KR102017622B1 - Magnetic memory devices having perpendicular magnetic tunnel junction - Google Patents

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Abstract

수직 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치들이 제공된다. 이 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 이들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 최대화시키는 두께로 형성될 수 있다. Magnetic memory devices having a vertical magnetic tunnel junction are provided. The apparatus includes a magnetic tunnel junction having a free membrane structure, a fixed membrane structure and a tunnel barrier therebetween, the fixed membrane structure comprising a first magnetic film having an intrinsic vertical magnetization property and a second having an intrinsic horizontal magnetization property. Magnetic film, and an exchange bonding layer interposed therebetween. In this case, the second magnetic film has a perpendicular magnetization direction by antiferromagnetic coupling with the first magnetic film through the exchange coupling layer, and the exchange coupling layer is formed between the first and second magnetic films. It can be formed to a thickness that maximizes the antiferromagnetic coupling.

Description

수직 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치들{MAGNETIC MEMORY DEVICES HAVING PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL JUNCTION}MAGNETIC MEMORY DEVICES HAVING PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL JUNCTION}

본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수직 자기 터널 접합을 구비하는 자기 메모리 장치들에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor memory devices, and more particularly, to magnetic memory devices having vertical magnetic tunnel junctions.

휴대가능한 컴퓨팅 장치들 및 무선 통신 장치들이 광범위하게 채용됨에 따라, 고밀도, 저전력 및 비휘발성의 특성들을 갖는 메모리 장치가 요구되고 있다. 자기 메모리 장치는 이러한 기술적 요구들을 충족시킬 수 있을 것으로 기대되고 있기 때문에, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. As portable computing devices and wireless communication devices are widely adopted, a memory device having characteristics of high density, low power, and nonvolatile is required. Since magnetic memory devices are expected to meet these technical requirements, research on them has been actively conducted.

특히, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)에서 나타나는 터널자기저항(tunnel magnetoresistance; TMR) 효과는 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 메커니즘으로 주목받고 있으며, 2000년대 들어, 수백% 내지 수천%의 TMR을 보이는 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)이 보고되면서, 상기 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치가 최근 활발하게 연구되고 있다.In particular, the tunnel magnetoresistance (TMR) effect at the magnetic tunnel junction (MTJ) has attracted attention as a data storage mechanism in magnetic memory devices. As visible magnetic tunnel junctions (MTJs) have been reported, magnetic memory devices having such magnetic tunnel junctions have been actively studied in recent years.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다. One object of the present invention is to provide a magnetic memory device including a vertical magnetic tunnel junction.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 감소된 두께를 갖는 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다. One object of the present invention is to provide a magnetic memory device including a vertical magnetic tunnel junction having a reduced thickness.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 자유막과 고정막 사이의 자기적 상호 작용을 실질적으로 줄일 수 있도록 구성되는, 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a magnetic memory device including a vertical magnetic tunnel junction, which is configured to substantially reduce the magnetic interaction between the free layer and the fixed layer.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 자기 메모리 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 최대화시키는 두께로 형성될 수 있다. According to some embodiments of the present invention, a magnetic memory device includes a magnetic tunnel junction having a free layer structure, a fixed layer structure, and a tunnel barrier therebetween, the fixed layer structure having a first intrinsic perpendicular magnetization characteristic. The magnetic layer may include a magnetic layer, a second magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics, and an exchange bonding layer interposed between the first and second magnetic layers. In this case, the second magnetic film has a perpendicular magnetization direction by antiferromagnetic coupling with the first magnetic film through the exchange coupling layer, and the exchange coupling layer is formed between the first and second magnetic films. It can be formed to a thickness that maximizes the antiferromagnetic coupling.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 제 2 자성막에 상기 제 1 자성막의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 유도하는 두께로 형성될 수 있다. In some embodiments, the exchange coupling layer may be formed in the second magnetic layer to a thickness that induces vertical magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. In some embodiments, the exchange bonding layer may be formed of at least one of ruthenium, iridium, and rhodium.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 대략 2.5Å 내지 대략 5Å의 두께를 가질 수 있다. In some embodiments, the exchange bonding layer can have a thickness of about 2.5 kPa to about 5 kPa.

일부 실시예들에서, 상기 제 1 자성막은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성된 단층막 또는 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. In some embodiments, the first magnetic film is a monolayer formed of 1) an alloy of cobalt platinum or an alloy of cobalt platinum comprising component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or oxides. Film or 2) at least one of cobalt containing films and noble metal films stacked alternately and repeatedly. The cobalt-containing films may be formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium, and the precious metal films may be formed of one of platinum and palladium.

일부 실시예들에서, 상기 제 2 자성막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조일 수 있다. In some embodiments, the second magnetic layer may have a single layer or a multilayer structure including at least one of Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자유막 및 상기 자유막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 비자성 금속 산화막을 포함할 수 있다. In some embodiments, the free layer structure may include a free layer having an intrinsic horizontal magnetization characteristic and a nonmagnetic metal oxide layer that vertically changes the magnetization direction of the free layer.

일부 실시예들에서, 상기 자유막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the free layer may be a single layer or a multilayer structure including at least one of Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr.

일부 실시예들에서, 상기 비자성 금속 산화막은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하면서 상기 자유막에 직접 접촉하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the nonmagnetic metal oxide layer includes at least one of tantalum oxide, magnesium oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, palladium oxide, or titanium oxide, and has a single layer or multilayer structure in direct contact with the free layer. Can be.

일부 실시예들에서, 상기 자기 메모리 장치는 스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체 및 배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체와 상기 터널 베리어 사이 또는 상기 제 2 도전체와 상기 터널 베리어 사이에 개재될 수 있다. In some embodiments, the magnetic memory device may further include a first conductor connecting the switching element and the magnetic tunnel junction and a second conductor connecting the wiring and the magnetic tunnel junction. In this case, the free layer structure may be interposed between the first conductor and the tunnel barrier or between the second conductor and the tunnel barrier.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 자기 메모리 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 자유막 및 고정막 구조체들 각각은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 수평막 및 상기 수평막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 수직화막을 포함할 수 있다. 상기 자유막 구조체의 상기 수직화막은 비자성 금속 산화막을 포함하고, 상기 고정막 구조체의 상기 수직화막은 교환 결합층 및 내재적 수직 자화 특성을 갖는 수직막을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하게 하는 두께로 형성될 수 있다. According to some embodiments of the present invention, a magnetic memory device includes a magnetic tunnel junction having a free layer structure, a fixed layer structure, and a tunnel barrier therebetween, each of the free layer and the fixed layer structures having an intrinsic horizontal magnetization. It may include a horizontal film having a characteristic and a vertical film for vertically changing the magnetization direction of the horizontal film. The verticalization layer of the free layer structure may include a nonmagnetic metal oxide layer, and the verticalization layer of the fixed layer structure may include a exchange layer and a vertical layer having intrinsic vertical magnetization characteristics. In addition, the exchange coupling layer may be formed to a thickness that enables antiferromagnetic exchange coupling between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이에 배치되고, 상기 비자성 금속 산화막은 상기 자유막 구조체의 상기 수평막을 직접 덮도록 배치될 수 있다. In some embodiments, the exchange coupling layer may be disposed between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure, and the nonmagnetic metal oxide layer may be disposed to directly cover the horizontal membrane of the free membrane structure.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. In some embodiments, the exchange bonding layer may be formed of at least one of ruthenium, iridium, and rhodium.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께를 가질 수 있다. In some embodiments, the exchange coupling layer may have a thickness that maximizes the antiferromagnetic exchange coupling between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure.

일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 대략 2.5Å 내지 대략 5Å의 두께를 가질 수 있다. In some embodiments, the exchange bonding layer can have a thickness of about 2.5 kPa to about 5 kPa.

