KR20090005877A - 자속 가이드 구조체를 갖는 자기 메모리 장치 - Google Patents

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KR20090005877A
KR20090005877A KR1020070069262A KR20070069262A KR20090005877A KR 20090005877 A KR20090005877 A KR 20090005877A KR 1020070069262 A KR1020070069262 A KR 1020070069262A KR 20070069262 A KR20070069262 A KR 20070069262A KR 20090005877 A KR20090005877 A KR 20090005877A
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Abstract

자속 가이드 구조체를 갖는 자기 메모리 장치를 제공한다. 이 장치는 반도체기판 상에 배치된 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 자기터널접합 패턴, 자기터널접합 패턴에 접속하는 비트라인 및 자기터널접합 패턴의 적어도 한 측벽에 배치되는 자속 가이드막을 구비한다.

Description

자속 가이드 구조체를 갖는 자기 메모리 장치{Magnetic Memory Device Having Magnetic Flux Guiding Structure}
도 1은 종래의 자기 터널 접합을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 종래의 MTJ 구조에서 측정되는 비대칭성을 갖는 R-H 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 메모리 셀 영역의 일부를 보여주는 공정 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합 및 자속 가이드막을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자속 가이드 구조체를 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자속 가이드 구조체를 설명하기 위한 사시도들이다.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자속 가이드 구 조체를 갖는 자기 메모리 장치에 관한 것이다.
이동 통신 및 컴퓨터 등과 같은 전자 산업의 발전에 따라, 높은 집적도, 빠른 읽기/쓰기 동작 속도, 비휘발성 및 낮은 동작 전압 등의 특성을 갖는 메모리 장치가 요구되고 있다. 하지만, 현재 사용되는 에스램(static random access memory; SRAM), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM) 및 플래쉬 메모리(FLASH memory) 등과 같은 메모리 장치는 이러한 특성들을 모두 충족시키지 못하고 있다.
예를 들면, 상기 디램의 단위 셀은 한 개의 커패시터와 이를 제어하기 위한 한 개의 트랜지스터를 구비하기 때문에, 낸드 플래시 메모리에 비해 상대적으로 큰 단위 셀 면적을 갖는다. 또한, 디램은 커패시터에 정보를 저장하기 때문에, 알려진 것처럼, 리프레시 동작이 필요한 휘발성 메모리 장치이다. 상기 에스램은 빠른 동작 속도를 갖지만, 마찬가지로 휘발성 메모리 장치의 하나이며, 특히 단위 셀은 여섯 개의 트랜지스터들로 구성되기 때문에 단위 셀 면적이 매우 큰 단점을 갖는다. 비휘발성 메모리 장치인 상기 플래시 메모리는 매우 높은 집적도를 갖고, 특히 최근 다중 레벨 셀(multi-level cell) 기술을 채택하는 플래시 메모리는 더욱 높은 집적도를 갖는다. 하지만, 플래시 메모리는 동작 속도가 느린 단점을 갖는다.
한편, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)에 정보를 저장하는 자기 랜덤 억세스 메모리(magnetic random access memory; MRAM)의 경우, 빠른 읽기/쓰기 동작이 가능하며, 비휘발성을 갖고, 리프레쉬 동작이 불필요하며, 동작 전압이 낮다. 이에 따라, 상기 MRAM은 차세대 비휘발성 메모리 장치의 유력한 후보로 주목받고 있다.
상기 MTJ는, 도 1에 도시된 것처럼, 터널 절연막(30)의 상부 및 하부에 각각 배치되는 두 강자성막들(ferromagnetic layers)(즉, 자유막(40) 및 피고정막(20))을 구비한다. 이때, 상기 피고정막(20)은 그 하부에 배치된 고정막(10)과의 상호작용에 의해 고정된 자화 방향(fixed magnetization)을 갖지만, 상기 자유막(40)은 상기 피고정막(20)의 자화 방향에 평행하거나 반평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 자유막(40) 및 피고정막(20) 사이의 이러한 자화 특성은 상기 터널 절연막을 흐르는 전류의 양을 변화시키기 때문에, MRAM의 이진 정보 저장을 위한 메커니즘으로 이용된다.
