KR20090105788A - 자기 메모리 소자 및 그 정보 쓰기 및 읽기 방법 - Google Patents

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KR20090105788A
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서순애
김기원
김광석
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삼성전자주식회사
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Abstract

자기 메모리 소자 및 그 정보 쓰기 및 읽기 방법에 관하여 개시된다. 개시된 자기 메모리 소자는 반강자성층 상에 형성된 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 포함하며, 정보 저장층은 SAF 구조로 형성될 수 있다.

Description

자기 메모리 소자 및 그 정보 쓰기 및 읽기 방법{Magnetic random access memory device and Data writing and reading method of the Same}
본 발명의 일실시예는 자기 메모리 소자에 관한 것으로, MR(Magnetoresistance)의 감소를 최소화하면서 임계 전류밀도(Jc : critical current density)를 낮출 수 있는 구조의 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구됨에 따라 고용량의 정보를 저장할 수 있는 데이타 저장 매체에 관한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 수요의 증가에 따라 데이타 저장 속도가 빠르면서 소형의 정보 저장 매체에 관한 연구가 진행되고 있으며 결과적으로 다양한 종류의 정보 저장 장치가 개발되었다.
정보 저장 장치는 크게 휘발성 정보 저장 장치와 비휘발성 정보 저장 저장 장치로 나눌 수 있다. 휘발성 정보 저장 장치의 경우 전원이 차단되면 기록된 정보가 모두 지워지지만 정보 기록 및 재생 속도가 빠른 장점이 있다. 비휘발성 정보 저장 장치의 경우 전원이 차단되더라도 기록된 정보가 지워지지 않는다.
휘발성 정보 저장 장치로는 대표적으로 DRAM(dynamic random access memory) 를 들 수 있다. 그리고, 비휘발성 데이터 저장 장치는 HDD(hard disk drive) 및 비휘발성 RAM(random access memory) 등이 있다. 비휘발성 메모리의 한 종류인 자기 메모리 소자(MRAM : magnetic random access memory)는 스핀 의존 전도 현상에 기초한 자기 저항 효과를 이용한 메모리 소자이다.
종래의 자기 메모리 소자는 비트 라인(bit line), 워드 라인(word line)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장을 이용하여 메모리 셀의 자유층의 자화 방향을 스위칭 시키는 방식을 사용하였다. 그러나, 이러한 방식은 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, 고밀도의 메모리 소자 구현을 위해 단위 셀 크기를 감소시키는 경우, 자유층의 보자력(coercivity)이 증가하기 때문에 스위칭 필드가 증가하게 되며 따라서 인가 전류의 크기가 커져야 하는 문제가 있다. 둘째, 메모리 어레이 구조에서 수많은 메모리 셀들을 포함하기 때문에, 원하지 않는 셀의 자유층도 스위칭이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 자장에 의한 스위칭 방식을 이용한 자기 메모리 소자는 선택성(selectivity) 및 고밀도화가 어려운 문제점이 있다.
이에 비해, 스핀 트랜스퍼 토크(STT : spin transfer torque) 현상을 이용한 자기 메모리 소자는 집적도, 선택성, 높은 쓰기 전류의 문제점을 해결할 수 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 이는 방식은 한 쪽 방향으로 스핀(spin)이 극성화(polarized) 된 전류(current)를 자기 메모리 소자에 흘려서 전자(electron)의 스핀 전달(spin transfer)을 사용하여 자기 메모리 소자의 자유층을 원하는 방향으로 스위칭하는 방식이다. 이 방식은 셀의 크기(cell size)가 작아질수록 요구 전류가 작아지므로 고밀도화에 유리하다. 그러나, STT 현상을 이용한 자기 메모리 소자 는 스위칭에 필요한 임계 전류 밀도가 아직은 상용화하기에 크기 때문에 임계 전류를 낮추기 위한 연구가 진행중이다.