일부 실시예들에서, 상기 비자성 금속 산화막은, 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the nonmagnetic metal oxide layer may be a single layer or a multilayer structure including at least one of tantalum oxide, magnesium oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, palladium oxide, or titanium oxide.

일부 실시예들에서, 상기 수직막은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. In some embodiments, the vertical layer may include at least one of vertical magnetic materials including cobalt.

일부 실시예들에서, 상기 수직막은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성될 수 있다. In some embodiments, the vertical layer may be formed of an alloy of cobalt platinum or an alloy of cobalt platinum comprising component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or oxides.

일부 실시예들에서, 상기 수직막은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. In some embodiments, the vertical film may have a multi-layered film structure including cobalt-containing films and noble metal films stacked alternately and repeatedly. For example, the cobalt-containing films may be formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium, and the precious metal films may be formed of one of platinum and palladium.

일부 실시예들에서, 상기 수직막은 제 1 수직막 및 제 2 수직막을 포함하는 복층막 구조일 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 수직막들 각각은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되거나 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. In some embodiments, the vertical layer may be a multilayer structure comprising a first vertical layer and a second vertical layer, each of the first and second vertical layers comprising 1) an alloy or component X of cobalt platinum. Cobalt platinum alloy (wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or oxide) or 2) has a multilayered film structure comprising cobalt-containing films and precious metal films that are alternately and repeatedly stacked Can be. The cobalt-containing films may be formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium, and the precious metal layers may be formed of one of platinum and palladium.

일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체는 상기 교환 결합층과 상기 수직막 사이에 개재되는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함할 수 있다. In some embodiments, the fixed membrane structure may further include a cobalt film or a cobalt-rich layer interposed between the exchange coupling layer and the vertical film.

일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the fixed membrane structure may be a single layer or a multilayer structure including at least one of cobalt, iron, or alloys thereof.

일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조일 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the pinned layer structure may have a multilayer structure including a pair of magnetic layers having intrinsic horizontal magnetization characteristics and a nonmagnetic metal layer interposed therebetween.

일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조일 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the pinned layer structure may be a single layer or a multilayer structure including at least one of Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철, 니켈, 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the free layer structure may be a single layer or a multilayer structure including at least one of cobalt, iron, nickel, or alloys thereof.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the free layer structure may be a single layer or a multilayer structure including at least one of Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 한쌍의 자성막들은 CoFeB로 형성되고, 상기 비자성 금속막은 대략 2Å 내지 대략 20Å의 두께로 형성될 수 있다. In some embodiments, the horizontal layer of the free layer structure may have a multilayer structure including a pair of magnetic layers having intrinsic horizontal magnetization characteristics and a nonmagnetic metal layer interposed therebetween. For example, the pair of magnetic films may be formed of CoFeB, and the nonmagnetic metal film may be formed to have a thickness of about 2 GPa to about 20 GPa.

일부 실시예들에서, 상기 자기 메모리 장치는 스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체 및 배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 도전체는 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. In some embodiments, the magnetic memory device may further include a first conductor connecting the switching element and the magnetic tunnel junction and a second conductor connecting the wiring and the magnetic tunnel junction. Here, the second conductor may have a single layer or a multilayer structure including at least one of noble metal films, magnetic alloy films, or metal films.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접하고, 상기 고정막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접할 수 있다. In some embodiments, the free layer structure may be closer to the first conductor than the second conductor, and the pinned layer structure may be closer to the second conductor than the first conductor.

일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접하고, 상기 고정막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접할 수 있다. In some embodiments, the free layer structure may be closer to the second conductor than the first conductor, and the pinned layer structure may be closer to the first conductor than the second conductor.

본 발명의 실시예들에 따르면, 자유막 및 제 2 고정막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질로 형성되지만, 상기 자유막은 수직자화 유도막과의 접촉을 통해 수직 자화를 갖고, 상기 제 2 고정막은 내재적 수직 자화 특성의 물질로 형성되는 제 1 고정막과의 강한 반강자성 교환 결합을 통해 수직 자화를 갖는다. 이처럼 수평 자화 물질들이 외부적 요인들에 의해 수직 자화 특성을 갖게 되므로, 감소된 두께를 갖는 수직 자기 터널 접합을 구현할 수 있다. According to embodiments of the present invention, the free layer and the second pinned layer are formed of a material having intrinsic horizontal magnetization characteristics, but the free layer has vertical magnetization through contact with the vertical magnetization inducing layer, and the second pinned layer is intrinsically It has perpendicular magnetization through strong antiferromagnetic exchange coupling with the first fixed membrane formed of a material of perpendicular magnetization properties. Since the horizontal magnetization materials have vertical magnetization characteristics due to external factors, vertical magnetic tunnel junctions having a reduced thickness can be realized.

이에 더하여, 상기 제 1 및 제 2 고정막들 사이에는, 이들 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하도록 만드는, 교환 결합층이 개재된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 고정막들 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께로 형성된다. 이는 상기 자유막과 상기 제 2 고정막 사이의 자기 결합을 효과적으로 줄이는 것을 가능하게 한다. In addition, between the first and second pinned membranes, an exchange bonding layer is interposed, which enables antiferromagnetic exchange coupling between them. According to embodiments of the present invention, the exchange coupling layer is formed to a thickness that maximizes the antiferromagnetic exchange coupling between the first and second fixed membranes. This makes it possible to effectively reduce the magnetic coupling between the free membrane and the second pinned membrane.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 선택 소자들을 예시적으로 도시하는 회로도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 고정막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 측면을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a circuit diagram illustrating a unit memory cell of a magnetic memory device according to example embodiments of the inventive concept.
2 through 6 are circuit diagrams illustrating exemplary selection elements according to embodiments of the present invention.
7 is a schematic diagram illustrating a first type of magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
8 is a schematic diagram illustrating a second type of magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
9 is a perspective view exemplarily illustrating a free layer structure that forms part of a magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
10 is a perspective view exemplarily illustrating a fixed membrane structure constituting a part of a magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
11 is a graph for explaining an aspect of the present invention.
12 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction in accordance with some embodiments of the present invention.
13 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction according to other embodiments of the present invention.
14 and 15 are diagrams for schematically describing electronic devices including semiconductor devices according to example embodiments.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 예를 들면, 소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함할 수 있다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the words "comprises" and / or "comprising" refer to the presence of one or more other components, steps, operations and / or elements. Or does not exclude additions. Where it is mentioned herein that a film (or layer) is on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate or a third film ( Or layers) may be interposed. For example, an element or layer referred to as "on" or "on" of another element or layer means that another layer or other element is in the middle, as well as directly above the other element or layer. All intervening cases may be included. On the other hand, when a device is referred to as "directly on" or "directly on" indicates that no device or layer is intervened in the middle. “And / or” includes each and all combinations of one or more of the items mentioned.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. The spatially relative terms " below ", " beneath ", " lower ", " above ", " upper " It may be used to easily describe the correlation of a device or components with other devices or components. Spatially relative terms are to be understood as terms that include different directions of the device in use or operation in addition to the directions shown in the figures. Like reference numerals refer to like elements throughout.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, components and / or sections, these elements, components and / or sections are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Therefore, the first device, the first component, or the first section mentioned below may be a second device, a second component, or a second section within the technical spirit of the present invention.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다. Embodiments described herein will be described with reference to plan and cross-sectional views, which are ideal schematic diagrams of the invention. Accordingly, shapes of the exemplary views may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include variations in forms generated by the manufacturing process. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shape of the regions illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of region of the device, and is not intended to limit the scope of the invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail.

