KR101901323B1 - 자기저항요소 및 이를 포함하는 메모리소자 - Google Patents

자기저항요소 및 이를 포함하는 메모리소자 Download PDF

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Abstract

자기저항요소 및 이를 포함하는 메모리소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 자기저항요소는 고정된 자화 방향을 갖는 고정층 및 상기 고정층과 동일한 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 보조 요소를 포함할 수 있다. 상기 보조 요소의 폭은 상기 고정층의 폭보다 작을 수 있다. 상기 자기저항요소는 상기 고정층에 대응하는 자유층을 더 포함할 수 있다. 상기 자기저항요소는 상기 고정층(이하, 제1 고정층)의 일면에 구비된 제2 고정층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 사이에 스페이서가 더 구비될 수 있다. 상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층 및 상기 스페이서는 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성할 수 있다.

Description

자기저항요소 및 이를 포함하는 메모리소자{Magnetoresistive element and memory device including the same}
자기저항요소 및 이를 포함하는 메모리소자에 관한 것이다.
MRAM(Magnetic random access memory)은 MTJ(magnetic tunneling junction) 요소의 저항 변화를 이용해서 데이터를 저장하는 메모리소자이다. MTJ 요소의 저항은 자유층(free layer)의 자화 방향에 따라 달라진다. 즉, 자유층의 자화 방향이 고정층(pinned layer)의 자화 방향과 동일할 때, 상기 MTJ 요소는 낮은 저항값을 갖고, 반대인 경우에 높은 저항값을 갖는다. 상기 MTJ 요소가 낮은 저항값을 가질 때, 데이터 '0'에 대응될 수 있고, 높은 저항값을 가질 때, 데이터 '1'에 대응될 수 있다. 이러한 MRAM은 비휘발성을 갖고, 고속 동작이 가능하며, 높은 내구성(endurance)을 갖는 등의 이점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리소자의 하나로 주목받고 있다.
MRAM의 기록 밀도를 높이기 위해서는, 즉, 고밀도 MRAM을 구현하기 위해서는, MTJ 요소의 사이즈를 감소시켜야 한다. 그런데 MTJ 요소의 폭이 수십 나노미터(nm) 이하로 감소되면, 고정층에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기가 크게 증가하여, 자유층의 스위칭(즉, 자화 반전) 특성에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 자유층의 스위칭 불균형(switching asymmetry) 문제가 발생하고, 이는 메모리소자(MRAM)의 동작에 심각한 문제가 될 수 있다. 이러한 이유로 MRAM의 기록 밀도를 특정 수준 이상으로 증가시키는 것은 용이하지 않다.
스케일 다운(scale down)에 유리한 자기저항요소를 제공한다.
소자(예컨대, 메모리소자)의 고집적화 및 고성능화에 유리한 자기저항요소를 제공한다.
고정층의 스트레이 필드(stray field)를 감소시키고, 아울러 우수한 열안정성(thermal stability)을 확보할 수 있는 자기저항요소를 제공한다.
상기 자기저항요소를 포함하는 소자(예컨대, 메모리소자)를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 자화 방향이 변동될 수 있는 자유층; 상기 자유층에 대응하도록 구비되고, 고정된 자화 방향을 갖는 고정층; 및 상기 고정층의 일면에 구비된 것으로, 상기 고정층보다 좁은 폭을 갖고 상기 고정층과 동일한 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 보조 요소;를 포함하는 자기저항요소가 제공된다.
상기 자유층 및 상기 고정층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다.
상기 보조 요소는 상기 고정층에 수직한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 가질 수 있다.
상기 보조 요소는 상기 고정층에 대하여 수직한 구조를 가질 수 있다.
상기 고정층은, 예컨대, 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 보조 요소는, 예컨대, 5nm 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 보조 요소는, 예컨대, 10nm 이하의 폭을 가질 수 있다.
상기 고정층의 일면에 상기 보조 요소가 복수 개 구비될 수 있다.
상기 고정층은 제1 고정층일 수 있고, 상기 자기저항요소는 상기 제1 고정층의 일면에 구비된 제2 고정층; 및 상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 사이에 구비된 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층 및 상기 스페이서는 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성할 수 있다.
상기 제2 고정층의 두께는 상기 제1 고정층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 고정층의 일면에 상기 보조 요소가 복수 개 구비될 수 있다.
상기 복수의 보조 요소는 상기 제2 고정층의 일측에 구비된 제1 보조 요소; 및 상기 제2 고정층의 타측에 구비된 제2 보조 요소;를 포함할 수 있다.
상기 자유층과 상기 고정층 사이에 분리층이 구비될 수 있다.
상기 분리층은 절연층을 포함할 수 있다.
상기 절연층은 Mg 산화물 및 Al 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자유층 상에 상기 고정층이 구비될 수 있고, 상기 고정층의 상면에 상기 보조 요소가 구비될 수 있다.
상기 자유층 아래에 상기 고정층이 구비될 수 있고, 상기 고정층의 하면에 상기 보조 요소가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 자기저항요소를 포함하는 자성소자 또는 전자소자가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 메모리셀을 포함하는 메모리소자에 있어서, 상기 메모리셀은 전술한 자기저항요소를 포함하는 메모리소자가 제공된다.
상기 메모리셀은 상기 자기저항요소에 연결된 스위칭요소를 더 포함할 수 있다.
상기 자기저항요소의 자유층 및 고정층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다.
상기 고정층의 일면에 상기 보조 요소가 복수 개 구비될 수 있다.
