KR20130084258A - Ｍｒａｍ 셀 및 계자 전류가 감소된 열 보조 기록 동작을 사용하여 ｍｒａｍ 셀에 기록하는 방법 - Google Patents

Ｍｒａｍ 셀 및 계자 전류가 감소된 열 보조 기록 동작을 사용하여 ｍｒａｍ 셀에 기록하는 방법 Download PDF

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이온 루시앙 프흐쥬베뉘
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Abstract

본 발명은 저장 자화를 갖는 저장층; 참조 자화를 갖는 참조층; 및 감지층과 저장층 사이에 포함되는 터널 배리어층으로 형성된 자기 터널 접합; 및 상기 자기 터널 접합에 전기 연결된 전류선을 포함하는 MRAM 셀에 기록하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 자기 터널 접합을 가열하기 위해 자기 터널 접합에 가열 전류를 통과시키는 단계와, 계자 전류의 극성에 따라 저장 자화를 기록된 방향으로 스위칭하기 위해 계자 전류를 통과시키는 단계를 포함한다. 가열 전류의 크기는 가열 전류가 스핀 분극 전류로서 작용하고 저장 자화를 조정할 수 있도록 하며, 가열 전류의 극성은 실질적으로 상기 기록된 방향으로 저장 자화를 조정하도록 한다.

Description

ＭＲＡＭ 셀 및 계자 전류가 감소된 열 보조 기록 동작을 사용하여 ＭＲＡＭ 셀에 기록하는 방법{MRAM Cell and Method for Writing to the MRAM Cell using a Thermally Assisted Write Operation with a Reduced Field Current}
본 발명은 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀 및 계자 전류가 감소된 열 보조 기록 동작을 사용하여 MRAM 셀에 기록하는 방법에 관한 것이다.
열 보조 기록 동작을 사용하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀은 통상 고정된 자화를 갖는 참조층(reference layer), 스위칭될 수 있는 자화를 갖는 저장층 및 참조층과 저장층 사이의 터널 배리어층으로 형성된 자기 터널 접합을 포함한다. MRAM 셀은 저장층의 자화를 교환-결합(exchange-coupling)하는 반강자성층을 더 포함한다. 이런 MRAM 셀은 반강자성층의 교환-결합으로 인해 저장층의 열적 안정성이 상당해 개선되는 특징이 있다. 또한, 주위 온도에 있는 이웃하는 메모리 셀들과 비교하여 기록되는 메모리 셀의 선택적 가열로 인해, MRAM 셀의 개선된 기록 선택성(writing selectivity)도 달성된다.
MRAM 셀은 메모리 셀이 가열될 때 저장층의 자화를 스위칭하도록 형성된 자기장을 생성하기 위해 계자전류선(field line)을 통과하는 계자 전류를 사용하여 기록된다. 그러나 계자 전류의 크기가 저전력 적용예에서는 너무 높을 수 있다.
본 발명은 자기 터널 접합이 고온 임계치로 가열되는 경우 조정될 수 있고, 자기 터널 접합이 저온 임계치로 냉각되는 경우 고정될 수 있는 저장 자화를 갖는 저장층; 고정된 참조 자화를 갖는 참조층; 및 감지층과 저장층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 포함하는 자기 터널 접합; 및 상기 자기 터널 접합에 전기 연결되는 전류선을 포함하는 MRAM 셀에 기록하는 방법으로서, 상기 방법은:자기 터널 접합을 가열하기 위해 전류선을 통해 자기 터널 접합에 가열 전류를 통과시키는 단계; 및자기 터널 접합이 고온 임계치에 도달하면, 계자 전류의 극성에 따라 참조 자화에 대해 실질적으로 평행하거나 반평행한 기록된 방향으로 저장 자화를 스위칭하는 기록 자기장을 발생시키는 계자 전류를 통과시키는 단계를 포함하고, 가열 전류의 크기로 가열 전류가 스핀 분극 전류로서 작용하고 저장 자화에 스핀 전달이 조정되도록 하며, 가열 전류의 극성은 실질적으로 상기 기록 자기장 쪽으로 저장 자화를 조정하도록 한다.
한 실시예로, MRAM 셀은 자기 터널 접합의 일단에 전기 연결된 바이폴라(bipolar) 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 바이폴라 트랜지스터는 자기 터널 접합에서의 가열 전류의 흐름(passing) 및 가열 전류의 극성을 제어하도록 배열된다.
또 다른 실시예로, 계자 전류는 전류선으로 통과될 수 있다. 대안으로, MRAM 셀은 계자전류선을 포함할 수 있으며, 계자 전류는 계자전류선으로 통과될 수 있다.
또 다른 실시예로, MRAM 셀은 저장층에 교환결합하고, 자기 터널 접합이 저온 임계치에 있는 경우 저장 자화를 피닝하며, 자기 터널 접합이 고온 임계치에 있는 경우 저장 자화를 자유롭게 하는 저장 반강자성층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 MRAM 셀 및 MRAM 셀의 기록 방법은 고온 임계치에서 스핀 분극 전류(spin polarized current)로서 작용하는 가열 전류와 저장 자화를 스위칭하는 계자 전류를 결합하도록 한다. 저장 자화를 스위칭하는데 사용되는 계자 전류가 종래의 MRAM 셀에 비해 감소될 수 있다.
본 발명은 예로서 제시되고, 도면에 의해 도시된 실시예의 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 한 실시예에 따라 자기 터널 접합, 선택(select) 트랜지스터, 가열 전류가 통과하는 전류선 및 계자 전류가 통과하는 계자전류선을 포함하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀의 도면을 도시한다.
도 2는 또 다른 실시예에 따른 MRAM 셀을 도시한다.
도 3은 가열 전류 및 계자 전류가 전류선으로 통과하는, 또 다른 실시예에 따른 MRAM 셀을 도시한다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 MRAM 셀을 도시한다.
도 1은 한 실시예에 따른 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀(1)을 도시한다. MRAM 셀(1)은 자기 터널 접합(2)이 고온 임계치로 가열되는 경우 조정될 수 있고, 자기 터널 접합(2)이 저온 임계치로 냉각되는 경우 고정될 수 있는 저장 자화(230)를 갖는 저장층(23)을 포함한다. 자기 터널 접합(2)은 고정된 참조 자화(210)를 갖는 참조층(21)과, 감지 및 저장층(21, 23) 사이에 포함되는 터널 배리어층(22)을 더 포함한다. MRAM은 가열 전류(31)를 통과시키도록 배열된, 자기 터널 접합(2)의 일단에 전기 연결된 전류선(3)을 더 포함한다. MRAM은 자기 터널 접합(2)의 타단에 전기 연결된 선택 트랜지스터(8)를 더 포함할 수 있다. 제어 전류선 또는 워드선(word line)(미도시)은 MRAM 셀(1)을 개별적으로 어드레스(address)하기 위해 선택 트랜지스터(8)의 개폐를 제어하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 선택 트랜지스터(8)는 CMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 도 1의 예에서, MRAM 셀(1)은 자기 터널 접합(2)의 상기 일단에 배열되고, 전류선(3)에 실질적으로 수직이며, 계자 전류(41)가 지나도록 형성된 계자전류선(field line)(4)을 더 포함한다. 도 1에서, 계자전류선과 계자 전류(41)는 도면 페이지에 수직으로 도시된다.
한 실시예로, MRAM 셀(1)에 기록하는 기록 동작은: 자기 터널 접합(2)을 가열하기 위해 전류선(3)을 통해 자기 터널 접합(2)에 가열 전류(31)를 통과시키는 단계; 자기 터널 접합(2)이 고온 임계치에 도달하면, 기록된 방향으로 저장 자화(230)를 스위칭하도록 계자 전류(41)를 통과시키는 단계; 저장 자화(230)를 기록된 방향으로 피닝(pin)하도록 자기 터널 접합(2)을 저온 임계치로 냉각시키는 단계를 포함한다.
계자 전류(41)의 감지(sense) 또는 극성에 의존하는 방향을 갖는 기록 자기장(42)을 생성하도록 계자 전류(41)가 계자전류선(4)으로 통과될 수 있다. 도 1의 a에서는, 기록 자기장(42)이 참조 자화(210)에 실질적으로 평행한 기록된 방향으로 저장 자화(230)를 스위칭하도록, 계자 전류(41)가 본 도면 페이지로 들어가는 방향인 제 1 계자 전류 극성으로 도시된다. 저장 자화(230)와 참조 자화(210) 사이의 평행한 배열로 접합 저항(R)(또는 레벨 상태 "0")이 낮아진다. 도 1의 b에서는, 기록 자기장(42)이 참조 자화(210)에 실질적으로 반평행한 기록된 방향으로 저장 자화(230)를 스위칭하도록, 계자 전류(41)가 본 도면 페이지에서 나가는 방향인 제 2 계자 전류 극성으로 도시된다. 저장 자화(230)와 참조 자화(210) 사이의 반평행한 배열로 접합 저항(R)(또는 레벨 상태 "1")이 높아진다.
가열 전류(31)를 자기 터널 접합(2)으로 통과시키는 것은 선택 트랜지스터(8)를 실행 모드(ON)로 설정함으로써 달성될 수 있다. 자기 터널 접합(2)이 고온 임계치에 도달하는 경우, 저장 자화(230)는 자유롭게 정렬될 수 있으므로, 기록 자기장(42)에서 스위칭될 수 있다. 이후, 가열 전류(31)는 선택 트랜지스터(8)를 차단 모드(OFF)로 설정하고/설정하거나 트랜지스터의 소스-드레인 바이어스(source-drain bias)를 제거함으로써 턴오프(turned off)될 수 있다. 계자 전류(41)는 자기 터널 접합(2)의 냉각 동안 유지될 수 있으며, 이후 자기 터널 접합(2)이 저장 자화(230)가 기록된 상태에서 동결되는 저온 임계치에 도달하는 경우 스위치 오프(switched off)될 수 있다.
한 실시예로, 자기 터널 접합(2)은 반강자성 참조층(24)의 참조 임계온도(TC1) 아래에서 참조 자화(210)를 피닝하도록 참조층(21)과 교환-결합하는 반강자성 참조층(24)을 포함한다. 자기 터널 접합(2)은 저장 임계온도(TC2)를 가지고 저장층(23)과 교환-결합하는 반강자성 저장층(도 1에서 참조번호 25)을 더 포함할 수 있다. 저장 반강자성층은 저장 임계온도(TC2) 아래인 저온 임계치에서 저장 자화(230)를 피닝하고, 저장 임계온도(TC2) 이상인 고온 임계치에서 저장 자화(230)를 자유롭게 하도록 배열된다. 저장 임계온도(TC2)는, 고온 임계치에서 참조 자화(210)가 반강자성 참조층(24)에 의해 피닝된 채 있도록, 참조 임계온도(TC1)보다 더 낮아야 한다.
고온 임계치에서 자기 터널 접합을 가열하는데 요구되는 가열 전류(31)의 크기는 일반적으로 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT) 효과를 얻는데 필요한 크기의 미만이다. 반강자성 참조층(24)의 참조 임계온도(TC1)가 충분히 높은 경우, 자기 터널 접합을 고온 임계치로 가열하는데 필요한 가열 전류(31)의 크기는 가열 전류(31)가 STT 효과를 발생시키도록 할 수 있다. 이렇게 발생한 STT 효과는 저장 자화(230)의 방향이 기록 동작 동안 기록 자기장(42)의 방향과 다르게 배향하도록 할 수 있다. 따라서, STT 효과는 가령 기록 자기장 비대칭성, 기록 자기장 분포의 확장 또는 심지어 기록 오류와 같은 인가되는 기록 자기장(42)의 원치않는 효과를 가져올 수 있다.
한 실시예로, 가열 전류(31)는 가열 전류(31)가 스핀 분극 전류로서 작용하는데 충분한 고온 임계치에 상응하는 크기로 통과된다. 가열 전류(31)는 가열 전류의 흐르는 방향 또는 극성에 따라, 참조층(21) 또는 가능한 편광(polarizing)층(미도시)을 통해 흐르는 경우, 분극(polarized)된다. 이후, 전류 임계치에서 저장 자화(230)는 가열 전류(31)의 스핀-분극 캐리어(전자)와 저장 자화(230) 사이의 각 스핀 모멘트(angular spin moment)의 전달로 조정될 수 있다. 또한, 이러한 각 스핀의 전달을 "스핀 전달 토크(STT)"라고 한다.
가열 전류(31)의 극성에 따라 저장층(23)을 관통하는 전자의 스핀은 대부분 참조 자화(210) 또는 가능한 편광층을 따라 배향된다. 특히, 가열 전류(31)의 극성은 실질적으로 기록된 방향으로 저장 자화(230)에 조정 스핀 전달(adjusting spin transfer)을 가하도록, 즉 가열 전류(31)가 기록 자기장(42)이 저장 자화(230)를 스위칭하는 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 저장 자화(230)를 조정하도록 선택될 수 있다. 이는 도 1에 도시되며, 여기서 도 1의 a는, 제 1 계자 전류 극성을 갖는 계자 전류(41)에 의해 발생되는 기록 자기장(42)에 의해 제공되는 방향과 동일한 방향(기록된 방향)으로 저장 자화(230)를 정렬시키도록, 제 1 가열 전류 극성을 가지며 전류선(3)에서 선택 트랜지스터(8)로 흐르는 가열 전류(31)를 도시한다. 도 1의 b에서는, 제 2 계자 전류 극성을 갖는 계자 전류(41)에 의해 발생되는 기록 자기장(42)에 의해 제공되는 방향과 동일한 방향(기록된 방향)으로 저장 자화(230)를 정렬시키도록, 제 1 가열 전류 극성과 반대되는 제 2 가열 전류 극성을 가지며 선택 트랜지스터(8)에서 전류선(3)으로 흐르는 가열 전류(31)가 도시된다. 모노폴라(monopolar) 선택 트랜지스터를 사용하는 종래의 MRAM 셀과 대조적으로, 본 발명의 선택 트랜지스터(8)는 가열 전류(31)의 극성을 변화가능하도록 하는 바이폴라(bipolar)이다.
또 다른 실시예로, 저장층(23)은 터널 배리어층(22)의 측면에서 제 1 강자성 자화(232)를 갖는 제 1 강자성층(231)과, 제 2 강자성 자화(234)를 갖는 제 2 강자성층(233)과, 제 1 및 제 2 강자성층(231, 233)을 분리시키는 비-자기 결합층(235)을 포함하는 합성 저장층일 수 있다. 이런 합성 저장층(23)을 포함하는 자기 터널 접합(2)은 도 4에 도시된다. 계자 전류(41)가 통과하면 제 1 저장 자화(232)가 기록된 방향에 있도록 참조 자화(210)에 대하여 제 1 및 제 2 강자성 자화(232, 234)는 스위칭된다. 저장 자화(도 4에 미도시)는 제 1 및 제 2 강자성 자화(232, 234)의 벡터합과 일치한다.
도 2는 또 다른 실시예에 따른 MRAM 셀(1)을 도시한다. 도 2의 MRAM 셀(1)은 실질적으로 도 1에 도시된 것과 동일하나, 자기 터널 접합(2)의 타단, 즉 선택 트랜지스터(8)의 측면에 배열된 계자전류선(4)을 가진다. 도 2에는 도시되지 않았지만, 자기 터널 접합(2)은 또한 도 1의 예에 기술된 반강자성 저장층을 포함할 수 있다. 도 2의 구성에서, 선택 트랜지스터(8)는 전도성 스트랩(conductive strap)(7)을 통해 자기 터널 접합(2)의 타단에 전기 연결된다. 도 2의 a는 제 1 계자 전류 극성을 가지고 계자전류선(4)을 통과하는 계자 전류(41) 및 제 1 가열 전류 극성을 갖는 가열 전류(31)를 도시한다. 계자 전류(41)와 가열 전류(31) 모두는 기록된 방향, 여기서는 기록된 레벨 상태 "0"로 저장 자화(230)를 정렬한다. 도 2의 b는 제 2 계자 전류 극성을 가지고 계자전류선(4)으로 통과하는 계자 전류(41) 및 제 2 가열 전류 극성을 갖는 가열 전류(31)를 도시한다. 계자 전류(41)와 가열 전류(31) 모두는 기록된 방향, 여기서는 기록된 레벨 상태 "1"로 저장 자화(230)를 정렬한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 MRAM 셀(1)을 도시하며, 여기서 MRAM 셀(1)은 가열 전류(31) 및 계자 전류(41)를 통과시키기 위한 전류선(3)만을 포함한다. 도 3에는 도시되지 않았지만, 자기 터널 접합(2)은 또한 도 1의 예에 기술된 반강자성 저장층을 포함할 수 있다. 도 3의 a 및 b는 계자 전류(41)와 가열 전류(31) 모두 전류선(3)으로 통과하는 것을 도시한다. 도 3의 a에서는, 저장 자화(230)를 기록된 방향, 여기서는 기록된 레벨 상태 "0"로 정렬시키기 위해, 계자 전류(41)는 제 1 계자 전류 극성으로 흐르며, 가열 전류(31)는 제 1 가열 전류 극성으로 흐른다. 도 3의 b에서는, 저장 자화(230)를 기록된 방향, 여기서는 기록된 레벨 상태 "1"로 정렬시키기 위해, 계자 전류(41)는 제 2 계자 전류 극성으로 흐르며, 가열 전류(31)는 제 2 가열 전류 극성으로 흐른다. 도 3의 구성에서, 전류선(3)은 가열 전류(31)를 통과시킴으로써 비트선(bit line)의 기능을, 그리고 계자 전류(41)를 통과시킴으로써 계자전류선의 기능을 수행한다.
본 명세서에 개시된 방법은 고온 전류 임계치에서 스핀 분극 전류로서 작용하는 가열 전류와, 저장 자화(230)를 스위칭하기 위한 계자 전류(41)를 결합하도록 한다. 즉, 가열 전류가 고온 전류 임계치에서 적절한 극성으로 통과되는 경우, 저장 자화(230)를 스위칭함에 있어서, 가열 전류는 계자 전류(41)에 의해 생성된 자기장(42)을 도울 수 있다. 고온 전류 임계치에서 작용하는 가열 전류를 통과하는 것의 이점은 기록 자기장(42), 따라서 계자 전류(41)가 종래의 MRAM 셀에 비해 감소될 수 있다는 것이다.
자기 메모리 장치(미도시)는 복수의 MRAM 셀(1)을 포함하는 어레이(array)를
조립하여 형성될 수 있다. MRAM 셀(1)의 어레이는 디바이스 패키지(device package)(미도시) 내에 배치될 수 있다. 자기 메모리 장치를 형성하는 경우, 각 MRAM 셀(1)의 자기 터널 접합(2)은 저장층(23)의 한 측에서 전류선(3)과, 그리고 그 반대 측에서 워드선(미도시)과 연결될 수 있다. 바람직하기로, 워드선은 전류선(3)을 참조하여 수직으로 배치된다.
1 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀
2 자기 터널 접합
21 참조층
210 참조 자화
22 터널 배리어층
23 저장층
230 저장 자화
231 제 1 강자성층
232 제 1 강자성 자화
233 제 2 강자성층
234 제 2 강자성 자화
235 비-자기 결합층
24 반강자성 참조층
25 반강자성 저장층
3 전류선
31 가열 전류
4 계자전류선
41 계자 전류
42 기록 자기장
7 스트랩
8 선택 트랜지스터

Claims (6)

  1. 자기 터널 접합이 고온 임계치로 가열되는 경우 조정될 수 있고, 자기 터널 접합이 저온 임계치로 냉각되는 경우 고정될 수 있는 저장 자화를 갖는 저장층; 고정된 참조 자화를 갖는 참조층; 및 감지층과 저장층 사이에 포함되는 터널 배리어층을 포함하는 자기 터널 접합; 및
    상기 자기 터널 접합에 전기 연결되는 전류선을 포함하고,
    열 보조 기록 동작을 사용하는 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 셀에 기록하는 방법으로서,
    상기 방법은:
    자기 터널 접합을 가열하기 위해 전류선을 통해 자기 터널 접합에 가열 전류를 통과시키는 단계; 및
    자기 터널 접합이 고온 임계치에 도달하면, 계자 전류의 극성에 따라 참조 자화에 대해 실질적으로 평행하거나 반평행한 기록된 방향으로 저장 자화를 스위칭하는 기록 자기장을 발생시키는 계자 전류를 통과시키는 단계를 포함하고,
    가열 전류의 크기로 가열 전류가 스핀 분극 전류로서 작용하고 저장 자화에 스핀 전달이 조정되도록 하며,
    가열 전류의 극성은 실질적으로 상기 기록 자기장 쪽으로 저장 자화에 스핀 전달이 조정되도록 하는 MRAM 셀의 기록 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MRAM 셀은 자기 터널 접합의 일단에 전기 연결된 바이폴라(bipolar) 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 바이폴라 트랜지스터는 자기 터널 접합에서의 가열 전류의 흐름 및 가열 전류의 극성을 제어하도록 배열되는 MRAM 셀의 기록 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 전류가 전류선으로 통과되는 MRAM 셀의 기록 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MRAM 셀은 계자전류선(field line)을 더 포함하고, 계자 전류가 계자전류선으로 통과되는 MRAM 셀의 기록 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 MRAM 셀은 저장층에 교환결합하고, 자기 터널 접합이 저온 임계치에 있는 경우 저장 자화를 피닝하며, 자기 터널 접합이 고온 임계치에 있는 경우 저장 자화를 자유롭게 하는 저장 반강자성층을 더 포함하는 MRAM 셀의 기록 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장층은 터널 배리어층의 측면에 제 1 강자성 자화를 갖는 제 1 강자성층, 제 2 강자성 자화를 갖는 제 2 강자성층 및 제 1 및 제 2 강자성층들을 분리시키는 비-자기 결합층을 포함하며, 상기 계자 전류의 통과는 제 1 저장 자화가 기록된 방향에 있도록 참조층에 대해 제 1 및 제 2 강자성 자화를 스위칭하는 MRAM 셀의 기록 방법.
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