한편, 2010년 8월 24일, 2011년 7월 13일, 및 2012년 2월 16일에 미국에서 출원된, 미국출원번호 12/862,074, 13/181,957, 및 13/398,617은 수직 자기 터널 접합들 및 이와 관련된 기술적 특징들을 개시하고 있으며, 이들 앞선 출원들에 개시된 내용들 전체는 본원의 일부로서 포함된다.
Meanwhile, US Application Nos. 12 / 862,074, 13 / 181,957, and 13 / 398,617, filed in the United States on August 24, 2010, July 13, 2011, and February 16, 2012, show vertical magnetic tunnel junctions. And related technical features, all of which are disclosed as part of this application.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a unit memory cell of a magnetic memory device according to example embodiments of the inventive concept.

도 1을 참조하면, 단위 메모리 셀(UMC)은 서로 교차하는 제 1 배선(L1) 및 제 2 배선(L2) 사이에서 이들을 연결한다. 상기 단위 메모리 셀(UMC)은 선택 소자(SW) 및 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 선택 소자(SW) 및 상기 자기터널접합(MTJ)은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 배선들(L1, L2) 중의 하나는 워드라인으로 사용되고 다른 하나는 비트라인으로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, the unit memory cell UMC connects them between the first wiring L1 and the second wiring L2 that cross each other. The unit memory cell UMC may include a selection device SW and a magnetic tunnel junction MTJ. The selection device SW and the magnetic tunnel junction MTJ may be electrically connected in series. One of the first and second wires L1 and L2 may be used as a word line and the other may be used as a bit line.

상기 선택 소자(SW)는 상기 자기터널접합(MTJ)을 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 소자(SW)는, 도 2 내지 도 6에 각각 도시된 것처럼, 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과트랜지스터 및 피모스 전계효과트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 상기 선택 소자(SW)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(미도시)이 상기 선택 소자(SW)에 연결될 수 있다. The selection device SW may be configured to selectively control the flow of charge passing through the magnetic tunnel junction MTJ. For example, the selection device SW may be one of a diode, a PNP bipolar transistor, an ENP bipolar transistor, an NMOS field effect transistor, and a PMOS field effect transistor, as shown in FIGS. 2 to 6, respectively. have. When the selection device SW is composed of a three-terminal bipolar transistor or a MOS field effect transistor, an additional wiring (not shown) may be connected to the selection device SW.

상기 자기터널접합(MTJ)은 제 1 자성 구조체(MS1), 제 2 자성 구조체(MS2) 및 이들 사이의 터널 베리어(TBR)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2) 각각은 자성 물질로 형성되는 적어도 하나의 자성막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 자성 구조체(MS1)와 상기 선택 소자(SW) 사이에 개재되는 제 1 도전 구조체(CS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)와 상기 제 2 배선(L2) 사이에 개재되는 제 2 도전 구조체(CS2)를 더 포함할 수 있다. The magnetic tunnel junction MTJ may include a first magnetic structure MS1, a second magnetic structure MS2, and a tunnel barrier TBR therebetween. Each of the first and second magnetic structures MS1 and MS2 may include at least one magnetic layer formed of a magnetic material. According to some embodiments, as shown in FIG. 1, the magnetic tunnel junction MTJ may include the first conductive structure CS1 and the first conductive structure CS1 interposed between the first magnetic structure MS1 and the selection device SW. The display device may further include a second conductive structure CS2 interposed between the second magnetic structure MS2 and the second wiring L2.

상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 상기 자성막들 중의 하나의 자화 방향는, 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된다. 아래에서는, 이러한 고정된 자화 특성을 갖는 자성막을 고정막(pinned layer)(PNL)이라 부를 것이다. 반면, 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 상기 자성막들 중의 다른 하나의 자화 방향은 그것에 인가되는 외부 자계에 의해 스위치될 수 있다. 아래에서는, 이러한 가변적인 자화 특성을 갖는 자성막을 자유막(free layer)(FRL)이라 부를 것이다. 즉, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)는 상기 터널 베리어(TBR)에 의해 분리된 적어도 하나의 상기 자유막(FRL) 및 적어도 하나의 상기 고정막(PNL)을 구비할 수 있다. The magnetization direction of one of the magnetic films of the first and second magnetic structures MS1 and MS2 is fixed, regardless of an external magnetic field, under a normal use environment. In the following, a magnetic film having such a fixed magnetization property will be referred to as a pinned layer (PNL). On the other hand, the first and second magnetic structures (MS1, MS2) of The magnetization direction of the other one of the magnetic films may be switched by an external magnetic field applied thereto. In the following, a magnetic film having such variable magnetization characteristics will be referred to as a free layer (FRL). That is, as shown in FIGS. 7 and 8, the magnetic tunnel junction MTJ may include at least one free layer FRL and at least one fixed layer PNL separated by the tunnel barrier TBR. It can be provided.

상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)의 자화 방향들이 평행한 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다. Electrical resistance of the magnetic tunnel junction MTJ may depend on magnetization directions of the free layer FRL and the pinned layer PNL. For example, the electrical resistance of the magnetic tunnel junction MTJ may be much larger when the magnetization directions of the free layer FRL and the pinned layer PNL are antiparallel than when the magnetization directions of the free layer FRL are parallel. . As a result, the electrical resistance of the magnetic tunnel junction MTJ can be adjusted by changing the magnetization direction of the free layer FRL, which can be used as a data storage principle in the magnetic memory device according to the present invention.

상기 자기터널접합(MTJ)의 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)은, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 소정의 기판(sub) 상에 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)은, 그것을 구성하는 자유막(FRL)과 상기 기판(sub) 사이의 상대적 배치 또는 자유막(FRL)과 고정막(PNL)의 형성 순서에 따라, 두가지 유형으로 구분될 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 고정막(PNL) 및 상기 자유막(FRL)을 포함하도록 구성되는 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나, 도 8에 도시된 것처럼, 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)을 포함하도록 구성되는 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다. The first and second magnetic structures MS1 and MS2 of the magnetic tunnel junction MTJ may be sequentially formed on a predetermined substrate sub, as shown in FIGS. 7 and 8. In this case, the magnetic tunnel junction MTJ has two types, depending on the relative arrangement between the free film FRL and the substrate sub constituting it, or the order in which the free film FRL and the fixed film PNL are formed. It can be divided into. For example, as shown in FIG. 7, in the magnetic tunnel junction MTJ, the first magnetic structure MS1 and the second magnetic structure MS2 are the fixed layer PNL and the free layer FRL, respectively. ) Is a first type of magnetic tunnel junction MTJ1, or as shown in FIG. 8, the first magnetic structure MS1 and the second magnetic structure MS2 are each of the free layer FRL. And a second type magnetic tunnel junction MTJ2 configured to include the fixed membrane PNL.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2) 중의 하나는, 도 9를 참조하여 설명될, 자유막 구조체(FLS)이고, 다른 하나는 도 10을 참조하여 설명될 고정막 구조체(PLS)일 수 있다. 상기 자유막 구조체(FLS)는 상기 자유막(FRL)을 포함하는 다층의 자성 구조체이고, 상기 고정막 구조체(PLS)는 상기 고정막(PNL)을 포함하는 다층의 자성 구조체일 수 있다. According to an aspect of the present invention, one of the first and second magnetic structures MS1 and MS2 is a free layer structure FLS, which will be described with reference to FIG. 9, and the other is with reference to FIG. 10. It may be a fixed membrane structure PLS to be described. The free layer structure FLS may be a multi-layered magnetic structure including the free layer FRL, and the pinned layer structure PLS may be a multi-layered magnetic structure including the pinned layer PNL.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다. 9 is a perspective view exemplarily illustrating a free layer structure that forms part of a magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.