상기 자기저항요소의 고정층은 제1 고정층일 수 있고, 상기 자기저항요소는 상기 제1 고정층의 일면에 구비된 제2 고정층; 및 상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 사이에 구비된 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층 및 상기 스페이서는 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성할 수 있다.
상기 메모리소자는 MRAM(magnetic random access memory)일 수 있다.
상기 메모리소자는 STT-MRAM(spin transfer torque MRAM)일 수 있다.
스케일 다운(scale down)에 유리한 자기저항요소를 구현할 수 있다. 고정층의 스트레이 필드(stray field)는 감소되고 열안정성은 향상된 자기저항요소를 구현할 수 있다. 이러한 자기저항요소를 적용하면, 고밀도/고성능 소자(예컨대, 메모리소자)를 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소의 입체적인 구조를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 9는 비교예에 따른 자기저항요소를 보여주는 사시도이다.
도 10은 도 9의 자기저항요소(비교예)에서 피처 사이즈(feature size)(F)를 변화시키면서 각각의 피처 사이즈(F)에서 [Co/Pd]의 반복 적층 횟수에 따른 제1 고정층의 스트레이 필드(stray field)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 9의 자기저항요소(비교예)에서 자유층의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어(Eb/kBT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 도 8의 자기저항요소(실시예)에서 자유층의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어(Eb/kBT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 13은 도 8의 자기저항요소(실시예)에서 보조 요소의 두께(T2)를 변화시키면서 ΔEb/kBT를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소에서 고정층의 열안정성을 평가한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소를 포함하는 메모리소자의 일례를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소 및 이를 포함하는 소자(메모리소자)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 자유층(100)과 고정층(200) 및 이들 사이에 분리층(150)이 구비될 수 있다. 자유층(100)은 자화 방향을 변동할 수 있는 자성층으로, 소정의 강자성(ferromagnetic) 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 원소, 예컨대, B, Cr, Pt, Pd 등을 더 포함할 수 있다. 자유층(100)의 두께는 약 10nm 이하, 예컨대, 약 5nm 이하일 수 있다. 고정층(200)은 고정된 자화 방향을 갖는 자성층으로, 예컨대, Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 강자성 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 이외에 다른 원소, 예컨대, B, Cr, Pt, Pd 등을 더 포함할 수도 있다. 고정층(200)은 자유층(100)과 다른 물질로 형성될 수 있지만, 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 고정층(200)의 두께는 약 10nm 이하, 예컨대, 약 5nm 이하일 수 있다. 분리층(150)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 분리층(150)은 Mg 산화물 및 Al 산화물과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질들(특히, Mg 산화물)을 분리층(150) 물질로 적용하면, 자기저항비(magnetoresistance ratio)(즉, MR 비)를 증가시킬 수 있다. 그러나 분리층(150)의 물질은 절연 물질로 한정되지 않는다. 경우에 따라서는, 분리층(150)을 도전 물질로 형성할 수도 있다. 이 경우, 분리층(150)은 Ru, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 도전 물질(금속)을 포함할 수 있다. 분리층(150)의 두께는 약 5nm 이하, 예컨대, 약 3nm 이하일 수 있다.
고정층(200)의 일면(상면) 상에 보조 요소(20)가 구비될 수 있다. 보조 요소(20)의 폭(W2)은 고정층(200)의 폭(W1)보다 작을 수 있다. 여기서, 고정층(200) 및 보조 요소(20)의 폭(W1, W2)은, 소정 방향, 예컨대, X축 방향으로의 폭일 수 있다. 고정층(200)의 폭(W1)은, 예컨대, 약 40nm 이하 또는 약 20nm 이하일 수 있다. 보조 요소(20)의 폭(W2)은, 예컨대, 약 10nm 이하일 수 있다. 보조 요소(20)의 두께(T2)(즉, 높이)는 보조 요소(20)의 폭(W2)보다 클 수 있다. 보조 요소(20)는 고정층(200)에 대하여 수직한 구조를 갖는다고 할 수 있다.
보조 요소(20)는 고정된 자화 방향을 갖는 자성 요소일 수 있다. 보조 요소(20)의 자화 방향은 고정층(200)의 자화 방향과 동일한 방향으로 고정될 수 있다. 고정층(200)과 동일한 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 보조 요소(20)가 고정층(200)에 접해 있기 때문에, 고정층(200)의 자화 방향이 열에 의해 쉽게 변동되지 않고 고정된 상태를 유지할 수 있다. 즉, 보조 요소(20)에 의해 고정층(200)의 열안정성(thermal stablility)이 향상될 수 있다. 이에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다. 보조 요소(20)는 고정층(200)과 유사한 혹은 동일한 자기적 특성을 가질 수 있으므로, 고정층(200)과 보조 요소(20)를 합쳐서 "고정층 구조체"라고 할 수 있다. 상기 고정층 구조체는 고정층(200) 및 그로부터 수직한 방향으로 돌출된 보조 요소(20)를 포함하는 입체적인 구조(즉, 3차원 구조)를 갖는다고 할 수 있다. 보조 요소(20)의 구성 물질은 고정층(200)과 동일할 수 있지만, 그렇지 않을 수도 있다.
이하에서는, 자유층(100), 고정층(200) 및 보조 요소(20)에 대해서 보다 자세히 설명한다.
