KR20100119196A - Magneto-resistance element and semiconductor memory device including the same - Google Patents

Magneto-resistance element and semiconductor memory device including the same Download PDF

Info

Publication number
KR20100119196A
KR20100119196A KR1020090038181A KR20090038181A KR20100119196A KR 20100119196 A KR20100119196 A KR 20100119196A KR 1020090038181 A KR1020090038181 A KR 1020090038181A KR 20090038181 A KR20090038181 A KR 20090038181A KR 20100119196 A KR20100119196 A KR 20100119196A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
tunnel barrier
free magnetization
magnetization layer
barrier layer
Prior art date
Application number
KR1020090038181A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101074203B1 (en
Inventor
정하창
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 하이닉스반도체 filed Critical 주식회사 하이닉스반도체
Priority to KR1020090038181A priority Critical patent/KR101074203B1/en
Publication of KR20100119196A publication Critical patent/KR20100119196A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101074203B1 publication Critical patent/KR101074203B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Abstract

PURPOSE: A magnetic resistance element and a semiconductor memory device including the same are provided to improve a magneto-resistance ratio by suppressing electron scattering on the interface between several layers made of different materials. CONSTITUTION: An anti- ferroelectric material layer(60) is formed on an underlying layer(10). A pinned magnetic layer(20) is formed on the anti- ferroelectric material layer. An insulation layer(30) functioning as a tunnel barrier layer is formed on the pinned magnetic layer. A free magnetic layer(40) is formed on the insulation layer. An electric conductive protection layer(50) is formed on the free magnetic layer.

Description

자기저항소자 및 이를 포함하는 반도체 메모리 소자{MAGNETO-RESISTANCE ELEMENT AND SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE INCLUDING THE SAME}MAGNETO-RESISTANCE ELEMENT AND SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE INCLUDING THE SAME

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 더 자세하게는 자기저항(Magneto-Resistance) 변화를 이용한 자기저항소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a magnetoresistive device using a magneto-resistance change.

현재 널리 사용되고 있는 대표적인 메모리 소자인 디램(DRAM)의 경우, 고속 동작과 고집적이 가능하다는 장점이 있는 반면에, 휘발성 메모리로서 전원이 꺼지면 데이터를 잃게 될 뿐만 아니라 동작 중에도 계속하여 데이터의 리프레쉬(REFRESH)를 통해 재기록해야 하므로 전력 손실 측면에서 큰 단점이 있다. 또한 비휘발성과 고집적을 특징으로 하는 플래쉬(FLASH) 메모리는 동작 속도가 느린 단점이 있다. 이에 대하여, 자기저항 차이를 이용하여 정보를 저장하는 자기저항 메모리(MRAM)는 비휘발성 및 고속 동작의 특성을 가지면서도 고집적이 가능하다는 장점이 있다. DRAM, a widely used memory device, has the advantages of high speed operation and high integration, whereas volatile memory not only loses data when power is turned off, but also continuously refreshes data during operation (REFRESH). There is a big disadvantage in terms of power dissipation since it must be rewritten via. In addition, flash memory, which is characterized by non-volatile and high density, has a disadvantage of slow operation. On the other hand, a magnetoresistive memory (MRAM) for storing information by using magnetoresistance difference has an advantage that it can be highly integrated while having characteristics of nonvolatile and high speed operation.

한편, MRAM은 강자성체 간의 자화(Magnetization) 방향에 따른 자기저항 변 화를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 말한다. 현재 MRAM으로 가장 많이 채용되고 있는 셀(Cell) 구조로는, 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 효과를 이용한 GMR 소자, 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 효과를 이용한 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자 등이 있으며, 이외에도 GMR 소자의 단점을 복하기 위해 강자성층을 영구자석으로 보강하고 자유층을 연자성층으로 채용한 스핀 밸브(Spin-Valve) 소자 등이 있다. 특히, MTJ 소자는 빠른 속도, 저전력을 갖으며, 디램(DRAM)의 커패시터 대용으로 사용되어 저전력 및 고속 그래픽, 모바일 소자에 응용될 수 있다.On the other hand, MRAM refers to a nonvolatile memory device using a change in magnetoresistance according to the magnetization direction between the ferromagnetic material. Cell structures that are most commonly used in MRAMs include GMR devices using Giant Magneto-Resistance (GMR) effects and magnetic tunnel junctions using Tunnel Magneto-Resistance (TMR) effects. (Magnetic Tunnel Junction (MTJ)) devices, etc. In addition, spin-valve devices including a ferromagnetic layer reinforced with a permanent magnet and a free layer used as a soft magnetic layer to overcome the disadvantages of the GMR device. In particular, the MTJ device has a high speed and low power, and is used as a substitute for a capacitor of a DRAM and thus may be applied to low power and high speed graphics and mobile devices.