일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막 구조체(FLS)는 도 9에 도시된 것처럼 자유막(FRL) 및 상기 자유막(FRL)을 덮는 수직자화 유도막(perpendicular magnetization inducing layer)(PMI)을 포함할 수 있다. 상기 자유막 구조체(FLS)는 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2) 중의 하나를 구성할 수 있다. In example embodiments, the free layer structure FLS includes a free layer FRL and a perpendicular magnetization inducing layer PMI covering the free layer FRL, as illustrated in FIG. 9. can do. The free layer structure FLS may constitute one of the first magnetic structure MS1 and the second magnetic structure MS2.

상기 자유막(FRL)은, 내재적 수평 자화 특성을 갖는, 자성 물질(이하, 수평 자성 물질)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 "내재적 수평 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우, 자성막이 그것의 길이 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 자성막이, 그것의 두께(예를 들면, z 방향 길이)가 그것의 수평적 길이(예를 들면, x 또는 y 방향 길이)에 비해 상대적으로 작은, 박막의 형태로 형성될 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성막은 xy 평면에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 "내재적 수평 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우에 나타나는 상기 자성막의 이러한 수평 자화 특성을 의미하며, 아래에서 이러한 의미로써 사용될 것이다. The free layer FRL may be formed of a magnetic material (hereinafter, a horizontal magnetic material) having intrinsic horizontal magnetization characteristics. Here, the "intrinsic horizontal magnetization characteristic" means a characteristic in which the magnetic film has a magnetization direction parallel to its longitudinal direction when there is no external factor. For example, when a magnetic film is formed in the form of a thin film whose thickness (e.g., z-direction length) is relatively small compared to its horizontal length (e.g., x or y-direction length), The magnetic film having the intrinsic horizontal magnetization characteristic may have a magnetization direction parallel to the xy plane. The "intrinsic horizontal magnetization characteristic" refers to this horizontal magnetization characteristic of the magnetic film which appears in the absence of external factors, and will be used in this sense below.

일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막(FRL)의 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철, 니켈, 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 자유막(FRL)은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 자유막(FRL)은 Fe막, CoHf막 및 CoFeB막을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 자유막(FRL)의 두께는 대략 6 옹스트롬 내지 대략 30 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 10 옹스트롬 내지 20 옹스트롬일 수 있다. According to some embodiments, in the free layer FRL, the intrinsic horizontal magnetization property may be implemented through a single layer or a multilayer structure including at least one of cobalt, iron, nickel, or alloys thereof. For example, the free layer FRL may have a single layer or a multilayer structure including at least one of Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr. In some embodiments, the free layer FRL may have a multilayer structure including a Fe layer, a CoHf layer, and a CoFeB layer. However, the above-mentioned materials are only mentioned as examples of the materials having the intrinsic horizontal magnetization characteristics described above, for a better understanding of the technical spirit of the present invention, and embodiments of the present invention are not limited thereto. In some embodiments, the thickness of the free layer FRL may be about 6 angstroms to about 30 angstroms, and more specifically, about 10 angstroms to 20 angstroms.

일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막(FRL)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 자유막(FRL)은 코발트-철-보론(CoFeB)의 합금으로 형성되는 한 쌍의 막들 및 이들 사이에 개재되는 탄탈륨 막을 포함할 수 있다. 상기 자유막(FRL)의 상기 탄탈륨 막은 대략 2Å 내지 대략 20Å의 두께로 형성될 수 있다.In example embodiments, the free layer FRL may be provided as a multi-layered structure including a pair of magnetic layers having the aforementioned intrinsic horizontal magnetization characteristics and a non-magnetic metal layer interposed therebetween. For example, the free layer FRL may include a pair of films formed of an alloy of cobalt-iron-boron (CoFeB) and a tantalum film interposed therebetween. The tantalum film of the free layer FRL may be formed to have a thickness of about 2 GPa to about 20 GPa.

상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)과 직접 접촉하도록 형성되며, 이러한 직접적인 접촉은 상기 자유막(FRL)의 자화 방향을 상기 자유막(FRL)의 두께 방향(예를 들면, z 방향)에 평행하도록 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 상기 자유막(FRL)이 수직 자화 방향을 갖도록 만드는 외부 요인(external factor)일 수 있다. 이런 이유에서, 서로 접촉하는 상기 수직자화 유도막(PMI) 및 상기 자유막(FRL)은 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 구조체)를 형성할 수 있다. The vertical magnetization inducing film PMI is formed to be in direct contact with the free layer FRL, and the direct contact may cause the magnetization direction of the free layer FRL to be the thickness direction of the free layer FRL (eg, z direction). That is, the vertical magnetization inducing layer PMI may be an external factor that causes the free layer FRL having the aforementioned intrinsic horizontal magnetization characteristic to have a vertical magnetization direction. For this reason, the perpendicular magnetization induction film PMI and the free layer FRL in contact with each other may form a structure having an extrinsic perpendicular magnetization property (hereinafter, referred to as an exogenous vertical structure).

상술한 기술적 특징을 구현하기 위해, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 그것이 접촉하는 상기 자유막(FRL)의 표면에 스트레스를 유발하는 물질로 형성될 수 있다. 이런 이유에서, 아래에서, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 스트레스 유발막 또는 접촉성 수직화막으로 불릴 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 산소 원자를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 비자성 금속 산화물들 중의 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 마그네슘아연 산화물, 하프늄 산화물 또는 마그네슘붕소 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상술한 스트레스 유발 특성 또는 접촉성 수직 자화 유발 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. In order to implement the above technical features, the vertical magnetization induction film (PMI) may be formed of a material causing stress on the surface of the free layer (FRL) it is in contact with. For this reason, below, the vertical magnetization inducing film (PMI) may be referred to as a stress causing film or a contact vertical film. For example, the perpendicular magnetization induction film PMI may be formed of a material containing oxygen atoms. In example embodiments, the perpendicular magnetization inducing layer PMI may be at least one of nonmagnetic metal oxides. For example, the vertical magnetization induction film (PMI) is at least one of tantalum oxide, magnesium oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, palladium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, magnesium zinc oxide, hafnium oxide or magnesium boron oxide. It may have a single layer or a multi-layer structure. However, the above-mentioned materials are only mentioned as examples of materials having the above-mentioned stress-inducing property or contact perpendicular magnetization-inducing property in order to better understand the technical spirit of the present invention, and embodiments of the present invention are It is not limited.

상기 수직자화 유도막(PMI)이 상술한 비자성 금속 산화물로 형성될 경우, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)에 비해 높은 비저항을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 수직자화 유도막(PMI)의 저항에 크게 의존할 수 있다. 이러한 의존성을 줄이기 위해, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)보다 얇은 두께일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 대략 3 내지 대략 10옹스트롬(보다 한정적으로는 대략 4 옹스트롬 내지 6 옹스트롬)의 두께로 형성될 수 있다. When the vertical magnetization inducing film PMI is formed of the nonmagnetic metal oxide described above, the vertical magnetization inducing film PMI may have a higher specific resistance than the free film FRL. In this case, the electrical resistance of the magnetic tunnel junction MTJ may be largely dependent on the resistance of the vertical magnetization induction film PMI. In order to reduce this dependency, the perpendicular magnetization induction film (PMI) may be formed to a thin thickness. For example, the vertical magnetization inducing layer PMI may have a thickness thinner than that of the free layer FRL. In example embodiments, the perpendicular magnetization induction film PMI may be formed to a thickness of about 3 to about 10 angstroms (more specifically, about 4 angstroms to 6 angstroms).

