KR20110035538A - Magnetic memory devices - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A magnetic memory device is provided to improve the magneto-resistance ratio and vertical magnetization property of a magnetic tunnel junction by interposing a nonmagnetic layer between a vertical magnetic layer and a junction magnetic layer. CONSTITUTION: In a magnetic memory device, a tunnel barrier(145) is formed on a substrate(100). A first junction magnetic layer(141) is contacted with one side of the tunnel barrier. The first vertical magnetic layer(123) is separated from the tunnel barrier. A second junction magnetic layer(149) is contacted with one side of the tunnel barrier. The second vertical magnetic layer(163) is separated with the tunnel barrier. A non-magnetic layer(130) is formed between the first junction magnetic layer and the first vertical magnetic layer.

Description

자기 메모리 소자{MAGNETIC MEMORY DEVICES}Magnetic memory device {MAGNETIC MEMORY DEVICES}

본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자기 메모리 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a memory device, and more particularly to a magnetic memory device.

전자 기기의 고속화, 저소비전력화에 따라 이에 내장되는 메모리 소자 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족하는 기억 소자로 자기 메모리 소자가 연구되고 있다. 자기 메모리 소자는 고속동작 및/또는 비휘발성의 특성을 가질 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다. As the speed of electronic devices increases and the power consumption decreases, the memory devices embedded therein also require fast read / write operations and low operating voltages. Magnetic memory devices have been studied as memory devices that meet these requirements. Magnetic memory devices can be characterized by high-speed operation and / or non-volatile characteristics, which are attracting attention as next-generation memories.

일반적으로 알려진 자기 메모리 소자는 자기터널접합패턴(Magnetic Tunnel Junction pattern:MTJ)을 포함할 수 있다. 자기터널접합 패턴은 두 개의 자성체와 그 사이에 개재된 절연막에 의해 형성되는 것으로, 두 자성체의 자화 방향에 따라 상기 자기터널접합 패턴의 저항값이 달라질 수 있다. 구체적으로, 두 자성체의 자화 방향이 반평행할 때 자기터널접합패턴은 큰 저항값을 갖고, 두 자성체의 자화 방향이 평행한 경우 자기터널접합패턴은 작은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값의 차이를 이용하여 데이터를 기입/판독할 수 있다. Generally known magnetic memory devices may include a magnetic tunnel junction pattern (MTJ). The magnetic tunnel junction pattern is formed by two magnetic bodies and an insulating layer interposed therebetween, and the resistance value of the magnetic tunnel junction pattern may vary according to the magnetization direction of the two magnetic bodies. Specifically, when the magnetization directions of two magnetic bodies are antiparallel, the magnetic tunnel junction pattern has a large resistance value, and when the magnetization directions of the two magnetic bodies are parallel, the magnetic tunnel junction pattern may have a small resistance value. This difference in resistance value can be used to write / read data.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 신뢰성이 향상된 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic memory device with improved reliability.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 자기저항비가 높은 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다. One technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic memory device having a high magnetoresistance ratio.

상술한 과제를 해결하기 위한 자기 메모리 소자들이 제공된다. Magnetic memory elements for solving the above problems are provided.

본 발명의 제1 실시예들에 따른 자기 메모리 소자는, 기판 상의 터널 베리어, 상기 터널 베리어의 일 면과 접하는 제1 접합 자성층과 상기 제1 접합 자성층에 의해 상기 터널 베리어와 이격되는 제1 수직 자성층, 상기 터널 베리어의 다른 면과 접하는 제2 접합 자성층과 상기 제2 접합 자성층에 의해 상기 터널 베리어와 이격되는 제2 수직 자성층, 및 상기 제1 접합 자성층과 상기 제1 수직 자성층 사이의 비자성층을 포함할 수 있다. In an embodiment, a magnetic memory device includes a tunnel barrier on a substrate, a first junction magnetic layer contacting one surface of the tunnel barrier, and a first vertical magnetic layer spaced apart from the tunnel barrier by the first junction magnetic layer. A second junction magnetic layer in contact with the other surface of the tunnel barrier and a second vertical magnetic layer spaced apart from the tunnel barrier by the second junction magnetic layer, and a nonmagnetic layer between the first junction magnetic layer and the first vertical magnetic layer. can do.

일 실시예에서, 상기 자기 메모리 소자의 동작시, 상기 제1 수직 자성층과 상기 제2 수직 자성층의 자화방향은 상기 기판 평면에 수직할 수 있다. In an embodiment, in operation of the magnetic memory device, a magnetization direction of the first vertical magnetic layer and the second vertical magnetic layer may be perpendicular to the substrate plane.

일 실시예에서, 상기 제2 접합 자성층과 상기 제2 수직 자성층 사이의 다른 비자성층을 더 개재될 수 있다. In one embodiment, another nonmagnetic layer between the second junction magnetic layer and the second vertical magnetic layer may be further interposed.

일 실시예에서, 상기 제1 접합 자성층 및/또는 제2 접합 자성층은 제1 결정구조를 갖고, 상기 제1 수직 자성층 및/또는 제2 수직 자성층은 상기 제1 결정구조와 상이한 제2 결정구조를 가질 수 있다. In an embodiment, the first junction magnetic layer and / or the second junction magnetic layer have a first crystal structure, and the first vertical magnetic layer and / or the second vertical magnetic layer have a second crystal structure different from the first crystal structure. Can have

일 실시예에서, 상기 터널 베리어와 상기 제1 접합 자성층 사이의 계면에서의 상기 터널 베리어의 결정면은 상기 계면에서의 상기 제1 접합 자성층의 결정면과 동일할 수 있다. 상기 제1 결정구조는 NaCl형 결정구조 또는 BCC 결정구조이고, 상기 결정면들은 <001> 결정면일 수 있다. In one embodiment, the crystal surface of the tunnel barrier at the interface between the tunnel barrier and the first junction magnetic layer may be the same as the crystal surface of the first junction magnetic layer at the interface. The first crystal structure may be a NaCl type crystal structure or a BCC crystal structure, and the crystal planes may be <001> crystal planes.

일 실시예에서, 상기 제2 결정구조는 L10 결정구조, FCC 결정구조 또는 조밀육방격자일 수 있다. In one embodiment, the second crystal structure may be an L10 crystal structure, an FCC crystal structure or a dense hexagonal lattice.

일 실시예에서, 상기 제1 수직 자성층 및/또는 상기 제2 수직 자성층은 RE-TM합금을 포함할 수 있다. In one embodiment, the first vertical magnetic layer and / or the second vertical magnetic layer may comprise a RE-TM alloy.

일 실시예에서, 상기 제1 수직 자성층 및/또는 상기 제2 수직 자성층은 교대로 복수회 적층된 비자성 금속층들 및 강자성 금속층들을 포함하되, 상기 강자성 금속층들은 1 내지 수 원자개의 두께를 가질 수 있다. In an embodiment, the first vertical magnetic layer and / or the second vertical magnetic layer may include nonmagnetic metal layers and ferromagnetic metal layers alternately stacked a plurality of times, and the ferromagnetic metal layers may have a thickness of 1 to several atomic atoms. .

일 실시예에서, 상기 제1 접합 자성층 및/또는 상기 제2 접합 자성층은 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금 자성물질을 포함하되, 상기 합금 자성물질은 비자성 원소를 더 포함할 수 있다. In some embodiments, the first junction magnetic layer and / or the second junction magnetic layer may include an alloy magnetic material including at least one selected from cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). The substance may further comprise a nonmagnetic element.

일 실시예에서, 상기 비자성층은 2 내지 20Å의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the nonmagnetic layer may have a thickness of 2 to 20Å.

일 실시예에서, 상기 비자성층은 비자성 금속 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 비자성 금속은 비자성 전이 금속 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. In one embodiment, the nonmagnetic layer may comprise at least one selected from nonmagnetic metals. The nonmagnetic metal may be at least one selected from nonmagnetic transition metals.

일 실시예에서, 상기 제1 수직 자성층 및 상기 제1 접합 자성층은 상기 비자성층에 의해 교환결합될 수 있다. In one embodiment, the first vertical magnetic layer and the first junction magnetic layer may be exchange coupled by the nonmagnetic layer.

일 실시예에서, 상기 비자성층은 상기 비자성층의 상부면 및/또는 하부면과 접하는 금속 화합물층을 더 포함하되, 상기 금속 화합물층은 금속 산화물, 금속 질화물 및 금속 산질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. In one embodiment, the nonmagnetic layer further comprises a metal compound layer in contact with the top and / or bottom surface of the nonmagnetic layer, the metal compound layer may include at least one selected from metal oxides, metal nitrides and metal oxynitrides. have.

본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 메모리 소자는, 기판 상의 터널 베리어,상기 터널 베리어의 일 면과 접하되 상기 기판 평면과 평행한 평면을 갖는 자유 자성층, 및 상기 터널 베리어의 다른 면과 접하되 상기 기판 평면과 평행한 평면을 갖는 기준 자성층을 포함한다. 상기 자유 자성층 및 상기 기준 자성층은 철(Fe)을 포함하고, 상기 자유 자성층의 철(Fe)의 함량은 상기 기준 자성층의 철(Fe)의 함량보다 크거나 같을 수 있다. A magnetic memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention may include a tunnel barrier on a substrate, a free magnetic layer in contact with one surface of the tunnel barrier and having a plane parallel to the substrate plane, and another surface of the tunnel barrier. And a reference magnetic layer having a plane parallel to the substrate plane. The free magnetic layer and the reference magnetic layer may include iron (Fe), and the content of iron (Fe) of the free magnetic layer may be greater than or equal to the content of iron (Fe) of the reference magnetic layer.

일 실시예에서, 상기 자유 자성층 내의 상기 철(Fe)의 함량은 40 내지 60 at. %일 수 있다. In one embodiment, the iron (Fe) content in the free magnetic layer is 40 to 60 at. May be%.

일 실시예에서, 상기 자유 자성층 및/또는 상기 기준 자성층은 Co 및 Ni 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the free magnetic layer and / or the reference magnetic layer may further include at least one selected from Co and Ni.

일 실시예에서, 상기 자유 자성층 및/또는 상기 기준 자성층은 비자성 원소를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the free magnetic layer and / or the reference magnetic layer may further include a nonmagnetic element.

일 실시예에서, 상기 자기 메모리 소자의 구동시, 상기 자유 자성층 및 상기 기준 자성층은 상기 기판 평면에 수직한 자화방향들을 가질 수 있다. In one embodiment, when the magnetic memory device is driven, the free magnetic layer and the reference magnetic layer may have magnetization directions perpendicular to the substrate plane.

일 실시예에서, 상기 자기 메모리 소자의 구동시, 상기 자유 자성층 및 상기 기준 자성층은 상기 기판 평면에 평행한 자화방향들을 가질 수 있다. In one embodiment, when the magnetic memory device is driven, the free magnetic layer and the reference magnetic layer may have magnetization directions parallel to the substrate plane.

본 발명의 실시예들에 따르면, 수직 자성층과 접합 자성층 사이에 비자성층이 개재되어 상기 접합 자성층을 포함하는 자기터널접합의 자기저항비 및 수직 자화특성이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 다른 철 함량을 갖는 자유 자성층 및 기준 자성층에 의해 소자 구동시 스위칭 특성이 개선될 수 있다. 이에 따라, 자기 메모리 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다. According to the embodiments of the present invention, the magnetoresistance ratio and the vertical magnetization characteristics of the magnetic tunnel junction including the junction magnetic layer may be improved by interposing a nonmagnetic layer between the vertical magnetic layer and the junction magnetic layer. In addition, according to embodiments of the present invention, switching characteristics may be improved when the device is driven by the free magnetic layer and the reference magnetic layer having different iron contents. Accordingly, the reliability of the magnetic memory device can be improved.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자 및 그 형성방법이 설명된다. 설명되는 실시예들은 본 발명의 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 명세서에서 일 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 위치한다는 것은 일 구성요소 상에 다른 구성요소가 직접 위치한다는 의미는 물론, 상기 일 구성요소 상에 제3 의 구성요소가 더 위치할 수 있다는 의미도 포함한다. 본 명세서 각 구성요소 또는 부분 등을 제1, 제2 등의 표현을 사용하여 지칭하였으나, 이는 명확한 설명을 위해 사용된 표현으로 이에 의해 한정되지 않는다. 도면에 표현된 구성요소들의 두께 및 상대적인 두께는 본 발명의 실시예들을 명확하게 표현하기 위해 과장된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 상부 및 하부 등 위 치에 관련된 표현들은 설명의 명확함을 위한 상대적인 표현들로 절대적인 구성요소들간의 위치를 한정하는 것은 아니다. 동일한 구성요소에는 동일한 도면 부호를 사용하였다. Hereinafter, a magnetic memory device and a method of forming the same according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are provided so that those skilled in the art can easily understand the spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto. Embodiments of the invention may be modified in other forms within the spirit and scope of the invention. In this specification, 'and / or' is used to include at least one of the components listed before and after. In this specification, the fact that one component is 'on' another component means that another component is directly positioned on one component, and that a third component may be further positioned on the one component. It also includes meaning. Each component or part of the present specification is referred to using the first, second, and the like, but the present disclosure is not limited thereto. The thickness and relative thickness of the components represented in the drawings may be exaggerated to clearly express embodiments of the present invention. In addition, expressions related to positions such as upper and lower portions of the present specification are not limited to positions between absolute components by relative expressions for clarity of description. The same reference numerals are used for the same components.