본 발명의 실시예에서는 MR 값의 감소를 최소화할 수 있으면서, 임계 전류 밀도를 감소시킬 수 있는 새로운 구조의 자기 메모리 소자 및 그 정보 쓰기 및 읽기 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서는, 자기 메모리 소자에 있어서, 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
상기 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층;
상기 고정층 상에 형성된 제 1비자성층;
상기 제 1비자성층 상에 형성된 정보 저장층;
상기 정보 저장층 상에 형성된 제 2비자성층; 및
상기 제 2비자성층 상에 형성된 것으로 자화 방향이 변경 가능한 자유층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 정보 저장층은 SAF 구조로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 고정층은 SAF 구조로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 자유층은 SAF 구조로 형성된 것일 수 있 다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 SAF 구조는 강자성층, 중간층 및 강자성층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 중간층은 Ru 또는 Ta로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 제 1 및 제 2비자성층은 MgO를 포함하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 강자성층은 스위치 구조체를 포함하는 하부 구조체 상에 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 자유층 상에 순차적으로 형성된 비트 라인, 층간 절연막 및 쓰기 라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 자유층 상에 형성된 것으로, 서로 자화 방향이 다른 적어도 두개의 도메인을 포함하는 자성층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법에 있어서,
상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 반대 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 기록하며,
상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 같은 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 읽는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 자유층 상에 형성된 쓰기 라인을 더 포함하며, 상기 쓰기 라인에 전류를 인가하여 발생된 자기 장에 의해 상기 자유층의 자화 방향을 변경할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 자유층 상에 형성된 것으로, 서로 자화 방향이 다른 적어도 두개의 도메인을 포함하는 자성층을 더 포함하며,
상기 자성층의 도메인 장벽을 이동시킨 뒤, 상기 자유층의 자화 방향을 변경할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 고정층, SAF 구조의 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법에 있어서,
상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 같은 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 기록하며,
상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 반대 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 읽는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법을 제공한다.
자유층의 자화 방향을 변경하여 정보의 저장 및 재생 동작을 실시함으로써, MR 값의 감소를 최소화하면서, 임계 전류 밀도를 크게 낮출 수 있으며, 정보 저장층을 SAF 구조로 형성함으로써 외부 자장에 안정된 자기 메모리 소자를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자에 대해 상세하게 설명하도록 한다. 참고로, 도면에 나타낸 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장된 것임을 명심하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자는, 반강자성층(21) 상에 형성된 고정층(12), 제 1비자성층(13) 및 정보 저장층(14)이 형성되어 있다. 그리고, 정보 저장층(14) 상에는 순차적으로 형성된 제 2비자성층(15) 및 자유층(16)이 형성되어 있다.
본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 각 층에 대해 기재하면 다음과 같다. 반강자성층(11)은 주로 Mn을 포함하는 합금을 사용하여 형성되며, 예를 들어 IrMn, FeMn, NiMn 합금 등을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 반강자성층(11)은 스위칭 소자 또는 스위칭 소자와 연결된 전극 상에 형성된 것일 수 있다. 스위칭 소자는 예를 들어, 트랜지스터 구조체일 수 있다. 고정층(12)은 반강자성층(11)에 의해 자화 방향이 한 방향으로 고정된 것으로, Co 또는 Fe를 포함하는 강자성 물질로 형성되며, 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 형성된 것일 수 있다. 제 1비자성층(13) 및 제 2비자성층(15)은 MgO로 형성된 것일 수 있다. 정보 저장층(14) 및 자유층(16)은 자화 방향이 변경 가능한 것으로 Co 또는 Fe를 포함하는 강자성 물질로 형성되며, 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 형성된 것일 수 있다.