도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 고정막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다. 10 is a perspective view exemplarily illustrating a fixed membrane structure constituting a part of a magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 10에 도시된 것처럼 제 1 고정막(PL1), 제 2 고정막(PL2) 및 이들 사이에 개재되는 교환 결합층(ECL)을 포함할 수 있다. 상기 고정막 구조체(PLS)는 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2) 중의 하나를 구성할 수 있다. In example embodiments, the pinned membrane structure PLS includes a first pinned membrane PL1, a second pinned membrane PL2, and an exchange bonding layer ECL interposed therebetween, as shown in FIG. 10. can do. The pinned layer structure PLS may constitute one of the first magnetic structure MS1 and the second magnetic structure MS2.

상기 제 1 고정막(PL1)은, 내재적 수직 자화 특성을 갖는, 자성 물질(이하, 수직 자성 물질)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 "내재적 수직 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우, 자성막이 그것의 두께 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 자성막은, 그것의 두께(예를 들면, z 방향 길이)가 그것의 수평적 길이(예를 들면, x 또는 y 방향 길이)에 비해 상대적으로 작은, 얇은 박막의 형태로 형성될 경우, 상기 내재적 수직 자화 특성을 갖는 자성막은 xy 평면에 수직한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 "내재적 수직 자화 특성"은, 외부적 요인이 없을 경우에 나타나는, 상기 자성막의 이러한 수직 자화 특성을 의미하며, 아래에서 이러한 의미로써 사용될 것이다. The first pinned layer PL1 may be formed of a magnetic material (hereinafter, a vertical magnetic material) having intrinsic vertical magnetization characteristics. Here, the "intrinsic vertical magnetization characteristic" means a characteristic in which the magnetic film has a magnetization direction parallel to its thickness direction when there is no external factor. For example, a magnetic film is formed in the form of a thin film whose thickness (e.g., z-direction length) is relatively small compared to its horizontal length (e.g., x or y-direction length). The magnetic layer having the intrinsic vertical magnetization characteristic may have a magnetization direction perpendicular to the xy plane. The " intrinsic vertical magnetization characteristic " means this vertical magnetization characteristic of the magnetic film, which appears in the absence of external factors, and will be used in this sense below.

상기 제 1 고정막(PL1)의 경우, 상기 내재적 수직 자화 특성은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. In the case of the first pinned layer PL1, the intrinsic perpendicular magnetization characteristic may be implemented through a single layer or a multilayer structure including at least one of vertical magnetic materials including cobalt.

일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 상술한 일부 및 다른 실시예들에 따른 박막들을 각각 하나씩 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다. In some embodiments, the first pinned layer PL1 may be formed of an alloy of cobalt platinum or an alloy of cobalt platinum including component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or an oxide. It may include a single layer or a multi-layer structure. In other embodiments, the first pinned film PL1 may be provided as a multilayer film structure including cobalt-containing films and noble metal films that are alternately and repeatedly stacked. In this case, the cobalt-containing films may be formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium, and the precious metal films may be formed of one of platinum and palladium. In still other embodiments, the first pinned layer PL1 may be provided as a multilayer structure including one thin film according to some of the above and other embodiments.

일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)의 두께는 대략 20 옹스트롬 내지 대략 80 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 30 옹스트롬 내지 55 옹스트롬일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 1 고정막(PL1)의 상술한 내재적 수직 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 1 고정막(PL1)은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 함금들, 또는 j) 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조 중의 하나일 수 있다. 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 상기 교환 결합층(ECL)에 접하는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함할 수 있다. In some embodiments, the thickness of the first pinned layer PL1 may be about 20 angstroms to about 80 angstroms, and more specifically, about 30 angstroms to 55 angstroms. However, the above-mentioned materials are only mentioned as examples of materials having the above-mentioned intrinsic perpendicular magnetization characteristics of the first pinned film PL1 for better understanding of the technical spirit of the present invention. Examples are not limited to this. For example, the first fixed membrane PL1 may include a) cobalt iron terbium (CoFeTb) having a content ratio of terbium (Tb) of 10% or more, and b) cobalt iron gadolinium (CoFeGd) having a content ratio of gadolinium (Gd) of 10% or more. c) FePt of L1 0 structure, e) FePd of L1 0 structure, f) CoPd of L1 0 structure, g) CoPt of L1 0 structure, h) Hexagonal close Packed Lattice) CoPt structure, i) alloys containing at least one of the materials a) to h) described above, or j) magnetic and nonmagnetic layers are alternately and repeatedly stacked. . The structure in which the magnetic layers and the nonmagnetic layers are alternately and repeatedly stacked includes (Co / Pt) n, (CoFe / Pt) n, (CoFe / Pd) n, (Co / Pd) n, (Co / Ni) n , (CoNi / Pt) n, (CoCr / Pt) n or (CoCr / Pd) n (n is the number of laminations). In some embodiments, the first pinned layer PL1 may further include a cobalt layer or a cobalt-rich layer in contact with the exchange coupling layer ECL.

반면, 상기 제 2 고정막(PL2)은, 상기 내재적 수평 자화 특성을 갖는, 자성 물질(즉, 상기 수평 자성 물질)로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 2 고정막(PL2)은, 외부적 요인이 없을 경우, 그것의 가장 넓은 표면(예를 들면, xy 평면)에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. On the other hand, the second pinned layer PL2 may be formed of a magnetic material (ie, the horizontal magnetic material) having the intrinsic horizontal magnetization characteristic. That is, when there is no external factor, the second pinned layer PL2 may have a magnetization direction parallel to its widest surface (eg, the xy plane).

일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 고정막(PL2)의 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 CoFeB, CoFeBTa, CoHf, Co, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 고정막(PL2)은 Co막 및 CoHf막를 포함하는 복층 구조 또는 CoFeBTa막 및 CoFeB막를 포함하는 복층 구조로서 제공될 수 있다. According to some embodiments, in the case of the second pinned layer PL2, the intrinsic horizontal magnetization property may be implemented through a single layer or a multilayer structure including at least one of cobalt, iron, or alloys thereof. For example, the second pinned layer PL2 may have a single layer or a multilayer structure including at least one of CoFeB, CoFeBTa, CoHf, Co, or CoZr. More specifically, the second pinned layer PL2 may be provided as a multilayer structure including a Co film and a CoHf film or a multilayer structure including a CoFeBTa film and a CoFeB film.

또 다른 예로서, 상기 제 2 고정막(PL2)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 코발트-철-보론(CoFeB)의 합금으로 형성되는 한 쌍의 막들 및 이들 사이에 개재되는 탄탈륨 막을 포함할 수 있다. As another example, the second pinned film PL2 may be provided as a multi-layered film structure including a pair of magnetic films having the aforementioned intrinsic horizontal magnetization characteristics and a nonmagnetic metal film interposed therebetween. For example, the second pinned layer PL2 may include a pair of films formed of an alloy of cobalt-iron-boron (CoFeB) and a tantalum film interposed therebetween.

하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 2 고정막(PL2)의 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 제 2 고정막(PL2)의 두께는 대략 7 옹스트롬 내지 대략 25 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 10 옹스트롬 내지 17 옹스트롬일 수 있다. However, the above-mentioned materials are only mentioned as examples of the materials having the above-described intrinsic horizontal magnetization characteristics of the second pinned layer PL2 for better understanding of the technical spirit of the present invention. Examples are not limited to this. In some embodiments, the thickness of the second pinned layer PL2 may be about 7 angstroms to about 25 angstroms, and more specifically, about 10 angstroms to 17 angstroms.