하지만, 상기 자유막(40) 및 피고정막(20) 사이의 자기 상호작용(magnetic interaction)은 이들이 평행한 자화 방향을 갖는 경우에서와 반평행한 자화 방향들을 갖는 경우에서 차이를 가질 수 있다. 즉, 반평행한 경우, 상기 피고정막(20)의 일단으로부터 방출되는 자기력선들은 도 1에 도시된 것처럼 상기 자유막(40)의 일단으로 입사된다. 마찬가지로, 상기 피고정막(20)의 타단에서는 상기 자유막(40)으로부터 방출되는 자기력선들이 입사된다. 이와 달리, 평행한 경우, 상기 자유막(40) 및 피고정막(20)에서 방출되는 자기력선들은 서로 벌어지는 분포를 갖는다. 상기 자유막(40) 및 피고정막(20) 사이의 자기 상호 작용에서 나타나는 이러한 비대칭성은, 도 2에 도시된 것처럼, MRAM의 R-H 곡선을 비대칭적으로 만든다.
도 2는 종래의 MTJ 구조에서 측정되는 비대칭성을 갖는 R-H 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 상술한 비대칭성은 두개의 구별되는 저항 레벨을 갖는 영 역(99)이 MTJ에 저장된 정보를 읽는 자기장 조건(즉, H=0)으로부터 벗어나도록 만든다. 이에 따라, 이 조건에서, 터널 절연막의 전기적 저항(R)은 단지 하나의 저항 레벨 만을 가질 수 있다. 이러한 특성을 갖는 MTJ는 이진 정보를 저장할 수 없다.
한편, 이러한 R-H 곡선의 비대칭성은 MRAM의 셀 사이즈가 감소함에 따라 더욱 심화되기 때문에, 고집적화된 자기 메모리 장치의 개발을 위해서는 이러한 비대칭성의 문제를 극복할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 MTJ의 양단에서 발생하는 자유막과 피고정막 사이의 자기 상호 작용을 줄일 수 있는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 자유막과 피고정막 사이의 비대칭적 자기 상호작용을 줄일 수 있는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 메모리 셀 사이즈의 감소에 따른 R-H 곡선의 비대칭성의 증가를 줄일 수 있는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 메모리 셀간 자기 상호 작용(magnetic interaction between memory cells)을 줄일 수 있는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 자속 가이드 구조체를 구비하는 자기 메모리 장치를 제공한다. 이 장치는 반도체기판 상에 배치된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치된 자기터널접합 패턴; 상기 자기터널접합 패턴에 접속하는 비트라인; 및 상기 자기터널접합 패턴의 적어도 한 측벽에 배치되는 자속 가이드막(magnetic flux guide layer)을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자속 가이드막은 강자성을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 자속 가이드막은 Ni-Zn 페라이트들 및 Mn-Zn 페라이트들 중의 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상기 자속 가이드막은 10 옹스트롬 내지 200 옹스트롬의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 자기터널접합 패턴과 상기 자속 가이드막 사이에는 측벽 절연막이 더 배치될 수 있다. 상기 측벽 절연막은 알루미늄 산화막, 티타늄 산화막, 탄탈륨 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 하프늄 산화막 및 마그네슘 산화막 중의 적어도 하나일 수 있으며, 그 두께는 5 옹스트롬 내지 300 옹스트롬일 수 있다. 변형된 실시예에 따르면, 상기 자속 가이드막은 강자성을 갖는 도전성 물질들 중의 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 자속 가이드막은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 크롬(Cr), 유로피움(Eu), 이트륨(Y) 및 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자기터널접합 패턴은 차례로 적층된 고정막, 피고정막, 터널 절연막 및 자유막을 포함한다. 이때, 상기 고정막은 반강자성막(anti-ferromagnetic layer)들 중의 적어도 한가지이고, 상기 피고정막은 강자성막들 중의 적어도 한가 지이고, 상기 터널 절연막은 마그네슘 산화막 및 알루미늄 산화막 중의 한가지이고, 상기 자유막은 강자성막들 중의 적어도 한가지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고정막 및 피고정막은 상기 하부 전극에 정렬됨으로써 상기 하부 전극과 실질적으로 같은 면적을 갖고, 상기 터널 절연막 및 상기 자유막은 상기 하부 전극의 중앙 상부에 배치될 수 있다. 이때, 상기 자속 가이드막은 상기 터널 절연막 및 상기 자유막의 측벽에 배치되어, 상기 피고정막의 상부면을 노출시킬 수 있다.