도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 정보 기록 방법 및 읽기 방법에 대해 도 3a를 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
정보 기록 방법(write)을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 자유층(16)의 자화 방향(magnetization direction)을 고정층(12)의 자화 방향과 반대 방향으로 정렬시키기 위하여, 외부에서 자장 또는 전계를 인가한다. 이 경우, 고정층(12)은 제 1방향의 자화 방향을 지니고, 자유층(16)은 제 2방향의 자화 방향을 지닌다. 그리고, 고정층(12) 또는 자유층(16) 방향에서 정보 저장층(14)에 스핀 극성화된 전류를 일 방향으로 인가한다. 만일 고정층(12) 방향에서 스핀 극성화된 전류를 인가하는 경우, 정보 저장층(14)의 자화 방향은 제 1방향으로 정렬되며, 자유층(16) 방향에서 스핀 극성화된 전류를 인가하는 경우, 정보 저장층(14)의 자화 방향은 제 2방향으로 정렬된다. 도 3a에서는 자유층(16) 방향에서 스핀 극성화된 전류를 인가하는 경우의 정보 저장층(14)의 스핀 방향을 나타낸 것이다. 결과적으로 이에 따라, 정보 저장층(14)에 제 1방향 또는 제 2방향의 정보가 저장된다. 이와 같은 정보 쓰기 과정에 따라 쓰기 동작에 필요한 임계 전류 밀도를 낮출 수 있다.
다음으로, 정보 읽기 방법(read)을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 자유층(16)의 자화 방향을 고정층(12)의 자화 방향과 동일한 방향으로 정렬시킨다. 그리고, 정보 저장층(14)에 전류를 흘려 정보 저장층(14)의 저항 값을 측정한다. 정보 저장층(14)의 자화 방향이 고정층(12) 및 자유층(16)의 자화 방향과 동일한 경우, 상대적으로 낮은 저항 값이 측정된다. 그리고, 정보 저장층(14)의 자화 방향이 고정층(12) 및 자유층(16)의 자화 방향과 반대인 경우에는 상대적으로 높은 저항 값이 측정된다. 이와 같은 방법에 의하여, 정보 저장층(14)의 자화 방향, 즉, 저장된 데이타를 읽어 낼 수 있다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자는 고정층(12) 상에, 정보 저장층(14) 및 자유층(16)을 포함함으로써, 자유층의 자화 방향을 변경하여 정보의 저장 및 재생 동작을 실시함으로써, MR 값의 감소를 최소화하면서, 임계 전류 밀도를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자에서, 정보 저장층(14)을 SAF(synthetic antiferromagnets)구조로 형성시킨 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반강자성층(11) 상에 고정층(12), 제 1비자성층(13) 및 정보 저장층(14)이 형성되어 있다. 그리고, 정보 저장층(14) 상에는 순차적으로 형성된 제 2비자성층(15) 및 자유층(16)이 형성되어 있다. 여기서, 정보 저장층(14)은 SAF 구조로 형성될 수 있다. 즉, 정보 저장층(14)은 제 1자성층(14a), 중간층(14b) 및 제 2자성층(14c)이 순차적으로 형성된 구조일 수 있다. 정보 저장층(14)을 SAF 구조로 형성함으로써, 자기장에 대해 안정된 구조를 유지할 수 있다.
도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 정보 기록 방법 및 읽기 방법에 대해 도 3b를 참조하여 설명한다.
정보 기록 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 자유층(16)의 자화 방향을 고정층(12)의 자화 방향을 동일하게 제 1방향으로 정렬시킨다. 그리고, 고정층(12) 또는 자유층(16) 방향에서 정보 저장층(14)에 스핀 극성화된 전류를 인가한다. 만일 고정층(12) 방향에서 정보 저장층(14)에 스핀 극성화된 전류를 인가하는 경우, 정보 저장층(14)의 제 1자성층(14a)은 제 1방향으로 자화되며, 제 2자성층(14c)은 제 2방향으로 자화된다. 그리고, 자유층(16) 방향에서 정보 저장층(14)에 스핀 극 성화된 전류를 인가하는 경우, 정보 저장층의 제 2자성층(14c)은 제 1방향으로 자화되며, 제 1자성층(14a)는 제 2방향으로 자화된다. 도 3b에서는 자유층(16) 방향에서 정보 저장층(14)에 스핀 극성화된 전류를 인가한 경우를 나타낸 도면이다.
