KR101946457B1 - 열적으로 안정한 자기터널접합 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자 - Google Patents

열적으로 안정한 자기터널접합 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

열적으로 안정한 수직 자기이방성 자기터널접합(MTJ) 셀 및 이를 포함하는 자기메모리 소자를 개시한다. 일 실시예에 따른 자기터널접합 셀은 고정된 자화 방향을 갖는 고정층, 상기 고정층 상에 배치된 분리층, 및 상기 분리층 상에 배치된 것으로, 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 고정층과 분리층은 수직 자기이방성을 갖는 자성 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 자유층은 중심부 및 상기 중심부 주변의 주변부를 가지며, 상기 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼운 볼록한 형상을 가질 수 있다.

Description

열적으로 안정한 자기터널접합 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자 {Thermally stable magnetic tunneling junction cell and memory device including the same}
개시된 실시예들은 자기터널접합(magnetic tunneling junction; MTJ) 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열적으로 안정한 수직 자기이방성 MTJ 셀 및 이를 포함하는 자기메모리 소자에 관한 것이다.
예를 들어 MRAM(Magnetic random access memory)과 같은 자기메모리 소자는 MTJ 셀의 저항 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 메모리 소자로서, 비휘발성을 가지며 고속 동작이 가능하고 높은 내구성을 갖는 등의 이점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리 소자의 하나로 많은 연구가 이루어지고 있다.
일반적으로, MTJ 셀의 저항은 자유층(free layer)의 자화 방향에 따라 달라진다. 예를 들어, 자유층의 자화 방향이 고정층(pinned layer)의 자화 방향과 동일할 때는 MTJ 셀이 낮은 저항값을 갖고, 서로 반대일 때에는 높은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 특성을 메모리 소자에서 이용할 경우, 예를 들어, MTJ 셀이 낮은 저항값을 가질 때 데이터 '0'에 대응될 수 있고, 높은 저항값을 가질 때 데이터 '1'에 대응될 수 있다.
한편, MTJ 셀에 저장된 데이터가 오랜 시간 동안 훼손되지 않고 유지되기 위해서는 MTJ 셀이 충분한 열적 안정성(thermal stability)을 가져야 한다. 통상적으로, MTJ 셀의 열적 안정성은 자유층의 에너지 베리어(energy barrier)(Eb)와 관련이 있다. 예를 들어, 자유층이 수평 자기이방성 물질층인 경우, Eb/kT (k:볼쯔만 상수, T:절대온도)가 대략 60 정도이면, MTJ 셀의 열적 안정성이 약 10년 정도 보장되는 것으로 알려져 있다. 자유층의 두께에 따라 약간의 차이는 있지만, 일반적으로 Eb/kT가 60 정도 되려면, MTJ 셀의 피처 사이즈(feature size)가 40nm 이상이 되어야 한다. 이는 MTJ 셀의 피처 사이즈를 40nm 미만으로 줄이기 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 이유로 MRAM의 기록 밀도를 특정 수준 이상으로 증가시키는 것은 용이하지 않다. 또한, 자유층의 두께를 증가시키면 MTJ 셀의 피처 사이즈를 줄일 수 있지만, 자유층의 두께가 두꺼워지면 데이터의 기록이 어려워질 수 있다.
이에 따라 MTJ 셀의 피처 사이즈를 줄이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy) 물질을 이용하여 MTJ 셀을 구성하는 방안이 있다. 일반적으로, 수직 자기이방성 물질의 자기이방성 에너지가 높을수록 자유층의 에너지 베리어가 높아지므로, 자기이방성 에너지가 높은 수직 자기이방성 물질을 사용하면 MTJ 셀의 피처 사이즈를 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 자기이방성 에너지가 높은 수직 자기이방성 물질들은 대부분 자기저항비(magnetoresistance ratio)(즉, MR 비)가 낮아서 메모리 소자에서 사용하기에 부적합할 수도 있다.
열적으로 안정한 수직 자기이방성 MTJ 셀을 제공한다.