상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 상부면에 실질적으로 수직한 자화 방향을 갖거나 이에 실질적으로 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 또한, 상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 측벽으로부터 연장되어 상기 하부 전극의 측벽을 덮을 수 있다.
상기 자기터널접합 패턴의 평면적 모양은 짧은 측벽들 및 이들을 연결하는 긴 측벽들을 갖는 직사각형일 수 있다. 이 경우, 일 실시예에 따르면, 상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 짧은 측벽에 인접하게 배치될 수 있다. 이에 더하여, 상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 측벽을 둘러싸도록, 상기 자기터널접합 패턴의 짧은 측벽으로부터 연장되어 상기 자기터널접합 패턴의 긴 측벽을 덮을 수도 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 메모리 셀 영역의 일부를 보여주는 공정 단면도이다.
도 3을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 자기 터널 접합들(200)이 배치된다. 상기 자기 터널 접합들(200)의 상부 및 하부에는 각각, 상기 자기 터널 접합(200)에 접속하는 비트 라인(230) 및 하부 전극(190)이 배치된다. 상기 하부 전 극(190)과 상기 반도체기판(100) 사이에는, 게이트 전극(120) 및 상기 게이트 전극(120) 양 옆의 반도체기판(100)에 형성되는 불순물 영역들(130)을 구비하는 메모리 트랜지스터가 배치된다. 상기 자기 터널 접합(200)은, 도 4에 도시된 것처럼, 차례로 적층된 고정막(202), 피고정막(204), 터널 절연막(206) 및 자유막(208)을 포함한다. 상기 자기 터널 접합(200)과 관련된 기술적 특징들은 이후, 도 4를 참조하여, 다시 설명될 것이다.
상기 메모리 트랜지스터가 형성된 반도체기판(100)과 상기 하부 전극(190) 사이에는 차례로 적층된 제 1 및 제 2 층간절연막들(140, 170)이 배치된다. 또한, 상기 제 2 층간절연막(170)과 상기 비트라인(230) 사이에는 상기 하부전극(190) 및 상기 자기 터널 접합(200)을 둘러싸는 제 3 층간절연막(220)이 형성될 수 있다.
상기 하부 전극(190)은 차례로 적층된 하부 플러그(150), 콘택 패드(160) 및 상부 플러그(180)을 통해 상기 불순물 영역들(130) 중의 하나에 전기적으로 연결된다. 상기 하부 플러그(150)는 상기 제 1 층간절연막(140)을 관통하여 상기 불순물 영역(130)에 연결되고, 상기 콘택 패드(160)는 상기 제 1 층간절연막(140) 상에 배치되어 상기 하부 플러그(150)에 연결되고, 상기 상부 플러그(180)는 상기 제 2 층간절연막(170)을 관통하여 상기 콘택 패드(160)에 연결된다.
상기 자기 터널 접합(200)의 적어도 한 측벽에는 자속 가이드막(magnetic flux guide layer)(210)이 배치된다. 상기 자속 가이드막(210)은 강자성을 갖는 물질막을 포함할 수 있으며, 10 옹스트롬 내지 200 옹스트롬의 두께로 형성될 수 있다. 강자성의 자속 가이드막(210)은 종래 기술에서 설명한 상기 자기 터널 접 합(200)의 자기 상호 작용에서의 비대칭성을 완화시킨다. 이에 대해서는, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 이후 다시 설명될 것이다.