다음으로, 정보 읽기 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 자유층(16)의 자화 방향을 고정층(12)의 자화 방향과 서로 반대 방향으로 정렬시킨다. 예를 들어 자유층(16)의 자화 방향을 제 1방향으로 정렬시키고, 고정층(12)의 자화 방향을 제 2방향으로 정렬시킨다. 그리고, 정보 저장층(14)에 전류를 흘리며 저항 값을 측정한다. 예를 들어, 자유층(16)과 제 2자성층(14c)의 자화 방향이 모두 제 1방향으로 동일한 경우, 상대적으로 낮은 저항 값이 측정된다. 이 때, 고정층(12) 및 제 1자성층(14a)의 자화 방향도 동일한 방향이 되므로, 고정층(12) 및 제 1자성층(14a) 사이에서도 상대적으로 낮은 저항값이 측정된다. 그러나, 자유층(16)과 제 2자성층(14c)의 자화 방향과 반대인 경우와 고정층(12) 및 제 1자성층(14a)의 자화 방향이 반대인 경우에는 상대적으로 높은 저항 값이 측정된다. 이와 같은 방법에 의하여, 정보 저장층(14)의 자화 방향, 즉, 저장된 데이타를 읽어 낼 수 있다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자는 고정층(12) 상에, 정보 저장층(14) 및 자유층(16)을 포함함으로써, 자유층의 자화 방향을 변경하여 정보의 저장 및 재생 동작을 실시함으로써, MR 값의 감소를 최소화하면서, 임계 전류 밀도를 크게 낮출 수 있다.
여기서, 정보 저장층(14) 뿐만 아니라, 고정층(12) 또는 자유층(16)도 SAF 구조로 형성할 수 있다.
도 4는 정보 저장층(14)과 고정층(12)을 SAF 구조로 형성한 구조를 나타내었다. 도 4를 참조하면, 반강자성층(11) 상에 SAF 구조로 형성된 고정층(12), 고정층(12) 상에 형성된 제 1비자성층(13), 제 1비자성층(13) 상에 SAF 구조로 형성된 정보 저장층(14)과 정보 저장층(14) 상에 제 2비자성층(15) 및 자유층(16)이 형성되어 있다. 고정층(12)은 제 1고정 자성층(12a), 중간층(12b) 및 제 2고정 자성층(12c)을 포함하며, 제 1고정 자성층(12a) 및 제 2고정 자성층(12c)의 자화 방향은 서로 반대 방향으로 유지된다.
도 5는 정보 저장층(14)과 자유층(16)을 SAF 구조로 형성한 구조를 나타내었다. 도 5를 참조하면, 반강자성층(11) 상에 고정층(12)이 형성되어 있으며, 고정층(12) 상에 형성된 제 1비자성층(13), 제 1비자성층(13) 상에 SAF 구조로 형성된 정보 저장층(14)과 정보 저장층(14) 상에 제 2비자성층(15) 및 SAF 구조로 형성된 자유층(16)이 형성되어 있다. 여기서, 자유층(16)은 제 1자유 자성층(16a), 중간층(16b) 및 제 2자유 자성층(16c)을 포함하며, 제 1자유 자성층(16a) 및 제 2자유 자성층(16c)의 자화 방향은 서로 반대 방향으로 유지된다.
도 6은 고정층, 정보 저장층(14)과 자유층(16)을 SAF 구조로 형성한 구조를 나타내었다. 도 6을 참조하면, 반강자성층(11) 상에 SAF 구조의 고정층(12)이 형성되어 있으며, 고정층(12) 상에 형성된 제 1비자성층(13), 제 1비자성층(13) 상에 SAF 구조로 형성된 정보 저장층(14)과 정보 저장층(14) 상에 제 2비자성층(15) 및 SAF 구조로 형성된 자유층(16)이 형성되어 있다.