(제1 실시예 및 그의 변형예들)(First Embodiment and Modifications thereof)

도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 기판(100) 상에 하부 전극(110)이 배치된다. 상기 기판(100)은 반도체 기반의 반도체 기판일 수 있다. 상기 기판(100)은 도전 영역 및/또는 절연 영역을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 상기 기판(100)의 상기 도전 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 상기 기판(100) 상 및/또는 상기 기판(100) 내에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 라인형, 섬형 및 평판형 중에서 선택된 어느 하나의 형태일 수 있다. Referring to Fig. 1, a magnetic memory device according to the first embodiment of the present invention is described. The lower electrode 110 is disposed on the substrate 100. The substrate 100 may be a semiconductor-based semiconductor substrate. The substrate 100 may include a conductive region and / or an insulating region. The lower electrode 110 may be electrically connected to the conductive region of the substrate 100. The lower electrode 110 may be disposed on the substrate 100 and / or within the substrate 100. The lower electrode 110 may be any one selected from a line type, an island type, and a flat plate type.

상기 하부 전극(110) 상에 제1 수직 자성층(123)이 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 수직 자성층(123)은 교대로 적층된 비자성층들(121)과 강자성층들(122)을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들(122)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 비자성층들(121)은 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au), 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 수직 자성층(123)은 [Co/Pt]m, [Co/Pd]m, [Ni/Pt]m(m은 각 층의 적층 횟수로, 2 이상의 자연수) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상 기 비자성층들(121) 및 강자성층들(122)은 각각 2 내지 20회 적층될 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(123)은 상기 기판(100) 및 상기 제1 수직 자성층(123)의 평면들에 수직한 방향으로 전류가 흐르는 경우, 상기 전류과 평행한 방향의 자화방향들을 갖도록 구성될 수 있다(configured). 이를 위해, 상기 강자성층들(122)은 1개 내지 수개의 원자층의 두께로 얇게 형성될 수 있다. The first vertical magnetic layer 123 may be disposed on the lower electrode 110. In an embodiment, the first vertical magnetic layer 123 may include nonmagnetic layers 121 and ferromagnetic layers 122 that are alternately stacked. The ferromagnetic layers 122 may include at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and the nonmagnetic layers 121 may include chromium (Cr), platinum (Pt), It may include at least one selected from palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and copper (Cu). For example, the first vertical magnetic layer 123 may be [Co / Pt] m, [Co / Pd] m, [Ni / Pt] m (m is the number of layers of each layer, two or more natural numbers), or a combination thereof. Combinations. In one embodiment, the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers 122 may be stacked 2 to 20 times, respectively. When the current flows in a direction perpendicular to the planes of the substrate 100 and the first vertical magnetic layer 123, the first vertical magnetic layer 123 may be configured to have magnetization directions in a direction parallel to the current. (configured). To this end, the ferromagnetic layers 122 may be formed thin in the thickness of one to several atomic layers.

상기 제1 수직 자성층(123) 상에 제1 비자성층(130)이 배치된다. 상기 제1 비자성층(130)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 텍스쳐(texture)를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 제1 수직 자성층(123) 상에 균일하게 형성되되, 상기 얇은 두께에 의해 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. The first nonmagnetic layer 130 is disposed on the first vertical magnetic layer 123. The first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thin thickness. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thickness of 2 to 20Å. The first nonmagnetic layer 130 may not have a texture. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be uniformly formed on the first vertical magnetic layer 123, but may not have a texture by the thin thickness.

상기 제1 비자성층(130)은 비자성 전이 금속을 포함하는 비자성 금속원소 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first nonmagnetic layer 130 may include at least one selected from nonmagnetic metal elements including the nonmagnetic transition metal. For example, the first nonmagnetic layer 130 may include magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), and tantalum ( Ta, Gold (Au), Silver (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Tungsten (W), Niobdene (Nb), Zirconium It may include at least one selected from (Zr), yttrium (Y) and hafnium (Hf).

일 실시예에서, 상기 제1 비자성층(130)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 수직 자성층(123) 상에 차례로 적층된 제1 하부 금속 화합물층(133), 제1 비자성 금속층(136) 및 제1 상부 금속 화합물 층(139)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 수직 자성층(123) 상에 차례로 적층된 금속 화합물층/비자성 금속층 또는 비자성 금속층/금속 화합물층을 포함할 수 있다. 상기 제1 비자성층(136)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 하부 및 상부 금속 화합물층들(133, 139)은 금속산화물, 금속질화물, 금속산화질화물 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 화합물층은 상기 금속층의 화합물일 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 비자성층(130)은 단일 또는 복수의 금속층만을 포함할 수도 있다. 상기 제1 및 상부 금속 화합물층들(133, 139)에 의해 상기 제1 비자성 금속층(136) 내의 금속 원자들이 인접한 다른 층으로 확산되는 것이 방지될 수 있다. In one embodiment, the first nonmagnetic layer 130 may be formed of a plurality of layers. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be sequentially stacked on the vertical magnetic layer 123, the first lower metal compound layer 133, the first nonmagnetic metal layer 136, and the first upper metal compound layer 139. ) May be included. Unlike the illustrated example, the first nonmagnetic layer 130 may include a metal compound layer / nonmagnetic metal layer or a nonmagnetic metal layer / metal compound layer sequentially stacked on the vertical magnetic layer 123. The first nonmagnetic layer 136 includes magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), tantalum (Ta), and gold. (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten (W), niobdene (Nb), zirconium (Zr), It may include at least one selected from yttrium (Y) and hafnium (Hf). The first lower and upper metal compound layers 133 and 139 may be metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, or a combination thereof. For example, the metal compound layer may be a compound of the metal layer. Alternatively, the first nonmagnetic layer 130 may include only a single or a plurality of metal layers. The first and upper metal compound layers 133 and 139 may prevent the metal atoms in the first nonmagnetic metal layer 136 from diffusing into another adjacent layer.

상기 제1 비자성층(130) 상에 제1 접합 자성층(141)이 배치될 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141)은 연자성 물질(soft magnetic material)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 접합 자성층(141)은 낮은 댐핑 상수(damping constant) 및 높은 스핀 분극률(spin polarization ratio)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접합 자성층(141)은 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141)은 예를 들어, 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 원자들을 포함할 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141) 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 접합 자성층(141)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 붕소(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 제1 접합 자성층(141)의 포화 자화량을 낮추기 위해, 상기 제1 접합 자성층(141)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The first junction magnetic layer 141 may be disposed on the first nonmagnetic layer 130. The first junction magnetic layer 141 may include a soft magnetic material. In addition, the first junction magnetic layer 141 may have a low damping constant and a high spin polarization ratio. For example, the first junction magnetic layer 141 may include at least one selected from cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). The first junction magnetic layer 141 may include, for example, cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni) atoms. Boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), and gold ( It may further include at least one of a nonmagnetic material including Au), copper (Cu), carbon (C) and nitrogen (N). Specifically, the first junction magnetic layer 141 may include CoFe or NiFe, and further include boron (B). In addition, in order to reduce the saturation magnetization amount of the first junction magnetic layer 141, the first junction magnetic layer 141 may include titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), and tantalum (Ta). And at least one selected from silicon (Si).

상기 제1 접합 자성층(141)과 상기 제1 수직 자성층(123) 사이의 상기 제1 비자성층(130)에 의해 이들을 포함하는 자기 메모리 셀의 수직 자기 이방성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)에 의해 상기 제1 접합 자성층(141)은 상기 제1 수직 자성층(123)과 반강자성적으로 또는 강자성적으로 강하게 교환결합될 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(123)은 높은 수직 자기 이방성을 가지므로, 상기 제1 수직 자성층(123)과 교환결합된 상기 제1 접합 자성층(141)의 수직 자기 이방성 역시 향상될 수 있다. 본 명세서에서 수직 자기 이방성은 상기 기판(100) 평면에 수직한 방향으로 자화되려는 성질로 정의된다. The vertical magnetic anisotropy of the magnetic memory cell including the same may be improved by the first nonmagnetic layer 130 between the first junction magnetic layer 141 and the first vertical magnetic layer 123. For example, the first junction magnetic layer 141 may be strongly anti-ferromagnetically or ferromagnetically coupled to the first vertical magnetic layer 123 by the first nonmagnetic layer 130. Since the first vertical magnetic layer 123 has high vertical magnetic anisotropy, the vertical magnetic anisotropy of the first junction magnetic layer 141 exchanged with the first vertical magnetic layer 123 may also be improved. In this specification, vertical magnetic anisotropy is defined as a property of being magnetized in a direction perpendicular to the plane of the substrate 100.

또한, 상기 제1 비자성층(130)에 의해, 상기 제1 접합 자성층(141)의 결정구조는 상기 제1 수직 자성층(123)의 결정구조와 상이한 결정구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 자기터널접합의 자기 저항비는 보다 향상될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술할 제1 접합 자성층(141)의 형성방법에 포함된다. In addition, the crystal structure of the first junction magnetic layer 141 may have a crystal structure different from that of the first vertical magnetic layer 123 by the first nonmagnetic layer 130. Accordingly, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction can be further improved. Detailed description thereof will be included in the method of forming the first bonding magnetic layer 141 which will be described later.

상기 제1 접합 자성층(141) 상에 터널 베리어(145)가 배치될 수 있다. 상기 터널 베리어(145)는 스핀 확산 길이(spin diffusion distance)보다 얇은 두께를 가 질 수 있다. 상기 터널 베리어(145)는 비자성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널 베리어(145)는 절연 물질막일 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(145)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(145)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(145)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(145)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(145)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. The tunnel barrier 145 may be disposed on the first junction magnetic layer 141. The tunnel barrier 145 may have a thickness thinner than a spin diffusion distance. The tunnel barrier 145 may include a nonmagnetic material. In one embodiment, the tunnel barrier 145 may be an insulating material film. For example, the tunnel barrier 145 may be formed of oxides of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and titanium (Ti) and vanadium ( And at least one selected from nitrides of V). For example, the tunnel barrier 145 may be a magnesium oxide (MgO) film. Alternatively, the tunnel barrier 145 may include a plurality of layers. For example, the tunnel barrier 145 may be formed of oxides of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and titanium (Ti) and vanadium ( And at least one selected from nitrides of V). For example, the tunnel barrier 145 may be a magnesium oxide (MgO) film.

상기 터널 베리어(145)와 상기 제1 접합 자성층(141)은 유사한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접합 자성층(141)은 체심입방(BCC) 구조를 가진 자성물질 또는 비자성 원소를 포함하는 체심입방구조를 갖는 자성물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141)이 비자성 원소를 포함하는 경우, 상기 자성물질은 비정질화될 수 있다. 상기 터널 베리어(145) 및 상기 제1 접합 자성층(141)는 각각 NaCl형 결정 구조 및 체심입방구조를 갖되, 상기 터널 베리어(145)의 <001> 결정면과 상기 제1 접합 자성층(141)의 <001>결정면이 서로 접하여 계면을 이룰 수 있다. 이에 의해, 터널 베리어(145)와 상기 제1 접합 자성층(141)을 포함하는 자기터널접합의 자기 저항비가 향상될 수 있다. The tunnel barrier 145 and the first junction magnetic layer 141 may have a similar crystal structure. For example, the first junction magnetic layer 141 may include a magnetic material having a body centered cubic (BCC) structure or a magnetic material having a body centered cubic structure including a nonmagnetic element. When the first junction magnetic layer 141 includes a nonmagnetic element, the magnetic material may be amorphous. The tunnel barrier 145 and the first junction magnetic layer 141 have a NaCl crystal structure and a body centered cubic structure, respectively, and the <001> crystal plane of the tunnel barrier 145 and <of the first junction magnetic layer 141 are respectively. 001> Crystal planes may be in contact with each other to form an interface. As a result, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the tunnel barrier 145 and the first junction magnetic layer 141 may be improved.

상기 터널 베리어(145) 상에 제2 접합 자성층(149)이 배치될 수 있다. 상기 제2 접합 자성층(149)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 접합 자성층(149)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 원자들을 포함하되 상기 원자들의 함량들은 상기 제2 접합 자성층(149)의 포화자화량이 낮아지도록 결정될 수 있다. 상기 제2 접합 자성층(149)은 낮은 댐핑 상수 및 높은 스핀 분극률을 가질 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 접합 자성층(149)은 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 접합 자성층(149)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 붕소를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 제2 접합 자성층(149)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하는 비자성 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 선택된 비자성 원소의 상기 제2 접합 자성층(149) 내의 함량은 1 내지 15 at.%일 수 있다. 상기 제2 접합 자성층(149)이 자기 메모리 셀의 자유층으로 사용되는 경우, 상기 제2 접합 자성층(149)의 포화 자화량은 상기 제1 접합 자성층(141)의 포화 자화량보다 낮게 조절될 수 있다. The second junction magnetic layer 149 may be disposed on the tunnel barrier 145. The second junction magnetic layer 149 may include a soft magnetic material. For example, the second junction magnetic layer 149 includes cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni) atoms, but the contents of the atoms are low in saturation magnetization of the second junction magnetic layer 149. Can be determined to lose. The second junction magnetic layer 149 may have a low damping constant and a high spin polarization rate. To this end, the second junction magnetic layer 149 is boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag) ), And may further include at least one of nonmagnetic materials including gold (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). For example, the second junction magnetic layer 149 may include CoFe or NiFe, and further include boron. In addition, the second junction magnetic layer 149 may further include at least one selected from nonmagnetic elements including titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), and tantalum (Ta). have. The content of the selected nonmagnetic element in the second junction magnetic layer 149 may be 1 to 15 at.%. When the second junction magnetic layer 149 is used as a free layer of a magnetic memory cell, the saturation magnetization of the second junction magnetic layer 149 may be controlled to be lower than the saturation magnetization of the first junction magnetic layer 141. have.

상기 제2 접합 자성층(149)과 상기 터널 베리어(145)는 유사한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(145) 및 상기 제2 접합 자성층(149)는 각각 NaCl형 결정 구조 및 체심입방구조를 갖되, 상기 터널 베리어(145)의 <001> 결정면과 상기 제2 접합 자성층(149)의 <001>결정면이 서로 접하여 계면을 이룰 수 있다. 이에 의해, 상기 제2 접합 자성층(149)과 상기 터널 베리어(145)를 포함하는 자기터널접합의 자기저항비가 향상될 수 있다. The second junction magnetic layer 149 and the tunnel barrier 145 may have a similar crystal structure. For example, each of the tunnel barrier 145 and the second junction magnetic layer 149 may have a NaCl-type crystal structure and a body-centered cubic structure, respectively, and the <001> crystal surface and the second junction magnetic layer of the tunnel barrier 145 may be formed. The <001> crystal faces of 149 may be in contact with each other to form an interface. As a result, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the second junction magnetic layer 149 and the tunnel barrier 145 may be improved.

일 실시예에서, 상기 제2 접합 자성층(149) 내에 포함된 강자성 원자의 함량은 상기 제1 접합 자성층(141) 내에 포함된 강자성 원자의 함량과 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 접합 자성층(149)은 코발트(Co) 및 니켈(Ni)중 선택된 적어도 하나와 철(Fe)을 포함하되, 상기 제2 접합 자성층(149) 내의 철(Fe)의 함량이 상기 제1 접합 자성층(141) 내의 철(Fe)의 함량보다 높거나 적어도 같을 수 있다. 이 경우, 상기 제2 접합 자성층(149)은 자유층으로 작용할 수 있다. In an embodiment, the content of the ferromagnetic atoms included in the second junction magnetic layer 149 may be different from the content of the ferromagnetic atoms included in the first junction magnetic layer 141. For example, the first and second junction magnetic layers 149 include at least one selected from cobalt (Co) and nickel (Ni) and iron (Fe), and the iron (Fe) in the second junction magnetic layer 149. ) May be higher than or at least equal to the content of iron (Fe) in the first junction magnetic layer 141. In this case, the second junction magnetic layer 149 may act as a free layer.

상기 제2 접합 자성층(149) 상에 제2 비자성층(150)이 배치될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 상기 제2 접합 자성층(149) 상에 균일하게 형성되되, 상기 얇은 두께에 의해 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. The second nonmagnetic layer 150 may be disposed on the second junction magnetic layer 149. The second nonmagnetic layer 150 may be formed to a thin thickness. For example, the second nonmagnetic layer 150 may be formed to have a thickness of 2 to 20 μm. The second nonmagnetic layer 150 may not have a texture. For example, the second nonmagnetic layer 150 may be uniformly formed on the second junction magnetic layer 149 and may not have a texture by the thin thickness.

상기 제2 비자성층(150)은 비자성 전이 금속을 포함하는 비자성 금속원소 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The second nonmagnetic layer 150 may include at least one selected from nonmagnetic metal elements including the nonmagnetic transition metal. For example, the second nonmagnetic layer 150 may include magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), and tantalum ( Ta, Gold (Au), Silver (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Tungsten (W), Niobdene (Nb), Zirconium It may include at least one selected from (Zr), yttrium (Y) and hafnium (Hf).

일 실시예에서, 상기 제2 비자성층(150)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 상기 제2 접합 자성층(149) 상에 차례로 적층된 제2 하부 금속 화합물층(153), 제2 비자성 금속층(156) 및 제2 상부 금속 화합물층(159)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상기 제2 비자성층(150)은 상기 제2 접합 자성층(149) 상에 차례로 적층된 금속 화합물층/비자성 금속층 또는 비자성 금속층/금속 화합물층을 포함할 수 있다. 상기 제2 비자성 금속층(156)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 하부 및 상부 금속 화합물층들(153, 159)은 금속산화물, 금속질화물, 금속산화질화물 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 하부 및 상부 금속 화합물층들(153, 159)은 상기 제2 비자성 금속층(156)의 화합물일 수 있다. 상기 제2 하부 및 상부 금속 화합물층들(153, 159)에 의해 상기 제2 비자성 금속층(156) 내의 금속 원자들이 인접한 다른 층으로 확산되는 것이 방지될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 비자성층(150)은 단일 또는 복수의 금속층만을 포함할 수도 있다.In one embodiment, the second nonmagnetic layer 150 may be formed of a plurality of layers. For example, the second nonmagnetic layer 150 may include a second lower metal compound layer 153, a second nonmagnetic metal layer 156, and a second upper metal compound layer sequentially stacked on the second junction magnetic layer 149. 159). Unlike the illustrated example, the second nonmagnetic layer 150 may include a metal compound layer / nonmagnetic metal layer or a nonmagnetic metal layer / metal compound layer sequentially stacked on the second junction magnetic layer 149. The second nonmagnetic metal layer 156 may include magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), tantalum (Ta), Gold (Au), Silver (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Tungsten (W), Niobdene (Nb), Zirconium (Zr) It may include at least one selected from yttrium (Y) and hafnium (Hf). The second lower and upper metal compound layers 153 and 159 may be metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, or a combination thereof. For example, the second lower and upper metal compound layers 153 and 159 may be a compound of the second nonmagnetic metal layer 156. The second lower and upper metal compound layers 153 and 159 may prevent the metal atoms in the second nonmagnetic metal layer 156 from diffusing into another adjacent layer. Alternatively, the second nonmagnetic layer 150 may include only a single or a plurality of metal layers.

상기 제2 비자성층(150) 상에 제2 수직 자성층(163)이 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 수직 자성층(163)은 교대로 적층된 비자성층들(161)과 강자성층들(162)을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들(162)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 비자성층들(161)은 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au), 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수직 자성층(163)은 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n, [Ni/Pt]n (n은 층의 적층 횟수로, 2 이상의 자연수) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들(162)은 1개 내지 수개의 원자의 두께로 얇게 형성될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)에 의해 상기 제2 수직 자성층(163)과 상기 제2 접합 자성층(149) 사이의 교환결합이 강화될 수 있다. 이에 의해, 상기 제2 접합 자성층(149)의 수직 자기 이방성이 향상될 수 있다. A second vertical magnetic layer 163 may be disposed on the second nonmagnetic layer 150. In one embodiment, the second vertical magnetic layer 163 may include nonmagnetic layers 161 and ferromagnetic layers 162 stacked alternately. The ferromagnetic layers 162 may include at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and the nonmagnetic layers 161 may include chromium (Cr), platinum (Pt), It may include at least one selected from palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and copper (Cu). For example, the second vertical magnetic layer 163 may be formed of [Co / Pt] n, [Co / Pd] n, [Ni / Pt] n (where n is a natural number of layers, two or more natural numbers), or a combination thereof. It may include. The ferromagnetic layers 162 may be thinly formed to a thickness of 1 to several atoms. The exchange coupling between the second vertical magnetic layer 163 and the second junction magnetic layer 149 may be strengthened by the second nonmagnetic layer 150. As a result, the perpendicular magnetic anisotropy of the second junction magnetic layer 149 may be improved.

상기 제2 수직 자성층(163)의 비자성층들(161)과 강자성층들(162)의 적층횟수(m)는 상기 제1 수직 자성층(123)의 비자성층들(121)과 강자성층들(122)의 적층횟수(n)와 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수직 자성층(163)의 비자성층들(161) 및 강자성층들(162)의 적층횟수는 상기 제1 수직 자성층(123)의 비자성층들(121) 및 강자성층들(122)의 적층횟수보다 적을 수 있다. 이 경우 상기 제1 수직 자성층(123)과 인접한 제1 접합 자성층(141)은 자기 메모리 셀의 기준층(reference layer)으로 작용하고, 상기 제2 수직 자성층(163)과 인접한 제2 접합 자성층(149)은 상기 자기 메모리 셀의 자유층(free layer)으로 작용할 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 수직 자성층(163)의 비자성층들(161)과 강자성층들(162)의 적층횟수(m)가 상기 제1 수직 자성층(123)의 비자성층들(121)과 강자성층들(122)의 적층횟수(n)보다 클 수 있다. 이 경우, 상기 제2 접합 자성층(141)이 기준층으로 작용하고, 상기 제1 접합 자성층(149)이 자유층으로 작용할 수 있다. The number of laminations (m) of the nonmagnetic layers 161 and the ferromagnetic layers 162 of the second vertical magnetic layer 163 is the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers 122 of the first vertical magnetic layer 123. May be different from the number of laminations n). For example, the number of laminations of the nonmagnetic layers 161 and the ferromagnetic layers 162 of the second vertical magnetic layer 163 may include the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers (161) of the first vertical magnetic layer 123. 122) may be less than the number of stacking. In this case, the first junction magnetic layer 141 adjacent to the first vertical magnetic layer 123 serves as a reference layer of the magnetic memory cell, and the second junction magnetic layer 149 adjacent to the second vertical magnetic layer 163. May serve as a free layer of the magnetic memory cell. In contrast, the number of laminations (m) of the nonmagnetic layers 161 and the ferromagnetic layers 162 of the second vertical magnetic layer 163 may include the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers of the first vertical magnetic layer 123. It may be greater than the number n of stacks 122. In this case, the second junction magnetic layer 141 may serve as a reference layer, and the first junction magnetic layer 149 may serve as a free layer.

상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)은 수행하는 기능에 따라 서로 다 른 자기적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 자유층으로 작용하는 접합 자성층이 기준층으로 작용하는 접합 자성층보다 작은 포화 자화량을 가질 수 있다. 상기 포화 자화량은 포함되는 강자성 물질(Co, Ni 및/또는 Fe)의 비율 및/또는 비자성 물질의 비율에 의해 조절될 수 있다. The first and second junction magnetic layers 141 and 149 may have different magnetic properties according to a function to be performed. For example, the junction magnetic layer serving as the free layer may have a smaller amount of saturation magnetization than the junction magnetic layer serving as the reference layer. The saturation magnetization amount may be controlled by the ratio of the ferromagnetic material (Co, Ni and / or Fe) and / or the ratio of the nonmagnetic material.

상기 제1 접합 자성층(141), 상기 터널 베리어(145) 및 상기 제2 접합 자성층(149)은 자기 메모리 셀의 자기터널접합(Magnetic tunnel junction)을 구성할 수 있다. 상기 자유층과 상기 기준층의 자화방향들의 평행 또는 반평행 여부에 따른 상기 자기터널접합의 저항값이 차이를 이용하여 상기 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 셀에 데이터가 저장될 수 있다. 상기 자유층의 자화방향은 상기 자기 메모리 셀에 제공되는 전류의 방향에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접합 자성층(141)으로부터 상기 제2 접합 자성층(149)으로 전류가 제공되는 경우의 상기 자유층의 자화방향은, 상기 제2 접합 자성층(149)으로부터 상기 제1 접합 자성층(141)으로 전류가 제공되는 경우의 자화방향과 서로 반평행할 수 있다. 상기 기준층 및 상기 자유층의 자화방향은 상기 기판(100) 평면에 수직할 수 있다. 상기 기준층은 상기 기판(100) 평면에 수직하며 고정된 제1 자화방향을 가질 수 있다. 상기 자유층은 상기 기판(100) 평면에 수직한 자화방향을 갖되, 상기 자유층의 자화방향은 상기 전류가 제공되는 방향에 따라 상기 제1 자화방향 또는 상기 제1 자화방향에 반평행한 제2 자화방향일 수 있다. The first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, and the second junction magnetic layer 149 may form a magnetic tunnel junction of a magnetic memory cell. Data may be stored in a magnetic memory cell including the magnetic tunnel junction by using a difference in resistance value of the magnetic tunnel junction depending on whether the magnetization directions are parallel or antiparallel to the free layer and the reference layer. The magnetization direction of the free layer may vary depending on the direction of the current provided to the magnetic memory cell. For example, the magnetization direction of the free layer when a current is supplied from the first junction magnetic layer 141 to the second junction magnetic layer 149 is from the second junction magnetic layer 149 to the first junction magnetic layer. It may be antiparallel to the magnetization direction when the current is provided at 141. The magnetization directions of the reference layer and the free layer may be perpendicular to the plane of the substrate 100. The reference layer may have a first magnetization direction perpendicular to a plane of the substrate 100. The free layer has a magnetization direction perpendicular to the plane of the substrate 100, and the magnetization direction of the free layer is antiparallel to the first magnetization direction or the first magnetization direction depending on the direction in which the current is provided. It may be a magnetization direction.

상기 제2 수직 자성층(163) 상에 캐핑층(170)이 배치될 수 있다. 상기 캐핑층(170)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 루 테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capping layer 170 may be disposed on the second vertical magnetic layer 163. The capping layer 170 is tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), ruthenium (Ru), magnesium (Mg), tantalum nitride It may include at least one selected from (TaN) and titanium nitride (TiN).

도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 일 변형예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 도 1에 설명된 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략될 수 있다. Referring to Fig. 2, a magnetic memory device according to a modification of the first embodiment of the present invention is described. A description of components substantially the same as the components described in FIG. 1 may be omitted.

기판(100) 상에 하부 전극(110)이 배치된다. 상기 하부 전극(110) 상에 시드층(115) 및 제1 수직 자성층(124)이 배치된다. The lower electrode 110 is disposed on the substrate 100. The seed layer 115 and the first vertical magnetic layer 124 are disposed on the lower electrode 110.

상기 시드층(115)은 조밀육방격자(HCP)를 구성하는 금속 원자들을 포함할 수 있다. 상기 시드층(115)은 10 내지 100Å로 형성될 수 있다. 상기 시드층(115)은 루테늄(Ru) 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 시드층(115)은 면심입방격자(FCC)를 구성하는 금속원자들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 시드층(115)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 상기 시드층(115)은 단일의 층 또는 서로 다른 결정구조를 갖는 복수의 층을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 시드층(115)은 상기 제1 수직 자성층(124)을 구성하는 물질이 비정질 상태인 경우 생략될 수도 있다. The seed layer 115 may include metal atoms constituting the dense hexagonal lattice (HCP). The seed layer 115 may be formed to 10 to 100Å. The seed layer 115 may include ruthenium (Ru) or titanium (Ti). Alternatively, the seed layer 115 may include metal atoms constituting a face centered cubic lattice (FCC). For example, the seed layer 115 may include platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al). The seed layer 115 may include a single layer or a plurality of layers having different crystal structures. Alternatively, the seed layer 115 may be omitted when the material constituting the first vertical magnetic layer 124 is in an amorphous state.

상기 제1 수직 자성층(124)의 자화방향은 상기 기판(100) 평면에 실질적으로 수직하며 변동가능하다. 이를 위해, 상기 제1 수직 자성층(124)은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 수직 자성층(124)은 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Co50Pd50 및 Fe50Ni50를 포함하는 L10 결정구조를 갖는 물질 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 수직 자성층(124)은 조밀육방격자를 갖는 10 내지 45 at. %의 백금(Pt) 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금(disordered alloy) 또는 Co3Pt 질서합금(ordered alloy)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 수직 자성층(124)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나와 희토류 금속인 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 가놀리늄(Gd) 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The magnetization direction of the first vertical magnetic layer 124 is substantially perpendicular to the plane of the substrate 100 and is variable. To this end, the first vertical magnetic layer 124 may include at least one selected from a material having a L10 crystal structure, a material having a dense hexagonal lattice, and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. For example, the first vertical magnetic layer 124 is at least one selected from a material having an L10 crystal structure including Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pd 50 , Co 50 Pt 50 , Co 50 Pd 50, and Fe 50 Ni 50 . Can be. In contrast, the first vertical magnetic layer 124 has a dense hexagonal grid of 10 to 45 at. Cobalt-platinum (CoPt) disordered alloys or Co 3 Pt ordered alloys having a platinum (Pt) content of%. In contrast, the first vertical magnetic layer 124 may be formed of at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and rare earth metals such as terbium (Tb), dysprosium (Dy), and ganolinium (Gd). At least one selected from among the amorphous RE-TM alloy containing at least one selected.

상기 제1 수직 자성층(124) 상에 제1 비자성층(130)이 배치될 수 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 제1 수직 자성층(124) 상에 균일하게 형성되되, 상기 얇은 두께에 의해 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. The first nonmagnetic layer 130 may be disposed on the first vertical magnetic layer 124. The first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thin thickness. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thickness of 2 to 20Å. The first nonmagnetic layer 130 may not have a texture. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be uniformly formed on the first vertical magnetic layer 124, but may not have a texture by the thin thickness.

상기 제1 비자성층(130)은 비자성 전이 금속을 포함하는 비자성 금속원소 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 비자성층(130)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 수직 자성층(124) 상에 차례로 적층된 제1 하부 금속 화합물층(133), 제1 비자성 금속층(136) 및 제1 상부 금속 화합물층(139)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상 기 제1 비자성층(130)은 상기 제1 수직 자성층(124) 상에 차례로 적층된 금속 화합물층/비자성 금속층 또는 비자성 금속층/금속 화합물층을 포함할 수 있다. 상기 비자성 금속층은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 하부 및 상부 금속 화합물층들(133, 139)은 금속산화물, 금속질화물, 금속산화질화물 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 화합물층은 상기 금속층의 화합물일 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 비자성층(130)은 단일 또는 복수의 금속층만을 포함할 수도 있다. The first nonmagnetic layer 130 may include at least one selected from nonmagnetic metal elements including the nonmagnetic transition metal. In one embodiment, the first nonmagnetic layer 130 may be formed of a plurality of layers. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be sequentially stacked on the vertical magnetic layer 124. The first lower metal compound layer 133, the first nonmagnetic metal layer 136, and the first upper metal compound layer 139 may be stacked on the vertical magnetic layer 124. It may include. Unlike the illustrated example, the first nonmagnetic layer 130 may include a metal compound layer / nonmagnetic metal layer or a nonmagnetic metal layer / metal compound layer sequentially stacked on the first vertical magnetic layer 124. The nonmagnetic metal layer is magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), tantalum (Ta), gold (Au), Silver (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Tungsten (W), Niobdene (Nb), Zirconium (Zr), Yttrium (Y ) And hafnium (Hf). The first lower and upper metal compound layers 133 and 139 may be metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, or a combination thereof. For example, the metal compound layer may be a compound of the metal layer. Alternatively, the first nonmagnetic layer 130 may include only a single or a plurality of metal layers.

상기 제1 비자성층(130) 상에 제1 접합 자성층(141), 터널 베리어(145), 및 제2 접합 자성층(149)이 차례로 적층될 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141), 터널 베리어(145), 및 제2 접합 자성층(149)은 자기터널접합을 구성할 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141)은 상기 제1 비자성층(130)에 의해 상기 제1 수직 자성층(123)과 강하게 교환결합될 수 있다. 이에 의해 상기 제1 접합 자성층(141)의 수직 자기 이방성이 향상될 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141) 및 제2 접합 자성층(149)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 자기 메모리 셀의 동작시, 상기 제1 접합 자성층(141) 및 제2 접합 자성층(149) 중 어느 하나는 기준층으로 기능하고 다른 하나는 자유층으로 기능할 수 있다. 상기 자유층으로 기능하는 접합 자성층은 상기 기준층으로 기능하는 접합층보다 낮은 포화 자화량을 가질 수 있다. The first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, and the second junction magnetic layer 149 may be sequentially stacked on the first nonmagnetic layer 130. The first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, and the second junction magnetic layer 149 may form a magnetic tunnel junction. The first junction magnetic layer 141 may be strongly exchanged with the first vertical magnetic layer 123 by the first nonmagnetic layer 130. As a result, the perpendicular magnetic anisotropy of the first junction magnetic layer 141 may be improved. The first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may include a soft magnetic material. During operation of the magnetic memory cell, one of the first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may function as a reference layer and the other may function as a free layer. The junction magnetic layer serving as the free layer may have a lower saturation magnetization amount than the junction layer serving as the reference layer.

상기 제2 접합 자성층(149) 상에 제2 비자성층(150)이 배치될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 상기 제2 접합 자성층(149) 상에 균일하게 형성되되, 상기 얇은 두께에 의해 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. The second nonmagnetic layer 150 may be disposed on the second junction magnetic layer 149. The second nonmagnetic layer 150 may be formed to a thin thickness. For example, the second nonmagnetic layer 150 may be formed to have a thickness of 2 to 20 μm. The second nonmagnetic layer 150 may not have a texture. For example, the second nonmagnetic layer 150 may be uniformly formed on the second junction magnetic layer 149 and may not have a texture by the thin thickness.

상기 제2 비자성층(150) 상에 제2 수직 자성층(163)이 배치될 수 있다. 상기 제2 수직 자성층(163)은 상기 기판(100) 평면에 수직한 자화방향을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수직 자성층(163)은 교대로 적층된 비자성층들(161) 및 강자성층들(162)을 포함하되, 상기 강자성층들(162)은 1 내지 수개의 원자 두께로 형성될 수 있다. 이에 의해, 상기 강자성층들(162)의 자화방향은 상기 기판(100) 평면에 수직할 수 있다. 상기 제2 수직 자성층(164)은 상기 제2 비자성층(150)에 의해 상기 제2 접합 자성층(149)과 교환결합될 수 있다. A second vertical magnetic layer 163 may be disposed on the second nonmagnetic layer 150. The second vertical magnetic layer 163 may be configured to have a magnetization direction perpendicular to the plane of the substrate 100. For example, the second vertical magnetic layer 163 may include alternating nonmagnetic layers 161 and ferromagnetic layers 162, and the ferromagnetic layers 162 may be formed in a thickness of one to several atomic thicknesses. Can be. As a result, the magnetization direction of the ferromagnetic layers 162 may be perpendicular to the plane of the substrate 100. The second vertical magnetic layer 164 may be exchanged with the second junction magnetic layer 149 by the second nonmagnetic layer 150.

상기 제2 수직 자성층(163) 상에 캐핑층(170)이 형성될 수 있다. 상기 캐핑층(170)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capping layer 170 may be formed on the second vertical magnetic layer 163. The capping layer 170 is tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), ruthenium (Ru), magnesium (Mg), tantalum nitride ( TaN) and titanium nitride (TiN).

도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 기판(100) 및 하부 전극(110) 상에 시드층(115) 및 제1 수직 자 성층(124)이 차례로 적층된다. 상기 시드층(115)는 단일 또는 복수의 금속막을 포함할 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(124)은 상기 기판(100) 평면에 수직한 자화 용이축을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(124)은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질 및 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(124)이 비정질 RE-TM 합금을 포함하는 경우, 상기 시드층(115)은 생략될 수 있다. Referring to Fig. 3, a magnetic memory element according to another modification of the first embodiment of the present invention is described. The seed layer 115 and the first vertical magnetic layer 124 are sequentially stacked on the substrate 100 and the lower electrode 110. The seed layer 115 may include a single or a plurality of metal layers. The first vertical magnetic layer 124 may include a material having an easy axis of magnetization perpendicular to the plane of the substrate 100. The first vertical magnetic layer 124 may include at least one selected from a material having a L10 crystal structure, a material having a dense hexagonal lattice, and an amorphous RE-TM alloy. When the first vertical magnetic layer 124 includes an amorphous RE-TM alloy, the seed layer 115 may be omitted.

상기 제1 수직 자성층(124) 상에 제1 비자성층(130)이 배치될 수 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다. The first nonmagnetic layer 130 may be disposed on the first vertical magnetic layer 124. The first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thin thickness. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be formed to a thickness of 2 to 20Å. The first nonmagnetic layer 130 may not have a texture.

상기 제1 비자성층(130)은 비자성 전이 금속을 포함하는 비자성 금속원소 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 비자성층(130)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 수직 자성층(124) 상에 차례로 적층된 제1 하부 금속 화합물층(133), 제1 비자성 금속층(136) 및 제1 상부 금속 화합물층(139)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상기 제1 비자성층(130)은 상기 제1 수직 자성층(124) 상에 차례로 적층된 금속 화합물층/비자성 금속층 또는 비자성 금속층/금속 화합물층을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 비자성층(130)은 단일 또는 복수의 금속층만을 포함할 수도 있다. 상기 제1 비자성층(130)은 상기 제1 수직 자성층(123) 및 상기 제1 접합 자성층(141)을 교환결합시킬 수 있다. The first nonmagnetic layer 130 may include at least one selected from nonmagnetic metal elements including the nonmagnetic transition metal. In one embodiment, the first nonmagnetic layer 130 may be formed of a plurality of layers. For example, the first nonmagnetic layer 130 may be sequentially stacked on the vertical magnetic layer 124. The first lower metal compound layer 133, the first nonmagnetic metal layer 136, and the first upper metal compound layer 139 may be stacked on the vertical magnetic layer 124. It may include. Unlike the illustrated example, the first nonmagnetic layer 130 may include a metal compound layer / nonmagnetic metal layer or a nonmagnetic metal layer / metal compound layer sequentially stacked on the first vertical magnetic layer 124. Alternatively, the first nonmagnetic layer 130 may include only a single or a plurality of metal layers. The first nonmagnetic layer 130 may exchange-bond the first vertical magnetic layer 123 and the first junction magnetic layer 141.

상기 제1 비자성층(130) 상에 제1 접합 자성층(141), 터널 베리어(145), 및 제2 접합 자성층(149)이 차례로 적층될 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141) 및 제2 접합 자성층(149)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 자기 메모리 셀의 동작시, 상기 제1 접합 자성층(141) 및 제2 접합 자성층(149) 중 어느 하나는 기준층으로 기능하고 다른 하나는 자유층으로 기능할 수 있다. 상기 자유층으로 기능하는 접합 자성층은 상기 기준층으로 기능하는 접합층보다 낮은 포화 자화량을 가질 수 있다. The first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, and the second junction magnetic layer 149 may be sequentially stacked on the first nonmagnetic layer 130. The first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may include a soft magnetic material. During operation of the magnetic memory cell, one of the first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may function as a reference layer and the other may function as a free layer. The junction magnetic layer serving as the free layer may have a lower saturation magnetization amount than the junction layer serving as the reference layer.

상기 제2 접합 자성층(149) 상에 제2 비자성층(150)이 배치될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 비자성층(150)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제2 비자성층(150)은 텍스쳐를 갖지 않을 수 있다.The second nonmagnetic layer 150 may be disposed on the second junction magnetic layer 149. The second nonmagnetic layer 150 may be formed to a thin thickness. For example, the second nonmagnetic layer 150 may be formed to have a thickness of 2 to 20 μm. The second nonmagnetic layer 150 may not have a texture.

상기 제2 비자성층(150) 상에 제2 수직 자성층(164)이 배치된다. 상기 제2 수직 자성층(164)은 상기 자기터널접합을 구성하는 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)의 평면들에 수직한 자화방향을 갖도록 구성될 수 있다(configured). 상기 제2 수직 자성층(164)은 상기 제2 비자성층(150)에 의해 상기 제2 접합 자성층(149)과 교환결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수직 자성층(164)은 비정질의 RE-TM 합금을 포함할 수 있다. 상기 제2 수직 자성층(164) 상에 캐핑층(170)이 배치될 수 있다. The second vertical magnetic layer 164 is disposed on the second nonmagnetic layer 150. The second vertical magnetic layer 164 may be configured to have a magnetization direction perpendicular to planes of the first and second junction magnetic layers 141 and 149 constituting the magnetic tunnel junction. The second vertical magnetic layer 164 may be exchanged with the second junction magnetic layer 149 by the second nonmagnetic layer 150. For example, the second vertical magnetic layer 164 may include an amorphous RE-TM alloy. The capping layer 170 may be disposed on the second vertical magnetic layer 164.

도 4a 내지 도 4b 및 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 앞서 도 1을 참조하여 설명된 부분은 일부 생략 될 수 있다. A method of forming a magnetic memory device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4B and FIG. 1. The portion described above with reference to FIG. 1 may be partially omitted.

도 4a를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 전극(110)이 형성될 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 상기 기판(100) 상에 및/또는 상기 기판(100) 내에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4A, a lower electrode 110 may be formed on the substrate 100. The lower electrode 110 may be formed on the substrate 100 and / or in the substrate 100.

상기 하부 전극(110) 상에 비자성층들(121)과 강자성층들(122)이 교대로 적층될 수 있다. 상기 비자성층들(121) 및 상기 강자성층들(122)의 적층 횟수는 2 내지 20회일 수 있다. 상기 강자성층들(122)은 1개 내지 수개 원자의 두께로 형성될 수 있다. 상기 비자성층들(121)과 강자성층들(122)은 제1 수직 자성층(123)을 구성할 수 있다. Nonmagnetic layers 121 and ferromagnetic layers 122 may be alternately stacked on the lower electrode 110. The number of laminations of the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers 122 may be 2 to 20 times. The ferromagnetic layers 122 may be formed to a thickness of 1 to several atoms. The nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers 122 may constitute a first vertical magnetic layer 123.

도 4b를 참조하면, 상기 제1 수직 자성층(123) 상에 제1 하부 금속 화합물층(133)이 형성될 수 있다. 상기 제1 하부 금속 화합물층(133)은 상기 제1 수직 자성층(123) 상에 얇게 금속막을 형성한 후, 상기 금속막을 산화 및/또는 질화하여 형성될 수 있다. 상기 금속막은 금속, 예를 들어 전이금속 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4B, a first lower metal compound layer 133 may be formed on the first vertical magnetic layer 123. The first lower metal compound layer 133 may be formed by forming a thin metal film on the first vertical magnetic layer 123 and then oxidizing and / or nitriding the metal film. The metal film may include at least one selected from a metal, for example, a transition metal.

상기 제1 하부 금속 화합물층(133) 상에 제1 비자성 금속층(136)이 형성된다. 상기 제1 비자성 금속층(136)은 비자성 금속, 예를 들어 비자성 전이금속 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성 금속층(136) 및 제1 하부 금속 화합물층(133)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브 덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 비자성 금속층(136)은 상기 제1 하부 금속 화합물층(133)과 동일한 금속을 포함할 수 있다. A first nonmagnetic metal layer 136 is formed on the first lower metal compound layer 133. The first nonmagnetic metal layer 136 may include at least one selected from a nonmagnetic metal, for example, a nonmagnetic transition metal. For example, the first nonmagnetic metal layer 136 and the first lower metal compound layer 133 may include magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), and copper ( Cu, zinc (Zn), tantalum (Ta), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten ( W), niobium (Nb), zirconium (Zr), yttrium (Y) and hafnium (Hf) may include at least one selected. The first nonmagnetic metal layer 136 may include the same metal as the first lower metal compound layer 133.

도 4c를 참조하면, 상기 제1 비자성 금속층(136) 상에 제1 상부 금속 화합물층(139)이 형성된다. 상기 제1 상부 금속 화합물층(139)은 상기 제1 비자성 금속층(136)의 상부면을 산화하거나 질화하여 형성될 수 있다. 상기 산화 또는 질화를 위해 상기 제1 상부 금속 화합물층(139)의 상부면 상에 소량의 산화가스 및/또는 질화가스가 제공될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 상부 금속 화합물층(139)은 상기 제1 비자성 금속층(136) 상에 별도의 금속층을 형성한 후 이를 산화 및/또는 질화하여 형성되거나, 별도의 금속 화합물층을 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 4C, a first upper metal compound layer 139 is formed on the first nonmagnetic metal layer 136. The first upper metal compound layer 139 may be formed by oxidizing or nitriding an upper surface of the first nonmagnetic metal layer 136. A small amount of oxidizing gas and / or nitriding gas may be provided on the upper surface of the first upper metal compound layer 139 for the oxidation or nitriding. Alternatively, the first upper metal compound layer 139 may be formed by forming a separate metal layer on the first nonmagnetic metal layer 136 and then oxidizing and / or nitriding it, or a separate metal compound layer may be formed. .

상기 제1 상부 금속 화합물층(139) 상에 제1 접합 자성층(141), 터널 베리어(145) 및 제2 접합 자성층(149)이 차례로 형성될 수 있다. 상기 제1 접합 자성층(141) 및 제2 접합 자성층(149)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 접합 자성층(141)과 제2 접합 자성층(149)은 서로 다른 포화 자화량을 갖는 물질들을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 접합 자성층(149)은 비정질 상태로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 접합 자성층(141)의 최상부가 산화 되는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. The first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, and the second junction magnetic layer 149 may be sequentially formed on the first upper metal compound layer 139. The first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may include a soft magnetic material. In an embodiment, the first junction magnetic layer 141 and the second junction magnetic layer 149 may include materials having different saturation magnetization amounts. The first and second junction magnetic layers 149 may be formed in an amorphous state. In an embodiment, a process of oxidizing an uppermost portion of the first junction magnetic layer 141 may be additionally performed.

상기 터널 베리어(145)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(145) 는 복수의 층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 층을 금속막, 금속산화막, 금속질화막 및 금속산질화막 중에서 선택된 적어도 둘 이상의 막일 수 있다. 상기 터널 베리어(145)는 소정의 결정구조, 예를 들어, NaCl형 결정구조를 가질 수 있다. The tunnel barrier 145 is an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and nitrides of titanium (Ti) and vanadium (V). It may include at least one selected from. Alternatively, the tunnel barrier 145 may include a plurality of layers. The plurality of layers may be at least two films selected from a metal film, a metal oxide film, a metal nitride film, and a metal oxynitride film. The tunnel barrier 145 may have a predetermined crystal structure, for example, a NaCl crystal structure.

상기 터널 베리어(145) 상에 제2 접합 자성층(149)이 형성될 수 있다. 상기 제2 접합 자성층(149)이 자기 메모리 셀의 자유층으로 사용되는 경우, 상기 제2 접합 자성층(149)은 상기 제1 접합 자성층(141) 보다 낮은 포화 자화량을 가질 수 있다. 또는, 상기 제2 접합 자성층(149)의 철(Fe)함량은 상기 제1 접합 자성층(141)보다 크거나 적어도 같을 수 있다. The second junction magnetic layer 149 may be formed on the tunnel barrier 145. When the second junction magnetic layer 149 is used as a free layer of the magnetic memory cell, the second junction magnetic layer 149 may have a saturation magnetization lower than that of the first junction magnetic layer 141. Alternatively, the iron (Fe) content of the second junction magnetic layer 149 may be greater than or at least equal to the first junction magnetic layer 141.

상기 제2 접합 자성층(149)의 상부면이 산화 및/또는 질화될 수 있다. 이에 의해, 상기 제2 접합 자성층(149)의 최상부 내에 예비 하부 금속 화합물층(152)이 형성될 수 있다. 상기 제2 접합 자성층(149)의 상부면은 상기 제1 비자성 금속층(136)의 상부면과 동일한 방법으로 산화 및/또는 질화될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 접합 자성층(149)의 산화 및/또는 질화 공정은 생략될 수 있다. An upper surface of the second junction magnetic layer 149 may be oxidized and / or nitrided. As a result, the preliminary lower metal compound layer 152 may be formed in the uppermost portion of the second junction magnetic layer 149. The top surface of the second junction magnetic layer 149 may be oxidized and / or nitrided in the same manner as the top surface of the first nonmagnetic metal layer 136. Alternatively, the oxidation and / or nitriding process of the second junction magnetic layer 149 may be omitted.

상기 제2 접합 자성층(149) 및 상기 예비 하부 금속 화합물층(152) 상에 제2 비자성 금속층(156)이 형성된다. 상기 제2 비자성 금속층(156)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 텅스텐(W), 니오브덴(Nb), 지르코늄(Zr), 이트늄(Y) 및 하프늄(Hf) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. A second nonmagnetic metal layer 156 is formed on the second junction magnetic layer 149 and the preliminary lower metal compound layer 152. The second nonmagnetic metal layer 156 may include magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), ruthenium (Ru), copper (Cu), zinc (Zn), tantalum (Ta), Gold (Au), Silver (Ag), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Molybdenum (Mo), Vanadium (V), Tungsten (W), Niobdene (Nb), Zirconium (Zr) It may include at least one selected from yttrium (Y) and hafnium (Hf).

다시 도 1을 참조하면, 상기 제2 비자성 금속층(156) 상에 제2 상부 금속 화 합물층(159)이 형성된다. 상기 제2 상부 금속 화합물층(159)은 상기 제2 비자성 금속층(156)의 상부면을 산화하거나 질화하여 형성될 수 있다. 상기 산화 또는 질화를 위해 상기 제2 상부 금속 화합물층(159)의 상부면 상에는 소량의 산화가스 및/또는 질화가스가 제공될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 상부 금속 화합물층(159)은 상기 제2 비자성 금속층(156) 상에 별도의 금속층을 형성한 후 이를 산화 및/또는 질화하여 형성되거나, 별도의 금속 화합물층을 증착하여 형성될 수도 있다. Referring back to FIG. 1, a second upper metal compound layer 159 is formed on the second nonmagnetic metal layer 156. The second upper metal compound layer 159 may be formed by oxidizing or nitriding an upper surface of the second nonmagnetic metal layer 156. A small amount of oxidizing gas and / or nitriding gas may be provided on the upper surface of the second upper metal compound layer 159 for the oxidation or nitriding. Alternatively, the second upper metal compound layer 159 may be formed by forming a separate metal layer on the second nonmagnetic metal layer 156 and then oxidizing and / or nitriding it, or by depositing a separate metal compound layer. It may be.