일반적으로, 자기저항소자는 두 자성층의 스핀 방향(즉, 자기모멘텀의 방향)이 같은 방향이면 저항이 작고 스핀 방향이 반대이면 저항이 크다. 이와 같이 자성층의 자화 상태에 따라 셀의 저항이 달라지는 사실을 이용하여 자기저항 메모리 소자에 비트 데이터를 기록할 수 있다. MTJ 구조의 자기저항 메모리를 예로 하여 설명하면, 강자성층/절연층/강자성층 구조의 MTJ 메모리 셀에서 첫번째 강자성체층을 지나가는 전자가 터널링 장벽(Tunneling Barrier)으로 사용된 절연층을 통과할 때 두번째 강자성체층의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라진다. 즉, 두 강자성층의 자화방향이 평행일 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반평행할 경우 최소가 되므로, 예를 들면, 저항이 클 때 데이터 '1'(또는 '0')이, 그리고 저항이 작을 때 데이터 '0'(또는 '1')이 기록된 것으로 간주할 수 있다. 여기서, 두 강자성층 중 한 층은 자화 방향이 고정된 고정자화층으로, 그리고 나머지 하나는 외부 자기장 또는 전류에 의해 자화 방향이 반전되는 자유자화층이라 칭한다.In general, the magnetoresistive element has a small resistance when the two magnetic layers have the same spin direction (that is, the direction of the magnetic momentum), and a larger resistance when the spin directions are opposite. As described above, the bit data can be written in the magnetoresistive memory device by using the fact that the resistance of the cell varies depending on the magnetization state of the magnetic layer. In the case of the MTJ-structured magnetoresistive memory as an example, in a MTJ memory cell having a ferromagnetic layer / insulation layer / ferromagnetic layer structure, electrons passing through the first ferromagnetic layer pass through an insulating layer used as a tunneling barrier. The tunneling probability depends on the magnetization direction of the layer. That is, the tunneling current is maximum when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel, and minimum when they are antiparallel. For example, when the resistance is large, the data '1' (or '0') and the resistance are When small, data '0' (or '1') can be regarded as recorded. Here, one of the two ferromagnetic layers is referred to as a stator magnetization layer in which the magnetization direction is fixed, and the other is called a free magnetization layer in which the magnetization direction is reversed by an external magnetic field or current.

한편, 자기저항소자는 두 강자성층 사이에서의 자기 배열에 따라 터널링 전류의 큰 자기저항 변화를 가져오며, 자기저항소자가 산업상으로 그 응용이 가능하기 위해서(특히 메모리 소자로서 응용되기 위해서는), 고정자화층의 전자 스핀 방향과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 동일하거나 반대인 두가지 경우에서 전기 전도도의 차이가 커야 한다. 구체적으로는, 고정자화층과 자유자화층 사이의 얇은 절연층을 통해 전류가 흐를 때 고정자화층과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 같은 경우와 반대인 경우의 자기저항비(Magneto-Resistance Ratio)가 커야 한다. 그러나, 종래의 자기저항소자는 적층된 층들 사이의 계면에서 전자 터널링시 산란이 발생하며, 이 때문에 큰 자기저항비를 가진 자기저항소자를 얻는 데 어려움이 있다.On the other hand, the magnetoresistive element causes a large magnetoresistance change of the tunneling current according to the magnetic arrangement between the two ferromagnetic layers, and in order for the magnetoresistive element to be industrially applicable (particularly as a memory element), The difference in electrical conductivity must be large in two cases where the electron spin direction of the stator magnetization layer and the electron spin direction of the free magnetization layer are the same or opposite. Specifically, when the current flows through the thin insulating layer between the stator magnetization layer and the free magnetization layer, the magneto-Resistance Ratio when the direction of electron spin of the stator magnetization layer and the free magnetization layer is opposite to the same case. Should be large. However, in the conventional magnetoresistive element, scattering occurs during electron tunneling at the interface between the stacked layers, which makes it difficult to obtain a magnetoresistive element having a large magnetoresistance ratio.

