KR20020000119A - 메모리 셀 장치 및 메모리 장치 - Google Patents

메모리 셀 장치 및 메모리 장치 Download PDF

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파트릭 제이. 바렛트
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Abstract

자기 저항 메모리 셀(100)은 제 1(110) 및 제 2(130) 전도 자기층을 포함한다. 제 1 및 제 2 층 중 하나(400)는 실질적으로 "H" 혹은 "I" 형상이다. 분리층(120)은 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된다. 다양한 실시예에서, 분리층은 전도성이거나 혹은 비전도성이다. 다양한 실시예에서, 제 1 및 제 2 층 중 적어도 하나는 니켈-철(NiFe), 코발트-철(CoFe) 혹은 니켈-철-코발트(NiFeCo) 합금 중 하나를 포함한다. 하나의 실시예에서, 메모리 셀 장치는 전도성 자기 기준층과 데이터층을 포함한다. 데이터층(400)은 실질적으로 "H" 혹은 "I" 형상이다. 분리층은 기준층과 데이터층 사이에 배치된다. 셀은 터널링 자기 저항 셀이거나 혹은 자이언트 자기 저항 셀일 수 있다. 분리층은 하나의 실시예에서 비전도성이고 이와 다른 실시예에서 전도성이다. 다양한 실시예에서, 기준층과 데이터층 중 하나는 니켈-철, 코발트-철 혹은 니켈-철-코발트 합금 중 하나를 포함한다.

Description

메모리 셀 장치 및 메모리 장치{MAGNETICALLY STABLE MAGNETORESISTIVE MEMORY ELEMENT}
본 발명은 비휘발성 메모리 분야(field of nonvolatile memory)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 자기 메모리 셀(magnetic memory cells)에 관한 것이다.
하나의 유형의 비휘발성 메모리는 자이언트 자기 저항(Giant MagnetoResistive : GMR) 효과라고 지칭되는 자기 저항 효과에 의존한다. GMR 기반 자기 메모리 셀은 전도 자기층에 의해 샌드위치(sandwich)되는 비자기층(non-magnetic layer)을 포함하는 다층(multilayer) 구조이다. 셀의 자기 상태는 다른 자기층(예를 들어, 평행 혹은 반평행(anti-parallel))에서의 자기 벡터(magnetic vector)에 대한 하나의 자기층에서의 자기 벡터의 상대적인 배향(relative orientation)에 의해 결정된다. 이 셀의 저항은 자기 벡터의 상대적 배향에 따라서 상이하다. 따라서, 셀의 상태는 셀에 전압을 인가하고 결과적인 감지 전류(resulting sense current)를 측정함으로써 결정될 수 있다.
자기 물질층은 전형적으로 정방형 혹은 장방형(squares or rectangles)과 같은 기하하적으로 패턴화된 막(patterned films)으로 형성된다. 패턴화된 자기층저장 구조의 하나의 단점은 판독 동작 동안에 셀의 상태를 불확정하게 하는 다수의 자기 도메인(domain)이 자기층에 형성될 수 있다는 점이다. 셀의 자기 도메인 배열에서의 가변성은 또한 셀의 자기 스위칭 필드(즉, 보자성(coercivity))에 요동(fluctuation)을 야기할 수 있다.
자기 도메인에 의해 야기된 불확정성을 줄이기 위해서, 도메인 상태의 수를 줄이도록 층의 하나의 치수(예를 들어, 길이)를 층의 다른 치수(예를 들어, 폭)에 대해 증가시켜 형상 이방성(shape anisotropy)을 빈번하게 발생시킨다. 그러나, 정방형 형상에 비해 장방형 형상의 하나의 단점은 메모리 밀도가 상당히 감소한다는 점이다.
알려진 시스템과 방법의 제약 때문에, 하나의 실시예의 자기 저항 메모리 셀은 제 1 및 제 2 전도성 자기층을 포함한다. 제 1 및 제 2 층 중 하나는 실질적으로 "H" 혹은 "I" 형상이다. 분리층은 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된다. 다양한 실시예에서, 분리층은 전도성이거나 혹은 비전도성일 수 있다. 다양한 실시예에서, 제 1 및 제 2 층 중 적어도 하나는 니켈-철(NiFe), 코발트-철(CoFe) 혹은 니켈-철-코발트(NiFeCo) 합금 중 하나를 포함한다.