상기 교환 결합층(ECL)은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 상기 교환 결합층(ECL)을 통한 상기 제 1 고정막(PL1)과의 반강자성 교환 결합을 통해 그것의 두께 방향에 평행한 자화를 갖게 된다. 즉, 상기 교환 결합층(ECL) 및 상기 제 1 고정막(PL1)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 상기 제 2 고정막(PL2)이 수직 자화 방향을 갖도록 만드는 외부 요인(external factor)일 수 있다. 이런 이유에서, 상기 제 1 고정막(PL1), 상기 제 2 고정막(PL2) 및 이들 사이의 상기 교환 결합층(ECL)은, 그것의 수직 자화가 교환 결합을 통해 구현되는, 외인성 수직 구조체라고 할 수 있다. The exchange coupling layer (ECL) may be formed of at least one of ruthenium, iridium, and rhodium. According to embodiments of the present invention, the second pinned film PL2 is parallel to its thickness direction through antiferromagnetic exchange coupling with the first pinned film PL1 through the exchange coupling layer ECL. You have magnetization. That is, the exchange coupling layer ECL and the first pinned layer PL1 may be external factors that cause the second pinned layer PL2 having the aforementioned intrinsic horizontal magnetization characteristic to have a vertical magnetization direction. have. For this reason, the first pinned film PL1, the second pinned film PL2 and the exchange coupling layer ECL therebetween are called exogenous vertical structures, whose vertical magnetization is realized through exchange coupling. can do.

상기 교환 결합층(ECL)은 상기 제 2 고정막(PL2)이 상기 제 1 고정막(PL1)의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 갖도록 만드는 두께로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 교환 결합층(ECL)은 상기 제 1 및 제 2 고정막들(PL1, PL2) 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시킬 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 아래에서 도 11을 참조하여 설명될 것처럼, 발명자들의 실험 결과에 따르면, 상기 교환 결합층(ECL)은 대략 2.5Å 내지 대략 5.0Å(보다 한정적으로는, 대략 3Å 내지 4Å의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. The exchange coupling layer ECL may be formed to have a thickness such that the second pinned layer PL2 has a perpendicular magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first pinned layer PL1. In addition, the exchange coupling layer ECL may be formed to a thickness capable of maximizing antiferromagnetic exchange coupling between the first and second pinned layers PL1 and PL2. As will be described with reference to FIG. 11 below, according to the experimental results of the inventors, the exchange coupling layer (ECL) can be formed to have a thickness of about 2.5 kPa to about 5.0 kPa (more specifically, about 3 kPa to 4 kPa have.

도 11은 본 발명의 일 측면을 설명하기 위한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 11은 도 10을 참조하여 설명된 고정막 구조체(PLS)를 포함하는 시료들로부터 얻어진, 교환 결합층의 두께(T)에 대한 교환결합의 자기장 세기(Hex)를 보여주는 그래프이다. 음의 Hex는 반강자성 결합을 의미한다. 11 is a graph for explaining an aspect of the present invention. More specifically, FIG. 11 is a graph showing the magnetic field strength Hex of the exchange bond against the thickness T of the exchange bond layer obtained from the samples including the fixed membrane structure PLS described with reference to FIG. 10. . Negative Hex means antiferromagnetic coupling.

도 11을 참조하면, Hex는 3.5Å 및 7Å에서 국소적 최소값들(local minimums)을 가졌고, 5.5Å에서 국소적 최대값(local maximum)을 가졌다. 즉, Hex는 7Å에서 대략 -5000oe였고, 5.5Å에서 대략 -2000oe였고, 3.5Å에서 대략 -13000oe 였다. 이때, Hex가 3.5Å에서의 크기(즉, -5000oe)보다 작은 값을 나타내는 두께 범위는 대략 2.5Å 내지 5.0Å(보다 한정적으로는, 대략 3Å 내지 4Å)였다. Referring to FIG. 11, Hex had local minimums at 3.5 mm 3 and 7 mm 3 and local maximum at 5.5 mm 3. That is, Hex was approximately -5000oe at 7 Hz, approximately -2000oe at 5.5 Hz and approximately -13000oe at 3.5 Hz. At this time, the thickness range where Hex exhibited a value smaller than the size at 3.5 mW (that is, -5000oe) was about 2.5 mW to 5.0 mW (more specifically, about 3 mW to 4 mW).

즉, 교환결합의 세기 Hex가 전역적 최소값을 갖는 교환 결합층의 두께 범위는 대략 2.5Å 내지 5.0Å(보다 한정적으로는, 대략 3Å 내지 4Å)였다. 이는 상기 고정막 구조체(PLS)가 상기 교환 결합층의 이러한 두께 범위에서 최대화된 반강자성 결합을 나타냄을 의미한다. In other words, the thickness range of the exchange bonding layer, in which the strength Hex of the exchange bond has a global minimum, was approximately 2.5 kPa to 5.0 kPa (more limited, approximately 3 kPa to 4 kPa). This means that the fixed membrane structure PLS exhibits antiferromagnetic coupling maximized in this thickness range of the exchange bonding layer.

도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다. 12 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction according to some embodiments of the present invention, and FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a magnetic tunnel junction according to other embodiments of the present invention.

도 12를 참조하면, 상기 고정막 구조체(PLS), 상기 터널 베리어(TBR) 및 상기 자유막 구조체(FLS)가 상기 기판(sub) 상에 차례로 적층될 수 있다. 즉, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 7을 참조하여 설명된 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 구성할 수 있다. Referring to FIG. 12, the fixed layer structure PLS, the tunnel barrier TBR, and the free layer structure FLS may be sequentially stacked on the substrate sub. That is, the free layer structure FLS and the pinned layer structure PLS may constitute the first type of magnetic tunnel junction MTJ1 described with reference to FIG. 7.

이 실시예에 따르면, 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)와 상기 기판(sub) 사이에는 제 1 도전 구조체(CS1)가 배치되고, 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)의 상부에는 제 2 도전 구조체(CS2)가 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 형성하기 위한 씨드층으로, 그리고 상기 선택 소자(SW)와 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. 상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 덮는 캐핑막으로, 그리고 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)와 상기 제 2 배선(L2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. According to this embodiment, a first conductive structure CS1 is disposed between the first type magnetic tunnel junction MTJ1 and the substrate sub, and an upper portion of the first type magnetic tunnel junction MTJ1 is disposed thereon. The second conductive structure CS2 may be disposed. In example embodiments, the first conductive structure CS1 may be a seed layer for forming the first type of magnetic tunnel junction MTJ1, and the selection element SW and the first type of magnetic tunnel. It may function as a wire or an electrode that electrically connects the junction MTJ1. The second conductive structure CS2 is a capping layer covering the first type of magnetic tunnel junction MTJ1 and electrically connects the first type of magnetic tunnel junction MTJ1 and the second wiring L2. It can function as a wiring or an electrode.

일부 실시예들에서, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 차례로 적층된 제 1 도전막(CL1) 및 제 2 도전막(CL2)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전막(CL1)은 대략 20Å의 두께를 갖는 CoHf막 또는 Ta막일 수 있고, 상기 제 2 도전막(CL2)은 대략 40Å의 두께를 갖는 루테늄막일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. In some embodiments, the first conductive structure CS1 may include a first conductive layer CL1 and a second conductive layer CL2 that are sequentially stacked. In example embodiments, the first conductive film CL1 may be a CoHf film or a Ta film having a thickness of about 20 GPa, and the second conductive film CL2 may be a ruthenium film having a thickness of about 40 GPa. However, the above-described materials are only illustrated for a better understanding of the technical spirit of the present invention, and embodiments of the present invention are not limited thereto.