또한, MTJ 셀의 피처 사이즈를 줄여서 기록 밀도를 높일 수 있는 자기메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르면, 고정된 자화 방향을 갖는 고정층; 상기 고정층 상에 배치된 분리층; 및 상기 분리층 상에 배치된 것으로, 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층;을 포함하는 자기터널접합 셀이 제공된다. 여기서, 고정층과 자유층은 수직 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함할 수 있다. 또한, 자유층은 중심부 및 상기 중심부 주변의 주변부를 포함하며, 상기 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼운 볼록한 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정층과 자유층은 계면에 수직한 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고정층은 제 1 고정층, 상기 제 1 고정층 상에 적층된 스페이서, 및 상기 스페이서 상에 적층된 제 2 고정층을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 고정층과 제 2 고정층은 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 고정층은 계면에 수직한 자기이방성을 갖는 자성 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 1 고정층, 스페이서, 및 제 2 고정층은 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층은 반원통형의 중심부와 평평한 주변부를 가질 수 있다.
또한, 상기 자유층은 경사진 주변부, 및 상기 경사진 주변부로부터 중앙을 향해 점차적으로 높아지는 중심부를 가질 수 있다.
또한, 상기 자유층은 원반의 형태를 가지며, 상기 자유층의 주변부는 평평하고 중심부는 원반의 형태로 돌출될 수 있다.
예를 들어, 상기 자유층은 다수의 자구들을 포함하며, 상기 다수의 자구들 사이의 계면인 자구벽의 면적이 상기 중심부에서 가장 넓어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 자기터널접합 셀 및 상기 저기터널접합 셀에 연결된 스위칭 소자를 각각 구비하는 적어도 하나의 메모리셀을 포함하는 메모리 소자가 제공된다. 여기서, 상기 자기터널접합 셀은, 고정된 자화 방향을 갖는 고정층; 상기 고정층 상에 배치된 분리층; 및 상기 분리층 상에 배치된 것으로, 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층;을 포함할 수 있으며, 상기 고정층과 자유층은 수직 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함하고, 상기 자유층은 중심부 및 상기 중심부 주변의 주변부를 포함하며 상기 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼운 볼록한 형상을 가질 수 있다.
상기 메모리 소자는 STT-MRAM(spin transfer torque magnetic random access memory)일 수 있다.
상기 메모리 소자는 서로 교차하도록 배치된 비트라인과 워드라인을 더 포함할 수 있으며, 상기 비트라인은 상기 자기터널접합 셀의 고정층에 전기적으로 연결되고, 상기 워드라인은 상기 스위칭 소자에 전기적으로 연결될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, MTJ 셀의 자유층은 높은 자기이방성 에너지를 갖는 동시에 높은 자기저항비를 가질 수 있다. 따라서, MTJ 셀이 충분한 열적 안정성을 가지므로 MTJ 셀의 피처 사이즈를 줄일 수 있다. 또한, MTJ 셀의 피처 사이즈가 감소하기 때문에, MTJ 셀을 포함하는 메모리 소자의 기록 밀도를 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 MTJ 셀의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 다른 실시예에 따른 MTJ 셀의 자유층의 다양한 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 MTJ 셀의 자유층에서 자화 방향이 변화하는 과정을 개념적으로 보인다.
도 4는 도 1에 도시된 MTJ 셀에서 자유층의 스위칭 경로(path)에 따른 에너지 베리어(Eb/kT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 MTJ 셀을 포함하는 메모리 소자의 일례를 개략적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 열적으로 안정한 MTJ 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 MTJ 셀의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 MTJ 셀(10)은 고정층(pinned layer)(16), 및 상기 고정층(16) 상에 차례로 적층된 분리층(separation layer)(14)과 자유층(free layer)(15)을 포함할 수 있다.
고정층(16)은 고정된 자화 방향을 갖는 자성층으로, 강자성(ferromagnetic) 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고정층(16)을 형성하는 강자성 물질은 Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 밖에도 예컨대, B, Cr, Pt, Pd 등과 같은 다른 원소를 더 포함할 수도 있다. 또한, 자유층(15)은 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자성층이다. 고정층(16)과 마찬가지로, 자유층(15)은 예컨대, Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 강자성 물질로 이루어질 수 있으며, B, Cr, Pt, Pd 등과 같은 다른 원소를 더 포함할 수도 있다. 자유층(15)은 고정층(16)과 다른 물질로 형성될 수 있지만, 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 분리층(14)은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리층(14)은 Mg 산화물 및/또는 Al 산화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질들(특히, Mg 산화물)로 분리층(14)을 형성하면, MTJ 셀(10)의 자기저항비(magnetoresistance ratio)(즉, MR 비)를 증가시킬 수 있다. 그러나 분리층(14)의 재료가 반드시 절연성 물질로 한정되지는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 분리층(14)을 도전성 물질로 형성할 수도 있다. 이 경우, 분리층(14)은 예를 들어, Ru, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 도전성 물질(금속)을 포함할 수 있다.
고정층(16)은 하나의 단일 층으로 구성될 수도 있지만, 다층 구조로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 고정층(16)은 제 1 고정층(11), 제 1 고정층(11) 상에 적층된 스페이서(12), 및 스페이서(12) 상에 적층된 제 2 고정층(13)을 포함할 수 있다. 스페이서(12)를 사이에 두고 인접하게 배치된 두 개의 고정층(11, 13)은 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 이러한 점에서 제 1 고정층(11), 스페이서(12), 및 제 2 고정층(13)은 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성한다고 볼 수 있다. 제 1 고정층(11)과 제 2 고정층(13)은 동일한 강자성 물질로 이루어질 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 서로 다른 강자성 물질로 이루어질 수도 있다. 한편, 스페이서(12)는 도전성 물질, 예컨대, Ru, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 서로 반대 방향으로 자화된 2개의 고정층(11, 13)은 서로의 표유 자계(stray magnetic field)를 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 서로 반대 방향으로 자화된 2개의 고정층(11, 13)을 사용함으로써, 고정층(16)에서 발생하는 표유 자계가 자유층(15)에 영향을 주는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제 1 고정층(11), 제 2 고정층(13), 및 자유층(15)은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy), 특히 계면에 수직한 자기이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy; IPMA)을 가질 수 있다. 이를 위해, 제 1 고정층(11), 제 2 고정층(13), 및 자유층(15)은 경자성(hard magnetic) 물질로 이루어질 수 있다. 경자성 물질은 예컨대, 106∼107 erg/cc 정도의 비교적 높은 자기이방성 에너지(Ku)를 갖는다. 이러한 높은 자기이방성 에너지를 갖는 경자성 물질로 형성된 고정층(11, 13)과 자유층(15)은 그의 높은 자기이방성 에너지로 인해 계면에 수직한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 고정층(11, 13)과 자유층(15)은 Co 및 Co 합금 중 적어도 하나로 형성된 제 1 층과, Pt, Ni 및 Pd 중 적어도 하나로 형성된 제 2 층이 교대로 적층되는 다층 구조를 갖거나, L10 구조를 갖는 FePt층 또는 CoPt층이거나, 또는 희토류 원소(rare-earth element)와 전이금속(transition metal)의 합금층일 수 있다. 여기서, 희토류 원소는 Tb 및 Gd 중 적어도 하나일 수 있고, 전이금속은 Ni, Fe 및 Co 중 적어도 하나일 수 있다. 다양한 조합의 희토류 원소와 전이금속의 합금을 사용할 수 있는데, 그 중에서 예컨대 CoFeB나 CoFe를 고정층(11, 13)이나 자유층(15)의 재료로 사용할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 MTJ 셀(10)의 자유층(15)은 두께가 비교적 두꺼운 중심부(15a)와 두께가 비교적 얇은 주변부(15b)를 가질 수 있다. 즉, 자유층(15)의 중심부(15a)는 주변부(15b)에 비하여 두껍게 형성될 수 있다. 도 1에는 자유층(15)의 중심부(15a)가 계단형으로 형성된 예가 도시되어 있으나, 자유층(15)의 구조는 이에 한정되지 않는다.