하나의 실시예에서, 메모리 셀 장치는 전도성 자기 기준층과 데이터층을 포함한다. 데이터층은 실질적으로 "H" 혹은 "I" 형상이다. "H" 혹은 "I" 형상 기하구조의 존재는 안정화시키는 단축 형상의 이방성(stabilizing uniaxial shapeanisotropy)을 메모리 셀의 데이터층에 제공한다. 분리층은 기준층과 데이터층 사이에 배치된다. 셀은 터널링 자기 저항 셀(tunneling magnetoresistive cell)이거나 혹은 자이언트 자기 저항 셀일 수 있다. 분리층은 하나의 실시예에서 비전도성이고 이와 다른 실시예에서 전도성이다. 다양한 실시예에서, 기준층과 데이터층 중 하나는 니켈-철, 코발트-철 혹은 니켈-철-코발트 합금 중 하나를 포함한다.
다음의 상세한 설명과 첨부한 도면을 참조하면 본 발명의 다른 특징과 이점을 알 것이다.
도 1은 스핀 의존성 자기 저항 메모리 셀의 하나의 실시예를 도시하는 도면,
도 2는 등방성 자기 막에서의 자기 도메인 패턴을 도시하는 도면,
도 3은 y-축 단축의 이방성을 갖는 자기 막에서의 자기 도메인 패턴을 도시하는 도면,
도 4는 y-축 단축의 이방성을 또한 갖는 H-형상 자기 막에서의 자기 도메인 패턴을 도시하는 도면,
도 5는 어레이에서의 다수의 메모리 셀의 H-형상 감지층을 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 자기 메모리 셀 110, 130 : 자기층
112, 132 : 자기 벡터 120 : 분리층
210, 220, 230, 240, 402, 404, 406 : 도메인
300, 350 : 셀 320 : 축
302, 306, 352, 356 : 에지 도메인
400 : 데이터층 408, 410, 412, 414 : 탭
500 : 어레이 510, 520, 530, 540 : 감지층
본 발명은 동일한 참조 번호가 동일한 구성요소를 표시하는 식으로 예시되는데, 첨부한 도면의 예에 국한되지는 않는다.
자이언트 자기 저항(GMR) 효과는 다른 자기층에서의 자기 벡터의 상대적인 배향이 인가된 필드의 함수로서 변할 때 다층 강자성/비자기 구조(multilayer ferromagnetic/nonmagnetic structure)에서 관찰되는 저항의 변화에 기인한다. 이 구조의 저항은 인접한 자기층에서의 자기 벡터 사이의 각도의 함수이다. 동일한 배향을 갖는 자기 벡터를 "평행"이라 한다. 반대 배향의 자기 벡터를 반평행(antiparallel)이라 한다.
따라서, 다층 강자성/비자기 구조의 전기 저항은 상이한 자기층의 자기 벡터의 상대적인 배향에 좌우된다. 전형적으로, 자기 벡터의 평행 정렬은 낮은 저항 조건을 제공한다. 자기층의 벡터가 반평행일 때, 다층 구조의 저항이 최대이다.매개(intermediate) 저항은 자기 벡터의 다른 상대 배향에 관해 관찰된다.
도 1은 두 개의 자기 막층(110 및 130) 사이에 샌드위치된 비자기 분리층(120)을 갖는 자기 메모리 셀(100)의 하나의 실시예를 도시한다. 각각의 자기층은 자기 벡터(112 및 132)를 갖는다. 도시된 자기 벡터(112 및 132)는 반평행이다. 자기 벡터가 동일한 배향을 가질 때, 자기 벡터는 평행이라고 지칭된다. 자기층(110 및 130)은 전도성 금속층이다. 전형적으로, 자기층(110 및 130)은 니켈-철(NiFe), 코발트-철(CoFe) 혹은 니켈-철-코발트(NiFeCo) 합금을 포함한다. 층(110)과 층(130) 사이의 저항은 자기 벡터(112 및 132)가 평행일 때 R1이다. 자기 벡터(112 및 132)가 반평행일 때 저항이 dR1 만큼 증가한다. 전형적으로 자기층(110 및 130)은 상이한 보자성을 갖는다.