상기 제2 상부 금속 화합물층(159) 상에 비자성층들(161) 및 강자성층들(162)이 교대로 적층될 수 있다. 상기 강자성층들(162)은 1개 내지 수개의 원자의 두께로 형성될 수 있다. 상기 비자성층들(161) 및 상가 강자성층들(162)은 제2 수직 자성층(162)에 포함될 수 있다. 상기 제2 수직 자성층(163)의 비자성층들(161) 및 상기 강자성층들(162)의 적층 횟수는 상기 제1 수직 자성층(123)의 비자성층들(121) 및 상기 강자성층들(122)의 적층 횟수와 상이할 수 있다.Nonmagnetic layers 161 and ferromagnetic layers 162 may be alternately stacked on the second upper metal compound layer 159. The ferromagnetic layers 162 may be formed to a thickness of 1 to several atoms. The nonmagnetic layers 161 and the malleable ferromagnetic layers 162 may be included in the second vertical magnetic layer 162. The number of laminations of the nonmagnetic layers 161 and the ferromagnetic layers 162 of the second vertical magnetic layer 163 may include the nonmagnetic layers 121 and the ferromagnetic layers 122 of the first vertical magnetic layer 123. May be different from the number of laminations.

상기 제2 수직 자성층(163)의 형성 이전 및/또는 이후, 어닐링 공정이 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정에 의해 비정질 상태의 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)이 상기 터널 베리어(145)를 시드층으로 결정화될 수 있다. 상기 어닐링 공정은 마그네틱 어닐링 공정 또는 이외의 어닐링 공정일 수 있다. 상기 터널 베리어(145)가 시드층으로 작용함에 따라, 상기 터널 베리어(145) 및 상기 제1 및 제2 접합층들(141, 149)은 유사한 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 접합층들(141, 149)의 상기 터널 베리어(145)의 면과 접하는 면들은 상기 터널 베리어(145)의 면과 동일한 결정면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리 어(145)의 상부면 및 하부면이 NaCl형 결정 구조의 <001> 결정면에 해당하는 경우, 상기 제1 및 제2 접합층들(141, 149)의 상기 터널 베리어(145)와 접하는 면들은 체심입방 구조의 <001> 결정면일 수 있다. Before and / or after the formation of the second vertical magnetic layer 163, an annealing process may be performed. By the annealing process, the first and second junction magnetic layers 141 and 149 in an amorphous state may crystallize the tunnel barrier 145 as a seed layer. The annealing process may be a magnetic annealing process or another annealing process. As the tunnel barrier 145 serves as a seed layer, the tunnel barrier 145 and the first and second bonding layers 141 and 149 may have a similar crystal structure. In addition, surfaces of the first and second bonding layers 141 and 149 that contact the surfaces of the tunnel barrier 145 may have the same crystal surface as that of the tunnel barrier 145. For example, when the upper surface and the lower surface of the tunnel barrier 145 correspond to the <001> crystal surface of the NaCl-type crystal structure, the tunnel barrier of the first and second bonding layers 141 and 149 Surfaces in contact with 145 may be a <001> crystal plane of body-centered cubic structure.

상기 어닐링 시, 상기 제1 및 제2 비자성층들(130, 150)은 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)이 상기 터널 베리어(145)가 아닌 다른 층들의 결정 구조를 따라 결정화되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 비자성층들(130, 150)이 생략되는 경우, 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)의 결정화는 제1 및 제2 수직 자성층들(123, 163)에 영향을 받을 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)은 상기 터널 베리어(145)와 동일한 결정 구조 및/또는 결정면을 갖지 못할 수 있다. 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)이 상기 터널 베리어(145)와 상이한 결정 구조 및/또는 결정면을 갖는 경우, 이들을 포함하는 자기터널접합의 자기 저항비는 현저히 감소될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따라 상기 제1 수직 자성층(123)과 상기 제1 접합 자성층(141) 사이 및/또는 상기 제2 수직 자성층(163)과 상기 제2 접합 자성층(149) 사이에 제1 및 제2 비자성층들(130, 150)이 개재되는 경우, 상기 제1 및 제2 수직 자성층들(123, 163)이 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)의 결정화의 시드층으로 작용하는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 접합 자성층들(141, 149)의 결정 구조들은 상기 터널 베리어(145)의 결정 구조에 배향될 수 있다. 따라서, 이들을 포함하는 자기터널접합의 자기 저항비가 향상될 수 있다. In the annealing, the first and second nonmagnetic layers 130 and 150 may crystallize along the crystal structure of the first and second junction magnetic layers 141 and 149 other than the tunnel barrier 145. Can be prevented. For example, when the first and second nonmagnetic layers 130 and 150 are omitted, the crystallization of the first and second junction magnetic layers 141 and 149 may be performed by the first and second vertical magnetic layers 123. , 163). In this case, the first and second junction magnetic layers 141 and 149 may not have the same crystal structure and / or crystal surface as the tunnel barrier 145. When the first and second junction magnetic layers 141 and 149 have a different crystal structure and / or crystal plane from the tunnel barrier 145, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including them may be significantly reduced. However, between the first vertical magnetic layer 123 and the first junction magnetic layer 141 and / or between the second vertical magnetic layer 163 and the second junction magnetic layer 149 in accordance with embodiments of the present invention. When the first and second nonmagnetic layers 130 and 150 are interposed, the first and second vertical magnetic layers 123 and 163 may be formed by crystallization of the first and second junction magnetic layers 141 and 149. Acting as a seed layer can be prevented. Accordingly, crystal structures of the first and second junction magnetic layers 141 and 149 may be oriented to the crystal structure of the tunnel barrier 145. Therefore, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including them can be improved.

상기 제2 수직 자성층(163) 상에 캐핑층(170)이 형성될 수 있다. 상기 캐핑 층(170)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capping layer 170 may be formed on the second vertical magnetic layer 163. The capping layer 170 is tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), ruthenium (Ru), magnesium (Mg), tantalum nitride ( TaN) and titanium nitride (TiN).

상기 제1 수직 자성층(123), 상기 제1 비자성층(130), 상기 제1 접합 자성층(141), 상기 터널 베리어(145), 상기 제2 접합 자성층(149), 상기 제2 비자성층(150), 상기 제2 수직 자성층(163) 및 상기 캐핑층(170)이 패터닝된다. 상기 패터닝은 포토리소그라피 및 전자빔을 포함하는 다양한 패터닝 공정 중 선택된 적어도 하나에 의해 수행될 수 있다. 상기 패터닝은 모든 막들이 형성된 후 수행되거나, 일부의 막들을 형성한 후 수행될 수도 있다. 일부의 막들에 대해서만 패터닝이 수행된 경우 나머지 막들을 형성한 후 추가적인 패터닝이 수행될 수 있다. The first vertical magnetic layer 123, the first nonmagnetic layer 130, the first junction magnetic layer 141, the tunnel barrier 145, the second junction magnetic layer 149, and the second nonmagnetic layer 150. ), The second vertical magnetic layer 163 and the capping layer 170 are patterned. The patterning may be performed by at least one selected from various patterning processes including photolithography and electron beams. The patterning may be performed after all the films are formed, or may be performed after forming some films. If patterning is performed on only some of the films, additional patterning may be performed after the remaining films are formed.

도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 일 변형예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 앞서 도 1을 참조하여 설명된 구성요소들의 형성방법에 대한 설명은 생략된다. 2, a method of forming a magnetic memory device according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described. Description of the method of forming the components described above with reference to Figure 1 will be omitted.

기판(100) 상에 시드층(115)이 형성될 수 있다. 상기 시드층(115)은 단일 또는 복수의 금속막을 포함할 수 있다. 상기 시드층(115)은 소정의 결정구조를 갖는 금속막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(115)은 체심입방격자(BCC), 면심입방격자(FCC) 및 조밀육방격자(HCP) 중 선택된 하나 이상의 결정 구조를 가질 수 있다. The seed layer 115 may be formed on the substrate 100. The seed layer 115 may include a single or a plurality of metal layers. The seed layer 115 may include a metal film having a predetermined crystal structure. For example, the seed layer 115 may have one or more crystal structures selected from a body centered cubic lattice (BCC), a face centered cubic lattice (FCC), and a dense hexagonal lattice (HCP).

상기 시드층(115) 상에 제1 수직 자성층(124)이 형성될 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(124)은 상기 시드층(115)을 시드로 사용하여 증착될 수 있다. 상기 시드층(115)을 시드로 하여 증착되는 상기 제1 수직 자성층(124)은 조밀육방격자 또는 L10 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 수직 자성층(124)을 비정질의 RE-TM 합금으로 형성하는 경우, 상기 시드층(115)은 생략될 수 있다. The first vertical magnetic layer 124 may be formed on the seed layer 115. The first vertical magnetic layer 124 may be deposited using the seed layer 115 as a seed. The first vertical magnetic layer 124 deposited using the seed layer 115 as a seed may have a dense hexagonal lattice or an L10 crystal structure. When the first vertical magnetic layer 124 is formed of an amorphous RE-TM alloy, the seed layer 115 may be omitted.

도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 구성요소들의 형성방법의 설명은 생략된다. Referring to Fig. 3, a method of forming a magnetic memory element according to another modification of the first embodiment of the present invention is described. Description of the method of forming the components described with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted.

제2 비자성층(150) 상에 제2 수직 자성층(164)이 형성된다. 상기 제2 수직 자성층(164)은 예를 들어, 비정질 RE-TM 합금을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상기 제2 수직 자성층(164)은 복수의 강자성층들을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들 사이에는 비자성금속층이 개재될 수도 있다. 상기 제2 수직 자성층(164)은 수직 자화방향을 갖는 강자성 물질층의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.The second vertical magnetic layer 164 is formed on the second nonmagnetic layer 150. The second vertical magnetic layer 164 may include, for example, an amorphous RE-TM alloy. Unlike the illustrated figure, the second vertical magnetic layer 164 may include a plurality of ferromagnetic layers. A nonmagnetic metal layer may be interposed between the ferromagnetic layers. The second vertical magnetic layer 164 may be modified in various forms within the range of the ferromagnetic material layer having a vertical magnetization direction.

(제2 실시예)(2nd Example)

도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다.5, a magnetic memory element according to a second embodiment of the present invention is described.

기판(200) 상에 하부 전극(210)이 배치된다. 상기 기판(200)은 반도체 기반의 반도체 기판일 수 있다. 상기 기판(200)은 도전 영역 및/또는 절연 영역을 포함 할 수 있다. 상기 하부 전극(210)은 상기 기판(200)의 상기 도전 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(210)은 상기 기판(200) 상 및/또는 상기 기판(200) 내에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(210)은 라인형, 섬형 및 평판형 중에서 선택된 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. The lower electrode 210 is disposed on the substrate 200. The substrate 200 may be a semiconductor-based semiconductor substrate. The substrate 200 may include a conductive region and / or an insulating region. The lower electrode 210 may be electrically connected to the conductive region of the substrate 200. The lower electrode 210 may be disposed on the substrate 200 and / or in the substrate 200. The lower electrode 210 may have any one shape selected from a line type, an island type, and a flat plate type.

상기 하부 전극(210) 상에 고정층(226, pinning layer)이 배치된다. 상기 고정층(226)은 반강자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고정층(226)은 PtMn, IrMn, FeMn, NiMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 고정층(226)은 인접한 자성층의 자화방향을 일 방향으로 고정시킬 수 있다. A pinning layer 226 is disposed on the lower electrode 210. The pinned layer 226 may include an antiferromagnetic material. For example, the pinned layer 226 is at least one selected from PtMn, IrMn, FeMn, NiMn, MnO, MnS, MnTe, MnF 2 , FeF 2 , FeCl 2 , FeO, CoCl 2 , CoO, NiCl 2 , NiO, and Cr It may include. The pinned layer 226 may fix the magnetization direction of the adjacent magnetic layer in one direction.

상기 고정층(226) 상에 하부 기준층(227)이 제공될 수 있다. 상기 하부 기준층(227)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 기준층(227)은 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 하부 기준층(227)의 자화방향은 상기 고정층(226)에 의해 일 방향으로 고정될 수 있다. 상기 일 방향은 상기 기판(200) 평면에 평행한 방향들 중 선택될 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 하부 기준층(227)은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질 및 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 하부 기준층(227)의 자화방향은 상기 기판(200) 평면에 수직할 수 있다. The lower reference layer 227 may be provided on the pinned layer 226. The lower reference layer 227 may include a ferromagnetic material. For example, the lower reference layer 227 may include CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO 2 , MnOFe 2 O 3 , FeOFe 2 O 3 , NiOFe 2 O 3 , CuOFe 2 O 3 , EuO, and Y 3 Fe 5 O 12 . The magnetization direction of the lower reference layer 227 may be fixed in one direction by the pinned layer 226. The one direction may be selected from among directions parallel to the plane of the substrate 200. As another example, the lower reference layer 227 may include at least one selected from a material having a L10 crystal structure, a material having a dense hexagonal lattice, and an amorphous RE-TM alloy. In this case, the magnetization direction of the lower reference layer 227 may be perpendicular to the plane of the substrate 200.

상기 하부 기준층(227) 상에 기준 교환결합층(228)이 배치될 수 있다. 상기 기준 교환결합층(228)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 및 로듐(Rh)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The reference exchange coupling layer 228 may be disposed on the lower reference layer 227. The reference exchange coupling layer 228 may include at least one selected from ruthenium (Ru), iridium (Ir), chromium (Cr), and rhodium (Rh).

상기 기준 교환결합층(228) 상에 상부 기준층(241)이 형성될 수 있다. 상기 상부 기준층(241)은 철(Fe)을 포함할 수 있다. 상기 상부 기준층(241)은 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 기준층(241)은 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 기준층(241)은 상기 기준 교환결합층(228)에 의해 상기 하부 기준층(227)과 교환결합될 수 있다. An upper reference layer 241 may be formed on the reference exchange coupling layer 228. The upper reference layer 241 may include iron (Fe). The upper reference layer 241 may include at least one selected from cobalt (Co) and nickel (Ni). The upper reference layer 241 is boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), gold (Au) ), And may further include at least one of a nonmagnetic material including copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). The upper reference layer 241 may be exchanged with the lower reference layer 227 by the reference exchange coupling layer 228.

상기 상부 기준층(241) 상에 터널 베리어(245)가 형성될 수 있다. 상기 터널 베리어(245)는 비자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 터널 베리어(245)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(245)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(245)는 금속막 및 금속화합물막을 포함하는 복수의 층들을 포함할 수 있다. The tunnel barrier 245 may be formed on the upper reference layer 241. The tunnel barrier 245 may include a nonmagnetic material. The tunnel barrier 245 is an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and nitrides of titanium (Ti) and vanadium (V). It may include at least one selected from. For example, the tunnel barrier 245 may be a magnesium oxide (MgO) film. Alternatively, the tunnel barrier 245 may include a plurality of layers including a metal film and a metal compound film.

상기 터널 베리어(245) 및 상기 상부 기준층(241)은 유사한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(245) 및 상기 상부 기준층(241)은 각각 NaCl형 결정구조 및 체심입방구조를 가질 수 있다. 상기 터널 베리어(245)와 상기 상부 기준층(241) 사이의 계면은 동일한 결정면들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(245)와 상기 상부 기준층(241) 사이의 계면은 상기 터널 베리어(245)의 <001>의 결정면은 상기 상부 기준층(241)의 <001>결정면으로 구성될 수 있다. The tunnel barrier 245 and the upper reference layer 241 may have a similar crystal structure. For example, the tunnel barrier 245 and the upper reference layer 241 may have a NaCl crystal structure and a body centered cubic structure, respectively. An interface between the tunnel barrier 245 and the upper reference layer 241 may be formed of the same crystal planes. For example, an interface between the tunnel barrier 245 and the upper reference layer 241 may include a <001> crystal surface of the tunnel barrier 245 and a <001> crystal surface of the upper reference layer 241. .

상기 터널 베리어(245) 상에 하부 자유층(249)이 배치될 수 있다. 상기 하부 자유층(249)은 철(Fe)을 포함할 수 있다. 상기 하부 자유층(249)은 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 기준층(241)은 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.The lower free layer 249 may be disposed on the tunnel barrier 245. The lower free layer 249 may include iron (Fe). The lower free layer 249 may include at least one selected from cobalt (Co) and nickel (Ni). The upper reference layer 241 is boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), silver (Ag), gold (Au) ), And may further include at least one of a nonmagnetic material including copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N).

상기 하부 자유층(249) 내의 철(Fe)의 함량은 상기 상부 기준층(241) 내의 철(Fe)의 함량보다 높을 수 있다. 상기 하부 자유층(249)의 높은 철(Fe)의 함량에 의해 상기 상부 기준층(241) 및 하부 자유층(249)을 포함하는 자기 메모리 셀의 신뢰성이 향상될 수 있다. 자기터널접합을 구성하는 기준층과 자유층에 있어서, 기준층의 철의 함량이 높은 경우, 이러한 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 셀은 비정상적인 스위칭 거동을 보일 수 있다. 일 예로, 상대적으로 낮은 함량의 철을 포함하는 자유층의 자화방향은 상기 기준층의 자화방향과 평행한 방향으로 유지되지 못할 수 있다. 이에 따라, 자기 메모리 셀을 평행 상태(상기 자유층의 자화방향과 상기 기준층의 자화방향이 평행한 상태)로 스위칭하는 경우, 상기 자유층의 자화방향이 비정상적으로 반전될 수 있다. 이러한 비정상적인 스위칭 현상에 의해 상 기 자유층을 포함하는 자기 메모리 셀의 신뢰성이 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 하부 자유층(249)은 상기 상부 기준층(241)에 비해 높은 철 함량을 갖는다. 이에 따라, 자기 메모리 셀의 평행 상태로의 스위칭 동작에서 상기 하부 자유층(249)의 자화방향은 상기 상부 기준층(241)의 자화방향과 평행한 상태에서 안정적으로 유지될 수 있다. 즉, 상기 하부 자유층(249)의 자화방향이 비정상적으로 반전되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 하부 자유층(249)을 포함하는 자기 메모리 셀의 신뢰성이 향상될 수 있다. The content of iron (Fe) in the lower free layer 249 may be higher than the content of iron (Fe) in the upper reference layer 241. Reliability of the magnetic memory cell including the upper reference layer 241 and the lower free layer 249 may be improved by the high iron (Fe) content of the lower free layer 249. In the reference layer and the free layer constituting the magnetic tunnel junction, when the iron content of the reference layer is high, the magnetic memory cell including the magnetic tunnel junction may exhibit abnormal switching behavior. For example, the magnetization direction of the free layer including a relatively low content of iron may not be maintained in a direction parallel to the magnetization direction of the reference layer. Accordingly, when the magnetic memory cell is switched to the parallel state (the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the reference layer are parallel), the magnetization direction of the free layer may be abnormally inverted. Such abnormal switching may reduce the reliability of the magnetic memory cell including the free layer. However, according to embodiments of the present invention, the lower free layer 249 has a higher iron content than the upper reference layer 241. Accordingly, in the switching operation of the magnetic memory cell to the parallel state, the magnetization direction of the lower free layer 249 may be stably maintained in parallel with the magnetization direction of the upper reference layer 241. That is, the magnetization direction of the lower free layer 249 may not be abnormally reversed. Therefore, the reliability of the magnetic memory cell including the lower free layer 249 may be improved.

상기 하부 자유층(249) 상에 자유 교환결합층(265)이 배치될 수 있다. 상기 자유 교환결합층(265)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 및 로듐(Rh)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. A free exchange coupling layer 265 may be disposed on the lower free layer 249. The free exchange coupling layer 265 may include at least one selected from ruthenium (Ru), iridium (Ir), chromium (Cr), and rhodium (Rh).

상기 자유 교환결합층(265) 상에 상부 자유층(266)이 배치될 수 있다. 상기 상부 자유층(266)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 자유층(266)은 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자기 메모리 셀의 동작시 상기 상부 자유층(266)의 자화방향은 상기 기판(200) 평면에 평행한 제1 방향 또는 제2 방향으로 변동될 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 상부 자유층(266)은 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 자기 메모리 셀의 동작시 상기 상부 자유층(266)의 자화방향은 상기 기판(200) 평면에 수직한 제1 방향 또는 제2 방향으로 변동될 수 있 다. 상기 상부 자유층(266)은 상기 자유 교환결합층(265)에 의해 상기 하부 자유층(249)와 교환결합될 수 있다. An upper free layer 266 may be disposed on the free exchange coupling layer 265. The upper free layer 266 may include a ferromagnetic material. For example, the upper free layer 266 may include CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO 2 , MnOFe 2 O 3 , FeOFe 2 O 3 , NiOFe 2 O 3 , CuOFe 2 O 3 , EuO, and Y 3 Fe 5 O 12 It may include at least one selected from. When the magnetic memory cell operates, the magnetization direction of the upper free layer 266 may vary in a first direction or a second direction parallel to the plane of the substrate 200. As another example, the upper free layer 266 may include at least one selected from an amorphous RE-TM alloy. In this case, the magnetization direction of the upper free layer 266 may vary in a first direction or a second direction perpendicular to the plane of the substrate 200 when the magnetic memory cell operates. The upper free layer 266 may be exchanged with the lower free layer 249 by the free exchange coupling layer 265.

상기 상부 자유층(266) 상에 캐핑층(270)이 배치된다. 상기 캐핑층(270)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. A capping layer 270 is disposed on the upper free layer 266. The capping layer 270 is selected from tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), tantalum nitride (TaN), and titanium nitride (TiN). It may include at least one.

도시된 바와 달리, 상기 하부 및 상부 자유층(249, 266)과 상기 하부 및 상부 기준층(227, 241)의 위치는 변경될 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 자유층(249, 266)이 상기 터널 베리어(245) 아래에 배치되고, 상기 하부 및 상부 기준층(227, 241)이 상기 터널 베리어(245) 상에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 하부 전극(210)과 상기 터널 베리어(245) 사이에 상부 자유층(266), 자유 교환결합층(265) 및 하부 자유층(249)이 차례로 적층되고, 상기 터널 베리어(245)와 상기 캐핑층(270) 사이에 상부 기준층(241), 기준 교환결합층(228) 및 하부 기준층(227)이 차례로 적층될 수 있다. Unlike shown, positions of the lower and upper free layers 249 and 266 and the lower and upper reference layers 227 and 241 may be changed. For example, lower and upper free layers 249 and 266 may be disposed below the tunnel barrier 245, and the lower and upper reference layers 227 and 241 may be disposed on the tunnel barrier 245. In this case, an upper free layer 266, a free exchange coupling layer 265, and a lower free layer 249 are sequentially stacked between the lower electrode 210 and the tunnel barrier 245, and the tunnel barrier 245 is sequentially stacked. An upper reference layer 241, a reference exchange coupling layer 228, and a lower reference layer 227 may be sequentially stacked between the capping layer 270 and the capping layer 270.

도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 도 5를 참조하여 설명된 구성요소들에 대한 설명은 생략될 수 있다. Referring to Fig. 6, a magnetic memory element according to a modification of the second embodiment of the present invention is described. The description of the components described with reference to FIG. 5 may be omitted.

하부 전극(210) 상에 수직 하부 기준층(223)이 배치될 수 있다. 상기 수직 하부 기준층(223)은 교대로 적층된 비자성층들(221)과 강자성층들(222)을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들(222)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 비자성층들(121)은 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라 듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au), 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 하부 기준층(223)은 [Co/Pt]m, [Co/Pd]m 또는 [Ni/Pt]m (m은 층의 적층 횟수로, 2 이상의 자연수)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 비자성층들(221) 및 강자성층들(222)은 각각 2 내지 20회 적층될 수 있다. 상기 수직 하부 기준층(223)은 상기 기판(200) 및 상기 수직 하부 기준층(223)의 평면들에 수직한 방향으로 전류가 흐르는 경우, 상기 전류과 평행한 방향의 자화방향들을 갖도록 구성될 수 있다(configured). 이를 위해, 상기 강자성층들(222)은 1개 내지 수개의 원자층의 두께로 얇게 형성될 수 있다. The vertical lower reference layer 223 may be disposed on the lower electrode 210. The vertical lower reference layer 223 may include alternating nonmagnetic layers 221 and ferromagnetic layers 222. The ferromagnetic layers 222 may include at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and the nonmagnetic layers 121 may include chromium (Cr), platinum (Pt), It may include at least one selected from palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and copper (Cu). . For example, the vertical lower reference layer 223 may include [Co / Pt] m, [Co / Pd] m or [Ni / Pt] m (m is the number of layers stacked, two or more natural numbers). . In one embodiment, the nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 may be stacked 2 to 20 times each. The vertical lower reference layer 223 may be configured to have magnetization directions in a direction parallel to the current when a current flows in a direction perpendicular to the planes of the substrate 200 and the vertical lower reference layer 223. ). To this end, the ferromagnetic layers 222 may be formed thin in a thickness of one to several atomic layers.