도 2a 내지 도 2c에는 다양한 형태의 자유층(15)의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 자유층(15)은 반원통형의 중심부(15a)와 평평한 주변부(15b)를 가질 수도 있으며, 또한 도 2b에 도시된 바와 같이, 자유층(15)은 사방의 경사진 주변부(15b)로부터 중앙을 향해 점차적으로 높아지는 형상의 중심부(15a)를 가질 수도 있다. 도 2a 및 도 2b에는 자유층(15)이 직사각형인 것으로 도시되어 있으나, 도 2c에 도시된 바와 같이, 자유층(15)은 원반 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 자유층(15)은 평평한 주변부(15b)와 원반 형태의 돌출된 중심부(15a)를 가질 수도 있다. 또한 도시되지 않았지만, 자유층(15)의 원뿔형과 같이 원형의 바닥면과 솟아오르는 형태의 중심부를 가질 수도 있다. 그 밖에도 다양한 형태로 자유층(15)을 형성할 수 있는데, 어떠한 형태이건 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼우면 된다.
이러한 구조에서, 두꺼운 중심부(15a)로 인하여 자유층(15)의 에너지 배리어가 증가할 수 있다. 이는 중심부(15a)에서 자구벽(domain wall)의 면적이 증가하기 때문이다. 이론적으로 에너지 배리어는 자구벽에 기인하는데, 중심부(15a)에서 자구벽의 면적이 커짐에 따라 자유층(15)의 에너지 배리어도 증가할 수 있다. 이러한 원리는 자유층(15)에서 자화 방향이 변화하는 과정을 개념적으로 보이는 도 3a 내지 도 3d를 통해 이해할 수 있다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 초기에 자유층(15)이 고정층(16)과 반대 방향으로 자화되어 있다고 가정한다. 예컨대, 고정층(16)은 도면에서 아래쪽을 향해 자화되어 있으며, 자유층(15)은 도면에서 위쪽을 향해 자화되어 있을 수 있다. 이렇게 자유층(15)이 고정층(16)과 반대 방향으로 자화된 상태를 반평행 상태(anti-parallel state)라 하고, 이때 MTJ 셀(10)은 높은 저항을 가질 수 있다.
여기서, 자유층(15)의 자화 방향을 바꾸기 위해, 도 3b에 도시된 바와 같이, 자유층(15)으로부터 고정층(16)을 향해 전류(I)를 인가할 수 있다. 그러면 전류(I)는 자유층(15)으로부터 분리층(14)을 거쳐 고정층(16)으로 흐르게 되고, 전류(I)에 의해 전자(e-)가 고정층(16)으로부터 자유층(15)으로 흐르게 된다. 고정층(16)으로부터 자유층(15)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(16)과 동일한 스핀 방향을 갖게 되고 자유층(15)에 스핀 토크(spin torque)를 인가하게 된다. 이로 인해, 자유층(15)은 고정층(16)과 동일한 방향으로 자화될 수 있다. 이와 같이, 자유층(15)이 고정층(16)과 동일한 방향으로 자화된 상태를 평행 상태(parallel state)라 하고, 이때 MTJ 셀(10)은 낮은 저항을 가질 수 있다.
그런데, 자유층(15)은 단일 자구(single domain)로 구성된 것이 아니라 다수의 자구들을 포함하고 있으며, 이러한 다수의 자구들은 자유층(15) 내에서 동시에 자화되지 않고 순차적으로 자화될 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 자유층(15) 내의 어느 한쪽 단부에서부터 자화 방향이 바뀌기 시작할 수 있다. 그리고, 도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 자유층(15)의 중심부(15a)를 지나 최종적으로 반대쪽 단부까지 완전히 자화 방향이 바뀔 수 있다. 여기서, 자화 방향이 서로 다른 자구들 사이의 계면(도 3b 내지 도 3d에서 점선으로 표시)을 자구벽이라고 부르며, 자구벽의 면적은 두께가 두꺼운 중심부(15a)에서 가장 넓어지게 된다. 자구벽이 넓어지게 되면 그만큼 에너지 배리어가 증가하게 되므로 자유층(15)의 중심부(15a)에서는 자구의 자화 방향을 바꾸는데 더 큰 에너지가 필요하게 된다.
그 결과, 외부의 영향에 의해 두께가 얇은 자유층(15)의 주변부(15b)에서 자화 방향이 일시적으로 바뀌기 시작하더라도, 중심부(15a)의 큰 에너지 배리어로 인해 최종적으로는 자유층(15)의 자화 방향을 바꾸기는 어렵다. 따라서, 자유층(15)의 부피가 동일하다면, 자유층(15)의 중심부(15a)가 볼록하게 형성된 경우에 자유층(15)의 에너지 배리어를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 MTJ 셀(10)의 피처 사이즈를 줄일 수 있다.
예를 들어, 도 4는 길이와 폭이 각각 20nm와 10nm이고 평균 두께가 3.2nm인 자유층(15)의 스위칭 경로(path)에 따른 열에너지 대비 에너지 베리어(Eb/kT)의 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 도 4의 그래프에서 '-■-'는 본 실시예와 같이 중심부(15a)가 볼록한 자유층(15)에 대해 측정한 경우이고, '-●-'는 비교예로서 부피는 동일하지만 중심부가 오목한 자유층에 대해 측정한 경우이다. 두 경우에서 모두, 자기이방성 에너지 Ku가 107 erg/cc, 포화자화값 Ms가 1000 emu/cc이고, 교환상수(exchange stiffness constant) A*가 10-6 erg/cm이라고 가정하였다. 도 4의 그래프를 보면, 본 실시예에서와 같이 중심부(15a)가 볼록한 자유층(15)의 경우에는 자화 방향이 수평하게 될 때 가장 높은 에너지 상태가 되며, 이때 Eb/kT는 약 65 정도라는 것을 알 수 있다. 반면, 중심부가 오목한 자유층의 경우에는 자화 방향이 수평하게 될 때 에너지 배리어가 오히려 줄어들게 되고, Eb/kT의 최대값도 60을 넘지 않는다는 것을 알 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 에너지 배리어는 자기이방성 에너지에 비례하기 때문에, 높은 자기이방성 에너지를 갖는 수직 자기이방성 재료를 사용함으로써 MTJ 셀(10)의 피처 사이즈를 줄일 수 있다. 그러나, 단순히 자성 물질의 선택만으로는 자기이방성 에너지를 높이는데 한계가 있기 때문에, MTJ 셀(10)의 피처 사이즈를 줄이는 데도 한계가 있다. 또한, 높은 자기이방성 에너지와 높은 자기저항비(예를 들어, 100% 이상)를 모두 만족하는 자성 물질은 제한되어 있다. 본 실시예에 따르면, 자유층(15)의 중심부(15a)를 볼록하게 형성함으로써 자성 물질의 자기이방성 에너지와 관계 없이 에너지 배리어를 높일 수 있다. 따라서, 자유층(15)을 형성하는데 있어서 수직 자기이방성 재료의 종류에 제한을 받지 않고, 높은 자기저항비와 높은 에너지 배리어를 모두 얻을 수 있다. 또한, 중심부(15a)의 두께만 증가시킴으로써 자유층(15)의 전체 부피를 거의 증가시키지 않고도 높은 에너지 배리어를 얻을 수 있기 때문에, 부피가 커질 경우에 자유층(15)에 대한 데이터의 기록/삭제가 어려워지는 문제를 피할 수도 있다.
이러한 본 실시예에 따르면, MTJ 셀(10)의 피처 사이즈를 크게 줄일 수 있어서, MTJ 셀(10)을 이용하여 구성되는 자기메모리 소자의 기록 밀도를 크게 증가시킬 수 있다. 도 5는 본 실시예에 따른 MTJ 셀(10)을 포함하는 자기메모리 소자의 일례를 개략적으로 보이고 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 자기메모리 소자는 메모리셀(MC)을 포함할 수 있으며, 메모리셀(MC)은 상술한 실시예에 따른 MTJ 셀(10) 및 이에 연결된 스위칭 소자(TR)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자(TR)는 트랜지스터일 수 있다. 상기 메모리셀(MC)은 비트라인(BL)과 워드라인(WL) 사이에 연결될 수 있다. 비트라인(BL)과 워드라인(WL)은 서로 교차하도록 배치될 수 있으며, 이들의 교차점에 메모리셀(MC)이 배치될 수 있다. 비트라인(BL)은 MTJ 셀(10)의 고정층(16)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 워드라인(WL)은 스위칭 소자(TR)에 연결될 수 있다. 스위칭 소자(TR)가 트랜지스터인 경우, 스위칭 소자(TR)의 게이트 전극이 워드라인(WL)에 연결될 수 있으며, 소스/드레인 전극은 MTJ 셀(10)의 자유층(15)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구조에서, 워드라인(WL)과 비트라인(BL)을 통해 메모리셀(MC)에 쓰기전류, 읽기전류, 소거전류 등이 인가될 수 있다. 도 5에는 단지 하나의 메모리셀(MC)만이 도시되어 있지만, 복수의 메모리셀(MC)들이 어레이를 이루어 배열될 수 있다. 즉, 복수의 비트라인(BL)과 복수의 워드라인(WL)들이 서로 교차하도록 배열될 수 있고, 이들의 교차점 각각에 메모리셀(MC)이 배치될 수 있다.