하나의 유형의 자기 메모리 셀 분리층(120)은 전도성 금속층이다. 이런 셀은 "GMR" 셀로 지칭되고 분리층을 통한 금속 전도는 두 개의 자기층 사이의 전류 이동을 위한 주 전달 메카니즘이다. 분리층(120)이 유전성(dielectric) 혹은 비전도성 장벽일 때, 장벽이 충분이 얇다면 자기층(110 및 130) 사이의 양자 역학 터널링에 의해 전류 이동이 달성될 수 있다. 이런 셀은 터널링 자기 저항(TMR) 셀로 지칭된다.
자기 저항 메모리 셀은 하나의 층에서의 자기 벡터가 변하는 것을 방지하기 위해 "고정(pin)"되게 구현될 수 있다. 이런 셀은 스핀 밸브 셀(spin valve cell)로 지칭된다. 층(130)이 고정된다면, 그 때 층(110)은 데이터층 혹은 감지층(sense layer)으로 지칭되고 층(130)은 기준층으로 지칭된다. 셀의 상태는데이터층과 기준층 사이의 자기 벡터의 상대적인 배향에 의해 결정된다. 기준층이 고정된 자기 벡터(132)를 갖는다면, 셀(100)은 한 비트의 정보에 대응하는 2개의 상태를 나타낼 수 있다.
자기 셀 구조는 또한 스택(stack)으로 지칭되고 기준층, 분리층 및 데이터층에 추가하여 다른 층을 보유할 수 있다. 특히, 기준층과 데이터층 각각은 셀의 상태를 용이하게 감지하도록 도체(도시되지 않음)에 결합될 수 있다. 층의 수 혹은 유형에 관계없이, "GMR"이란 용어는 기준층과 데이터층 사이의 주 전류 전달 메카니즘으로서 금속 전도를 갖는 자기 저항 셀을 지칭하는데 사용된다. 유사하게, "TMR"이란 용어는 층의 수와 유형에 관계없이 기준층과 데이터층 사이의 주 전류 전달 메카니즘으로서 양자 역학 터널링을 갖는 자기 저항 셀을 지칭하는데 사용된다.
패턴화된 자기층은 층의 자기를 소거하는 경향이 있는 정자기장(magnetostatic field)을 생성한다. 패턴화된 막의 에지에서, 이 자기소거 필드는 전형적으로 패턴 에지에 수직한 자화(magnetization)를 유지하는 임의의 이방성 한계(terms) 보다 크다. 결과적으로, 정자기장은 에지 근처 막의 자기 벡터를 회전시키기 쉽다. 에지 근처의 자화 회전은 다수의 도메인의 자기 벡터를 생성하는 자기막내에 도메인 벽을 형성하는데, 도메인의 자기 벡터가 모두 정렬되는 것은 아니다. 자기 메모리 요소를 판독할 때, 다수의 도메인은 기록된 셀의 상태의 결정을 어렵게 혹은 불가능하게 하는 가변 저항의 잡음 혹은 영역을 셀에 생성하기 쉽다. 또한, 도메인 상태에서의 변화는 기록 프로세스를 예측할 수 없게 하는 스위칭 필드에서의 변동을 발생시킬 수 있다.
도 2는 장방형으로 패턴화된 자기 등방성 박막에서의 자기 도메인 패턴을 도시한다. 이상적으로, 메모리 애플리케이션시 막은 하나의 자기 벡터를 가져야 한다. 그러나, 도시된 바와 같이, 상이한 자기 벡터 배향의 도메인이 형성되기 쉽다. 이 예에서, 각각 상이한 자기 벡터를 갖는 네 개의 도메인(210, 220, 230 및 240)이 생성된다. 데이터층에서의 이런 자화 상태는 어떠한 바람직한 자화 방향도 존재하지 않기 때문에 메모리 셀에서 기능하지 못할 것이다.
자기 이방성은 일반적으로 자기 물질에서 자화의 바람직한 방향을 표시하는 것을 지칭한다. 이방성의 채택은 자기 소거 필드의 효과를 크게 개선할 수 있다. 예를 들어, 조성 혹은 형상에서의 변화는 자기 이방성을 관찰하는데 기여할 수 있다. 자기 결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)은 자기장에서 샘플을 자화시키는 능력의 방향 의존성에 관한 물질 조성과 결정 배향(crystallographic orientation)의 영향을 지칭한다. 자기 비휘발성 메모리 애플리케이션에서 사용하기 위해 흔히 선택되는 막은 단축 자기 결정 이방성을 나타낸다. 이 물질은 특정한 축을 따라 자화시키기 쉽다. 이 축은 전형적으로 막의 "용이 축(easy axis)"으로 지칭된다.