상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 수직자화 유도막(PMI)을 덮도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 도전 구조체(CS2)을 위한 상기 귀금속막은 Ru, Pt, Pd, Rh, 또는 Ir 중의 적어도 하나로 형성될 수 있고, 상기 자성 합금막은 Co, Fe, 또는 Ni 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속막은 Ta 또는 Ti로 형성될 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. The second conductive structure CS2 may be formed to cover the vertical magnetization inducing film PMI, and in this case, a single layer or a multilayer including at least one of noble metal films, magnetic alloy films, or metal films. It may be a structure. For example, the noble metal film for the second conductive structure CS2 may be formed of at least one of Ru, Pt, Pd, Rh, or Ir, and the magnetic alloy film includes at least one of Co, Fe, or Ni. The metal film may be formed of Ta or Ti. However, the above-described materials are only illustrated for a better understanding of the technical spirit of the present invention, and embodiments of the present invention are not limited thereto.

도 13를 참조하면, 상기 자유막 구조체(FLS), 상기 터널 베리어(TBR) 및 상기 고정막 구조체(PLS)가 상기 기판(sub) 상에 차례로 적층될 수 있다. 즉, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 8을 참조하여 설명된 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 구성할 수 있다. Referring to FIG. 13, the free layer structure FLS, the tunnel barrier TBR, and the pinned layer structure PLS may be sequentially stacked on the substrate sub. That is, the free layer structure FLS and the pinned layer structure PLS may constitute the second type of magnetic tunnel junction MTJ2 described with reference to FIG. 8.

이 실시예에 따르면, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는, 각각, 상기 자유막(FRL) 및 상기 제 2 고정막(PL2)이 상기 터널 베리어(TBR)을 덮도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)와 상기 기판(sub) 사이에는 제 1 도전 구조체(CS1)가 배치되고, 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)의 상부에는 제 2 도전 구조체(CS2)가 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 형성하기 위한 씨드층으로, 그리고 상기 선택 소자(SW)와 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. 상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 덮는 캐핑막으로, 그리고 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)와 상기 제 2 배선(L2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. According to this embodiment, the free layer structure FLS and the pinned layer structure PLS may be formed such that the free layer FRL and the second pinned layer PL2 cover the tunnel barrier TBR, respectively. Can be arranged. In addition, a first conductive structure CS1 is disposed between the second type magnetic tunnel junction MTJ2 and the substrate sub, and a second conductive structure is disposed on the second type magnetic tunnel junction MTJ2. CS2 may be disposed. In some embodiments, the first conductive structure CS1 is a seed layer for forming the second type of magnetic tunnel junction MTJ2, and the selection element SW and the second type of magnetic tunnel. It may function as a wire or an electrode that electrically connects the junction MTJ2. The second conductive structure CS2 is a capping layer covering the second type of magnetic tunnel junction MTJ2, and electrically connects the second type of magnetic tunnel junction MTJ2 and the second wiring L2. It can function as a wiring or an electrode.

일부 실시예들에서, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 차례로 적층된 제 1 도전막(CL1) 및 제 2 도전막(CL2)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 도전막(CL2)은 상기 수직자화 유도막(PMI)을 덮도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 도전막(CL2)은 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. In some embodiments, the first conductive structure CS1 may include a first conductive layer CL1 and a second conductive layer CL2 that are sequentially stacked. In example embodiments, the second conductive layer CL2 may be formed to cover the vertical magnetization inducing layer PMI. In this case, the second conductive layer CL2 may be a noble metal layer or a magnetic alloy. It may be a single layer or a multilayer structure including at least one of the films, or metal films. However, the above-described materials are only illustrated for a better understanding of the technical spirit of the present invention, and embodiments of the present invention are not limited thereto.

도 36 및 도 37는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다. 36 and 37 are diagrams for describing electronic devices including semiconductor devices according to example embodiments of the inventive concepts.

도 36을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치(1300)는 PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), 유무선 전자 기기 또는 이들 중의 적어도 둘을 포함하는 복합 전자 장치 중의 하나일 수 있다. 전자 장치(1300)는 버스(1350)를 통해서 서로 결합한 제어기(1310), 키패드, 키보드, 화면(display) 같은 입출력 장치(1320), 메모리(1330), 무선 인터페이스(1340)를 포함할 수 있다. 제어기(1310)는 예를 들면 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 메모리(1330)는 예를 들면 제어기(1310)에 의해 실행되는 명령어를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(1330)는 사용자 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 RF 신호로 통신하는 무선 통신 네트워크에 데이터를 전송하거나 네트워크에서 데이터를 수신하기 위해 무선 인터페이스(1340)를 사용할 수 있다. 예를 들어 무선 인터페이스(1340)는 안테나, 무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wireless USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS 등과 같은 통신 시스템의 통신 인터페이스 프로토콜을 구현하는데 이용될 수 있다.Referring to FIG. 36, an electronic device 1300 including a semiconductor device according to embodiments of the present invention may include a PDA, a laptop computer, a portable computer, a web tablet, a cordless phone, a mobile phone, and digital music. It may be one of a digital music player, a wired / wireless electronic device, or a composite electronic device including at least two of them. The electronic device 1300 may include a controller 1310 coupled to each other through a bus 1350, an input / output device 1320 such as a keypad, a keyboard, a display, a memory 1330, and a wireless interface 1340. The controller 1310 may include, for example, one or more microprocessors, digital signal processors, microcontrollers, or the like. The memory 1330 may be used to store instructions executed by the controller 1310, for example. The memory 1330 may be used to store user data and may include a semiconductor device according to the embodiments of the present invention described above. The electronic device 1300 may use the wireless interface 1340 to transmit data to or receive data from a wireless communication network that communicates with an RF signal. For example, the wireless interface 1340 may include an antenna, a wireless transceiver, and the like. The electronic device 1300 is CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wireless USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX , WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS and the like can be used to implement the communication interface protocol of the communication system.

도 37을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 메모리 시스템(memory system)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리 시스템(1400)은 대용량의 데이터를 저장하기 위한 메모리 소자(1410) 및 메모리 컨트롤러(1420)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 메모리 소자(1410)로부터 저장된 데이터를 독출 또는 기입하도록 메모리 소자(1410)를 제어한다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430), 가령 모바일 기기 또는 컴퓨터 시스템으로부터 제공되는 어드레스를 메모리 소자(1410)의 물리적인 어드레스로 맵핑하기 위한 어드레스 맵핑 테이블(Address mapping table)을 구성할 수 있다. 메모리 소자(1410)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 37, semiconductor devices according to example embodiments of the inventive concepts may be used to implement a memory system. The memory system 1400 may include a memory device 1410 and a memory controller 1420 for storing a large amount of data. The memory controller 1420 controls the memory device 1410 to read or write data stored in the memory device 1410 in response to a read / write request of the host 1430. The memory controller 1420 may configure an address mapping table for mapping an address provided from the host 1430, for example, a mobile device or a computer system, to a physical address of the memory device 1410. The memory device 1410 may include a semiconductor device according to the embodiments of the present invention described above.

상술된 실시예들에서 개시된 반도체 장치들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다.The semiconductor devices disclosed in the above-described embodiments may be implemented in various forms of semiconductor package. For example, semiconductor devices according to embodiments of the present invention may include package on package (PoP), ball grid arrays (BGAs), chip scale packages (CSPs), plastic leaded chip carrier (PLCC), plastic dual in-line package. (PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack (MQFP), Thin Quad Flatpack (TQFP), Small Outline ( SOIC), Shrink Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline (TSOP), Thin Quad Flatpack (TQFP), System In Package (SIP), Multi Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package (WFP), Wafer- It can be packaged in a manner such as Level Processed Stack Package (WSP).

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치가 실장된 패키지는 상기 반도체 장치를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자 등을 더 포함할 수도 있다.The package in which the semiconductor device according to the embodiments of the present invention is mounted may further include a controller and / or a logic element for controlling the semiconductor device.

이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing detailed description is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments, and may be used in various other combinations, modifications, and environments without departing from the spirit of the invention. The appended claims should be construed to include other embodiments.