본 발명은 서로 다른 재질의 여러 층들 사이의 계면에서의 전자 산란을 억제함으로써 자기저항비를 개선한 자기저항소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element having an improved magnetoresistance ratio by suppressing electron scattering at an interface between various layers of different materials.

아울러, 본 발명의 다른 목적은, 자기저항비가 개선된 자기저항소자를 채용하며 보다 신뢰성이 향상된 자기저항 메모리 소자를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a magnetoresistive memory device having improved reliability by employing a magnetoresistive element having an improved magnetoresistance ratio.

본 발명에 따른 자기저항소자는, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층 및 자유자화층; 고정자화층과 자유자화층 사이에 개재되고 MgO로 형성된 터널장벽층; 및 자유자화층 상부에 형성되고 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향을 갖는 전기전도성의 보호층;을 포함하여 구성된다. 여기서, 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성될 수 있다.The magnetoresistive element according to the present invention includes a stator magnetization layer and a free magnetization layer formed of CoFeB or CoFeSiB; A tunnel barrier layer interposed between the stator magnetization layer and the free magnetization layer and formed of MgO; And an electrically conductive protective layer formed on the free magnetization layer and having the same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer. The protective layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru, and Ta.

특히, 본 발명에 따른 자기저항소자에서는, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성될 수 있다. 나아가, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.In particular, in the magnetoresistive element according to the present invention, the tunnel barrier layer, the free magnetization layer and the protective layer may all be formed to have the same crystal orientation. Further, the {001} crystal directions of each of the tunnel barrier layer, the free magnetization layer, and the protective layer may be formed perpendicular to the direction of the current flowing through the magnetoresistive element.

본 발명에 따른 자기저항 메모리 소자는, 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터로 구성된 자기저항 메모리 소자로서, 자기터널접합 소자가 CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층 및 자유자화층; 고정자화층과 자유자화층 사이 에 개재되고 MgO로 형성된 터널장벽층; 및 자유자화층 위에 형성되며 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향을 갖는 보호층;을 포함하여 구성된다. 여기서, 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성될 수 있다. 또한, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성될 수 있으며, 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.A magnetoresistive memory device according to the present invention includes a magnetoresistive memory device in which a memory cell is composed of a magnetic tunnel junction element and a selection transistor, the stator magnetization layer and free magnetization layer in which the magnetic tunnel junction element is formed of CoFeB or CoFeSiB; A tunnel barrier layer interposed between the stator magnetization layer and the free magnetization layer and formed of MgO; And a protective layer formed on the free magnetization layer and having the same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer. The protective layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru, and Ta. In addition, the tunnel barrier layer, the free magnetization layer and the protective layer may all be formed to have the same crystal orientation, and each {001} crystal direction may be formed perpendicular to the direction of the current flowing through the magnetoresistive element. have.

본 발명에 따른 자기저항소자는, 소자를 구성하는 여러 층들, 특히 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성되므로, 에피택시한 결정구조로 구성되며, 그 결과 터널링 전류가 자기저항소자를 통해 흐를 때 각 층들 사이의 계면에서의 전자 산란이 억제될 수 있으므로 높은 자기저항비를 나타내게 된다. 이를 통해 자기저항소자를 이용한 자기저항 메모리 소자의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.The magnetoresistive element according to the present invention has an epitaxial crystal structure since several layers constituting the element, in particular, the tunnel barrier layer, the free magnetization layer, and the protective layer are all formed to have the same crystal orientation, and as a result, the tunneling current When the electron flows through the magnetoresistive element, electron scattering at the interface between the layers can be suppressed, resulting in a high magnetoresistance ratio. Through this, the reliability of the magnetoresistive memory device using the magnetoresistive device can be further improved.

특히, 본 발명에 따른 자기저항소자는 자기저항을 이용하는 다양한 산업분야, 예컨대 자기저항 메모리 소자 이외에도, 자기저항을 판독하여 정보를 파악하는 센서 등에도 다양하게 이용될 수 있다.In particular, the magnetoresistive element according to the present invention can be used in various industrial fields using magnetoresistance, for example, in addition to the magnetoresistive memory element, a sensor for reading information by reading the magnetoresistance and the like.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요 소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 자기저항소자를 설명한다. 참고로 도 1은 본 발명에 따른 자기저항소자의 단면 구조를 도시한다. 도 1에서 보듯이, 맨 아래에 하지층(10)이 배치되고, 그 위로 고정자화층(Pinned Magnetic Layer; 20), 터널장벽층으로 기능하는 절연층(30) 및 자유자화층(Free Magnetic Layer; 40)이 순차적으로 적층된다. 아울러, 자유자화층(40)의 상부에는 전기전도성의 보호층(50)이 형성된다. 선택적으로, 하지층(10) 및 고정자화층(20) 사이에는 반강자성층(60)이 개재될 수 있다.First, a magnetoresistive element according to the present invention will be described with reference to FIG. 1. For reference, Figure 1 shows a cross-sectional structure of a magnetoresistive element according to the present invention. As shown in FIG. 1, a base layer 10 is disposed at a bottom thereof, and a pinned magnetic layer 20 is disposed thereon, an insulating layer 30 serving as a tunnel barrier layer, and a free magnetic layer. 40) are sequentially stacked. In addition, an electrically conductive protective layer 50 is formed on the free magnetization layer 40. Optionally, an antiferromagnetic layer 60 may be interposed between the base layer 10 and the stator magnetization layer 20.

여기서, 본 발명에 따른 자기저항소자에서, 터널장벽층(30)은 MgO 박막으로 형성될 수 있다. 특히, MgO의 결정구조는 체심입방구조(Body Centered Structure; BCC)를 가지며, 본 발명에 따른 자기저항소자에 적용함에 있어서 MgO의 결정 배향 의 {001} 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대해 수직하게 형성될 수 있다.Here, in the magnetoresistive element according to the present invention, the tunnel barrier layer 30 may be formed of an MgO thin film. In particular, the crystal structure of MgO has a body centered structure (BCC), and when applied to the magnetoresistive element according to the present invention, the {001} direction of the crystallographic orientation of MgO flows through the magnetoresistive element. It may be formed perpendicular to the direction.

아울러, 고정자화층(20) 및 자유자화층(40)은 CoFeB[CoXFeYB(1-X-Y)] 또는 CoFeSiB로 이루어진 강자성층으로 형성될 수 있다. 특히, 고정자화층(20)은 단층 의 강자성층으로 형성될 수도 있고, 도 1에서 보듯이, 두개의 강자성층(21)과, 이 두개의 강자성층(21) 사이에 예컨대 Ru층과 같은 비자성층(23)이 개재된 구조자화층(Synthetic anti-ferromagnet; SAF)으로 형성될 수도 있다. 이와 같은 구조자화층을 고정자화층(20)으로 이용하면, Ru층(23)을 경계로 두 강자성층(21)이 생성하는 반평행 상태의 필드(Field)가 서로 자화 반전되는 것을 막아주게 된다. 아울러, 고정자화층(20)은 자유자화층(40)이 자화반전되는 영역에서는 자화반전되지 않는 전류밀도 또는 자기장 영역이 존재하며, 따라서 자유자화층(40)이 자화반전되더라도 고정자화층(20)은 자화반전되지 않을 수 있다. In addition, the stator magnetization layer 20 and the free magnetization layer 40 may be formed of a ferromagnetic layer made of CoFeB [Co X Fe Y B (1-XY) ] or CoFeSiB. In particular, the stator magnetization layer 20 may be formed of a single layer ferromagnetic layer, and as shown in FIG. 1, between the two ferromagnetic layers 21 and the two ferromagnetic layers 21, such as a Ru layer, for example. The layer 23 may be formed of a synthetic anti-ferromagnet (SAF). When the structure magnetization layer is used as the stator magnetization layer 20, the antiparallel fields generated by the two ferromagnetic layers 21 around the Ru layer 23 are prevented from magnetizing and inverting each other. . In addition, in the region where the free magnetization layer 40 is magnetized inverted, the stator magnetized layer 20 has a current density or a magnetic field region that is not magnetized inverted. ) May not be magnetized.

고정자화층(20)의 자화반전을 억제하기 위한 또 다른 방법으로, 하지층(10) 및 고정자화층(20) 사이에 반강자성층(60)을 개재할 수도 있다. 여기서, 반강자성층(60)은, 고정자화층(20)의 자화반전에 필요한 자기장 또는 임계전류밀도의 영역을 자유자화층(40)과 완전히 분리함으로써, 실제 사용 범위에 해당되는 외부 자기장 또는 전류 영역에서는 고정자화층(20)의 자화 반전이 일어나지 않고 자유자화층(40)만 자화 반전이 가능하게 한다. 이러한 반강자성층(60)은, MnFe, MnIr, MnRh, PtMn 및 Ru를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다.As another method for suppressing magnetization reversal of the stator magnetization layer 20, an antiferromagnetic layer 60 may be interposed between the base layer 10 and the stator magnetization layer 20. Here, the antiferromagnetic layer 60 completely separates the magnetic field or the region of the critical current density necessary for the magnetization reversal of the stator magnetization layer 20 from the free magnetization layer 40, thereby providing an external magnetic field or current corresponding to the actual use range. In the region, the magnetization reversal of the stator magnetization layer 20 does not occur, and only the free magnetization layer 40 is capable of magnetization reversal. The antiferromagnetic layer 60 may be formed of at least one material selected from the group consisting of MnFe, MnIr, MnRh, PtMn, and Ru.

한편, MgO 터널장벽층(30)의 상부 및 하부에 배치된 자유자화층(40) 및 고정자화층(20)은 CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성되며, 이들 재료들은 열처리 이전 증착 상태에서는 비정질의 합금이다. 본 발명에 따른 자기저항소자의 제조시 고정자화층(20), 터널장벽층(30), 자유자화층(40) 및 보호층(50)을 차례로 적층한 후, 열처 리 공정을 통해 비정질의 CoFeB 또는 CoFeSiB 층이 터널장벽층(30)인 MgO층과 동일한 결정 배향으로 결정화가 이루어진다. 여기서, 비정질의 자유자화층(40)의 결정화가 이루어질 때 하부의 터널장벽층(30) 및 보호층(50)의 결정 배향의 영향을 함께 받는다. 따라서, 보호층(50)의 결정 배향을 터널장벽층(30)인 MgO층의 결정 배향과 동일하게 함으로써 자유자화층(40)의 결정 배향이 층 전체를 통해 균일하게 이루어질 수 있다.Meanwhile, the free magnetization layer 40 and the stator magnetization layer 20 disposed above and below the MgO tunnel barrier layer 30 are formed of CoFeB or CoFeSiB, and these materials are amorphous alloys in the deposition state before heat treatment. In the manufacturing of the magnetoresistive device according to the present invention, after laminating the stator magnetization layer 20, the tunnel barrier layer 30, the free magnetization layer 40, and the protective layer 50, the amorphous CoFeB is thermally processed. Alternatively, crystallization is performed in the same crystal orientation as the MgO layer in which the CoFeSiB layer is the tunnel barrier layer 30. Here, when the amorphous free magnetization layer 40 is crystallized, the crystallographic orientations of the lower tunnel barrier layer 30 and the protective layer 50 are influenced together. Therefore, by making the crystal orientation of the protective layer 50 the same as that of the MgO layer, which is the tunnel barrier layer 30, the crystal orientation of the free magnetization layer 40 may be uniformly formed throughout the entire layer.