도 3은 y 방향으로 단축 이방성을 갖는(즉, y축이 용이 축) 패턴화된 장방형 셀에서의 도메인을 도시한다. 결과적인 도메인 구성이 도 2의 도메인 구성 보다 개선되었지만, 수평적으로 배향된 에지 도메인(302, 306 및 352, 356)의 자기 벡터는 네 개의 가능한 배향 각각에서 유사한 존재 확률(similar probabilities ofbeing)을 갖는다. 이 도메인 구성은 값을 셀에 기록할 때 도메인 상태가 보장될 수 없게 한다. 이것은 또한 메모리 셀의 내용을 판독하기 시도할 때 잡음 레벨을 증가시키고 기록이 요구되는 자기장에서의 불확실성을 증가시킨다.
도 4는 단축 형상의 이방성을 자기막에 더하는 "H" 혹은 "I" 형상의 막 기하 구조를 도시한다. 형상 이방성은 인가된 자기장에서 다른 자기 등방성 샘플을 자화시키는 능력의 방향 의존성에 관한 기하 구조의 영향을 설명한다. 일반적으로, 막의 최단 치수를 따라 막을 자화시키는 것은 자기 소거 필드가 이 방향에서 최대이기 때문에 더욱 어렵다. 두께가 T이고 폭이 W인 장방형 자기 요소에 있어서, 형상 이방성은 Hshape= 4πMsT/W에 의해 결정되는데, 여기서 Ms는 요소의 포화 자화이다. 확장부 혹은 탭(tabs)(예를 들어, 408, 410, 412, 414)은 정방형 기하 구조를 H-형상의 구성요소(402, 404, 406)에 주로 대응하는 도메인을 갖는 H-형상 층으로 변하게 한다. 자화는 자기 메모리 셀에서 사용하기 위해 전형적으로 착상된 물질에 대해 수 백 에르스텟(Oersted)과 비슷한 형상 이방성에 의해 탭의 긴 치수에 평행이 되게 제약된다. "H"와 "I"란 용어는 도 4에 도시된 구조의 형상을 지칭하는데 번갈아 사용될 것이다.
도메인(402, 406)은 여전히 에지 근처에 형성되지만, 형상 이방성의 사용은 에지 도메인(402 및 406)내에서 벡터의 배향에 관한 예측성을 보장하는데 도움이 된다. 따라서, x축을 따라 인가된 초기화 필드와 결합하여 형상 이방성은 재생가능한 상태를 갖는 도메인 구성을 생성시킨다. 도 4는 포지티브 x방향으로 필드 애플리케이션 후의 자화 배향을 도시한다. 특히, H-형상 기하 구조는 도메인 상태의 수를 줄임으로써 잠재적인 판독과 기록 모호성을 제거하기 쉽다.
데이터층(400)을 갖는 셀에 기록하는 것은 오직 도메인(404)내의 벡터의 배향만을 지배적으로 변하게 한다. 세팅되면, 에지 영역(402 및 406)의 자화 배향은 탭에서의 큰 형상 이방성에 의해 고정된다. 따라서, 도 3과 도 4 모두의 층 기하 구조가 세 개의 도메인이지만, 도 4의 기하 구조는 더 적은 수의 가능한 상태로 동일한 저장 값을 구현하기 쉽다. 이것은 또한 셀을 판독하고 기록할 때 모호성을 줄인다.
도 5는 어레이(500)를 형성하는 다수의 메모리 셀에 관한 H-형상 감지층(510, 520, 530 및 540)을 도시한다. H-형상 감지층에 있어서, 셀은 x와 y방향 모두에서 하나의 최소 라인 폭 만큼 근접하게 이격되고 여전히 각각의 메모리 셀에서 예측가능한 자화 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 2λ의 최소 피치(pitch)를 위해 셀은 λ만큼 근접하게 이격될 수 있다. 셀은 각각의 측면상에 2λ의 치수(결과적으로 4λ2의 영역인 셀 사이의 공간을 포함하는)를 갖는다.
