KR20020090451A - MRAM cell using exchange biasing of strong ferromagnetic dipole - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 강자성 쌍극자를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강자성 쌍극자를 이용하여 고정층과 교환 바이어스를 통해 고정된 자화를 이루는 자기 랜덤 액세스 메모리 셀에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic random access memory cell using a ferromagnetic dipole, and more particularly, to a magnetic random access memory cell using the ferromagnetic dipole to achieve a fixed magnetization through an exchange bias with a fixed layer.
종래의 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic randam memory; MRAM) 셀의 기본구조는 도 1의 개략 구조에서 보듯이 반강자성층(Antiferromagnetic; AFM)(10)과의 교환 바이어스 결합에 의해 자화가 고정되는 강자성체 재료인 CoFe 나 NiFe 등으로 형성된 고정층(Ferromagnetic:FM)(20)과, 자화가 고정되지 않고 기록된 매체(신호 필드)로 부터의 자계에 응답하여 자유로이 회전하는 강자성체인 자유층(40)과, 상기 고정층(20)과 자유층(40)을 분리하는 절연층인 산화물 터널 장벽(Oxide tunneling barrier)(30)으로 형성되어 있다.The basic structure of a conventional magnetic random access memory (MRAM) cell is a ferromagnetic material in which magnetization is fixed by an exchange bias coupling with an antiferromagnetic layer (AFM) 10 as shown in the schematic structure of FIG. A fixed layer (Ferromagnetic: FM) 20 formed of phosphorus CoFe or NiFe, a free layer 40 which is a ferromagnetic material freely rotating in response to a magnetic field from a medium (signal field) in which magnetization is not fixed, and It is formed of an oxide tunneling barrier 30 that is an insulating layer separating the pinned layer 20 and the free layer 40.
상기 셀은 고정층(20)과 자유층(40)의 자화 스핀이 반대방향인 경우, 전류를 인가하면 높은 자기저항으로 인하여 적은 전류가 터널 장벽을 통과하여 흐른다. 역으로 고정층(20)과 자유층(40)의 스핀의 방향이 같아 자기저항이 낮으면 전류를 인가하면 많은 전류가 흐른다. 자기저항 비(Magnetoresistive Ratio; MR ratio)는 다음 식으로 표현된다.When the magnetization spins of the pinned layer 20 and the free layer 40 are in opposite directions, when the current is applied, little current flows through the tunnel barrier due to the high magnetoresistance. Conversely, if the direction of spin of the pinned layer 20 and the free layer 40 is the same, and the magnetic resistance is low, a large amount of current flows when a current is applied. The magnetoresistive ratio (MR ratio) is expressed by the following equation.
이때 MR ratio가 높아야 상기 고정층(20)과 자유층(40)의 스핀의 방향을 판별하기가 용이해져 "1"과 "0" 의 정보의 읽기 및 쓰기를 행하는 우수한 MRAM을 만들 수 있게 되는 것이다.In this case, a high MR ratio makes it easier to determine the direction of spin of the pinned layer 20 and the free layer 40, thereby making it possible to make an excellent MRAM for reading and writing information of " 1 " and " 0 ".