L1 및 L2: 제 1 및 제 2 배선들 SW: 선택 소자
MS1: 제 1 자성 구조체 MS2: 제 2 자성 구조체
TBR: 터널 베리어 UMC: 단위 메모리 셀
FLS: 자유막 구조체 PLS: 고정막 구조체
FRL: 자유막 PNL: 고정막
CS1 및 CS2: 제 1 및 제 2 도전 구조체들 L1 and L2: first and second wirings SW: selection element
MS1: first magnetic structure MS2: second magnetic structure
TBR: Tunnel Barrier UMC: Unit Memory Cells
FLS: free membrane structure PLS: fixed membrane structure
FRL: free membrane PNL: fixed membrane
CS1 and CS2: first and second conductive structures

Claims (31)

자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고,
상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함하되,
상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고,
상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 위해 요구되는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치.A magnetic tunnel junction having a free membrane structure, a fixed membrane structure, and a tunnel barrier therebetween,
The fixed membrane structure includes a first magnetic film having an intrinsic vertical magnetization property, a second magnetic film having an intrinsic horizontal magnetization property, and an exchange bonding layer interposed between the first and second magnetic films,
The second magnetic film has a perpendicular magnetization direction by antiferromagnetic coupling with the first magnetic film through the exchange coupling layer,
And the exchange coupling layer is formed to a thickness required for antiferromagnetic coupling between the first and second magnetic films. 청구항 1에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 제 2 자성막에 상기 제 1 자성막의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 유도하는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
The exchange coupling layer has a thickness that induces vertical magnetization in the second magnetic film to be anti-parallel to the magnetization direction of the first magnetic film. 청구항 1에 있어서,
상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
And the exchange coupling layer is formed of at least one of ruthenium, iridium, and rhodium. 청구항 3에 있어서,
상기 교환 결합층은 2.5Å 내지 5.0Å의 두께를 갖는 자기 메모리 장치. The method according to claim 3,
And the exchange coupling layer has a thickness of 2.5 kPa to 5.0 kPa. 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 자성막은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성된 단층막 또는 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 중의 적어도 하나를 포함하되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
The first magnetic film may be either: 1) an alloy of cobalt platinum or a monolayer film formed of an alloy of cobalt platinum comprising component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or oxide, or 2) alternately. And at least one of a multilayer film including cobalt-containing films and noble metal films repeatedly stacked,
The cobalt-containing films are formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium,
The precious metal layers are formed of one of platinum and palladium. 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 자성막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조인 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
The second magnetic film has a single layer structure or a multilayer structure including at least one of Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr. 청구항 1에 있어서,
상기 자유막 구조체는
내재적 수평 자화 특성을 갖는 자유막; 및
상기 자유막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 비자성 금속 산화막을 포함하는 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
The free membrane structure is
A free film having intrinsic horizontal magnetization properties; And
And a nonmagnetic metal oxide film which vertically changes the magnetization direction of the free layer. 청구항 7에 있어서,
상기 자유막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치.The method according to claim 7,
The free layer is a magnetic memory device having a single layer or a multilayer structure including at least one of Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, or CoZr. 청구항 7에 있어서,
상기 비자성 금속 산화막은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하면서 상기 자유막에 직접 접촉하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치.The method according to claim 7,
And the nonmagnetic metal oxide film is at least one of tantalum oxide, magnesium oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, palladium oxide, or titanium oxide and has a single layer or a multilayer structure in direct contact with the free layer. 청구항 6에 있어서,
스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체; 및
배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함하되,
상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체와 상기 터널 베리어 사이 또는 상기 제 2 도전체와 상기 터널 베리어 사이에 개재되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 6,
A first conductor connecting the switching element and the magnetic tunnel junction; And
Further comprising a second conductor connecting the wiring and the magnetic tunnel junction,
The free layer structure is interposed between the first conductor and the tunnel barrier or between the second conductor and the tunnel barrier. 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고,
상기 자유막 및 고정막 구조체들 각각은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 수평막 및 상기 수평막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 수직화막을 포함하고,
상기 자유막 구조체의 상기 수직화막은 비자성 금속 산화막을 포함하고,
상기 고정막 구조체의 상기 수직화막은 교환 결합층 및 내재적 수직 자화 특성을 갖는 수직막을 포함하되,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하게 하는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치.A magnetic tunnel junction having a free membrane structure, a fixed membrane structure, and a tunnel barrier therebetween,
Each of the free layer and the pinned layer structure includes a horizontal layer having an intrinsic horizontal magnetization characteristic and a vertical layer for vertically changing a magnetization direction of the horizontal layer.
The verticalization layer of the free layer structure includes a nonmagnetic metal oxide layer,
The verticalizing film of the fixed membrane structure includes an exchange coupling layer and a vertical film having intrinsic vertical magnetization characteristics,
And the exchange coupling layer is formed to a thickness that enables antiferromagnetic exchange coupling between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure. 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이에 배치되고,
상기 비자성 금속 산화막은 상기 자유막 구조체의 상기 수평막을 직접 덮도록 배치되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
The exchange coupling layer is disposed between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure,
And the nonmagnetic metal oxide layer is disposed to directly cover the horizontal layer of the free layer structure. 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
And the exchange coupling layer is formed of at least one of ruthenium, iridium, and rhodium. 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께를 갖는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
And the exchange coupling layer has a thickness that maximizes the antiferromagnetic exchange coupling between the vertical membrane and the horizontal membrane of the fixed membrane structure. 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 2.5Å 내지 5.0Å의 두께를 갖는 자기 메모리 장치. The method according to claim 11,
And the exchange coupling layer has a thickness of 2.5 kPa to 5.0 kPa. 청구항 11에 있어서,
상기 비자성 금속 산화막은, 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
The nonmagnetic metal oxide film has a single layer or multilayer structure including at least one of tantalum oxide, magnesium oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, palladium oxide, or titanium oxide. 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
And the vertical layer comprises at least one of vertical magnetic materials including cobalt. 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
Wherein said vertical film is formed of an alloy of cobalt platinum or an alloy of cobalt platinum comprising component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or an oxide. 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조이되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
The vertical film has a multi-layer film structure, including cobalt-containing films and noble metal films stacked alternately and repeatedly,
The cobalt-containing films are formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium,
The precious metal layers are formed of one of platinum and palladium. 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 제 1 수직막 및 제 2 수직막을 포함하는 복층막 구조이되,
상기 제 1 및 제 2 수직막들 각각은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되거나 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 구조를 갖되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치.The method according to claim 11,
The vertical film has a multilayer structure including a first vertical film and a second vertical film,
Each of the first and second vertical films may be formed of 1) an alloy of cobalt platinum or an alloy of cobalt platinum comprising component X, wherein component X is at least one of boron, ruthenium, chromium, tantalum, or oxides, or 2) has a multilayer film structure comprising cobalt-containing films and precious metal films stacked alternately and repeatedly,
The cobalt-containing films are formed of one of cobalt, cobalt iron, cobalt nickel, and cobalt chromium,
The precious metal layers are formed of one of platinum and palladium. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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US14/874,376 US9299923B2 (en) 2010-08-24 2015-10-02 Magnetic devices having perpendicular magnetic tunnel junction

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070086121A1 (en) 2005-10-19 2007-04-19 Toshihiko Nagase Magnetoresistive element
US20100032738A1 (en) 2008-08-07 2010-02-11 Seagate Technology Llc Magnetic memory with strain-assisted exchange coupling switch

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070086121A1 (en) 2005-10-19 2007-04-19 Toshihiko Nagase Magnetoresistive element
US20100032738A1 (en) 2008-08-07 2010-02-11 Seagate Technology Llc Magnetic memory with strain-assisted exchange coupling switch

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