하나의 실시예에서, 탭의 높이(Δ)는 λ의 10%에서 25%이다. 전형적으로, 에칭 프로세스는 최소 포토그래피 해상도(λ) 미만인 치수를 생성하기 위해 포토그래피적으로 규정된 피쳐를 변경할 수 있다. 따라서, 2λ가 라인 피치에 대한 포토그래피 한계(즉, 라인 치수와 공간 치수의 합)를 나타내지만, 반응 이온 에칭(reactive ion etch)과 같은 에칭 프로세스는 라인폭을 2Δ 만큼 줄이면서 동시에 라인 사이의 공간을 2Δ 만큼 증가시키는데 사용될 수 있다. 당업자에게 알려진 다른 종래의 프로세싱 방안과 결합하여 이런 반응 이온 에칭 프로세스가 도 5에 도시된 바와 같이 폭이 Δ인 탭 영역을 생성하는데 사용될 수 있다.
H-기하 구조를 사용하는 형상 이방성을 채택하면 또한 기록이 요구되는 자기장의 범위가 줄어든다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 기록은 두 개의 축(320)을 따라 필드를 애플리케이션 함으로써 수행된다. 이러한 필드는 셀의 위 또는 아래 중 하나에 위치한 직각 도체에 전류를 흐르게 함으로써 생성될 수 있다. 도메인(352 및 356)에서 자기 벡터의 배향은 셀(350)에 관한 필드(Hx)의 배향과 동일하다. 그러나, 셀(300)에 관한 도메인(306)에서의 자기 벡터의 배향은 필드(Hx)의 배향과 반대이다. 따라서, 셀(300 및 350)은 Hy의 상이한 값에서 스위칭할 것이고, 이것은 더 넓은 범위의 전류가 현재 상태와 무관하게 주어진 상태로 기록되는게 필요하다는 것을 제시한다. 이와 대조적으로, 에지 도메인에서의 자기 벡터의 배향은 실질적으로 어레이(500)에서의 모든 셀에 대해 동일하다. 따라서, 더 좁은 범위의 기록 전류는 셀이 H-형상 데이터층을 갖게 프로그램되는게 필요하다.
전술한 세부 설명에 있어서, 본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 설명되었다. 본 발명의 청구범위에 내포된 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고서 다양한 수정과 변경을 할 수 있다. 따라서, 본 명세서와 도면은 본 발명의 범주를 국한시키는 것이 아닌 단지 예시로 간주되어야 한다.
본 발명은 메모리 셀 장치에 관한 것으로 메모리 밀도가 상당히 감소되는 종래의 형상에 비해 H-형상 혹은 I-형상의 기하 구조를 사용하여 도메인 상태의 수를 줄임으로써 잠재적인 판독과 기록의 모호성을 제거하기 쉽고 또한 더 적은 수의 가능한 상태로 동일한 저장 값을 구현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 메모리 셀 장치(a memory cell apparatus)에 있어서,
    제 1 및 제 2 자기층(magnetic layer) - 상기 제 1 및 제 2 층 중 적어도 하나는 실질적으로 "H" 형상(shape)임 - 과,
    상기 제 1 및 제 2 층 사이에 배치된 한 쌍의 분리층(a separation layer pair)을 포함하는
    메모리 셀 장치.
  2. 메모리 셀 장치에 있어서,
    기준층(a reference layer)으로서 제 1 자기층 및 데이터층으로서 제 2 자기층 - 상기 데이터층은 실질적으로 "H" 형상임 - 과,
    상기 기준층과 상기 데이터층 사이에 배치된 분리층을 포함하는
    메모리 셀 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리층은 전도성(conductive)인 메모리 셀 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분리층은 비전도성인 메모리 셀 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 자이언트 자기 저항(a Giant MagnetoResistive : GMR) 메모리 셀을 형성하는 메모리 셀 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 터널링 자기 저항(a Tunneling MagnetoResistive : TMR) 셀을 형성하는 메모리 셀 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층은 상이한 보자성(distinct coercivities)을 갖는 메모리 셀 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층 중 하나는 고정(pin)되는 메모리 셀 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 층 중 적어도 하나는 니켈-철(NiFe), 코발트-철(CoFe) 및 니켈-철-코발트(NiFeCo) 합금 중 하나를 포함하는 메모리 셀 장치.
  10. 각각의 셀이 "H" 형상 데이터층을 갖는 다수의 자기 저항 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치.
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