KR20140099886A

KR20140099886A - 터널 자기 저항 효과 소자 및 그것을 사용한 랜덤 액세스 메모리

Info

Publication number: KR20140099886A
Application number: KR20147014979A
Authority: KR
Inventors: 히데오 오노; 쇼지 이께다; 히로유끼 야마모또; 요스께 구로사끼; 가쯔야 미우라
Original assignee: 도호쿠 다이가쿠; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2014-08-13
Also published as: US20140340961A1; JP5816867B2; US9153306B2; JPWO2013069091A1; WO2013069091A1; KR101858308B1

Abstract

높은 TMR비, 낮은 기입 전류를 실현하고, 또한 소자 전체의 저항 증대를 억제하면서, 기록층 및 고정층의 열 안정성 지수(E/k_BT)를 높임으로써 안정된 동작이 가능해지는 터널 자기 저항 효과 소자를 제공한다. CoFeB를 포함하는 기록층(21), 고정층(22) 중 적어도 한쪽에 있어서, 터널 배리어층(10)과 반대측에 도전성 산화물층(31, 32)을 배치하였다.

Description

터널 자기 저항 효과 소자 및 그것을 사용한 랜덤 액세스 메모리{TUNNEL MAGNETORESISTIVE EFFECT ELEMENT AND RANDOM ACCESS MEMORY USING SAME}

본 발명은, 수직 용이축을 갖는 터널 자기 저항 효과 소자 및 그것을 사용한 랜덤 액세스 메모리에 관한 것이다.

최근 들어, 자성체를 사용한 메모리로서 MRAM(Magnetic Random Access Memory)이 개발되고 있다. MRAM은, 터널 자기 저항(Tunneling Magnetoresistive: TMR) 효과를 이용하는 MTJ(Magnetic Tunneling Junction)를 요소 소자로서 사용한다. MTJ 소자는 2매의 강자성체층(기록층, 고정층)에서 비자성체층(절연층)을 사이에 둔 구조를 갖고, 편측의 강자성체층(기록층)의 자화 방향을 외부 자장에 의해 반전시킬 수 있다. 이와 같이, MTJ 소자에서는 자성체층의 자화 방향을 제어함으로써, 정보를 기록한다. 전원을 꺼도 자성체의 자화 방향은 변화하지 않기 때문에, 기록한 정보가 유지되는 불휘발 동작을 실현할 수 있다. MTJ 소자의 자화 방향을 변화시키기(정보를 재기입하기) 위해서는, 외부로부터 자장을 인가하는 방식 외에, 최근 들어, MTJ 소자에 직접 직류 전류를 흘려서 자화를 반전시키는, 스핀 트랜스퍼 토크 자화 반전(스핀 주입 자화 반전) 방식이 발견되었다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 면 내 자화 용이축을 갖는 MTJ 소자(면 내 MTJ 소자)를 기록층으로서 사용하고, 스핀 주입 자화 반전을 이용하는 MTJ 소자 및 그것을 집적한 메모리인 SPRAM(Spin-transfer torque Magnetic Random Access Memory)이 개시되어 있다. 또한, SPRAM은, STT-MRAM이라고도 불린다.

MTJ 소자는, 기록층과 고정층의 자화 방향의 차이에 의해, 소자의 저항이 변한다. 그 저항 변화비를 TMR(Tunnel Magnetoresistance)비라고 칭하고, 메모리 응용에서는 "0"과 "1"의 정보를 오류없이 판독하기 위해서 높은 TMR비가 요망된다. 높은 TMR비를 얻기 위해서는, 터널 배리어층과 그 양측의 고분극률 자성층의 결정 배향 제어가 중요하다. 지금까지의 면 내 MTJ의 연구로부터, NaCl 구조를 갖는 MgO(001)를 터널 배리어층으로서 사용하고, 그 양측에 bcc(001) 결정 구조를 갖는 CoFeB층이나 CoFe층을 배치하면, 높은 TMR비가 얻어지는 것이 알려져 있다. 실온에서 CoFeB를 형성하면, CoFeB는 아몰퍼스로 성장한다. 그 위에 MgO를 형성하면, MgO(001) 결정이 성장한다. 그 위에 CoFeB를 더 형성한 후, 어닐 처리를 행하면, MgO(001) 결정을 핵으로 해서 CoFeB층은 bcc(001)로 결정 배향된다. 면 내 자화 TMR 소자의 경우, 이러한 기구를 이용해서 MgO(001)와 CoFeB의 bcc(001) 배향을 실현한다.