도 5에 도시된 자기메모리 소자는 MRAM(magnetic random access memory)일 수 있다. 특히, 도 3a 내지 도 3d에서 설명한 바와 같이, 자기메모리 소자에서 자유층(15)의 자화 방향이 자유층(15)에 인가되는 스핀 토크에 의해 변화하기 때문에, 이러한 자기메모리 소자는 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 필요로 하지 않기 때문에, 고집적화에 유리하고 동작 방법이 단순하다는 장점이 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 열적으로 안정한 MTJ 셀 및 이를 포함하는 메모리 소자에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....MTJ 셀 11.....제 1 고정층
12.....스페이서 13.....제 2 고정층
14.....분리층 15.....자유층
16.....고정층 MC.....메모리셀
TR.....스위칭 소자 BL.....비트라인
WL.....워드라인

Claims (20)

  1. 고정된 자화 방향을 갖는 고정층;
    상기 고정층 상에 배치된 분리층; 및
    상기 분리층 상에 배치된 것으로, 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층;을 포함하며,
    상기 고정층과 자유층은 수직 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함하고,
    상기 자유층과 상기 분리층이 접하는 면은 평평하고,
    상기 자유층은 중심부 및 상기 중심부 주변의 주변부를 포함하며, 상기 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼운 볼록한 형상을 갖는 자기터널접합 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층과 자유층은 계면에 수직한 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함하는 자기터널접합 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층은 제 1 고정층, 상기 제 1 고정층 상에 적층된 스페이서, 및 상기 스페이서 상에 적층된 제 2 고정층을 포함하며, 상기 제 1 고정층과 제 2 고정층은 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 자기터널접합 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 고정층은 계면에 수직한 자기이방성을 갖는 자성 재료로 이루어지는 자기터널접합 셀.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 고정층, 스페이서, 및 제 2 고정층은 SAF(synthetic antiferromagnetic) 구조를 형성하는 자기터널접합 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 반원통형의 중심부와 평평한 주변부를 갖는 자기터널접합 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 경사진 주변부, 및 상기 경사진 주변부로부터 중앙을 향해 점차적으로 높아지는 중심부를 갖는 자기터널접합 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 원반의 형태를 가지며, 상기 자유층의 주변부는 평평하고 중심부는 원반의 형태로 돌출되어 있는 자기터널접합 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 다수의 자구들을 포함하며, 상기 다수의 자구들 사이의 계면인 자구벽의 면적이 상기 중심부에서 가장 넓어지는 자기터널접합 셀.
  10. 자기터널접합 셀 및 상기 자기터널접합 셀에 연결된 스위칭 소자를 각각 구비하는 적어도 하나의 메모리셀을 포함하며,
    상기 자기터널접합 셀은:
    고정된 자화 방향을 갖는 고정층;
    상기 고정층 상에 배치된 분리층; 및
    상기 분리층 상에 배치된 것으로, 변동 가능한 자화 방향을 갖는 자유층;을 포함하고,
    상기 고정층과 자유층은 수직 자기이방성을 갖는 자성 재료를 포함하고,
    상기 자유층과 상기 분리층이 접하는 면은 평평하고,
    상기 자유층은 중심부 및 상기 중심부 주변의 주변부를 포함하며, 상기 중심부의 두께가 주변부의 두께보다 두꺼운 볼록한 형상을 갖는, 메모리 소자.
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