이 실시예에 따르면, 상기 자속 가이드막(210)은, 도시된 것처럼, 상기 자기 터널 접합(200)의 측벽들을 덮을 뿐만 아니라 이로부터 연장되어 상기 하부 전극(190)의 측벽 및 상부면 및 상기 제 2 층간절연막(170)의 상부면을 덮을 수도 있다. 하지만, 상기 자속 가이드막(210)의 모양 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 이후, 이러한 변형된 실시예들의 일부가 도 4 내지 도 15를 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 터널 접합 및 자속 가이드막을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 자기 터널 접합(200)의 평면적 모양은 실질적으로 직사각형이다. 즉, 상기 자기 터널 접합(200)은 서로 마주보는 짧은 변들 및 이들 짧은 변들에 수직한 긴 변들을 갖는다. (이때, 상기 자기 터널 접합(200)의 평면적 모양은 상기 반도체기판(100)의 상부면에 평행한 평면과 중첩되는 상기 자기 터널 접합(200)의 모양으로 정의될 수 있다.)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 자속 가이드막(210)은 상기 자기 터널 접합(200)의 짧은 변들 중의 하나의 측면에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 자속 가이드막(210)은 상기 자기 터널 접합(200)의 측벽을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 자속 가이드막(210)은 상기 자 기 터널 접합(200)의 두 짧은 변들의 측면에 배치되거나, 두 긴 변들의 측면에 배치될 수도 있다.
한편, 상기 자기 터널 접합(200)은, 도 4에 도시된 것처럼, 차례로 적층된 고정막(202), 피고정막(204), 터널 절연막(206) 및 자유막(208)을 포함한다. 상기 고정막(202)은 반강자성막(anti-ferromagnetic layer)으로 형성되며, 예를 들면, PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중에서 선택된 적어도 한가지일 수 있다. 상기 피고정막(204)은 강자성막(ferromagnetic layer)으로 형성되며, 예를 들면 CoFeB, CoFe, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중에서 선택된 적어도 한가지로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 피고정막(204)은 상술한 강자성 물질들 사이에 루세늄막(Ru)(도시하지 않음)을 더 구비할 수도 있다.
상기 터널 절연막(206)은 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막, 티타늄 산화막 및 탄탈륨 산화막 중의 적어도 한가지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자유막(208)은 강자성막(ferromagnetic layer)으로 형성되며, 예를 들면 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중에서 선택된 적어도 한가지를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자유막(208)은 대략 10 내지 90 Å의 두께로 형성된 CoFeB막일 수 있다.
이에 더하여, 상기 자유막(208) 상에는 자기저항 개선막(MR enhancing layer)(도시하지 않음) 및 캐핑막(도시하지 않음)이 더 배치될 수 있다. 상기 자기저항 개선막은 대략 1 내지 대략 80Å의 두께로 형성되는 반강자성막일 수 있다. 예를 들면, 상기 자기저항 개선막은 이리듐(Ir), 백금(Pt), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 이들의 화합물들 중의 적어도 한가지일 수 있으며, 더 구체적으로는 IrMn, PtMn, FeMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중에서 선택된 적어도 한가지일 수 있다. 또한, 상기 캐핑막은 탄탈륨 등과 같은 도전성 물질로 형성된다.
한편, 종래 기술에서 설명한 것처럼, 상기 자유막(208) 및 상기 피고정막(204)으로부터 방출되는 자기력선들은 이들이 평행한가 또는 반평행한가에 따라 다른 자속 분포(magnetic flux distribution)를 갖게 되고, 그 결과로서 상기 자유막(208)의 R-H 곡선은 비대칭적이 된다. 하지만, 상술한 것처럼, 상기 자기 터널 접합(200)의 측면에 강자성의 자속 가이드막(210)이 배치될 경우, 상기 자유막(208) 및 상기 피고정막(204)으로부터 방출되는 자기력선들은 상기 자속 가이드막(210)에 의해 가이드된 방향을 갖게 된다. 그 결과, 상기 자유막(208)의 R-H 곡선에서 나타나는 비대칭성은 완화될 수 있다.