정보 저장층(14)을 SAF 구조로 형성하는 경우, 외부 자기장에 대해 자화 방 향이 안정화될 있다. 그리고, 고정층(12) 및 정보 저장층(14)을 SAF 구조로 형성하는 경우 누설 필드(stray field)를 감소시켜 자유층(16)의 제어를 용이하게 할 수 있다. 고정층(12) 및 정보 저장층(14)의 경우 넷 모멘트(net moment)가 상쇄되도록 중간층(12b, 14b) 양쪽의 자성층들의 두께를 대등하게 유지할 수 있다. 자유층(16) 또한 SAF 구조로 형성하는 경우, Hc를 제어할 수 있다. 자유층(16)의 경우, 넷 모멘트의 존재로 외부 자기장에 반응할 수 있도록 중간층(16b) 양쪽의 자성층의 두께를 서로 다르게 형성할 수 있다.
각층의 물질들을 설명하면 다음과 같다. 반강자성층(11)은 주로 Mn을 포함하는 합금을 사용하여 형성되며, 예를 들어 IrMn, FeMn, NiMn 합금 등을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 그리고, 반강자성층(11)은 스위칭 소자 또는 스위칭 소자와 연결된 전극 상에 형성된 것일 수 있다. 스위칭 소자는 예를 들어, 트랜지스터 구조체일 수 있다. 고정층(12)은 반강자성층(11)에 의해 자화 방향이 한 방향으로 고정된 것으로, Co 또는 Fe를 포함하는 강자성 물질로 형성되며, 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 형성된 것일 수 있다. 자유층(16)은 자화 방향이 변경 가능한 것으로 NiFe 또는 CoFe 등의 강자성 물질로 형성된 것일 수 있다. 고정층(12)의 제 1고정 자성층(12a), 제 2고정 자성층(12c), 정보 저장층(14)의 제 1자성층(14a) 및 제 2자성층(14c), 자유층(16)의 제 1자유 자성층(16a) 및 제 2자유 자성층(16c)은 Co 또는 Fe를 포함하는 강자성 물질로 형성되며, 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 형성된 것일 수 있다. 그리고, 중간층(12b, 14b, 16b)은 Ru 또는 Ta를 포함하여 형성된 것일 수 있다.
도 1 및 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 자유층(16)의 자화 방향을 바꾸는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
첫번째 방법은 자유층(16) 상에 쓰기 라인을 형성하여, 쓰기 라인에 전류를 흘려 쓰기 라인에서 발생하는 자기장을 이용하여 자유층(16)의 자화 방향을 조절하는 것이다. 여기서, 자유층(26)은 외부 자기장에 의해 자화 방향을 바꿀 수 있는 정도의 낮은 보자력(coercive force : Hc)을 지닌도록 할 수 있다. 정보 저장층(14)은 자유층(16)보다 높은 보자력을 지니도록 할 수 있다. 쓰기 라인을 포함하는 자기 메모리 소자의 구조를 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 구현예에 의한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 소스(21a) 및 드레인(21b)을 포함하는 기판(20) 상에는 게이트 절연층(22) 및 게이트 전극(23)을 포함하는 트랜지스터 구조체가 형성되어 있다. 트랜지스터 구조체 상에는 제 1층간 절연막(25)이 형성되어 있으며, 드레인(21b)에 대응되는 제 1층간 절연막(25)을 개구하며, 콘택 플러그(24)가 형성되어 있다. 콘택 플러그(24) 상에는 하부 전극(26)이 형성되어 있으며, 하부 전극(26) 상에는 반강자성층(11), 고정층(12), 제 1비자성층(13), 정보 저장층(14), 제 2비자성층(15) 및 자유층(16)의 다층막이 순차적으로 형성되어 있다. 이들 다층막 측부에는 제 2층간 절연막(27)이 형성되어 있다. 자유층(16) 상에는 비트 라인(28)이 형성되어 있으며, 비트 라인(28) 상에는 제 3층간 절연막(29)이 형성되어 있다. 자유층(16)에 대응되는 제 3층간 절연막(29) 상에는 쓰기 라인(30)이 형성되어 있다. 여기서, 고정층(12), 정보 저장층(14) 및 자유층(16)은 SAF 구조로 형성된 것일 수 있다. 쓰기 라인(30)에 흐르는 전류의 방향에 따라 자기장이 발생되며, 발생된 자기장에 의해 자유층(16)의 자화 방향이 변경될 수 있다.
