하고, 상기 자기저항 효과 소자에서의 자유층의 자화방향 변화를 이용하여 정보를 기록하도록 구성된 자기 메모리 장치에 있어서,
    상기 자유층은 복수 영역으로 분할되어 있고,
    상기 복수 영역은, 각 층의 적층 방향을 따라서 연장되는 기록 전극의 주위에, 상기 기록 전극을 둘러싸도록 배치되어 있으며,
    상기 기록 전극을 둘러싸는 각 영역에 의해 자기장을 환류시키기 위한 자기장 환류 구조가 형성되어 있으며,
    상기 기록 전극을 개재하여 상호 대향하는 두 영역의 자기저항 효과의 차이를 이용하여 정보가 판독되는 자기 메모리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 자유층은, C자 형상, 또는 U자 형상, 또는 영역의 외주측이 U자 형상이고 영역의 내주측이 C자 형상 또는 그 반대의 형상인, C자 형상과 U자 형상의 조합 형상으로 형성된 두개의 영역으로 분할되어 있는 자기 메모리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 자유층은, 원호 형상, 또는 직선 형상, 또는 일부 영역은 원호 형상이고 나머지 영역은 직선 형상인, 원호 형상과 직선 형상의 조합 형상으로 형성된 네개의 영역으로 분할되어 있는 자기 메모리 장치.
  10. 삭제
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