종래의 MRAM 셀 구조는 반강자성층(10)과 고정층(20) 사이의 교환 바이어스 필드를 이용하여 고정층(20)에 자기 극성(magnetic polarity)을 유도하며 이 자기극성은 자유층(40)과의 정전기적 상호작용(magnetostatic exchange-coupling)과 자유층(40)의 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 통해 자유층(40)에 기록상태를 유지시켜 준다. 이 경우 교환 바이어스 필드는 반강자성층(10)과 고정층(20)간의 접촉면의 샤프니스(sharpness: 빈틈없는 접촉 정도)와 청결도에 의해 그 세기(strength)가 결정되므로, 상기 샤프니스와 청결도의 향상을 위해서는 고진공을 위한 장비가 복잡해지고 증착공정이 어렵게 되며, 고정층은 자성특성에서 발생되는 물질상의 한계로 인하여 완전한 자기 극성을 유도하는 것이 불가능하다. 또한, MR ratio를 좌우하는 스핀-극성을 증가시키기 위해 많은 자성 스핀-극성 필터층이 이용되는 데, 이로 인하여 MRAM 제조 공정이 복잡해지고 셀들의 균일한 특성이 보장되지 못하는 문제점이 있었다.The conventional MRAM cell structure induces magnetic polarity in the pinned layer 20 by using an exchange bias field between the antiferromagnetic layer 10 and the pinned layer 20. The recording state is maintained in the free layer 40 through electrostatic interaction (magnetostatic exchange-coupling) and magnetic anisotropy of the free layer 40. In this case, since the strength of the exchange bias field is determined by the sharpness of the contact surface between the antiferromagnetic layer 10 and the pinned layer 20 and the cleanliness, it is necessary to improve the sharpness and cleanliness. The equipment for high vacuum becomes complicated and the deposition process becomes difficult, and the fixed layer is impossible to induce complete magnetic polarity due to the material limitations generated in the magnetic properties. In addition, many magnetic spin-polar filter layers are used to increase the spin-polarity that influences the MR ratio, which causes a problem of complicated MRAM fabrication process and inability to guarantee uniform characteristics of cells.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 MRAM 셀 제조가 용이하고 셀이 안정되며 고정층의 스핀 극성 증가를 통해 MR ratio를 크게 향상시킨 강자성 쌍극자를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리 셀을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic random access memory using ferromagnetic dipoles, which is easy to manufacture an MRAM cell, stabilizes a cell, and greatly improves MR ratio by increasing spin polarity of a fixed layer. To provide a cell.
도 1은 종래 MRAM 셀의 개략 단면도,1 is a schematic cross-sectional view of a conventional MRAM cell,
도 2는 본 발명에 따른 MRAM 셀의 개략 단면도,2 is a schematic cross-sectional view of an MRAM cell according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 MRAM 셀의 자기 저항을 이용한 기록 및 읽기를 설명하는 도면.3 illustrates writing and reading using magnetoresistance of MRAM cells in accordance with the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 반강자성층 20, 120: 고정층10: antiferromagnetic layer 20, 120: fixed layer
30, 130: 산화막 터널 장벽 40, 140: 자유층30, 130: oxide film tunnel barrier 40, 140: free layer
100: 기판 110: 강자성 쌍극자층100: substrate 110: ferromagnetic dipole layer
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강자성 쌍극자를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리 셀은, 실리콘 기판 상에 형성되는 강자성 쌍극자층; 상기 강자성 쌍극자층 상에 적층되어 상기 강자성 쌍극자층과의 교환 바이어스로 자화 방향이 고정되는 고정층; 상기 고정층의 상방에 형성되는 강자성체의 자유층; 및 상기 고정층과 자유층 사이에 형성되어 자기 필드가 걸리면 터널링 전류가 흐르는산화막 터널 장벽;을 구비한다.In order to achieve the above object, a magnetic random access memory cell using a ferromagnetic dipole according to the present invention, a ferromagnetic dipole layer formed on a silicon substrate; A pinned layer laminated on the ferromagnetic dipole layer to fix the magnetization direction by an exchange bias with the ferromagnetic dipole layer; A free layer of ferromagnetic material formed above the pinned layer; And an oxide film tunnel barrier formed between the pinned layer and the free layer to allow a tunneling current to flow when the magnetic field is caught.
상기 강자성 쌍극자층은 비정질 희토류 전이 금속 합금으로 이루어지며, 상기 강자성 쌍극자층은 자화상쇄조성(compensation composition) 근처에서 포화 자화가 "0"에 가깝고 보자력이 무한대인 자기 성질을 가지는 것이 바람직하다.The ferromagnetic dipole layer is made of an amorphous rare earth transition metal alloy, and the ferromagnetic dipole layer preferably has magnetic properties in which the saturation magnetization is close to " 0 " and the coercivity is infinity near the compensation composition.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 강자성 쌍극자를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리 셀에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of a magnetic random access memory cell using the ferromagnetic dipole of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 MRAM셀의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 실리콘 기판(100) 상에 강자성 쌍극자층(110), 고정층(120), 산화막 장벽 터널(130) 및 자유층(140)이 순차적으로 형성되어 있다.2 is a view schematically showing the structure of an MRAM cell according to the present invention. Referring to the drawings, the ferromagnetic dipole layer 110, the pinned layer 120, the oxide barrier tunnel 130, and the free layer 140 are sequentially formed on the silicon substrate 100.
상기 강자성 쌍극자층(110)은 자화상쇄조성(compensation composition) 근처에서 포화 자화(saturation magnetization) 가 "0"에 가깝고, 보자력(coercivity)이 무한대인 자기 성질을 가지는 비정질 희토류 전이금속 합금(amorphous rare-earth transition-metal alloy)으로 형성되어 있다. 이러한 자기 특성은 한쪽 방향으로 완전한 자화방향을 가지는 쌍극자층을 형성한다.The ferromagnetic dipole layer 110 has an amorphous rare earth transition metal alloy (amorphous rare-) having a magnetic property of near saturation magnetization near the compensation composition and having an infinite coercivity. earth transition-metal alloy). This magnetic property forms a dipole layer having a complete magnetization direction in one direction.
상기 고정층(120)과 자유층(140)은 강자성체 재료인 CoFe나 NiFe 등으로 형성되며, 상기 산화물 터널 장벽(130)은 절연층으로 형성된다.The pinned layer 120 and the free layer 140 are formed of a ferromagnetic material CoFe or NiFe, and the oxide tunnel barrier 130 is formed of an insulating layer.
상기 쌍극자층(110)은 피닝(pinning) 층으로 작용하여 상기 고정층(120)과 강한 강자성 교환 결합(ferromagnetic exchange coupling)을 하고 이 결합은 고정층(120)의 자화 방향이 쌍극자층(110)의 방향을 따라 일렬로 배열하게 한다. 이와 같이 일렬로 배열된 강한 고정층(120)의 자화 방향은 산화막 터널 장벽(130)을 통해 상기 자유층(140)과 정적 자기 반응(magnetostatic interaction)을 함으로써 자유층(140)의 자화방향을 강한 반대방향으로 유도한다.The dipole layer 110 acts as a pinning layer to form a strong ferromagnetic exchange coupling with the pinned layer 120, which has a magnetization direction of the pinned layer 120 in the direction of the dipole layer 110. Arrange them along the lines. The magnetization direction of the strong pinned layer 120 arranged in this way is strongly opposite to the magnetization direction of the free layer 140 by performing a magnetostatic interaction with the free layer 140 through the oxide tunnel barrier 130. To guide.
도 3은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 MRAM 셀의 자기 저항을 이용한 기록 및 읽기를 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining the writing and reading using the magnetoresistance of the MRAM cell according to the present invention according to the present invention.
도면을 참조하면, 자기 필드(magnetic field)가 없는 경우 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 고정층(120)과 자유층(140)간의 자화 방향(화살표 방향)은 반대 방향으로 평행하게 되며 이 때의 상태를 "0"으로 기록한다. 자기 필드를 걸면 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 고정층(120)과 자유층(140) 간의 자화를 같은 방향으로 평행하게 하여 "1"을 기록할 수 있게 된다.Referring to the drawing, when there is no magnetic field, as shown in FIG. 3A, the magnetization direction (arrow direction) between the pinned layer 120 and the free layer 140 is parallel to the opposite direction. Record the state of time as "0". When the magnetic field is hung, as shown in FIG. 3B, the magnetization between the pinned layer 120 and the free layer 140 may be paralleled in the same direction, thereby recording “1”.
상기 셀에 수직으로 전류를 흐르게 하면 고정층(120)과 자유층(140) 간의 자화방향이 다른 경우(도 3의 (a)) 높은 자기저항을 나타내어 "0"으로 읽힌다. 고정층(120)과 자유층(140) 간의 자화방향이 같은 경우(도 3의 (b))는 낮은 자기저항을 나타내므로 "1"로 읽히게 된다.When a current flows perpendicularly to the cell, when the magnetization direction is different between the pinned layer 120 and the free layer 140 (FIG. In the case where the magnetization directions between the pinned layer 120 and the free layer 140 are the same (FIG. 3B), since the magnetization direction is low, it is read as "1".
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강자성 쌍극자를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리 셀은 고정층의 자화방향을 강하게 피닝시킴으로써 기존의 MRAM 셀에 비해 완충막(buffer layer) 없이 간단히 다중층을 형성하므로 그 제조공정이 용이하고 고정층과 자유층의 스핀 극화가 증가되어 MR ratio 가 크게 개선된다.As described above, the magnetic random access memory cell using the ferromagnetic dipole according to the present invention forms a multilayer without a buffer layer as compared to a conventional MRAM cell by strongly pinning the magnetization direction of the fixed layer. This facilitates and increases the spin polarization of the pinned and free layers, greatly improving the MR ratio.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments with reference to the drawings, this is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.
Claims (3)
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |