KR20140025166A - 수직 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치들 - Google Patents
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Abstract
수직 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치들이 제공된다. 이 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 이들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 최대화시키는 두께로 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수직 자기 터널 접합을 구비하는 자기 메모리 장치들에 관한 것이다.
휴대가능한 컴퓨팅 장치들 및 무선 통신 장치들이 광범위하게 채용됨에 따라, 고밀도, 저전력 및 비휘발성의 특성들을 갖는 메모리 장치가 요구되고 있다. 자기 메모리 장치는 이러한 기술적 요구들을 충족시킬 수 있을 것으로 기대되고 있기 때문에, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
특히, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)에서 나타나는 터널자기저항(tunnel magnetoresistance; TMR) 효과는 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 메커니즘으로 주목받고 있으며, 2000년대 들어, 수백% 내지 수천%의 TMR을 보이는 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)이 보고되면서, 상기 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치가 최근 활발하게 연구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 감소된 두께를 갖는 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 자유막과 고정막 사이의 자기적 상호 작용을 실질적으로 줄일 수 있도록 구성되는, 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 자기 메모리 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 최대화시키는 두께로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 제 2 자성막에 상기 제 1 자성막의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 유도하는 두께로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 대략 2.5A 내지 대략 5A의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 자성막은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성된 단층막 또는 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 2 자성막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자유막 및 상기 자유막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 비자성 금속 산화막을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 비자성 금속 산화막은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하면서 상기 자유막에 직접 접촉하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자기 메모리 장치는 스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체 및 배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체와 상기 터널 베리어 사이 또는 상기 제 2 도전체와 상기 터널 베리어 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 자기 메모리 장치는 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고, 상기 자유막 및 고정막 구조체들 각각은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 수평막 및 상기 수평막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 수직화막을 포함할 수 있다. 상기 자유막 구조체의 상기 수직화막은 비자성 금속 산화막을 포함하고, 상기 고정막 구조체의 상기 수직화막은 교환 결합층 및 내재적 수직 자화 특성을 갖는 수직막을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하게 하는 두께로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이에 배치되고, 상기 비자성 금속 산화막은 상기 자유막 구조체의 상기 수평막을 직접 덮도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교환 결합층은 대략 2.5A 내지 대략 5A의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 비자성 금속 산화막은, 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 수직막은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 수직막은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 수직막은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 수직막은 제 1 수직막 및 제 2 수직막을 포함하는 복층막 구조일 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 수직막들 각각은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되거나 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체는 상기 교환 결합층과 상기 수직막 사이에 개재되는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철, 니켈, 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 한쌍의 자성막들은 CoFeB로 형성되고, 상기 비자성 금속막은 대략 2A 내지 대략 20A의 두께로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자기 메모리 장치는 스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체 및 배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 도전체는 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접하고, 상기 고정막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접하고, 상기 고정막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자유막 및 제 2 고정막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질로 형성되지만, 상기 자유막은 수직자화 유도막과의 접촉을 통해 수직 자화를 갖고, 상기 제 2 고정막은 내재적 수직 자화 특성의 물질로 형성되는 제 1 고정막과의 강한 반강자성 교환 결합을 통해 수직 자화를 갖는다. 이처럼 수평 자화 물질들이 외부적 요인들에 의해 수직 자화 특성을 갖게 되므로, 감소된 두께를 갖는 수직 자기 터널 접합을 구현할 수 있다.
이에 더하여, 상기 제 1 및 제 2 고정막들 사이에는, 이들 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하도록 만드는, 교환 결합층이 개재된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 고정막들 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께로 형성된다. 이는 상기 자유막과 상기 제 2 고정막 사이의 자기 결합을 효과적으로 줄이는 것을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 선택 소자들을 예시적으로 도시하는 회로도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 고정막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 측면을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 선택 소자들을 예시적으로 도시하는 회로도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 제 1 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 제 2 유형의 자기터널접합을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 고정막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 측면을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 예를 들면, 소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함할 수 있다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
한편, 2010년 8월 24일, 2011년 7월 13일, 및 2012년 2월 16일에 미국에서 출원된, 미국출원번호 12/862,074, 13/181,957, 및 13/398,617은 수직 자기 터널 접합들 및 이와 관련된 기술적 특징들을 개시하고 있으며, 이들 앞선 출원들에 개시된 내용들 전체는 본원의 일부로서 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자의 단위 메모리 셀을 예시적으로 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 단위 메모리 셀(UMC)은 서로 교차하는 제 1 배선(L1) 및 제 2 배선(L2) 사이에서 이들을 연결한다. 상기 단위 메모리 셀(UMC)은 선택 소자(SW) 및 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 선택 소자(SW) 및 상기 자기터널접합(MTJ)은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 배선들(L1, L2) 중의 하나는 워드라인으로 사용되고 다른 하나는 비트라인으로 사용될 수 있다.
상기 선택 소자(SW)는 상기 자기터널접합(MTJ)을 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 소자(SW)는, 도 2 내지 도 6에 각각 도시된 것처럼, 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과트랜지스터 및 피모스 전계효과트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 상기 선택 소자(SW)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(미도시)이 상기 선택 소자(SW)에 연결될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)은 제 1 자성 구조체(MS1), 제 2 자성 구조체(MS2) 및 이들 사이의 터널 베리어(TBR)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2) 각각은 자성 물질로 형성되는 적어도 하나의 자성막을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 자성 구조체(MS1)와 상기 선택 소자(SW) 사이에 개재되는 제 1 도전 구조체(CS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)와 상기 제 2 배선(L2) 사이에 개재되는 제 2 도전 구조체(CS2)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 상기 자성막들 중의 하나의 자화 방향는, 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된다. 아래에서는, 이러한 고정된 자화 특성을 갖는 자성막을 고정막(pinned layer)(PNL)이라 부를 것이다. 반면, 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)의 상기 자성막들 중의 다른 하나의 자화 방향은 그것에 인가되는 외부 자계에 의해 스위치될 수 있다. 아래에서는, 이러한 가변적인 자화 특성을 갖는 자성막을 자유막(free layer)(FRL)이라 부를 것이다. 즉, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)는 상기 터널 베리어(TBR)에 의해 분리된 적어도 하나의 상기 자유막(FRL) 및 적어도 하나의 상기 고정막(PNL)을 구비할 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)의 자화 방향들이 평행한 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유막(FRL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.
상기 자기터널접합(MTJ)의 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2)은, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 소정의 기판(sub) 상에 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)은, 그것을 구성하는 자유막(FRL)과 상기 기판(sub) 사이의 상대적 배치 또는 자유막(FRL)과 고정막(PNL)의 형성 순서에 따라, 두가지 유형으로 구분될 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 것처럼, 상기 자기터널접합(MTJ)은 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 고정막(PNL) 및 상기 자유막(FRL)을 포함하도록 구성되는 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)이거나, 도 8에 도시된 것처럼, 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2)가 각각 상기 자유막(FRL) 및 상기 고정막(PNL)을 포함하도록 구성되는 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 자성 구조체들(MS1, MS2) 중의 하나는, 도 9를 참조하여 설명될, 자유막 구조체(FLS)이고, 다른 하나는 도 10을 참조하여 설명될 고정막 구조체(PLS)일 수 있다. 상기 자유막 구조체(FLS)는 상기 자유막(FRL)을 포함하는 다층의 자성 구조체이고, 상기 고정막 구조체(PLS)는 상기 고정막(PNL)을 포함하는 다층의 자성 구조체일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 자유막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막 구조체(FLS)는 도 9에 도시된 것처럼 자유막(FRL) 및 상기 자유막(FRL)을 덮는 수직자화 유도막(perpendicular magnetization inducing layer)(PMI)을 포함할 수 있다. 상기 자유막 구조체(FLS)는 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2) 중의 하나를 구성할 수 있다.
상기 자유막(FRL)은, 내재적 수평 자화 특성을 갖는, 자성 물질(이하, 수평 자성 물질)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 "내재적 수평 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우, 자성막이 그것의 길이 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 자성막이, 그것의 두께(예를 들면, z 방향 길이)가 그것의 수평적 길이(예를 들면, x 또는 y 방향 길이)에 비해 상대적으로 작은, 박막의 형태로 형성될 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성막은 xy 평면에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 "내재적 수평 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우에 나타나는 상기 자성막의 이러한 수평 자화 특성을 의미하며, 아래에서 이러한 의미로써 사용될 것이다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막(FRL)의 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철, 니켈, 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 자유막(FRL)은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 자유막(FRL)은 Fe막, CoHf막 및 CoFeB막을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 자유막(FRL)의 두께는 대략 6 옹스트롬 내지 대략 30 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 10 옹스트롬 내지 20 옹스트롬일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 자유막(FRL)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 자유막(FRL)은 코발트-철-보론(CoFeB)의 합금으로 형성되는 한 쌍의 막들 및 이들 사이에 개재되는 탄탈륨 막을 포함할 수 있다. 상기 자유막(FRL)의 상기 탄탈륨 막은 대략 2A 내지 대략 20A의 두께로 형성될 수 있다.
상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)과 직접 접촉하도록 형성되며, 이러한 직접적인 접촉은 상기 자유막(FRL)의 자화 방향을 상기 자유막(FRL)의 두께 방향(예를 들면, z 방향)에 평행하도록 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 상기 자유막(FRL)이 수직 자화 방향을 갖도록 만드는 외부 요인(external factor)일 수 있다. 이런 이유에서, 서로 접촉하는 상기 수직자화 유도막(PMI) 및 상기 자유막(FRL)은 외인성 수직자화 특성(extrinsic perpendicular magnetization property)을 갖는 구조(이하, 외인성 수직 구조체)를 형성할 수 있다.
상술한 기술적 특징을 구현하기 위해, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 그것이 접촉하는 상기 자유막(FRL)의 표면에 스트레스를 유발하는 물질로 형성될 수 있다. 이런 이유에서, 아래에서, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 스트레스 유발막 또는 접촉성 수직화막으로 불릴 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 산소 원자를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 비자성 금속 산화물들 중의 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 마그네슘아연 산화물, 하프늄 산화물 또는 마그네슘붕소 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상술한 스트레스 유발 특성 또는 접촉성 수직 자화 유발 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수직자화 유도막(PMI)이 상술한 비자성 금속 산화물로 형성될 경우, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)에 비해 높은 비저항을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 상기 수직자화 유도막(PMI)의 저항에 크게 의존할 수 있다. 이러한 의존성을 줄이기 위해, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 상기 자유막(FRL)보다 얇은 두께일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 수직자화 유도막(PMI)은 대략 3 내지 대략 10옹스트롬(보다 한정적으로는 대략 4 옹스트롬 내지 6 옹스트롬)의 두께로 형성될 수 있다.
도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합의 일부를 구성하는 고정막 구조체를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 10에 도시된 것처럼 제 1 고정막(PL1), 제 2 고정막(PL2) 및 이들 사이에 개재되는 교환 결합층(ECL)을 포함할 수 있다. 상기 고정막 구조체(PLS)는 상기 제 1 자성 구조체(MS1) 및 상기 제 2 자성 구조체(MS2) 중의 하나를 구성할 수 있다.
상기 제 1 고정막(PL1)은, 내재적 수직 자화 특성을 갖는, 자성 물질(이하, 수직 자성 물질)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 "내재적 수직 자화 특성"은 외부적 요인이 없을 경우, 자성막이 그것의 두께 방향에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 예를 들면, 자성막은, 그것의 두께(예를 들면, z 방향 길이)가 그것의 수평적 길이(예를 들면, x 또는 y 방향 길이)에 비해 상대적으로 작은, 얇은 박막의 형태로 형성될 경우, 상기 내재적 수직 자화 특성을 갖는 자성막은 xy 평면에 수직한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 "내재적 수직 자화 특성"은, 외부적 요인이 없을 경우에 나타나는, 상기 자성막의 이러한 수직 자화 특성을 의미하며, 아래에서 이러한 의미로써 사용될 것이다.
상기 제 1 고정막(PL1)의 경우, 상기 내재적 수직 자화 특성은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고, 상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 상술한 일부 및 다른 실시예들에 따른 박막들을 각각 하나씩 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)의 두께는 대략 20 옹스트롬 내지 대략 80 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 30 옹스트롬 내지 55 옹스트롬일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 1 고정막(PL1)의 상술한 내재적 수직 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 1 고정막(PL1)은 a) 터븀(Tb)의 함량비가 10% 이상인 코발트철터븀(CoFeTb), b) 가돌리늄(Gd)의 함량비가 10% 이상인 코발트철가돌리늄(CoFeGd), c) 코발트철디스프로슘(CoFeDy), d) L10 구조의 FePt, e) L10 구조의 FePd, f) L10 구조의 CoPd, g) L10 구조의 CoPt, h) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, i) 상술한 a) 내지 h)의 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 함금들, 또는 j) 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조 중의 하나일 수 있다. 상기 자성층들 및 비자성층들이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 구조는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수)의 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제 1 고정막(PL1)은 상기 교환 결합층(ECL)에 접하는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함할 수 있다.
반면, 상기 제 2 고정막(PL2)은, 상기 내재적 수평 자화 특성을 갖는, 자성 물질(즉, 상기 수평 자성 물질)로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 2 고정막(PL2)은, 외부적 요인이 없을 경우, 그것의 가장 넓은 표면(예를 들면, xy 평면)에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 고정막(PL2)의 경우, 상기 내재적 수평 자화 특성은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 CoFeB, CoFeBTa, CoHf, Co, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 고정막(PL2)은 Co막 및 CoHf막를 포함하는 복층 구조 또는 CoFeBTa막 및 CoFeB막를 포함하는 복층 구조로서 제공될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 제 2 고정막(PL2)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 코발트-철-보론(CoFeB)의 합금으로 형성되는 한 쌍의 막들 및 이들 사이에 개재되는 탄탈륨 막을 포함할 수 있다.
하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 제 2 고정막(PL2)의 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 물질들의 예로서 언급되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 제 2 고정막(PL2)의 두께는 대략 7 옹스트롬 내지 대략 25 옹스트롬일 수 있으며, 보다 한정적으로는 대략 10 옹스트롬 내지 17 옹스트롬일 수 있다.
상기 교환 결합층(ECL)은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제 2 고정막(PL2)은 상기 교환 결합층(ECL)을 통한 상기 제 1 고정막(PL1)과의 반강자성 교환 결합을 통해 그것의 두께 방향에 평행한 자화를 갖게 된다. 즉, 상기 교환 결합층(ECL) 및 상기 제 1 고정막(PL1)은 상술한 내재적 수평 자화 특성을 갖는 상기 제 2 고정막(PL2)이 수직 자화 방향을 갖도록 만드는 외부 요인(external factor)일 수 있다. 이런 이유에서, 상기 제 1 고정막(PL1), 상기 제 2 고정막(PL2) 및 이들 사이의 상기 교환 결합층(ECL)은, 그것의 수직 자화가 교환 결합을 통해 구현되는, 외인성 수직 구조체라고 할 수 있다.
상기 교환 결합층(ECL)은 상기 제 2 고정막(PL2)이 상기 제 1 고정막(PL1)의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 갖도록 만드는 두께로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 교환 결합층(ECL)은 상기 제 1 및 제 2 고정막들(PL1, PL2) 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시킬 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 아래에서 도 11을 참조하여 설명될 것처럼, 발명자들의 실험 결과에 따르면, 상기 교환 결합층(ECL)은 대략 2.5A 내지 대략 5.0A(보다 한정적으로는, 대략 3A 내지 4A)의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 측면을 설명하기 위한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 11은 도 10을 참조하여 설명된 고정막 구조체(PLS)를 포함하는 시료들로부터 얻어진, 교환 결합층의 두께(T)에 대한 교환결합의 자기장 세기(Hex)를 보여주는 그래프이다. 음의 Hex는 반강자성 결합을 의미한다.
도 11을 참조하면, Hex는 3.5A 및 7A에서 국소적 최소값들(local minimums)을 가졌고, 5.5A에서 국소적 최대값(local maximum)을 가졌다. 즉, Hex는 7A에서 대략 -5000oe였고, 5.5A에서 대략 -2000oe였고, 3.5A에서 대략 -13000oe 였다. 이때, Hex가 3.5A에서의 크기(즉, -5000oe)보다 작은 값을 나타내는 두께 범위는 대략 2.5A 내지 5.0A(보다 한정적으로는, 대략 3A 내지 4A)였다.
즉, 교환결합의 세기 Hex가 전역적 최소값을 갖는 교환 결합층의 두께 범위는 대략 2.5A 내지 5.0A(보다 한정적으로는, 대략 3A 내지 4A)였다. 이는 상기 고정막 구조체(PLS)가 상기 교환 결합층의 이러한 두께 범위에서 최대화된 반강자성 결합을 나타냄을 의미한다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기터널접합을 예시적으로 도시하는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 고정막 구조체(PLS), 상기 터널 베리어(TBR) 및 상기 자유막 구조체(FLS)가 상기 기판(sub) 상에 차례로 적층될 수 있다. 즉, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 7을 참조하여 설명된 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 구성할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)와 상기 기판(sub) 사이에는 제 1 도전 구조체(CS1)가 배치되고, 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)의 상부에는 제 2 도전 구조체(CS2)가 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 형성하기 위한 씨드층으로, 그리고 상기 선택 소자(SW)와 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. 상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)을 덮는 캐핑막으로, 그리고 상기 제 1 유형의 자기터널접합(MTJ1)와 상기 제 2 배선(L2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 차례로 적층된 제 1 도전막(CL1) 및 제 2 도전막(CL2)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전막(CL1)은 대략 20A의 두께를 갖는 CoHf막 또는 Ta막일 수 있고, 상기 제 2 도전막(CL2)은 대략 40A의 두께를 갖는 루테늄막일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 수직자화 유도막(PMI)을 덮도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 도전 구조체(CS2)을 위한 상기 귀금속막은 Ru, Pt, Pd, Rh, 또는 Ir 중의 적어도 하나로 형성될 수 있고, 상기 자성 합금막은 Co, Fe, 또는 Ni 중의 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속막은 Ta 또는 Ti로 형성될 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 13를 참조하면, 상기 자유막 구조체(FLS), 상기 터널 베리어(TBR) 및 상기 고정막 구조체(PLS)가 상기 기판(sub) 상에 차례로 적층될 수 있다. 즉, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는 도 8을 참조하여 설명된 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 구성할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 자유막 구조체(FLS) 및 상기 고정막 구조체(PLS)는, 각각, 상기 자유막(FRL) 및 상기 제 2 고정막(PL2)이 상기 터널 베리어(TBR)을 덮도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)와 상기 기판(sub) 사이에는 제 1 도전 구조체(CS1)가 배치되고, 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)의 상부에는 제 2 도전 구조체(CS2)가 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 형성하기 위한 씨드층으로, 그리고 상기 선택 소자(SW)와 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다. 상기 제 2 도전 구조체(CS2)는 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)을 덮는 캐핑막으로, 그리고 상기 제 2 유형의 자기터널접합(MTJ2)와 상기 제 2 배선(L2)을 전기적으로 연결하는 배선 또는 전극으로 기능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제 1 도전 구조체(CS1)는 차례로 적층된 제 1 도전막(CL1) 및 제 2 도전막(CL2)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 도전막(CL2)은 상기 수직자화 유도막(PMI)을 덮도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 도전막(CL2)은 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 하지만, 상술한 물질들은, 본 발명의 기술적 사상에 대한 보다 나은 이해를 위해 예시되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 36 및 도 37는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치들을 도식적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 36을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 장치(1300)는 PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), 유무선 전자 기기 또는 이들 중의 적어도 둘을 포함하는 복합 전자 장치 중의 하나일 수 있다. 전자 장치(1300)는 버스(1350)를 통해서 서로 결합한 제어기(1310), 키패드, 키보드, 화면(display) 같은 입출력 장치(1320), 메모리(1330), 무선 인터페이스(1340)를 포함할 수 있다. 제어기(1310)는 예를 들면 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 메모리(1330)는 예를 들면 제어기(1310)에 의해 실행되는 명령어를 저장하는데 사용될 수 있다. 메모리(1330)는 사용자 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 RF 신호로 통신하는 무선 통신 네트워크에 데이터를 전송하거나 네트워크에서 데이터를 수신하기 위해 무선 인터페이스(1340)를 사용할 수 있다. 예를 들어 무선 인터페이스(1340)는 안테나, 무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 전자 장치(1300)는 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wireless USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS 등과 같은 통신 시스템의 통신 인터페이스 프로토콜을 구현하는데 이용될 수 있다.
도 37을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 메모리 시스템(memory system)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리 시스템(1400)은 대용량의 데이터를 저장하기 위한 메모리 소자(1410) 및 메모리 컨트롤러(1420)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 메모리 소자(1410)로부터 저장된 데이터를 독출 또는 기입하도록 메모리 소자(1410)를 제어한다. 메모리 컨트롤러(1420)는 호스트(1430), 가령 모바일 기기 또는 컴퓨터 시스템으로부터 제공되는 어드레스를 메모리 소자(1410)의 물리적인 어드레스로 맵핑하기 위한 어드레스 맵핑 테이블(Address mapping table)을 구성할 수 있다. 메모리 소자(1410)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.
상술된 실시예들에서 개시된 반도체 장치들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치가 실장된 패키지는 상기 반도체 장치를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자 등을 더 포함할 수도 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
L1 및 L2: 제 1 및 제 2 배선들 SW: 선택 소자
MS1: 제 1 자성 구조체 MS2: 제 2 자성 구조체
TBR: 터널 베리어 UMC: 단위 메모리 셀
FLS: 자유막 구조체 PLS: 고정막 구조체
FRL: 자유막 PNL: 고정막
CS1 및 CS2: 제 1 및 제 2 도전 구조체들
MS1: 제 1 자성 구조체 MS2: 제 2 자성 구조체
TBR: 터널 베리어 UMC: 단위 메모리 셀
FLS: 자유막 구조체 PLS: 고정막 구조체
FRL: 자유막 PNL: 고정막
CS1 및 CS2: 제 1 및 제 2 도전 구조체들
Claims (31)
- 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고,
상기 고정막 구조체는 내재적 수직 자화 특성을 갖는 제 1 자성막, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 제 2 자성막, 및 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이에 개재되는 교환 결합층을 포함하되,
상기 제 2 자성막은, 상기 교환 결합층을 통한 상기 제 1 자성막과의 반강자성 결합에 의해, 수직한 자화 방향을 갖고, 상기 교환 결합층은 상기 제 1 및 제 2 자성막들 사이의 반강자성 결합을 최대화시키는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 제 2 자성막에 상기 제 1 자성막의 자화 방향에 반평행한 수직 자화를 유도하는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 교환 결합층은 대략 2.5A 내지 대략 5.0A의 두께를 갖는 자기 메모리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 자성막은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성된 단층막 또는 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 중의 적어도 하나를 포함하되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 자성막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 자유막 구조체는
내재적 수평 자화 특성을 갖는 자유막; 및
상기 자유막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 비자성 금속 산화막을 포함하는 자기 메모리 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 자유막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 비자성 금속 산화막은 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하면서 상기 자유막에 직접 접촉하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 6에 있어서,
스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체; 및
배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함하되,
상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체와 상기 터널 베리어 사이 또는 상기 제 2 도전체와 상기 터널 베리어 사이에 개재되는 자기 메모리 장치. - 자유막 구조체, 고정막 구조체 및 이들 사이의 터널 베리어를 구비하는 자기 터널 접합을 포함하고,
상기 자유막 및 고정막 구조체들 각각은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 수평막 및 상기 수평막의 자화 방향을 수직하게 바꾸는 수직화막을 포함하고,
상기 자유막 구조체의 상기 수직화막은 비자성 금속 산화막을 포함하고,
상기 고정막 구조체의 상기 수직화막은 교환 결합층 및 내재적 수직 자화 특성을 갖는 수직막을 포함하되,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 가능하게 하는 두께로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이에 배치되고,
상기 비자성 금속 산화막은 상기 자유막 구조체의 상기 수평막을 직접 덮도록 배치되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 루테늄, 이리듐, 및 로듐 중의 적어도 하나로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 상기 수직막과 상기 고정막 구조체의 상기 수평막 사이의 반강자성 교환 결합을 최대화시키는 두께를 갖는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 교환 결합층은 대략 2.5A 내지 대략 5.0A의 두께를 갖는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 비자성 금속 산화막은, 탄탈륨 산화물, 마그네슘 산화물, 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 백금 산화물, 팔라듐 산화물, 또는 티타늄 산화물 중의 적어도 하나를 포함하는, 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 코발트를 포함하는 수직 자성 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은, 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는, 다층막 구조이되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 수직막은 제 1 수직막 및 제 2 수직막을 포함하는 복층막 구조이되,
상기 제 1 및 제 2 수직막들 각각은 1) 코발트 백금의 합금 또는 성분 X를 포함하는 코발트 백금의 합금(여기서, 성분 X는 보론, 루테늄, 크롬, 탄탈륨, 또는 산화물 중의 적어도 하나)으로 형성되거나 2) 교대로 그리고 반복적으로 적층된 코발트 함유막들 및 귀금속막들을 포함하는 다층막 구조를 갖되,
상기 코발트 함유막들은 코발트, 코발트 철, 코발트 니켈, 및 코발트 크롬 중의 하나로 형성되고,
상기 귀금속막들은 백금 및 팔라듐 중의 하나로 형성되는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 고정막 구조체는 상기 교환 결합층과 상기 수직막 사이에 개재되는 코발트막 또는 코발트-리치막(cobalt-rich layer)을 더 포함하는 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 고정막 구조체의 상기 수평막은 Co, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 코발트, 철, 니켈, 또는 이들의 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe, NiFeB, CoFeB, CoFeBTa, CoHf, 또는 CoZr 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 자유막 구조체의 상기 수평막은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 한 쌍의 자성막들 및 이들 사이에 개재되는 비자성 금속막을 포함하는 다층막 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 27에 있어서,
상기 한쌍의 자성막들은 CoFeB로 형성되고, 상기 비자성 금속막은 대략 2A 내지 대략 20A의 두께로 형성되는 탄탈륨 막인 자기 메모리 장치. - 청구항 11에 있어서,
스위칭 소자와 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 1 도전체; 및
배선과 상기 자기 터널 접합을 연결하는 제 2 도전체를 더 포함하되,
상기 제 2 도전체는 귀금속막들, 자성합금막들, 또는 금속막들 중의 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 다층 구조인 자기 메모리 장치. - 청구항 29에 있어서,
상기 자유막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접하고,
상기 고정막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접하는 자기 메모리 장치. - 청구항 29에 있어서,
상기 자유막 구조체는 상기 제 1 도전체보다 상기 제 2 도전체에 인접하고,
상기 고정막 구조체는 상기 제 2 도전체보다 상기 제 1 도전체에 인접하는 자기 메모리 장치.
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| US20070086121A1 (en) * | 2005-10-19 | 2007-04-19 | Toshihiko Nagase | Magnetoresistive element |
| US20100032738A1 (en) * | 2008-08-07 | 2010-02-11 | Seagate Technology Llc | Magnetic memory with strain-assisted exchange coupling switch |
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2012
- 2012-08-21 KR KR1020120091484A patent/KR102017622B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US20100032738A1 (en) * | 2008-08-07 | 2010-02-11 | Seagate Technology Llc | Magnetic memory with strain-assisted exchange coupling switch |
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|---|---|---|---|---|
| US11145807B2 (en) | 2019-10-01 | 2021-10-12 | SK Hynix Inc. | Electronic device |
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