예를 들면, 상기 자속 가이드막(210)은 그 기하학적 구조(geometry)에 영향을 받기 때문에, 상기 자속 가이드막(210)의 자화 방향은 상기 자속 가이드막(210) 의 모양을 변형하는 방법을 통해 제어될 수 있다. 구체적으로, 도 4 내지 도 6에 도시된 것처럼, 상기 자속 가이드막(210)이 상기 자기 터널 접합(200)의 측면에 얇은 두께를 가지면서 배치될 경우, 적어도 상기 자기 터널 접합(200)의 짧은 변에서는, 상기 자속 가이드막(210)의 자화 방향은 상기 자유막(208) 또는 상기 피고정막(204)의 자화 방향에 수직하다. 더 구체적으로, 상기 자속 가이드막(210)의 자화 방향은 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 상기 자기 터널 접합(200)의 상부면에 수직하거나, 도 6에 도시된 것처럼 상기 자기 터널 접합(200)의 상부면에 평행할 수 있다. 왜냐하면, 자성체는 일반적으로 그 장축 방향에 평행한 자화 방향을 갖기 때문이다. 하지만, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 상기 자속 가이드막(210)의 자화 방향을 예시적으로 도시할 뿐이며, 상기 자속 가이드막(210)은 그 기하학적 구조에 의존적(dependent)이라는 사실을 이용할 경우, 상기 자속 가이드막(210)의 자화 방향은 이에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자속 가이드 구조체를 설명하기 위한 공정 단면도들이다. 도 14 및 도 15는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 자속 가이드 구조체를 설명하기 위한 사시도들이다.
도 7 내지 도 12를 참조하면, 상기 자속 가이드막(210)과 상기 자기터널접합(200) 사이에는 측벽 절연막(215)이 더 형성될 수 있다. 상기 측벽 절연막(215)은 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 자속 가이드막(210)은 도전성 또는 절연성의 강자성막들 중의 한가지로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 측벽 절연막(215)은 알루미늄 산화막, 티타늄 산화막, 탄 탈륨 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 하프늄 산화막 및 마그네슘 산화막 등과 같은 절연성 물질들 중의 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 그 두께는 대략 5 옹스트롬 내지 300 옹스트롬일 수 있다. 이 경우, 상기 자속 가이드막(210)은 Ni-Zn 페라이트들 및 Mn-Zn 페라이트들과 같은 절연성 강자성막에 한정되지 않고, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 크롬(Cr), 유로피움(Eu), 이트륨(Y) 및 이들의 화합물들과 같은 도전성 강자성막들 혹은 이들 화합물의 산화물 또는 질화물로 이루어진 절연성 강자성막들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 상기 자속 가이드막(210)은 도 7, 도 8, 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼 상기 자기터널접합(200)의 측벽뿐만이 아니라 상기 하부 전극(190)의 측벽에도 형성될 수 있다. 이때, 상기 자속 가이드막(210)은 도 7, 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼 상기 자기터널접합(200)의 주변에서 상기 하부 전극(190)의 상부면을 덮을 수 있으며, 도 8에 도시된 것처럼 상기 자기터널접합(200)의 주변에서 상기 하부 전극(190)의 상부면을 노출시키는 스페이서 구조일 수도 있다. 유사하게, 상기 자속 가이드막(210)은 도 10에 도시된 것처럼 상기 자기터널접합(200)의 측벽에만 배치되는 스페이서 구조일 수도 있다.
이에 더하여, 하나의 메모리 셀에 형성되는 자속 가이드막(210)은 도 7, 도 9 도 12, 도 13 및 도 14에 도시된 것처럼 인접하는 메모리 셀로 연장될 수 있다. 이 경우, 상기 자속 가이드막(210)은 절연성의 강자성막인 것이 바람직하다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 자속 가이드막(210)은 도 8, 도 10, 도 11 및 도 15에 도 시된 것처럼 인접하는 메모리 셀들 사이에서 단절될 수 있다. 이러한 단절은 식각 마스크없이 실시되는 전면 식각(etch-back) 또는 도 11에 도시된 것처럼 식각 마스크를 사용하는 패터닝 공정을 통해 수행될 수 있다. 도 8, 도 10 및 도 15는 식각 마스크없이 실시되는 전면 식각을 통해 형성되는 자속 가이드막(210)을 도시한다.
본 발명의 또다른 양태(some aspect)에 따르면, 상기 제 3 층간절연막(220)은 하부 제 3 층간절연막(222) 및 상부 제 3 층간절연막(224)을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 9, 도 10 및 도 13에 도시된 것처럼, 상기 측벽 절연막(215) 및 상기 자속 가이드막(210)은 상기 하부 제 3 층간절연막(222)의 상부에 형성될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 자기터널접합(200)의 고정막(202) 및 피고정막(204)은 도 12에 도시된 것처럼 상기 하부 전극(190)의 가장자리로 연장됨으로써 상기 하부 전극(190)과 실질적으로 같은 평면적 모양 및 넓이를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 측벽 절연막(215)은 상기 고정막(202)의 상부면을 덮을 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 자속 가이드막(210)이 절연성의 강자성막으로 형성되는 경우, 상기 자기터널접합(200)의 측벽으로부터 상기 상부 제 3 층간절연막(224) 및 상기 하부 제 3 층간절연막(222) 사이로 연장될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 자속 가이드 구조체의 구조적 특징들은 상술한 예시적 실시예들에 한정되지 않고, 이들 및/또는 공지된 방법들의 조합을 통해 다양하게 변형될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따르면, 강자성의 자속 가이드막이 자기터널접합의 측벽에 배치된다. 강자성의 자속 가이드막은 MTJ의 양단에서의 자유막과 피고정막 사이의 비대칭적 자기 상호작용 및 이에 따른 R-H 곡선의 비대칭성을 완화시키는데 기여한다. 이에 더하여, 강자성의 자속 가이드막은 고집적화에 따른 메모리 셀들 사이의 간격 감소에 의해 증대되고 있는 메모리 셀간 자기 상호 작용(magnetic interaction between memory cells)을 줄이는 데에도 기여한다. 그 결과, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 증가된 집적도 하에서도 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.

Claims (18)

  1. 반도체기판 상에 배치된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 자기터널접합 패턴;
    상기 자기터널접합 패턴에 접속하는 비트라인; 및
    상기 자기터널접합 패턴의 적어도 한 측벽에 배치되는 자속 가이드막(magnetic flux guide layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 강자성을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 Ni-Zn 페라이트들 및 Mn-Zn 페라이트들 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 10 옹스트롬 내지 200 옹스트롬의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴과 상기 자속 가이드막 사이에 배치되는 측벽 절연막을 더 구비하는 자기 메모리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측벽 절연막은 알루미늄 산화막, 티타늄 산화막, 탄탈륨 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 하프늄 산화막 및 마그네슘 산화막 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 측벽 절연막은 5 옹스트롬 내지 300 옹스트롬의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 강자성을 갖는 도전성 물질들 및 산화물 또는 질화물로 이루어진 절연성 강자성막들 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네 슘(Mg), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 크롬(Cr), 유로피움(Eu), 이트륨(Y) 및 이들의 화합물 및 이들의 산화물 또는 질화물로 이루어진 절연성 강자성막들 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴은 차례로 적층된 고정막, 피고정막, 터널 절연막 및 자유막을 포함하되,
    상기 고정막은 반강자성막(anti-ferromagnetic layer)들 중의 적어도 한가지이고,
    상기 피고정막은 강자성막들 중의 적어도 한가지이고,
    상기 터널 절연막은 마그네슘 산화막 및 알루미늄 산화막 중의 한가지이고,
    상기 자유막은 강자성막들 중의 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고정막은 PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중에서 선택된 적어도 한가지이고,
    상기 피고정막은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 크롬(Cr), 유로피움(Eu), 이트륨(Y), 루세늄 및 이 들의 화합물 중에서 선택된 적어도 한가지이고,
    상기 자유막은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 크롬(Cr), 유로피움(Eu), 이트륨(Y) 및 이들의 화합물 중에서 선택된 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정막 및 피고정막은 상기 하부 전극에 정렬됨으로써, 상기 하부 전극과 실질적으로 같은 면적을 갖고,
    상기 터널 절연막 및 상기 자유막은 상기 하부 전극의 중앙 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 상기 터널 절연막 및 상기 자유막의 측벽에 배치되어, 상기 피고정막의 상부면을 노출시키는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 상부면에 실질적으로 수직한 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 상부면에 실질적으로 평행한 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 측벽으로부터 연장되어 상기 하부 전극의 측벽을 덮는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴의 평면적 모양은 짧은 측벽들 및 이들을 연결하는 긴 측벽들을 갖는 직사각형이되,
    상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 짧은 측벽에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자속 가이드막은 상기 자기터널접합 패턴의 측벽을 둘러싸도록, 상기 자기터널접합 패턴의 짧은 측벽으로부터 연장되어 상기 자기터널접합 패턴의 긴 측벽을 덮는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
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