보다 자세하게는, 보호층(50)은 전기전도도가 우수한 재료, 예컨대 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성된 것이 바람직하며, 이들 전도성 재료들을 형성할 때 에피택시 성장법을 통해 터널장벽층(30)과 동일한 결정 배향을 갖도록 형성한다. 예컨대, 보호층(50)의 {001} 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대해 수직하게 형성된다. 여기서, 결정 배향이 동일하다는 의미는, 보호층으로 선택된 전도성 재료가 MgO와 같이 체심입방구조(BCC)가 아닌 경우에도, 즉 예컨대 면심입방구조(Face Centered Structure; FCC)를 갖더라도 그 결정 배향 중 {001} 방향이 MgO의 {001} 방향과 동일한 방향임을 의미한다. In more detail, the protective layer 50 is preferably formed of at least one selected from the group consisting of materials having excellent electrical conductivity, such as Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru, and Ta. When forming, the same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer 30 is formed through the epitaxy growth method. For example, the {001} direction of the protective layer 50 is formed perpendicular to the direction of the current flowing through the magnetoresistive element. Here, the same crystal orientation means that even if the conductive material selected as the protective layer is not a body centered cubic structure (BCC) such as MgO, that is, even if it has a face centered structure (FCC), for example It means that the {001} direction is the same as the {001} direction of MgO.

위와 같이 보호층(50)의 결정 배향을 터널장벽층(30)의 결정 배향과 동일하게 형성하면, 자유자화층(40)의 열처리 공정시 비정질의 CoFeB 또는 CoFeSiB가 결정화될 때, 상부의 보호층(50) 및 하부의 터널장벽층(30)의 결정 배향의 영향을 받아서 그와 동일한 결정 배향으로 형성된다. 즉, 자유자화층(40)이 결정화 될 때, 자유자화층(40)의 하부 영역은 터널장벽층(30)의 영향을 받으며 상부 영역은 보호 층(50)의 영향을 받게 되며, 이때 터널장벽층(30)과 보호층(50)이 모두 동일한 결정 배향으로 형성되어 있으므로 자유자화층(40)은 층 전체를 통해 터널장벽층(30) 및 보호층(50)의 결정 배향과 동일하게 결정화된다. 그러므로, 터널장벽층(30)과 동일한 결정 배향을 갖는 보호층(50)을 통해 결정성이 균일한 자유자화층(40)을 얻을 수 있다. 이러한 구조의 자기저항소자는 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 에피택시한 구조로 형성되며, 그 결과 터널장벽층과 자유자화층 사이의 전자 산란을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리하여, 높은 자기저항비를 갖는 자기저항소자의 구현이 가능하게 된다. 참고로, 도 2는 본 발명에 따라 형성한 자기저항소자에서 MgO 터널장벽층과 CoFeB 자유자화층의 결정 배향이 동일하게 형성된 상태를 나타낸 투과전자현미경의 이미지이다. 도 2에서 보듯이, 자유자화층인 CoFeB 자성층은 열처리 공정을 통해 MgO로 형성된 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향으로 결정화된다.If the crystal orientation of the protective layer 50 is formed to be the same as the crystal orientation of the tunnel barrier layer 30 as described above, when amorphous CoFeB or CoFeSiB is crystallized during the heat treatment process of the free magnetization layer 40, the upper protective layer Under the influence of the crystal orientation of the 50 and the lower tunnel barrier layer 30, it is formed in the same crystal orientation. That is, when the free magnetization layer 40 is crystallized, the lower region of the free magnetization layer 40 is affected by the tunnel barrier layer 30, and the upper region is affected by the protective layer 50. Since both the layer 30 and the protective layer 50 are formed in the same crystal orientation, the free magnetization layer 40 crystallizes in the same manner as the crystal orientations of the tunnel barrier layer 30 and the protective layer 50 through the entire layer. . Therefore, the free magnetization layer 40 with uniform crystallinity can be obtained through the protective layer 50 having the same crystal orientation as the tunnel barrier layer 30. The magnetoresistive element having such a structure is formed in a structure in which the tunnel barrier layer, the free magnetization layer and the protective layer are epitaxy, and as a result, it is possible to effectively suppress the electron scattering between the tunnel barrier layer and the free magnetization layer. Thus, it is possible to implement a magnetoresistive element having a high magnetoresistance ratio. For reference, FIG. 2 is an image of a transmission electron microscope showing a state in which crystal orientations of the MgO tunnel barrier layer and the CoFeB free magnetization layer are formed in the same in the magnetoresistive element formed according to the present invention. As shown in FIG. 2, the CoFeB magnetic layer, which is a free magnetization layer, is crystallized in the same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer formed of MgO through a heat treatment process.

본 발명에 따른 자기저항소자는, 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터(예컨대, MOSFET)로 구성된 자기저항 메모리 소자에 응용될 수 있으며, 여기서, 자기터널접합 소자를 본 발명에 따른 자기저항소자로 형성하면, 높은 자기저항비를 가진 자기터널접합 소자를 구현할 수 있다. 특히, 자기저항 메모리 소자에서, 전류가 자기저항소자를 통과할 때 보호층과 자유자화층 사이의 계면 및 자유자화층과 터널장벽층 사이의 계면에서 발생되는 전자의 산란이 억제될 수 있으며, 그에 따라 자기저항소자의 자기저항비가 크게 향상되므로 보다 신뢰성이 높은 자기저 항 메모리 소자를 구현할 수 있다.The magnetoresistive element according to the present invention can be applied to a magnetoresistive memory element in which a memory cell is composed of a magnetic tunnel junction element and a selection transistor (for example, a MOSFET), wherein the magnetic tunnel junction element is a magnetoresistive element according to the present invention. If formed, it is possible to implement a magnetic tunnel junction element having a high magnetoresistance ratio. In particular, in the magnetoresistive memory element, scattering of electrons generated at the interface between the protective layer and the free magnetization layer and the interface between the free magnetization layer and the tunnel barrier layer when a current passes through the magnetoresistive element can be suppressed. Accordingly, since the magnetoresistance ratio of the magnetoresistive element is greatly improved, a more reliable magneto-resistive memory element can be realized.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 자기저항소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따라 형성한 자기저항소자에서 MgO 터널장벽층과 CoFeB 자유자화층의 결정 배향이 동일하게 형성된 상태를 나타낸 투과전자현미경의 이미지이다.2 is an image of a transmission electron microscope showing a state in which crystal orientations of the MgO tunnel barrier layer and the CoFeB free magnetization layer are formed in the same according to the present invention.

< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of the code | symbol about the principal part of drawings>

10: 하지층 20: 고정자화층10: base layer 20: stator magnetization layer

30: 절연층 40: 자유자화층30: insulating layer 40: free magnetization layer

50: 보호층 60: 반강자성층50: protective layer 60: antiferromagnetic layer

Claims (8)

CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층 및 자유자화층;A stator magnetization layer and a free magnetization layer formed of CoFeB or CoFeSiB; 상기 고정자화층과 상기 자유자화층 사이에 개재되고 MgO로 형성된 터널장벽층; 및A tunnel barrier layer interposed between the stator magnetization layer and the free magnetization layer and formed of MgO; And 상기 자유자화층 상부에 형성되고 상기 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향을 갖는 전기전도성의 보호층;을 포함하는 자기저항소자.And an electrically conductive protective layer formed on the free magnetization layer and having the same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항소자.The protective layer is a magnetoresistive element, characterized in that formed at least one selected from the group consisting of Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru and Ta. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 모두 동일한 결정 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항소자.And the tunnel barrier layer, the free magnetization layer, and the protective layer all have the same crystal orientation. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직한 것을 특징으로 하는 자기저항소자.And the {001} crystal direction of each of the tunnel barrier layer, the free magnetization layer, and the protective layer is perpendicular to the direction of the current flowing through the magnetoresistive element. 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터로 구성된 자기저항 메모리 소자에 있어서,In a magnetoresistive memory element in which the memory cell is composed of a magnetic tunnel junction element and a selection transistor, 상기 자기터널접합 소자는, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층 및 자유자화층; 상기 고정자화층과 상기 자유자화층 사이에 개재되고 MgO로 형성된 터널장벽층; 및 상기 자유자화층 위에 형성되며 상기 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향을 갖는 보호층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.The magnetic tunnel junction element includes a stator magnetization layer and a free magnetization layer formed of CoFeB or CoFeSiB; A tunnel barrier layer interposed between the stator magnetization layer and the free magnetization layer and formed of MgO; And a protective layer formed on the free magnetization layer and having a same crystal orientation as that of the tunnel barrier layer. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, 상기 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.The protective layer is a magnetoresistive memory device, characterized in that formed at least one selected from the group consisting of Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru and Ta. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 모두 동일한 결정 배향 을 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.And the tunnel barrier layer, the free magnetization layer and the protective layer all have the same crystal orientation. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직한 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.The {001} crystal direction of each of the tunnel barrier layer, the free magnetization layer, and the protective layer is perpendicular to the direction of the current flowing through the magnetoresistive element.
KR1020090038181A 2009-04-30 2009-04-30 Magneto-resistance element KR101074203B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090038181A KR101074203B1 (en) 2009-04-30 2009-04-30 Magneto-resistance element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090038181A KR101074203B1 (en) 2009-04-30 2009-04-30 Magneto-resistance element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100119196A true KR20100119196A (en) 2010-11-09
KR101074203B1 KR101074203B1 (en) 2011-10-14

Family

ID=43405296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090038181A KR101074203B1 (en) 2009-04-30 2009-04-30 Magneto-resistance element

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101074203B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9236105B2 (en) 2013-03-15 2016-01-12 Samsung Electornics Co., Ltd. Magnetic memory devices and methods of writing data to the same

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102277490B1 (en) 2014-07-18 2021-07-14 삼성전자주식회사 Magnetic Memory Device and Method for fabricating the same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2008155995A1 (en) * 2007-06-19 2010-08-26 キヤノンアネルバ株式会社 Tunnel magnetoresistive thin film and magnetic multilayer film manufacturing apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9236105B2 (en) 2013-03-15 2016-01-12 Samsung Electornics Co., Ltd. Magnetic memory devices and methods of writing data to the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR101074203B1 (en) 2011-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9343658B2 (en) Magnetic memory bits with perpendicular magnetization switched by current-induced spin-orbit torques
US9019758B2 (en) Spin-transfer torque magnetic random access memory with perpendicular magnetic anisotropy multilayers
KR101338050B1 (en) Method of switching out-of-plane magnetic tunnel junction cells
US7110287B2 (en) Method and system for providing heat assisted switching of a magnetic element utilizing spin transfer
JP6090800B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory
US8345471B2 (en) Magneto-resistance element and semiconductor memory device including the same
JP5788001B2 (en) Method and system for providing a magnetic tunneling junction element having biaxial anisotropy
US7936627B2 (en) Magnetoresistance effect element and MRAM
US11776726B2 (en) Dipole-coupled spin-orbit torque structure
US7848137B2 (en) MRAM and data read/write method for MRAM
US10483459B2 (en) Magnetic memory
US9680088B2 (en) Ferromagnetic tunnel junction element and method of driving ferromagnetic tunnel junction element
KR101584747B1 (en) Magnetic memory device
KR20080060143A (en) Storage element and memory
JP5987613B2 (en) Storage element, storage device, magnetic head
CN102280136A (en) magnetic memory element and magnetic memory device
US20190189912A1 (en) Structures Enabling Voltage Control of Oxidation Within Magnetic Heterostructures
US20190067367A1 (en) Nonvolatile memory device and method of manufacturing nonvolatile memory device
US9991314B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory
US20140022838A1 (en) Magnentic resistance memory apparatus having multi levels and method of driving the same
JP2006295001A (en) Storage element and memory
KR101074203B1 (en) Magneto-resistance element
KR101144211B1 (en) Magneto-resistance element
KR20150009664A (en) Magnetic tunnel junction structure having perpendicular magnetic anisotropy and magnetic device including the same
KR20150009665A (en) Ferromagnetic multilayer thin film having perpendicular magnetic anisotropy and magnetic tunnel junction structure and magnetic device including the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee