KR20130066552A - 합성 저장층을 포함하는 자기-참조 자기 랜덤 액세스 메모리 소자 - Google Patents

합성 저장층을 포함하는 자기-참조 자기 랜덤 액세스 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 저장층 감지층 및 저장층과 감지층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 구비하는 자기 터널 접합을 포함하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자로서,상기 저장층은 제1 저장 자화를 갖는 제1 자기층, 제2 저장 자화를 갖는 제2 자기층 및 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 반평행하도록 제1 자기층과 제2 자기층을 분리시키는 비-자기 결합층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 자기층은 판독 온도에서는 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 동일하고, 상기 판독 온도보다 더 높은 기록 온도에서는 상기 제2 저장 자화가 상기 제1 저장 자화보다 더 크도록 배열되는 MRAM 소자에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 MRAM 소자는 자기 터널 접합이 낮은 온도에서 냉각될 때, 낮은 표류 자계(stray field)를 발생시킨다.

Description

합성 저장층을 포함하는 자기-참조 자기 랜덤 액세스 메모리 소자{Self-Referenced Magnetic Random Access Memory Element comprising a Synthetic Storage Layer}
본 발명은 자기 터널 접합이 고온에서 가열되는 경우 용이하게 조절가능한 자화를 갖는 합성 저장층을 가지며, 자기 터널 접합이 저온에서 가열되는 경우 낮은 표류 자계(stray field)를 발생시키는 자기 터널 접합을 포함하는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 MRAM 소자를 기록하는 열-보조형 방법(thermally-assisted method)에 관한 것이다.
소위 자기-참조 판독 동작을 사용하는 MRAM 셀은 일반적으로 제1 안정 방향으로부터 제2 안정 방향으로 변경될 수 있는 자화 방향을 갖는 자기 저장층, 얇은 절연층 및 가역적인 자화 방향을 갖는 감지층으로 형성된 자기 터널 접합을 포함한다. 자기-참조 MRAM 셀들은 저전력 소모 및 증가된 속도로 기록 및 판독 동작을 수행할 수 있도록 한다.
그러나, 판독 동작 동안, 폐자속(closed magnetic flux) 구성에서 감지층의 자화와 저장층의 자화를 결합하는 로컬 자기 표류 자계(local magnetic stray field)로 인해, 저장층과 감지층 사이에 다이폴라 커플링(dipolar coupling)이 발생한다. 이후, 판독 동작 동안, 감지층 자화를 전환하는 것은 이런 다이폴라 커플링을 극복하기에 충분히 큰 자기장을 인가하는 것을 필요로 한다. 필드 사이클(field cycle)을 인가하여 감지층의 히스테리시스 루프(hysteresis loop)를 측정하는 경우, 다이폴라 커플링으로 히스테리시스 루프가 변이(shift)(또는 바이어스(bias))된다. 이런 다이폴라 커플링은 저장층과 감지층의 두께 및 자화 그리고 자기 터널 접합의 크기에 의존한다. 특히, 다이폴라 커플링은 자기 터널 접합 직경이 감소할 때 증가하므로, MRAM 셀의 크기를 축소시키고자 하는 경우 중요한 문제가 될 수 있다.
본 발명은 저장층; 감지층; 및 저장층과 감지층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 구비하는 자기 터널 접합을 포함하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자로서,상기 저장층은: 제1 저장 자화를 갖는 제1 자기층; 제2 저장 자화를 갖는 제2 자기층; 및 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 반평행하도록 제1 자기층과 제2 자기층을 분리시키는 비-자기 결합층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 자기층은: 판독 온도에서는 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 동일하고; 상기 판독 온도보다 더 높은 기록 온도에서는 상기 제2 저장 자화가 상기 제1 저장 자화보다 더 크도록 배열되는 MRAM 소자에 관한 것이다.
일 실시예에서, 제1 자기층은 제1 큐리(Curie) 온도를 갖는 제1 강자성층을 포함할 수 있으며, 제2 자기층은 상기 제1 큐리 온도보다 더 높은 제2 큐리 온도를 갖는 제2 강자성층을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기록 온도는 제1 및 제2 큐리 온도 미만에 해당될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기록 온도는 제1 큐리 온도 초과 및 제2 큐리 온도 미만에 해당될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제1 자기 저장층은 3d 저장 자화를 제공하는 전이 금속 원자의 부격자(sub-lattice) 및 상기 3d 저장 자화와 반평행인 4f 저장 자화를 제공하는 희토류(rare-earth) 원자의 부격자를 포함하는 준강자성 비정질 합금을 포함할 수 있으며, 제1 저장 자화는 상기 3d 저장 자화와 상기 4f 저장 자화의 벡터합과 일치한다.
또 다른 실시예에서, 희토류 부격자는 제1 큐리 온도를 가지며, 전이 금속 원자 부격자는 상기 제1 큐리 온도보다 더 큰 제2 큐리 온도를 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기록 온도는 준강자성 저장층의 보상 온도와 실질적으로 일치할 수 있으며, 제1 저장 자화는 실질적으로 0이 된다.
또 다른 실시예에서, 기록 온도는 상기 준강자성 저장층의 희토류 부격자의 제1 큐리 온도와 실질적으로 일치할 수 있다.
또한, 본 발명은: 기록 온도에서 자기 터널 접합을 가열하는 단계; 제1 및 제2 저장 자화를 조절하는 단계; 및 판독 온도에서 자기 터널 접합을 냉각하는 단계를 포함하는 MRAM 소자의 기록 방법에 관한 것이다.
한 실시예에서, 제1 및 제2 저장 자화를 조절하는 단계는 기록 자기장을 인가함으로써 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, MRAM 소자는 자기 터널 접합의 일단부와 전기접속하는 전류선을 더 포함할 수 있으며, 자기 터널 접합을 가열하는 단계는 상기 전류선을 통해 자기 터널 접합에 가열 전류를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 MRAM 소자의 제1 및 제2 저장 자화는 자기 터널 접합이 고온에서 가열되는 경우 용이하게 조절될 수 있으며, 자기 터널 접합이 저온에서 가열되는 경우 낮은 표류 자계를 발생시킬 수 있다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
본 발명은 예로 주어지고 도면에 도시된 실시예의 상세한 설명에 의해 좀 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 한 실시예에 따라 제1 저장 자화 및 제2 저장 자화를 갖는 저장층을 구비하는 자기 터널 접합을 포함하는 자기-참조 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자를 도시한다.
도 2는 제1 저장 자화 및 제2 저장 자화에서 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 3a 내지 3d는 한 실시예에 따른 제1 및 제2 저장 자화의 배열을 도시한 저장층의 평면도를 나타낸다.
도 4는 도 3a 내지 3d의 실시예에 따른 저장층의 자화 곡선을 나타낸다.
도 5a 내지 5d는 또 다른 실시예에 따른 제1 및 제2 저장 자화의 배열을 도시한다.
도 6은 도 5a 내지 5d의 실시예에 따른 저장층의 자화 곡선을 나타낸다.
도 7a 및 7b는 또 다른 실시예에 따른 제1 및 제2 저장 자화의 배열을 도시한다.
도 8은 도 7a 및 7b의 실시예에 따른 저장층의 자화 곡선을 나타낸다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 MRAM 소자를 도시한다.
도 10은 도 9의 실시예에 따른 MRAM 소자의 제1 및 제2 저장 자화에서 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 1은 한 실시예에 자기-참조 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자(1)를 도시한다. MRAM 셀(1)은 저장층(23); 감지층(21); 및 저장층(23)과 감지층(21) 사이에 포함된 터널 배리어층(22)을 포함하는 자기 터널 접합(2)을 포함한다.