자유층(16)의 자화 방향을 바꾸는 두번째 방법은, 도메인 장벽 이동(domain wall motion) 현상을 이용하는 것이다. 이는 자유층(16) 상에 서로 다른 자화 방향을 지닌 자성층을 형성하여 원하는 자화 방항을 지닌 도메인을 자유층(16) 상으로 이동시킨 다음, 자유층(16) 내로 원하는 자화 방향을 지닌 도메인 이동시키는 것이다. 서로 다른 자화 방향을 지닌 자성층이 포함된 자기 메모리 소자의 구조를 도 4에 나타내었다.
도 8는 본 발명의 구현예에 의한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8을 참조하면, 소스(31a) 및 드레인(31b)을 포함하는 기판(30)이 마련되어 있으며, 소스(31a) 및 드레인(31b)과 접촉하며, 기판(30) 상에는 게이트 절연층(32) 및 게이트 전극(33)층이 형성되어 있다. 이와 같은 트랜지스터 구조체 상에는 제 1층간 절연막(35)이 형성되어 있으며, 드레인(31b)에 대응되는 제 1층간 절연막(35)을 개구하는 콘택 플러그(34)가 형성되어 있다. 콘택 플러그(34) 상에는 하부 전극(36)이 형성되어 있으며, 하부 전극(36) 상에는 반강자성층(11), 고정층(12), 제 1비자성층(13), 정보 저장층(14), 제 2비자성층(15) 및 자유층(16)의 다층막이 순차적으로 형성되어 있다. 이들 다층막 측부에는 제 2층간 절연막(37)이 형성되어 있다. 자유층(16) 및 제 2층간 절연막(37) 상에는 서로 다른 자화 방향을 지닌 도메인을 포함하는 자성층(38)이 형성되어 있다. 여기서, 고정층(12), 정보 저장층(14) 및 자유층(16)은 SAF 구조로 형성된 것일 수 있다.
자성층(38)은 서로 반대 방향의 자화 방향을 지닌 도메인을 포함하고 있으며, 도메인 사이에는 도메인 장벽(W)이 존재한다. 도메인 장벽(W)은 전자의 방향, 즉 전류의 반대 방향으로 이동하는 특성이 있다. 예를 들어, 자유층(16)에 대해 우측 방향의 자화 방향을 지니도록 자화시키고자하는 경우를 설명하면 다음과 같다. 먼저 자성층(38)에 전류를 인가하여 도메인 장벽(W)을 자유층(16) 상의 우측 방향으로 이동시킨다. 따라서, 우측 방향의 자화 방향을 지닌 도메인이 자유층(16) 상에 위치하도록 한다. 그리고, 자성층(38)의 좌측 및 자유층(16)에 전류를 인가하여 자성층(38)의 도메인을 자유층(16)으로 이동시킨다. 반대로 자유층(16) 좌측 방향의 자화 방향을 지니도록 자화시키고자하는 경우에는, 자성층(38)에 전류를 인가하여 도메인 장벽(W)을 자유층(16) 상의 좌측방향으로 이동시킨다. 이에 따라 좌측 방향의 자화 방향을 지닌 도메인이 자유층(16) 상에 위치한다. 그리고, 자성층(38)의 우측 및 자유층(16)에 전류를 인가하여 자성층(38)의 도메인을 자유층(16)으로 이동시킨다.