자유층(100) 및 고정층(200)은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 이 경우, 자유층(100) 및/또는 고정층(200)은 Co 계열의 물질을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 자유층(100) 및/또는 고정층(200)은 Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 적어도 하나를 포함하거나, [Co/Pd]n 구조, [Co/Ni]n 구조 또는 [Co/Pt]n 구조 등을 포함할 수 있다. [Co/Pd]n 구조에서 n은 Co와 Pd가 교대로 반복 적층된 횟수를 의미한다. 이는 [Co/Ni]n 및 [Co/Pt]n 에서도 마찬가지이다. 구체적인 예로, 자유층(100)은 CoFeB를 포함할 수 있고, 고정층(200)은 [Co/Pd]n 구조를 포함할 수 있다. 이와 같이, 자유층(100)과 고정층(200)은 서로 다른 물질/구성을 가질 수 있다. 그러나 경우에 따라서는, 자유층(100)과 고정층(200)은 동일한 물질/구성을 가질 수도 있다. 보조 요소(20)는 자유층(100) 및 고정층(200)과 유사하게, 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 보조 요소(20)가 수직 자기이방성을 갖는 경우, 고정층(200)과 동일하거나 유사한 물질로 구성될 수 있다. 보조 요소(20)가 수직 자기이방성을 갖지 않는 경우, 보조 요소(20)의 물질은 고정층(200)과 다를 수 있다. 이 경우, 보조 요소(20)는 NiFe 등과 같은 연자성(soft magnetic) 물질로 형성될 수 있다. 보조 요소(20)가 연자성 물질로 형성된 경우, 그의 자화 용이축(magnetization easy axis)은 형상 이방성(shape anisotropy)에 의해 결정될 수 있다. 이와 관련해서, 보조 요소(20)는 고정층(200)에 대하여 수직한 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상에 의해 보조 요소(20)의 자화 용이축이 고정층(200)에 수직한 방향으로 결정되고, 보조 요소(20)의 자화 방향이 고정층(200)에 수직한 방향으로 고정될 수 있다. 이와 같이, 보조 요소(20)가 수직 자기이방성을 갖지 않더라도, 보조 요소(20)의 자화 용이축(magnetization easy axis)은 고정층(200)에 대해서 수직할 수 있다. 그러므로 보조 요소(20)는 고정층(200)과 동일한 방향(수직 방향)으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 자유층(100), 고정층(200) 및 보조 요소(20)에 도시된 화살표는 이들이 가질 수 있는 자화 방향을 나타낸다. 자유층(100)은 Z축 방향 또는 그의 역방향으로 자화될 수 있다. 다시 말해, 자유층(100)의 자화 방향은 Z축 방향과 그의 역방향 사이에서 반전될 수 있다. 고정층(200)은 Z축에 평행한 방향, 예컨대, Z축 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 이 경우, 보조 요소(20)의 자화 방향도 Z축 방향으로 고정될 수 있다. 여기서 설명한 자유층(100), 고정층(200) 및 보조 요소(20)의 자화 방향은 예시적인 것이고, 달라질 수 있다.
고정층(200)의 폭(W1)은 수십 nm 이하로 작을 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 고정층(200)의 폭(W1)은 약 40nm 이하 또는 약 20nm 이하일 수 있다. 자유층(100)은 고정층(200)과 동일한(혹은, 유사한) 폭을 가질 수 있다. 고정층(200)의 폭(W1)은 자기저항요소의 폭에 대응될 수 있다. 고정층(200)의 두께(T1)는 약 10nm 이하, 예컨대, 약 5nm 이하로 얇을 수 있다. 이와 같이, 고정층(200)의 두께(T1)가 얇기 때문에, 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기는 작을 수 있다.
보조 요소(20)의 폭(W2)은 고정층(200)의 폭(W1)보다 좁을 수 있다. 예컨대, 보조 요소(20)의 폭(W2)은 약 10nm 이하 또는 약 5nm 이하일 수 있다. 보조 요소(20)의 두께(T2)(즉, 높이)는 약 100nm 이하, 예컨대, 5∼100nm 정도일 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 보조 요소(20)에 의해 고정층(200)의 자화 방향이 안정적으로 고정될 수 있다. 고정층(200)과 동일한 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 보조 요소(20)가 고정층(200)에 접해 있기 때문에, 고정층(200)의 자화 방향이 열에 의해 쉽게 변동되지 않고 고정된 상태를 유지할 수 있다. 즉, 보조 요소(20)에 의해 고정층(200)의 열안정성(thermal stablility)이 향상될 수 있다. 보조 요소(20)의 두께(T2)가 두꺼울수록, 고정층(200)의 열안정성이 향상될 수 있다. 보조 요소(20)의 두께(T2)가 약 5nm 이상 또는 약 10nm 이상인 것이 고정층(200)의 열안정성 측면에서 유리할 수 있다. 한편, 보조 요소(20)는 고정층(200)보다 자유층(100)에서 상대적으로 멀리 배치되어 있기 때문에, 보조 요소(20)에서 발생된 스트레이 필드(stray field)는 자유층(100)에 별다른 영향을 주지 않을 수 있다.
고정층(200)의 두께가 얇은 경우, 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기는 작아지지만, 그와 동시에 고정층(200)의 열안정성이 나빠질 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 보조 요소(20)를 사용함으로써, 고정층(200)의 열안정성을 용이하게 확보할 수 있다. 만약, 보조 요소(20) 없이, 얇은 두께의 고정층(200)을 사용할 경우, 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기는 작지만, 고정층(200)의 자화 방향이 열에 의해 쉽게 변동될 수 있다. 한편, 보조 요소(20) 없이, 고정층(200)의 두께를 두껍게 할 경우, 고정층(200)의 열안정성은 확보할 수 있지만, 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기가 증가할 수 있다. 이 경우, 고정층(200)에서 발생된 스트레이 필드(stray field)는 자유층(100)의 스위칭 특성에 악영향을 줄 수 있다. 본 실시예에서는 비교적 얇은 두께의 고정층(200)을 사용하고, 그 일면(상면)에 보조 요소(20)를 둠으로써, 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드(stray field)의 세기는 줄이면서 고정층(200)의 열안정성을 확보할 수 있다. 그러므로 본 실시예에 따르면, 고정층(200)의 스트레이 필드(stray field)에 의한 문제가 억제/방지되고, 아울러 열적 안정성이 우수한 자기저항요소를 구현할 수 있다.