도 1의 실시예에서, 저장층(23)은 강자성이고 제1 저장 자화(234)를 갖는 제1 자기층(231), 강자성이고 제2 저장 자화(235)를 갖는 제2 자기층(232), 및 제1 및 제2 강자성층(231, 232)을 분리시키는 비-자기 결합층(233)을 구비하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet, SAF) 구조를 포함한다. 강자성층(231 및 232)은, 예컨대 코발트-철(CoFe), 코발트-철-붕소(CoFeB), 니켈-철(NiFe), 코발트(Co) 등과 같은 물질로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 강자성층(231, 232)의 두께는, 예컨대 1nm와 10nm 사이, 바람직하게는 약 1.5nm와 약 4nm 사이에 포함될 수 있다.
결합층(coupling layer)(233)은 루테늄(Ru), 레늄(Re), 로듐(Rh), 텔루륨(Te), 이트륨(Y), 크롬(Cr), 이리듐(Ir), 은(Ag), 구리(Cu) 등으로 구성된 그룹에서 선택된 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 결합층(233)은 루테늄으로 구성된다. 결합층(233)의 치수(예컨대, 두께)는 제1 저장 자화(234)가 제2 자화(235)와 반평행하게 배향되도록, 제1 및 제2 강자성층(231 및 232)이 자기적으로 결합되도록 선택될 수 있다. 두께는 결합층(233)을 형성하는 물질에 의존할 수 있다. 두께는 통상 약 0.2nm와 약 3nm 사이, 바람직하게는 약 0.6nm와 약 2nm 사이, 또는 약 0.6nm와 약 0.9nm 사이 또는 약 1.6nm와 약 2nm 사이에 포함된다. 또한, 다른 두께들이 2개의 강자성층들(231 및 232)을 결합시키는데 적합할 수 있다.
자기 터널 접합(2)은 가역성의 감지 자화(211)를 갖는 감지층(21) 및 저장층(23)으로부터 감지층(21)을 분리시키는 터널 배리어층(22)을 더 포함한다. 감지층(21)은 낮은 스위칭 필드(switching field)를 얻기 위해 CoFeB-기반 합금 대신에 NiFe-기반 합금으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 감지층(21)은 교환 바이어스(exchange biased)되지 않으며, 감지층의 자화는, 예컨대 열적 교란(thermal agitation)에 기인하여 자유롭게 변화될 수 있는 방향을 가지므로, 그 자화는 자기장에서 자유롭게 정렬될 수 있다. 터널 배리어층(22)은 통상 나노미터의 범위에 있는 얇은 층이며, 예컨대 알루미나(Al2O3) 또는 산화 마그네슘(MgO)과 같은 임의의 적절한 절연 물질로 형성될 수 있다.
한 실시예로, 도 1의 예시적인 구성에 도시된 바와 같이, 저장층(23)은 반강자성층(24)과 교환 결합(exchange coupled)될 수 있다. 반강자성층(24)은 임계 온도 미만에서 제1 강자성층(231)의 제1 저장 자화(234)를 피닝하고, 임계 온도 이상에서 제1 저장 자화를 자유롭게 하도록 형성된다. 반강자성층(24)은 가령 IrMn, PtMn 또는 FeMn과 같은 망간-기반 합금, 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제1 강자성층(231)은 제2 강자성층(232)의 제2 큐리 온도(TC2)보다 낮은 제1 큐리 온도(TC1)를 갖는다.
도 2는 한 실시예에 따른 제1 저장 자화(234) 및 제2 저장 자화(235)의 포화 자화(Ms)의 온도 의존성을 나타낸다. 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 온도가 큐리 온도들(TC1 및 TC2)을 향해 증가될 때 각각 감소한다. 큐리 온도들(TC1 및 TC2) 이상에서, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 순(net) 자화는 각각 0이 되고 물질은 상자성(paramagnetic)이 되도록 열적 요동(thermal fluctuation)이 존재한다. 또한, 도 2에서 저장층(23)의 유효(effective) 저장 자화(236)의 온도 의존성이 나타난다. 유효 저장 자화(236)는 제1 저장 자화(234)와 제2 저장 자화(235)의 벡터합과 일치한다. 제1 및 제2 큐리 온도(TC1 및 TC2)의 상당히 아래인 임계 온도(TS) 미만인 판독 온도(T1)에서, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 실질적으로 동일하고 유효 저장 자화(236)는 실질적으로 0(null)이다. 여기서, 실질적으로 동일하고 실질적으로 0이라는 표현은 각각 정확히 동일하고 정확히 0이라는 것을 포함한다. 따라서, 유효 저장 자화(236)에 의해 생성되는 순 저장 자기 표류 자계는 실질적으로 0이며, 저장층(23)과 감지층(21) 사이의 다이폴라 커플링은 발생하지 않는다. 그 결과, 판독 온도(T1)에서 감지 자화(211)는, 예컨대 소규모의 외부 자기장을 사용하여 용이하게 스위칭될 수 있다. 따라서, MRAM 소자(1)의 판독 동작을 수행하는 경우 자기 터널 접합(2)을 판독 온도(T1)로 설정하는 것이 이점적이다. 판독 온도(T1)는, 예컨대 MRAM 셀 환경의 온도와 같은 MRAM 소자(1)의 동작 온도와 일치할 수 있다.
도 3a 내지 3d는 자기 터널 접합(2)이 판독 온도(T1)에 있는 한 실시예에 따른 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 배열을 도시한 저장층(23)의 평면도를 나타낸다. 도 4는 자기 터널 접합(2)이 판독 온도(T1)에 있는 경우에 대한 SAF 저장층(23)의 자화 곡선을 나타낸다. 기호 B는 외부 기록 자기장(42)의 크기를 나타내며, 기호 M은 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 자화 값을 나타낸다. 도 4는 기록 자기장(42)이 스핀-플롭(spin-flop) 필드 값(BSF) 미만인 크기로 인가된 경우(도 4에서 기호 ②로 표시된 평평한 부분), 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 스위칭이 발생하지 않는다는 것을 보여준다. 이후, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 결합층(233)의 커플링 효과(coupling effect)로 인해 반평행하게 배향된다(도 3b 및 3c 참조). 기록 자기장(42)의 크기가 스핀-플롭 필드 값(BSF) 이상인 크기로 증가된 경우(도 4에서 기호 ① 및 ③로 표시된 부분), 제1 저장 자화(234)는 더 이상 제2 저장 자화(235)와 반평행이 아니며, 제2 저장 자화와 기결정된 각(α)을 형성한다(도 3a 및 3d 참조). 기록 자기장(42)을 포화 필드 값(BSAT)으로 더 증가시킴으로써, 제1 저장 자화(234)는 제2 저장 자화(235)와 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다(도 3에 미도시됨).
따라서, 자기 터널 접합(2)의 판독 온도(T1)에서 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하기 위해서는 기록 자기장(42)을 스핀-플롭 필드 값(BSF) 이상의 크기로 인가하는 것이 요구된다. 통상적인 스핀-플롭 필드 값(BSF)은 약 400 Oe와 600 Oe 사이의 범위이기 때문에, 자기 터널 접합(2)의 판독 온도(T1)에서 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하기 위해서는 적어도 400 Oe 이상의 크기를 갖는 기록 자기장(42)이 필요하다.
도 5a 내지 5d는 자기 터널 접합(2)이 임계 온도(TS) 이상으로써 판독 온도(T1)보다 더 높은 기록 온도(T2)에 있는 경우 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 배열을 도시한다. 본 예에서는, 제2 저장 자화(235)가 제1 저장 자화(234)보다 더 커지도록, 기록 온도(T2)는 제1 및 제2 큐리 온도(TC1 및 TC2) 미만이나 제1 큐리 온도(TC1) 근처에 있으며(도 2 참조), 유효 저장 자화(236)는 영이 아니다(non-null). 도 5a 내지 5d에서, 제2 저장 자화(235)의 더 큰 크기가 더 두꺼운 화살표(235)로 표시된다.
도 6은 기록 자기장(42)이 기록 온도(T2)에 있는 자기 터널 접합(2)에 인가되는 경우에 대한 SAF 저장층(23)의 자화 곡선을 나타낸다. 이 경우, 자화 곡선은 도 6의 기호 ② 및 ③로 표시되는 곡선 부분에서 히스테리시스(hysteresis)를 보여준다. 이후, 기록 자기장(42)이 스위칭 필드 값(BS) 이상인 크기로 인가된 경우, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 예컨대, 도 5b에 도시된 제1 배향에서 도 5c에 도시된 다른 배향으로 스위칭될 수 있다. 도시된 바를 통해, 스위칭 필드(BS)는 80 Oe 미만일 수 있다. 도 5b 및 5c에서, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 결합층(233)의 커플링 효과로 인해 반평행하게 배향된다. 도 4의 자화 곡선과 유사하게, 도 6의 ① 및 ④ 부분은, 제1 및 제2 저장 자화(233, 234)가 서로 기결정된 각(α)을 형성하는 도 5a 및 5d에 도시된 배열을 나타내는 스핀-플롭 필드 값(BSF) 이상의 크기로 인가되는 기록 자기장(42)과 일치한다.
도 7a 및 7b는 자기 터널 접합(2)이 제1 큐리 온도(TC1) 초과, 제2 큐리 온도(TC2) 미만인 기록 온도(T3)에 있는 경우 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 배열을 도시한다(도 2 참조). 자기 터널 접합(2)이 제1 큐리 온도(TC1) 이상이기 때문에, 제1 저장 자화(234)는 실질적으로 0이 된다. 따라서, 유효 저장 자화(236)는 제2 저장 자화(235)에 의해서만 결정된다. 이것은 도 7a 및 7b에서 단지 제2 저장 자화(235)만 표시되는 것으로 나타난다. 이런 구성에서, SAF 저장층(23)은 단지 제2 강자성층(232)만 포함하는 것처럼 행동한다.
도 8은 기록 자기장(42)이 기록 온도(T3)에 있는 자기 터널 접합(2)에 인가되는 경우에 대한 SAF 저장층(23)의 자화 곡선을 나타낸다. 도 8의 자화 곡선은 기호 ① 및 ②로 표시된 곡선 부분에서 히스테리시스를 나타낸다. 기록 자기장(42)이 스위칭 필드 값(BS) 이상인 크기로 인가된 경우, 제2 저장 자화(235)는 예컨대, 도 7a에 도시된 제1 배향에서 도 7b에 도시된 다른 배향으로 스위칭될 수 있다. 여기서, 단지 제2 저장 자화(235)만이 스위칭되어야 하기 때문에, 스위칭 필드(BS)는 40 Oe 미만일 수 있다.
한 실시예에 따르면, MRAM 소자(1)의 열-보조 기록 동작은: 자기 터널 접합(2)을 기록 온도(T2, T3, T4)로 가열하는 단계; 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 조절하는 단계; 및 자기 터널 접합을 판독 온도(T1)로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 조절하는 단계는 기록 자기장(42)을 인가함으로써 수행될 수 있다. 단지 예로써, 기록 자기장(42)은 필드선(field line)(4)에 계자 전류(field current)(41)를 통과시킴으로써 생성될 수 있다(도 1 참조). 대안으로, 기록 자기장(42)은 자기 터널 접합(2)의 일단부와 전기접속하는 전류선(current line)(5)에 계자 전류(41)를 통과시킴으로써 생성될 수 있다. 기록 자기장(42)의 크기는 기록 자기장(42)의 배향에 따라 또는 계자 전류(41)의 크기 및 극성에 따라 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 정렬시키도록 형성된다. 더 상세하게는, 도 1에서 계자 전류(41)가 도면의 안쪽을 향하도록 도시되며, 자기장(42)은 좌측을 향하는 화살표로 도시된다. 대안으로, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)는 예컨대, 전류선(5)을 통해 자기 터널 접합(2)에 스핀 분극 전류(spin polarized current)(미도시)를 통과시킴으로써 조절될 수 있다.
도 1에 도시된 대로, 자기 터널 접합(2)을 가열하는 것은, 예컨대 전류선(5)을 통해 자기 터널 접합(2)에 가열 전류(31)를 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 바람직하게는, 자기 터널 접합(2)은 제1 저장 자화(234)가 실질적으로 0이 되는 기록 온도(T3)로 가열되며, 여기서 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 조절하는 것이 가장 쉬운데, 예컨대 가장 낮은 기록 자기장(42)이 요구된다. 한 실시예에서, 기록 온도(T3)는 실질적으로 최대인 유효 저장 자화(236)에 해당한다. 도 2의 예에서, 유효 저장 자화(236)의 최대값은 제1 저장 자화(234)가 0이 되고 제2 저장 자화(235)가 제2 큐리 온도(TC2) 미만인 제1 큐리 온도(TC1)에 해당한다. 따라서, 단지 제2 저장 자화(235)만을 스위칭하는데 필요한 기록 자기장(42)은 T3 에서 가장 낮다. 예컨대, 스위칭 필드 값(BS)은 40 Oe 미만일 수 있다.
바람직하기로, 자기 터널 접합(2)은 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)가 실질적으로 동일하고 유효 저장 자화(236)가 실질적으로 0(null)인 판독 온도(T1)에서 냉각된다(도 2 참조). 따라서, 판독 온도(T1)에서는, 실질적으로 저장층(23)에 의해 저장 자기 표류 자계가 생성되지 않으며, 실질적으로 저장층(23)과 감지층(21) 사이의 다이폴라 커플링은 발생하지 않는다. 판독 온도(T1)에서 감지 자화(211)는, 예컨대 소규모의 외부 자기장(40 Oe 미만)을 사용하여 용이하게 스위칭될 수 있다. 따라서, MRAM 소자(1)의 판독 동작을 수행하는 경우 자기 터널 접합(2)을 판독 온도(T1)로 설정하는 것이 이점적이다.
제2 실시예
도 9는 SAF 저장층(23)의 제1 자기층이 준강자성인 또 다른 실시예에 따른 MRAM 소자(1)를 도시한다. 바람직하기로, 준강자성 저장층(231)은 준강자성 비정질 합금(ferrimagnetic amorphous alloy)을 포함한다. 준강자성 비정질 합금은 적절한 소자 및 전이 금속과 희토류 물질 사이의 상대적인 조성을 선택함으로써 제공될 수 있다. 더 상세하게는, 준강자성 저장층(231)은 4f 저장 자화(2342)를 제공하는 희토류(rare-earth) 원자의 부격자(sub-lattice) 및 실질적으로 4f 저장 자화와 반평행하게 배향되는 3d 저장 자화(2341)를 제공하는 전이 금속 원자의 부격자를 포함한다. 준강자성 저장층(231)의 제1 저장 자화(234)는 3d 저장 자화(2341)와 상기 4f 저장 자화(2342)의 벡터합과 일치한다. 도 9 및 10의 예에서 도시된 대로, 결합층(233)의 두께는 제2 저장 자화(235)가 3d 저장 자화(2341)와 평행으로 결합되도록 선택될 수 있다.
도 10은 도 9의 실시예에 따른 MRAM 소자(1)의 제2 저장 자화(235)에 대한 4f 및 3d 저장 자화(2342, 2341)의 온도 의존성을 나타낸다. 또한, 도 10에서는 제1 저장 자화(234) 및 저장층(23)의 유효 저장 자화(236)의 온도 의존성이 나타난다. 도 10의 예에서, 준강자성 저장층(231)의 희토류 부격자의 제1 큐리 온도(TC1)는 준강자성 저장층(231)의 전이 금속 부격자 및 제2 저장 자화(235)의 제2 큐리 온도(TC2)보다 더 낮다.
자기 터널 접합(2)의 판독 온도(T1)에서(도 10 참조), 준강자성 비정질 합금은 4f 및 3d 저장 자화(2342, 2341)의 벡터합이 제2 저장 자화(235)와 실질적으로 동일한 크기를 갖는 제1 저장 자화(234)가 되도록 제공될 수 있다. 결합층(233)의 자기 결합으로 인해, 제1 저장 자화(234)가 제2 저장 자화(235)와 실질적으로 반평행하게 배향되어, 유효 저장 자화(236)는 실질적으로 0이 된다. 이런 구성에서, 기록 동작 동안, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하기 위해서는 높은 기록 자기장(42)이 요구된다. 그러나, 이런 구성에서는 실질적으로 저장층(23)과 감지층(21) 사이의 다이폴라 커플링이 발생하지 않으며, 감지 자화(211)는 용이하게 스위칭될 수 있다. 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)가 판독 온도(T1)에서 실질적으로 동일하도록 하는 것은, 예컨대 준강자성 저장층(231) 및 제2 저장 자화(235)의 두께를 조절함으로써 얻어질 수 있다.
자기 터널 접합(2)을 기록 온도(T2)로 가열하면 3d 저장 자화(2341)가 실질적으로 변하지 않도록 하면서 4f 저장 자화(2342)를 감소시킨다. 따라서, 제1 저장 자화(234)는 판독 온도(T1)에서의 경우에 비해 감소된다. 기록 온도(T2)에서 제2 저장 자화(235)도 판독 온도(T1)에서의 경우에 비해 실제로 변화되지 않기 때문에, 유효 저장 자화(236)는 증가되며, 또한 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하는데 필요한 기록 자기장(42)도 감소된다.
자기 터널 접합(2)은 제1 저장 자화(234)가 실질적으로 0이 되도록 기록 온도(T3)에서 더 가열될 수 있다. 도 10의 예에서, 기록 온도(T3)는 준강자성 저장층(231)의 보상 온도(TCOMP)와 실질적으로 일치하며, 이 경우 4f 저장 자화(2342)는 반대 방향으로 배향되는 3d 저장 자화(2341)와 실질적으로 동일하다. 기록 온도(T3)에서 제2 저장 자화(235)는 기록 온도(T2)에서의 경우에 비해 약간만 감소되며, 따라서 유효 저장 자화(236)는 더 증가된다. 따라서, 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하는데 필요한 기록 자기장(42)은 더 감소될 수 있다.
자기 터널 접합(2)을 준강자성 저장층(231)의 희토류 부격자의 제1 큐리 온도(TC1)와 실질적으로 일치하는 기록 온도(T4)로 가열하면 4f 저장 자화(2342)는 실질적으로 0이 된다. 따라서, 기록 온도(T4)에서 제1 및 제2 저장 자화(234, 235)의 벡터합은 최대가 된다. 따라서, 제1 및 제 2 저장 자화(234, 235)를 스위칭하는데 필요한 기록 자기장(42)은 최소가 된다.