하부 자유층(249) 상에 수직 상부 자유층(263)이 배치될 수 있다. 상기 수직 상부 자유층(263)은 교대로 적층된 비자성층들(261)과 강자성층들(262)을 포함할 수 있다. 상기 강자성층들(262)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 비자성층들(261)은 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au), 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 상부 자유층(263)은 [Co/Pt]n, [Co/Pd]n 또는 [Ni/Pt]n (n은 층의 적층 횟수로, 2 이상의 자연수)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 비자성층들(261) 및 강자성층들(262)은 각각 2 내지 20회 적층될 수 있다. 상기 수직 상부 자유층(263) 내의 비자성층들(261)과 강자성층들(262)의 적층 횟수(n)는 상기 수직 하부 기준층(223) 내의 비자성층들(221)과 강자성층들(222)의 적층 횟수(m)보다 작을 수 있다. The vertical upper free layer 263 may be disposed on the lower free layer 249. The vertical upper free layer 263 may include nonmagnetic layers 261 and ferromagnetic layers 262 that are alternately stacked. The ferromagnetic layers 262 may include at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and the nonmagnetic layers 261 may include chromium (Cr), platinum (Pt), It may include at least one selected from palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and copper (Cu). For example, the vertical upper free layer 263 may include [Co / Pt] n, [Co / Pd] n or [Ni / Pt] n (n is the number of layers stacked, two or more natural numbers). have. In one embodiment, the nonmagnetic layers 261 and the ferromagnetic layers 262 may be stacked 2 to 20 times each. The number of stacks n of the nonmagnetic layers 261 and the ferromagnetic layers 262 in the vertical upper free layer 263 is the nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 in the vertical lower reference layer 223. May be less than the number of laminations (m).

다시 도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 기판(200) 상에 하부 전극(210)이 형성된다. 상기 하부 전극(210)은 상기 기판(200) 상 및/또는 상기 기판(200) 내에 형성될 수 있다. Referring back to FIG. 5, a method of forming a magnetic memory device according to the second embodiment of the present invention is described. The lower electrode 210 is formed on the substrate 200. The lower electrode 210 may be formed on the substrate 200 and / or in the substrate 200.

상기 하부 전극(210) 상에 고정층(226)이 형성된다. 상기 고정층(226)은 반강자성물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 고정층(226)을 대체하여 시드층이 형성될 수 있다. 상기 시드층은 소정의 결정구조를 갖는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. The pinned layer 226 is formed on the lower electrode 210. The pinned layer 226 may include an antiferromagnetic material. In one embodiment, the seed layer may be formed by replacing the pinned layer 226. The seed layer may include a metal or a metal alloy having a predetermined crystal structure.

상기 고정층(226) 상에 하부 기준층(227)이 형성될 수 있다. 상기 하부 기준층(227)은 강자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 기준층(227)은 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 하부 기준층(227)은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질 및 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The lower reference layer 227 may be formed on the pinned layer 226. The lower reference layer 227 may include a ferromagnetic material. For example, the lower reference layer 227 may include CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO 2 , MnOFe 2 O 3 , FeOFe 2 O 3 , NiOFe 2 O 3 , CuOFe 2 O 3 , EuO, and Y 3 Fe 5 O 12 . As another example, the lower reference layer 227 may include at least one selected from a material having a L10 crystal structure, a material having a dense hexagonal lattice, and an RE-TM alloy.

상기 하부 기준층(227) 상에 기준 교환결합층(228)이 형성될 수 있다. 상기 기준 교환결합층(228)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 및 로듐(Rh)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The reference exchange coupling layer 228 may be formed on the lower reference layer 227. The reference exchange coupling layer 228 may include at least one selected from ruthenium (Ru), iridium (Ir), chromium (Cr), and rhodium (Rh).

상기 기준 교환결합층(228) 상에 상부 기준층(241), 터널 베리어(245) 및 하부 자유층(249)이 형성될 수 있다. 상기 상부 기준층(241) 및 상기 하부 자유 층(249)은 비정질 상태로 형성되고, 상기 터널 베리어(245)는 NaCl형의 결정상태로 형성될 수 있다. 상기 상부 기준층(241) 및 상기 하부 자유층(249)의 결정구조는 이후의 어닐링 공정에 의해 상기 터널 베리어(245)의 결정구조를 따라 배향될 수 있다. An upper reference layer 241, a tunnel barrier 245, and a lower free layer 249 may be formed on the reference exchange coupling layer 228. The upper reference layer 241 and the lower free layer 249 may be formed in an amorphous state, and the tunnel barrier 245 may be formed in a NaCl type crystal state. The crystal structures of the upper reference layer 241 and the lower free layer 249 may be oriented along the crystal structure of the tunnel barrier 245 by a subsequent annealing process.

상기 하부 자유층(249) 상에 자유 교환결합층(265)이 형성될 수 있다. 상기 기준 교환결합층(228)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 및 로듐(Rh)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. A free exchange coupling layer 265 may be formed on the lower free layer 249. The reference exchange coupling layer 228 may include at least one selected from ruthenium (Ru), iridium (Ir), chromium (Cr), and rhodium (Rh).

상기 자유 교환결합층(265) 상에 상부 자유층(266)이 형성될 수 있다. 상기 상부 자유층(266)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 상부 자유층(266) 상에 캐핑층(270)이 형성될 수 있다. An upper free layer 266 may be formed on the free exchange coupling layer 265. The upper free layer 266 may include a ferromagnetic material. A capping layer 270 may be formed on the upper free layer 266.

상기 하부 전극(210) 상에 적층된 층들이 패터닝된다. 상기 패터닝은 포토리소그라피 및 전자빔을 포함하는 다양한 패터닝 공정 중 선택된 적어도 하나에 의해 수행될 수 있다. 상기 패터닝은 모든 막들이 형성된 후 수행되거나, 일부의 막들을 형성한 후 수행될 수도 있다. 일부의 막들에 대해서만 패터닝이 수행된 경우 나머지 막들을 형성한 후 추가적인 패터닝이 수행될 수 있다. The layers stacked on the lower electrode 210 are patterned. The patterning may be performed by at least one selected from various patterning processes including photolithography and electron beams. The patterning may be performed after all the films are formed, or may be performed after forming some films. If patterning is performed on only some of the films, additional patterning may be performed after the remaining films are formed.

도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 앞서 도 5에서 설명된 구성요소들의 형성방법에 관한 설명은 생략된다. Referring to Fig. 6, a method of forming a magnetic memory element according to a modification of the second embodiment of the present invention will be described. Description of the method of forming the components described above in Figure 5 will be omitted.

하부 전극(210) 상에 비자성층들(221) 및 강자성층들(222)이 교대로 적층될 수 있다. 상기 강자성층들(222)은 1개 내지 수개의 원자의 두께로 증착될 수 있다. 상기 하부 전극(210) 상에 형성된 비자성층들(221) 및 강자성층들(222)은 수직 하부 기준층(223)을 구성할 수 있다. The nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 may be alternately stacked on the lower electrode 210. The ferromagnetic layers 222 may be deposited to a thickness of one to several atoms. The nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 formed on the lower electrode 210 may constitute a vertical lower reference layer 223.

상기 하부 자유층(249) 상에 비자성층들(261) 및 강자성층들(262)이 교대로 적층될 수 있다. 상기 강자성층들(262)은 1개 내지 수개의 원자의 두께로 형성될 수 있다. 상기 하부 자유층(249) 상에 형성된 비자성층들(221) 및 강자성층들(222)은 수직 상부 자유층(263)을 구성할 수 있다. Nonmagnetic layers 261 and ferromagnetic layers 262 may be alternately stacked on the lower free layer 249. The ferromagnetic layers 262 may be formed to a thickness of one to several atoms. The nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 formed on the lower free layer 249 may constitute a vertical upper free layer 263.

상기 수직 하부 기준층(223)의 상기 비자성층들(221) 및 상기 강자성층들(222)의 적층 횟수는 상기 수직 상부 자유층(262)의 상기 비자성층들(261) 및 상기 강자성층들(262)의 적층 횟수보다 많을 수 있다.The number of laminations of the nonmagnetic layers 221 and the ferromagnetic layers 222 of the vertical lower reference layer 223 may include the nonmagnetic layers 261 and the ferromagnetic layers 262 of the vertical upper free layer 262. May be greater than the number of laminations.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a magnetic memory device according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시예의 일 변형예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a magnetic memory device according to a modification of the first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a magnetic memory device according to another modified example of the first embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면이다. 4A to 4C are diagrams for describing a method of forming a magnetic memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다. 5 is a diagram illustrating a magnetic memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다. 6 is a diagram illustrating a magnetic memory device according to a modification of the second embodiment of the present invention.

Claims (9)

기판 상의 터널 베리어;Tunnel barriers on the substrate; 상기 터널 베리어의 일 면과 접하는 제1 접합 자성층과 상기 제1 접합 자성층에 의해 상기 터널 베리어와 이격되는 제1 수직 자성층;A first vertical magnetic layer spaced apart from the tunnel barrier by a first junction magnetic layer in contact with one surface of the tunnel barrier and the first junction magnetic layer; 상기 터널 베리어의 다른 면과 접하는 제2 접합 자성층과 상기 제2 접합 자성층에 의해 상기 터널 베리어와 이격되는 제2 수직 자성층; 및A second vertical magnetic layer spaced apart from the tunnel barrier by a second junction magnetic layer and the second junction magnetic layer in contact with the other surface of the tunnel barrier; And 상기 제1 접합 자성층과 상기 제1 수직 자성층 사이의 비자성층을 포함하는 자기 메모리 소자. And a nonmagnetic layer between the first junction magnetic layer and the first vertical magnetic layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 자기 메모리 소자의 동작시, 상기 제1 수직 자성층과 상기 제2 수직 자성층의 자화방향은 상기 기판 평면에 수직한 자기 메모리 소자. In operation of the magnetic memory device, a magnetization direction of the first vertical magnetic layer and the second vertical magnetic layer is perpendicular to the substrate plane. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제2 접합 자성층과 상기 제2 수직 자성층 사이의 다른 비자성층을 더 포함하는 자기 메모리 소자. And another nonmagnetic layer between the second junction magnetic layer and the second vertical magnetic layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제1 접합 자성층 및/또는 상기 제2 접합 자성층은 제1 결정구조를 갖 고,The first junction magnetic layer and / or the second junction magnetic layer has a first crystal structure, 상기 제1 수직 자성층 및/또는 상기 제2 수직 자성층은 상기 제1 결정구조와 상이한 제2 결정구조를 갖는 자기 메모리 소자. And the first vertical magnetic layer and / or the second vertical magnetic layer have a second crystal structure different from the first crystal structure. 청구항 4에 있어서, The method according to claim 4, 상기 터널 베리어와 상기 제1 접합 자성층 사이의 계면에서의 상기 터널 베리어의 결정면은 상기 계면에서의 상기 제1 접합 자성층의 결정면과 동일한 자기 메모리 소자. And the crystal plane of the tunnel barrier at the interface between the tunnel barrier and the first junction magnetic layer is the same as the crystal plane of the first junction magnetic layer at the interface. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 비자성층은 2 내지 20Å의 두께를 갖는 자기 메모리 소자.The nonmagnetic layer has a thickness of 2 to 20 GHz. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 비자성층은 상기 비자성층의 상부면 및/또는 하부면과 접하는 금속 화합물층을 더 포함하되, The nonmagnetic layer further includes a metal compound layer in contact with an upper surface and / or a lower surface of the nonmagnetic layer, 상기 금속 화합물층은 금속 산화물, 금속 질화물 및 금속 산질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 자기 메모리 소자. The metal compound layer includes at least one selected from metal oxides, metal nitrides, and metal oxynitrides. 기판 상의 터널 베리어;Tunnel barriers on the substrate; 상기 터널 베리어의 일 면과 접하되 상기 기판 평면과 평행한 평면을 갖는 자유 자성층; 및A free magnetic layer in contact with one surface of the tunnel barrier but having a plane parallel to the substrate plane; And 상기 터널 베리어의 다른 면과 접하되 상기 기판 평면과 평행한 평면을 갖는 기준 자성층을 포함하되, A reference magnetic layer in contact with the other side of the tunnel barrier and having a plane parallel to the substrate plane, 상기 자유 자성층 및 상기 기준 자성층은 철(Fe)을 포함하고, 상기 자유 자성층의 철(Fe)의 함량은 상기 기준 자성층의 철(Fe)의 함량보다 크거나 같은 자기 메모리 소자. The free magnetic layer and the reference magnetic layer include iron (Fe), and the content of iron (Fe) of the free magnetic layer is greater than or equal to the content of iron (Fe) of the reference magnetic layer. 청구항 8에 있어서, The method according to claim 8, 상기 자유 자성층 및/또는 상기 기준 자성층은 비자성 원소를 더 포함하는 자기 메모리 소자. The free magnetic layer and / or the reference magnetic layer further comprises a nonmagnetic element.
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