종래의 자기저항요소에서 고정층의 스트레이 필드(stray field)로 인한 문제는 자기저항요소의 사이즈가 작아질수록 심각하게 나타날 수 있다. 다시 말해, 자기저항요소의 폭이 좁아질수록, 고정층에서 발생하는 스트레이 필드의 세기가 증가할 수 있고, 이는 자유층의 스위칭 특성에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로 자기저항요소의 폭을 줄이는 것이 어려울 수 있다. 그러나 본 실시예에 따른 자기저항요소에서는 고정층(200)에서 발생하는 스트레이 필드의 세기를 크게 낮출 수 있기 때문에, 상기 스트레이 필드로 인한 문제가 억제/방지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 자기저항요소의 폭(즉, W1)을 수십 nm 이하, 예컨대, 약 40nm 이하 또는 약 20nm 이하로까지 용이하게 줄일 수 있다. 다시 말해, 자기저항요소의 스케일 다운(scale down)이 용이할 수 있다. 이러한 자기저항요소를 소정의 소자(예컨대, 메모리소자)에 적용하면, 고밀도/고성능 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 1의 고정층(200) 상에 복수의 보조 요소(20)를 구비시킬 수 있다. 그 예들이 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 고정층(200) 상에 복수의 보조 요소(20)가 구비될 수 있다. 도 2는 두 개의 보조 요소(20)가 구비된 경우이고, 도 3은 세 개의 보조 요소(20)가 구비된 경우이다. 복수의 보조 요소(20)는 균일한 간격으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 보조 요소(20)의 개수가 늘어날수록, 보조 요소(20)에 의한 고정층(200)의 열안정성 확보가 용이할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 보조 요소(20)의 위치는 예시적인 것이고, 이들의 위치는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 도 1에서는 보조 요소(20)가 고정층(200)의 중앙부 상에 위치하는 것으로 도시하였지만, 보조 요소(20)를 상기 고정층(200)의 중앙부에서 한쪽으로 치우치도록 배치할 수도 있다. 또한, 도 2에서는 두 개의 보조 요소(20)가 고정층(200)의 양단에 위치하는 것으로 도시하였지만, 상기 양단이 아닌 다른 두 영역 상에 배치할 수 있다. 도 3의 경우, 세 개의 보조 요소(20)가 등간격으로 배치된 경우를 도시하였지만, 보조 요소들(20) 사이의 간격은 달라질 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 네 개 이상의 보조 요소(20)를 사용할 수도 있다.
도 1 내지 도 3에서는 자유층(100) 상에 고정층(200)이 구비되고, 고정층(200)의 상면에 하나 또는 복수의 보조 요소(20)가 구비된 경우를 도시하였지만, 자유층(100), 고정층(200) 및 보조 요소(20)의 위치 관계는 달라질 수 있다. 예컨대, 자유층(100) 아래에 고정층(200)을 배치시키고, 고정층(200)의 하면에 하나 또는 복수의 보조 요소(20)를 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 도 1의 구조를 위·아래로 뒤집은 구조(즉, 도 1의 역구조)라 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항요소를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 자유층(100), 분리층(150) 및 고정층(이하, 제1 고정층)(200)이 순차로 구비될 수 있고, 제1 고정층(200) 상에 적어도 하나의 보조 요소(20)가 구비될 수 있다. 자유층(100), 분리층(150), 제1 고정층(200) 및 보조 요소(20)의 물질/구성/치수 등은 도 1의 자유층(100), 분리층(150), 고정층(200) 및 보조 요소(20)의 그것들과 동일하거나 유사할 수 있으므로, 이들에 대한 반복 설명은 배제한다. 제1 고정층(200)의 일면(상면)에 보조 요소(20)와 이격된 제2 고정층(300)이 구비될 수 있다. 제1 고정층(200)과 제2 고정층(300) 사이에 스페이서(spacer)(250)가 구비될 수 있다. 스페이서(250)와 제2 고정층(300)은 제1 고정층(200)보다 좁은 폭을 가질 수 있다. 제2 고정층(300)은 제1 고정층(200)의 자화 방향과 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 그러므로 제1 고정층(200), 스페이스(250) 및 제2 고정층(300)은 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성한다고 볼 수 있다. 이러한 SAF 구조에서는 스페이스(250)를 사이에 두고 인접하게 배치된 두 개의 고정층(200, 300)이 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 제2 고정층(300)의 물질은 제1 고정층(200)의 물질과 동일하거나 유사할 수 있다. 제2 고정층(300)의 두께는 제1 고정층(200)의 두께보다 두꺼울 수 있지만, 그렇지 않을 수도 있다. 제2 고정층(300)은 보조 요소(20)와 동일하거나 유사한 높이를 가질 수 있다. 스페이스(250)는 도전 물질, 예컨대, Ru, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 스페이스(250)의 두께는 약 5nm 이하, 예컨대, 약 3nm 이하일 수 있다. 스페이서(250)와 제2 고정층(300)으로 구성된 적층구조물의 양측에 보조 요소(20)가 구비될 수 있다. 제2 고정층(300) 일측에 구비된 보조 요소(20)를 제1 보조 요소라 할 수 있고, 제2 고정층(300) 타측에 구비된 보조 요소(20)를 제2 보조 요소라 할 수 있다.
도 5에서와 같이, 제1 고정층(200)과 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 제2 고정층(300)을 사용하는 경우, 제2 고정층(300)은 제1 고정층(200)의 스트레이 필드(stray field)를 상쇄하는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 자유층(100)에 대한 제1 고정층(200)의 스트레이 필드(stray field)의 영향은 제2 고정층(300)에 의해 더욱 약화될 수 있다. 이러한 효과는 제2 고정층(300)의 두께가 두꺼울수록 증대될 수 있다. 이런 점에서, 제2 고정층(300)이 제1 고정층(200) 보다 큰 두께를 갖는 것이 유리할 수 있다. 그러나 제2 고정층(300)의 두께가 제1 고정층(200)보다 반드시 두꺼워야 하는 것은 아니다. 제2 고정층(300)의 두께는 제1 고정층(200)의 두께와 동일하거나 그보다 작을 수도 있다.
도 5의 구조에서는 제2 고정층(300)이 제1 고정층(100)의 스트레이 필드(stray field)를 약화시키는 역할을 하기 때문에, 도 1 내지 도 4의 구조에 비하여 자유층(100)에 대한 상기 스트레이 필드(stray field)의 영향을 더욱 효과적으로 억제/방지할 수 있다.
부가해서, 도 5의 구조에서는 제2 고정층(300)을 기준으로 그 양측에 보조 요소(20)가 대칭적으로 구비된 경우를 도시하였지만, 보조 요소(20)의 개수, 위치 및 제2 고정층(300)과의 간격 등은 달라질 수 있다. 예컨대, 제2 고정층(300) 양측의 보조 요소(20)는 제2 고정층(300)에 대해서 비대칭적인 구조를 가질 수 있다. 또한 제1 고정층(200) 상에 하나의 보조 요소(20)가 구비되거나, 세 개 이상의 보조 요소(20)가 구비될 수도 있다. 또한 도 5의 구조를 위·아래로 뒤집은 구조도 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 동작방법은 도 1의 구조를 갖는 자기저항요소에 대한 것이다.
도 6a를 참조하면, 자유층(100)에서 고정층(200)으로 제1 전류(I1)를 인가할 수 있다. 제1 전류(I1)는 자유층(100)으로부터 분리층(150) 및 고정층(200)을 거쳐 보조 요소(20)로 흐를 수 있다. 제1 전류(I1)에 의해 전자(e-)는 고정층(200)에서 자유층(100)으로 흐를 수 있다. 고정층(200)에서 자유층(100)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(200)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자유층(100)에 스핀 토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 이에 따라, 자유층(100)은 고정층(200)과 동일한 방향으로 자화될 수 있다. 이와 같이, 자유층(100)이 고정층(200)과 동일한 방향으로 자화된 상태는 평행 상태(parallel state)라 할 수 있고, 자기저항요소는 낮은 저항(제1 저항)을 가질 수 있다.
도 6b를 참조하면, 고정층(200)에서 자유층(100)으로 제2 전류(I2)를 인가할 수 있다. 제2 전류(I2)는 보조 요소(20)로부터 고정층(200) 및 분리층(150)을 거쳐 자유층(100)으로 흐를 수 있다. 제2 전류(I2)에 의해 전자(e-)는 자유층(100)에서 고정층(200)으로 흐를 수 있다. 자유층(100)에서 고정층(200)으로 흐르는 전자(e-)에 의해 자유층(100)은 고정층(200)과 반대 방향으로 자화될 수 있다. 이는 고정층(200)으로 흐르는 전자(e-) 중에서 고정층(200)과 동일한 스핀을 갖는 전자들은 고정층(200)을 통해서 외부로 빠져나가지만, 고정층(200)과 반대의 스핀을 갖는 전자들은 자유층(100)으로 되돌아와 스핀 토크를 인가하기 때문이다. 즉, 고정층(200)과 반대의 스핀을 갖는 전자들이 자유층(100)에 스핀 토크를 인가하므로, 자유층(100)은 고정층(200)과 반대 방향으로 자화될 수 있다. 자유층(100)이 고정층(200)과 반대 방향으로 자화된 상태는 반평행 상태(anti-parallel state)라 할 수 있고, 자기저항요소는 높은 저항(제2 저항)을 가질 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 바와 같이, 인가 전류(I1, I2)에 의해 자유층(100)의 자화 방향이 결정될 수 있다. 인가 전류(I1, I2)에 의해 전자의 스핀 토크가 자유층(100)에 전달됨으로써, 자유층(100)이 소정 방향, 즉, 고정층(200)의 자화 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자화될 수 있다. 따라서, 자유층(100)의 자화는 스핀 트랜스퍼 토크(spin transfer torque)에 의해 이루어진다고 할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소의 입체적인 구조를 예시적으로 보여주는 사시도이다. 도 7은 도 1의 자기저항요소의 사시도일 수 있고, 도 8은 도 5의 자기저항요소의 사시도일 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 자유층(100), 분리층(150) 및 고정층(200)은 사각형의 층 구조를 가질 수 있다. 보조 요소(20)는 고정층(200) 위로 수직하게 돌출된 구조를 가질 수 있다. 고정층(200)의 X축 방향의 폭을 Wx1이라고 하고 Y축 방향의 폭을 Wy1이라 하면, Wy1은 1F일 수 있고 Wx1은 2F일 수 있다. 여기서, F는 피처 사이즈(feature size)를 의미한다. 그러나 고정층(200)의 X축 방향 폭(Wx1)과 Y축 방향 폭(Wy1)의 비율은 달라질 수 있다. 보조 요소(20)는 X축 방향으로 고정층(200)의 폭(Wx1)보다 좁은 폭(도 1의 W2)을 갖고, Y축 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 보조 요소(20)의 Y축 방향 폭은 고정층(200)과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 7에서는 하나의 보조 요소(20)가 고정층(200)의 중앙부에 구비되고, 도 8에서는 두 개의 보조 요소(20) 사이에 제2 고정층(300)이 구비되어 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 사시도는 예시적인 것이고, 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 자유층(100), 분리층(150) 및 고정층(200)은 위에서 보았을 때, 원형 또는 타원형 구조를 가질 수 있다. 또한 보조 요소(20)의 구조도 다양하게 변형될 수 있다. 보조 요소(20)의 Y축 방향으로의 길이는 고정층(200)의 Y축 방향으로의 길이보다 작을 수 있다. 제2 고정층(300)의 구조도 다양하게 변형될 수 있다. 그 밖에도, 자기저항요소의 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예와 비교되는 비교예에 따른 자기저항요소를 보여주는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 자유층(1000) 상에 분리층(1500), 제1 고정층(2000), 스페이서(2500) 및 제2 고정층(3000)이 순차로 적층되어 있다. 자유층(1000)은 CoFeB층이고, 제1 및 제2 고정층(2000, 3000)은 Co 및 Pd가 교대로 반복 적층된 구조, 즉, [Co/Pd]n 구조를 갖는다. 자유층(1000)과 제1 및 제2 고정층(2000, 3000)은 수직 자기이방성을 갖고, 제1 고정층(2000)의 자화 방향과 제2 고정층(3000)의 자화 방향은 서로 반대이다. 분리층(1500)은 MgO층이고, 스페이서(2500)는 Ru층이다. 본 비교예에 따른 자기저항요소의 X축 방향 폭은 2F 이고, Y축 방향 폭은 1F 이다. 여기서, F는 피처 사이즈(feature size)를 의미한다.
도 10은 도 9의 구조에서 피처 사이즈(F)를 변화시키면서 각각의 피처 사이즈(F)에서 [Co/Pd]의 반복 적층 횟수(즉, n)에 따른 제1 고정층(2000)의 스트레이 필드(stray field)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 피처 사이즈(F)가 작아질수록 스트레이 필드가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 피처 사이즈(F)가 20nm 보다 작을 때, 스트레이 필드는 1 kOe (즉, 1000 Oe) 이상으로 매우 큰 것을 알 수 있다. 피처 사이즈(F)가 40nm 이상일 경우에는, [Co/Pd]의 반복 적층 횟수(즉, n)가 증가할수록 스트레이 필드가 감소하지만, 피처 사이즈(F)가 20nm 이하인 경우에는, [Co/Pd]의 반복 적층 횟수(즉, n)가 증가해도 스트레이 필드는 거의 감소하지 않는다. 이러한 결과로부터, 자기저항요소의 사이즈가 특정 수준 이하로 감소할 경우, 제1 고정층(2000)의 스트레이 필드가 크게 증가하고, 제1 및 제2 고정층(2000, 3000)의 두께(즉, 적층 횟수)가 증가하더라도 스트레이 필드는 거의 감소하지 않는 것을 알 수 있다. 이렇게 스트레이 필드가 클 경우, 자유층(1000)의 스위칭 불균형(switching asymmetry) 문제가 발생한다. 이에 대해서는 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은 도 9의 구조에서 피처 사이즈(F)가 15nm 이고, 고정층(2000, 3000)의 두께가 8nm 일 때, 자유층(100)의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어(Eb/kBT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, kB는 볼쯔만 상수이고, T는 절대온도이다. 자유층(1000)의 두께는 1nm 이었고, 자유층(1000)의 자기이방성 에너지(Ks)는 1.5 erg/㎠ 이었다. 분리층(1500) 및 스페이서(2500) 두께는 1nm 이었다.
도 11을 참조하면, 그래프의 좌우 비대칭성이 큰 것을 알 수 있다. 즉, 그래프의 최상점을 기준으로 좌측 저점의 높이와 우측 저점의 높이가 큰 차이를 나타낸다. 여기서 상기 좌측 저점은 자유층(1000)이 제1 방향으로 자화된 경우에 대응되고, 상기 우측 저점은 자유층(1000)이 제2 방향(상기 제1 방향과 반대 방향)으로 자화된 경우에 대응된다. 그래프의 좌우 비대칭이 크다는 것은 자유층(1000)의 자화 방향을 제1 방향에서 제2 방향으로 변화시킬 때의 에너지 베리어와 상기 제2 방향에서 제1 방향으로 변화시킬 때의 에너지 베리어가 크게 다르다는 것을 의미한다. 상기 좌측 저점의 높이와 우측 저점의 높이 차이를 ΔEb/kBT 라 하면, ΔEb/kBT 는 약 40 정도로 크게 나타났다. 이렇게 ΔEb/kBT 가 크다는 것은 자유층(1000)의 스위칭 불균형(switching asymmetry)이 크다는 것이고, 이로 인해, 자유층(1000)의 스위칭 동작에 심각한 문제가 야기될 수 있다. 이러한 스위칭 불균형(switching asymmetry) 문제는 제1 고정층(2000)에서 자유층(1000)에 인가되는 스트레이 필드에 기인한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 8의 자기저항요소에서 피처 사이즈(F)가 15nm 이고, 제1 고정층(200)의 두께(T1)가 2nm 이며, 보조 요소(20)의 두께(T2)가 14nm 일 때, 자유층(100)의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어(Eb/kBT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 이때, 자유층(100), 분리층(150), 제1 고정층(200), 스페이서(250) 및 제2 고정층(300)의 물질은 각각 CoFeB(두께:1nm), MgO(두께:1nm), [Co/Pd]n(두께:2nm), Ru(두께:1nm), [Co/Pd]n(두께:13nm) 이었다. 보조 요소(20)의 물질은 [Co/Pd]n(두께:14nm) 이었고, X축 방향의 폭은 3nm 이었다. 자유층(100)의 자기이방성 에너지(Ks)는 1.5 erg/㎠ 였다.
도 12를 참조하면, 그래프의 좌우 대칭성이 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 그래프의 최상점을 기준으로 좌측 저점의 높이와 우측 저점의 높이가 거의 동일한 것을 알 수 있다. 즉, ΔEb/kBT 는 거의 0 에 가까웠다. 그러므로 자유층(100)의 자화 방향을 제1 방향에서 제2 방향으로 반전시키는 경우와 그 반대의 경우의 에너지 베리어는 거의 동일하다. 이러한 결과를 통해서, 도 8과 같은 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소를 이용하면, 자기저항요소의 사이즈가 작아지더라도, 자유층(100)의 스위칭 불균형(switching asymmetry) 문제가 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
도 13은 도 8의 자기저항요소에서 보조 요소(20)의 두께(T2)를 변화시키면서 ΔEb/kBT를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 보조 요소(20)의 두께(T2)를 6nm 에서 14nm 까지 변화시키면서, 그와 함께 제2 고정층(300)의 두께도 증가시켰다. 즉, 보조 요소(20)의 높이와 제2 고정층(300)의 높이가 동일하게 되도록, 제2 고정층(300)의 두께를 증가시켰다. 이하에서는, T2를 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이라고 한다. 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)를 제외한 나머지 구성요소의 물질, 두께 등은 도 12에서 설명한 바와 동일하였다.
도 13을 참조하면, 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 증가할수록, ΔEb/kBT 가 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 증가함에 따라, 자유층(100)의 스위칭 특성이 개선된다는 것을 의미한다. 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 6nm인 경우에도, ΔEb/kBT 는 7 정도로 낮게 나타났다. 도 11에서 설명한 비교예에 따른 자기저항요소의 ΔEb/kBT 가 40 정도인 것을 고려하면, 본 실시예에 따른 자기저항요소의 ΔEb/kBT 는 매우 낮은 수치인 것을 알 수 있다. 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 14nm인 경우, ΔEb/kBT 는 거의 0에 가까웠다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소에서 고정층의 열안정성을 평가한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다. 도 14는 도 8의 구조를 갖는 자기저항요소에 대한 것으로, 자유층(100), 분리층(150), 제1 고정층(200), 스페이서(250) 및 제2 고정층(300)의 물질은 각각 CoFeB(두께:1nm), MgO(두께:1nm), [Co/Pd]n(두께:2nm), Ru(두께:1nm) 및 [Co/Pd]n 이었다. 보조 요소(20)의 물질은 [Co/Pd]n 이고, X축 방향의 폭은 3nm 이었다. 제1 고정층(200)의 포화 자화(saturation magnetization)(Ms)는 700 emu/cc 이었고, 자기이방성 에너지(Ku)는 2×106 erg/cc 였다. 보조 요소(20)의 두께(T2)를 변화시키면서, 제1 고정층(200)의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어의 변화를 측정하였다. 보조 요소(20)의 두께(T2)를 6nm 에서 14nm 까지 변화시키면서, 그와 함께 제2 고정층(300)의 두께도 증가시켰다. 즉, 보조 요소(20)의 높이와 제2 고정층(300)의 높이가 동일하게 되도록, 제2 고정층(300)의 두께를 증가시켰다. 이하에서는, T2를 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이라고 한다.
도 14에서 경로(path)가 0인 경우는 제1 고정층(200)이 Z축의 역방향으로 자화된 경우이고, 경로가 100인 경우는 제1 고정층(200)이 Z축 방향으로 자화된 경우이다. 경로가 0인 경우와 100인 경우 사이의 에너지 베리어는 제1 고정층(200)의 자화 방향을 반전시키기 위한 에너지 베리어이다. 이러한 에너지 베리어가 높다는 것은 제1 고정층(200)의 열안정성이 우수하다는 것을 의미한다. 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 증가할수록, 에너지 베리어의 높이가 증가하였다. 보조 요소(20) 및 제2 고정층(300)의 높이(T2)가 6nm인 경우, 에너지 베리어(Eb/kBT)는 50 정도였고, 높이(T2)가 14nm인 경우, 에너지 베리어(Eb/kBT)는 250 정도였다. 에너지 베리어(Eb/kBT)가 50 정도인 경우에도, 열안정성이 어느 정도 확보된 것으로 볼 수 있고, 에너지 베리어(Eb/kBT)가 250 정도인 경우의 열안정성은 매우 우수하다. 이와 같이, 본 발명이 실시예에 따른 자기저항요소에서 고정층(200)의 열안정성은 보조 요소(20)에 의해 확보될 수 있고, 보조 요소(20)의 두께(T2)를 증가시키면 열안정성은 매우 우수한 수준으로 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소는 다양한 자성소자 및 전자소자에 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 자기저항요소는 메모리소자의 메모리셀에 적용될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소는 스케일 다운(scale down)에 유리하고, 우수한 성능 및 열안정성을 가질 수 있으므로, 이를 메모리소자에 적용하면, 고밀도/고성능의 메모리소자를 구현할 수 있다. 기존의 자기저항요소는 그 폭을 약 40nm 이하로 감소시키면, 고정층의 스트레이 필드(stray field)가 크게 증가하여, 자유층의 스위칭 불균형(switching asymmetry) 문제가 발생한다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소에서는 고정층의 스트레이 필드를 크게 줄일 수 있고, 보조 요소에 의해 열안정성을 확보할 수 있기 때문에, 기존의 구조에서는 구현하기 어려운 작은 사이즈의 자기저항요소를 용이하게 구현할 수 있다. 따라서 이러한 자기저항요소를 적용하면, 단위 면적당 저장 용량이 큰 고밀도 메모리소자를 제조할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소는 메모리소자뿐 아니라, 그 밖에 다른 소자에도 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소를 포함하는 메모리소자의 일례를 보여주는 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 메모리소자는 메모리셀(MC1)에 자기저항요소(MR1) 및 이에 연결된 스위칭요소(TR1)를 포함할 수 있다. 자기저항요소(MR1)는 도 1 내지 도 8에서 설명한 다양한 구조 중 하나, 예컨대, 도 8의 구조를 가질 수 있다. 스위칭요소(TR1)는, 예컨대, 트랜지스터일 수 있다.
메모리셀(MC1)은 비트라인(BL1)과 워드라인(WL1) 사이에 연결될 수 있다. 비트라인(BL1)과 워드라인(WL1)은 서로 교차하도록 구비될 수 있고, 이들의 교차점에 메모리셀(MC1)이 구비될 수 있다. 비트라인(BL1)은 자기저항요소(MR1)에 연결될 수 있다. 자기저항요소(MR1)의 제2 고정층(300)이 비트라인(BL1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또는 자기저항요소(MR1)의 제2 고정층(300)과 두 개의 보조 요소(20)가 비트라인(BL1)에 공통으로 연결될 수 있다. 경우에 따라서는, 제2 고정층(300)을 제외하고 두 개의 보조 요소(20)만 비트라인(BL1)에 연결될 수도 있다. 또는 제1 고정층(200)이 비트라인(BL1)에 직접 연결될 수도 있다. 워드라인(WL1)은 스위칭요소(TR1)에 연결될 수 있다. 스위칭요소(TR1)가 트랜지스터인 경우, 워드라인(WL1)은 스위칭요소(TR1)의 게이트전극에 연결될 수 있다. 워드라인(WL1)과 비트라인(BL1)을 통해서, 메모리셀(MC1)에 쓰기전류, 읽기전류, 소거전류 등이 인가될 수 있다.
도 15에서는 하나의 메모리셀(MC1)을 도시하였지만, 복수의 메모리셀(MC1)은 어레이(array)를 이루도록 배열될 수 있다. 즉, 복수의 비트라인(BL1)과 복수의 워드라인(WL1)이 서로 교차하도록 배열될 수 있고, 이들의 교차점 각각에 메모리셀(MC1)이 구비될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 자기저항요소(MR1)의 사이즈를 약 40nm 이하 또는 20nm 이하로 줄일 수 있기 때문에, 메모리셀(MC1)의 크기를 줄일 수 있고, 결과적으로 고밀도/고집적 메모리소자를 구현할 수 있다.
도 15의 메모리소자는 MRAM(magnetic random access memory)일 수 있다. 특히, 도 15의 메모리소자에서는 앞서 설명한 스핀 트랜스퍼 토크(spin transfer torque)가 이용되기 때문에, 이러한 메모리소자는 STT-MRAM(spin transfer torque MRAM)이라 할 수 있다. STT-MRAM의 경우, 기존의 MRAM과 달리 외부 자기장 발생을 위한 별도의 도선(즉, 디지트 라인)을 필요치 않기 때문에, 고집적화에 유리하고 동작 방법이 단순하다는 장점이 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 8의 자기저항요소의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 자기저항요소는 도 15와 같은 메모리소자뿐 아니라 다른 구조의 메모리소자 또는 메모리소자가 아닌 다른 자성소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 보조 요소 100 : 자유층
150 : 분리층 200 : 고정층
250 : 스페이서 300 : 제2 고정층
I1, I2 : 전류 e- : 전자
MC1 : 메모리셀 MR1 : 자기저항요소
TR1 : 스위칭요소 BL1 : 비트라인
WL1 : 워드라인

Claims (24)

  1. 자화 방향이 변동될 수 있는 자유층;
    상기 자유층에 대응하도록 구비되고, 고정된 자화 방향을 갖는 고정층; 및
    상기 고정층의 일면에 구비된 것으로, 상기 고정층보다 좁은 폭을 갖고, 상기 고정층의 일면에 수직한 구조이며, 상기 고정층과 동일한 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 보조 요소;를 포함하는 자기저항요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층 및 상기 고정층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖고,
    상기 보조 요소는 상기 고정층에 수직한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖는 자기저항요소.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정층은 10nm 이하의 두께를 갖는 자기저항요소.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 요소는 5nm 이상의 두께를 갖고, 10nm 이하의 폭을 갖는 자기저항요소.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정층의 일면에 상기 보조 요소가 복수 개 구비된 자기저항요소.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정층은 제1 고정층이고,
    상기 제1 고정층의 일면에 구비된 제2 고정층; 및
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 사이에 구비된 스페이서;를 더 포함하는 자기저항요소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 고정층, 상기 제2 고정층 및 상기 스페이서는 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성하는 자기저항요소.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 고정층의 두께는 상기 제1 고정층의 두께보다 큰 자기저항요소.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층과 상기 고정층 사이에 구비된 분리층을 더 포함하는 자기저항요소.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 적어도 하나의 메모리셀을 포함하는 메모리소자에 있어서,
    상기 메모리셀은 청구항 1에 기재된 자기저항요소를 포함하는 메모리소자.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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