1 자기 랜덤 액세스 메모리 셀
2 자기 터널 접합
21 감지층
211 감지 자화
22 터널 배리어층
23 합성 저장층
231 제1 자기층
232 제2 자기층
233 결합층
234 제1 저장 자화
2341 3d 저장 자화
2342 4f 저장 자화
235 제2 저장 자화
236 유효 저장 자화
24 반강자성층
31 가열 전류
4 필드선
41 기록 전류
42 기록 자기장
5 전류선
BS 스위칭 필드
BSAT 포화 필드
BSF 스핀-플롭 필드
T1 판독 온도
T2, T3, T4 기록 온도
TC1 제1 큐리 온도
TC2 제2 큐리 온도

Claims (11)

  1. 저장층; 감지층; 및 저장층과 감지층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 구비하는 자기 터널 접합을 포함하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 소자로서,
    상기 저장층은: 제1 저장 자화를 갖는 제1 자기층; 제2 저장 자화를 갖는 제2 자기층; 및 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 반평행하도록 제1 자기층과 제2 자기층을 분리시키는 비-자기 결합층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 자기층은: 판독 온도에서는 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 동일하고; 상기 판독 온도보다 더 높은 기록 온도에서는 상기 제2 저장 자화가 상기 제1 저장 자화보다 더 크도록 배열되는 MRAM 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자기층은 제1 큐리(Curie) 온도를 갖는 제1 강자성층을 포함하며, 상기 제2 자기층은 상기 제1 큐리 온도보다 더 높은 제2 큐리 온도를 갖는 제2 강자성층을 포함하는 MRAM 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기록 온도는 상기 제1 및 제2 큐리 온도 미만에 해당되는 MRAM 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기록 온도는 상기 제1 큐리 온도 초과 및 상기 제2 큐리 온도 미만에 해당되는 MRAM 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자기 저장층은 3d 저장 자화를 제공하는 전이 금속 원자의 부격자(sub-lattice) 및 상기 3d 저장 자화와 반평행인 4f 저장 자화를 제공하는 희토류(rare-earth) 원자의 부격자를 포함하는 준강자성 비정질 합금을 포함하며, 상기 제1 저장 자화는 상기 3d 저장 자화와 상기 4f 저장 자화의 벡터합과 일치하는 MRAM 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 희토류 부격자는 제1 큐리 온도를 가지며, 상기 전이 금속 원자 부격자는 상기 제1 큐리 온도보다 더 큰 제2 큐리 온도를 가지는 MRAM 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기록 온도는 상기 준강자성 저장층의 보상 온도와 실질적으로 일치하며, 상기 제1 저장 자화는 실질적으로 0이 되는 MRAM 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 기록 온도는 상기 준강자성 저장층의 희토류 부격자의 제1 큐리 온도와 실질적으로 일치하는 MRAM 소자.
  9. 저장층, 감지층, 및 저장층과 감지층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 구비하는 자기 터널 접합을 포함하며, 상기 저장층은 제1 저장 자화를 갖는 제1 자기층, 제2 저장 자화를 갖는 제2 자기층, 및 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 반평행하도록 제1 자기층과 제2 자기층을 분리시키는 비-자기 결합층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 자기층은 판독 온도에서는 상기 제1 저장 자화가 상기 제2 저장 자화와 실질적으로 동일하고, 상기 판독 온도보다 더 높은 기록 온도에서는 상기 제2 저장 자화가 상기 제1 저장 자화보다 더 크도록 배열되는 MRAM 소자를 기록하는 방법으로서,
    상기 기록 방법은:
    상기 기록 온도로 상기 자기 터널 접합을 가열하는 단계;
    상기 제1 및 제2 저장 자화를 조절하는 단계; 및
    상기 판독 온도로 상기 자기 터널 접합을 냉각하는 단계를 포함하는 MRAM 소자 기록 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 저장 자화를 조절하는 단계는 기록 자기장을 인가함으로써 수행되는 MRAM 소자 기록 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 MRAM 소자는 상기 자기 터널 접합의 일단부와 전기접속하는 전류선을 더 포함하며, 상기 자기 터널 접합을 가열하는 단계는 상기 전류선을 통해 자기 터널 접합에 가열 전류를 통과시키는 단계를 포함하는 MRAM 소자 기록 방법.
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