결과적으로, 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자는 자유층의 자화 방향을 고정층의 자화 방향과 동일 또는 반대 방향으로 조절함으로써, 정보 저장층에 정보를 기록하거나 읽어낼 수 있으며, 이 과정에서의 임계 전류 밀도를 종래 기술에 의한 자기 메모리 소자에 비해 크게 감소시킬 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자는 별도의 버퍼층, 하지층 및 상지층을 더 포함할 수 있으며, 이는 선택적인 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 자기 메모리 소자의 구동 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 고정층 및 정보 저장층을 SAF 구조로 형성한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 정보 저장층 및 자유층을 SAF 구조로 형성한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 SAF 구조로 형성한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 구현예에 의한 자기 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 반강자성층 12... 고정층
13... 제 1비자성층 14... 정보 저장층
15... 제 2비자성층 16... 자유층
20, 30... 기판 21a, 31a... 소스
21b, 31b... 드레인 22, 32... 게이트 절연층
23, 33... 게이트 전극 24, 34... 콘택 플러그
25, 27, 29, 35, 37... 층간 절연막
28... 비트 라인 30... 쓰기 라인

Claims (19)

  1. 자기 메모리 소자에 있어서,
    반강자성층, 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층;
    상기 고정층 상에 형성된 제 1비자성층;
    상기 제 1비자성층 상에 형성된 정보 저장층;
    상기 정보 저장층 상에 형성된 제 2비자성층; 및
    상기 제 2비자성층 상에 형성된 것으로 자화 방향이 변경 가능한 자유층;을 포함하는 자기 메모리 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정보 저장층은 SAF 구조로 형성된 자기 메모리 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정층은 SAF 구조로 형성된 자기 메모리 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 자유층 SAF 구조로 형성된 자기 메모리 소자.
  6. 제 3 항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 SAF 구조는 강자성층, 중간층 및 강자성층을 포함하는 자기 메모리 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 중간층은 Ru 또는 Ta로 형성된 자기 메모리 소자.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2비자성층은 MgO를 포함하여 형성된 자기 메모리 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성층은 스위치 구조체를 포함하는 하부 구조체 상에 형성된 자기 메모리 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층 상에 순차적으로 형성된 비트 라인, 층간 절연막 및 쓰기 라인을 더 포함하는 자기 메모리 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층 상에 형성된 것으로, 서로 자화 방향이 다른 적어도 두개의 도메인을 포함하는 자성층을 더 포함하는 자기 메모리 소자.
  12. 고정층, 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법에 있어서,
    상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 반대 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 기록하며,
    상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 같은 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 읽는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 자유층 상에 형성된 쓰기 라인을 더 포함하며,
    상기 쓰기 라인에 전류를 인가하여 발생된 자기 장에 의해 상기 자유층의 자화 방향을 변경하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 자유층 상에 형성된 것으로, 서로 자화 방향이 다른 적어도 두개의 도메인을 포함하는 자성층을 더 포함하며,
    상기 자성층의 도메인 장벽을 이동시킨 뒤, 상기 자유층의 자화 방향을 변경하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  15. 고정층, SAF 구조의 정보 저장층 및 자유층을 포함하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법에 있어서,
    상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 같은 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 기록하며,
    상기 자유층의 자화 방향을 상기 고정층의 자화 방향과 반대 방향으로 설정한 뒤, 상기 정보 저장층에 정보를 읽는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 자유층 상에 형성된 쓰기 라인을 더 포함하며,
    상기 쓰기 라인에 전류를 인가하여 발생된 자기 장에 의해 상기 자유층의 자화 방향을 변경하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 자유층 상에 형성된 것으로, 서로 자화 방향이 다른 적어도 두개의 도메인을 포함하는 자성층을 더 포함하며,
    상기 자성층의 도메인 장벽을 이동시킨 뒤, 상기 자유층의 자화 방향을 변경 하는 자기 메모리 소자의 정보 쓰기 및 읽기 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 고정층 또는 자유층은 SAF 구조로 형성된 자기 메모리 소자의 정보 읽기 및 쓰기 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 SAF 구조는 강자성층, 중간층 및 강자성층을 포함하는 자기 메모리 소자의 정보 읽기 및 쓰기 방법.
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