또한, SPRAM에서는, MTJ 소자에 접속된 트랜지스터에 의해 전류를 흘리고, MTJ 소자의 기록층의 자화를 반전시킨다. 메모리의 고집적화에 수반하여 트랜지스터의 게이트 길이가 축소되면, 트랜지스터가 흘릴 수 있는 전류량도 저하된다. 따라서, SRPAM에 적용하는 MTJ 소자에는, 더 낮은 기입 전류 I_c0이 요구된다. 또한, 소자의 미세화를 진행시킬 때에는, MTJ 소자에서의 자기 정보의 열적 안정성이 과제가 된다. MTJ 소자의 기록층의 자화 방향을 반전시키기 위해서 필요한 자기 에너지 배리어(E)에 대하여, 환경 온도에 의한 열에너지(k_BT, 여기에서 k_B는 볼츠만 상수, T는 절대 온도)가 높아지는 경우, 외부 자장 혹은 전류를 인가하지 않더라도 자화의 반전이 일어난다. 사이즈의 축소와 함께 MTJ 소자의 자기 에너지 배리어가 감소하기 때문에, 소자의 미세화에 수반하여 열 안정성 지수 E/k_BT는 저하된다. 이상과 같이, SPRAM에 적용하는 MTJ 소자에는, 높은 TMR비와 E/k_BT, 및 낮은 기입 전류 I_c0이 요구된다.

고E/k_BT와 저I_c0의 특성 개선에 유망한 구조로서, 수직 자화 재료를 사용한 MTJ 소자(수직 MTJ 소자)의 개발이 진행되고 있다(예를 들어, 특허문헌 2). 또한, CoFeB를 수직 자화 재료로서 사용하는 새로운 수직 MTJ 소자 구조가 발견되었다(비특허문헌 1). CoFeB는 통상, 면 내 자화 용이축을 나타내는 재료인데, 그 계면에 MgO 등의 산화물층을 배치한 구조에서 CoFeB 막 두께를 얇게 해 가면 수직 자기 이방성이 발현된다.

일본 특허 공개 제2005-116923호 공보 일본 특허 공개 제2007-142364호 공보

S. Ikeda et al., Nature Materials, 9, 721(2010)

수직 MTJ 소자는, 높은 결정 자기 이방성을 갖는 강자성재용을 기록층으로서 사용하기 때문에, 높은 E/k_BT를 기대할 수 있다. 또한, 면 내 MTJ 소자의 경우에는 기록층의 자화 반전을 방해하도록 작용하는 반자장이, 수직 MTJ 소자에서는 자화 반전을 어시스트하는 방향으로 걸린다. 그로 인해, 기입 전류 I_c0을 저감할 수 있는 것으로 기대된다.

그러나, 실제로 제작한 수직 MTJ 소자에 있어서, 고TMR비, 고E/k_BT, 저I_c0을 모두 충족시키는 것은 매우 어렵다. 먼저, TMR비에 있어서의 문제는, 사용하는 강자성 재료가 FePt 등의 규칙 합금이나 Co/Pt로 대표되는 인공 격자 박막 등이며, 종래 면 내 MTJ 소자에서 사용해 온, MgO(001)와의 결정 구조의 정합성이 나쁜 것이다. 100％를 초과하는 높은 TMR비를 얻기 위해서는, MgO(001) 터널 배리어층과 bcc(001) 구조의 강자성층과의 조합이 기본적으로 필수적이다. 종래의 수직 자화 재료는 bcc 구조가 아니기 때문에, MgO 터널 배리어층의 상하에 직접 접속하여도 높은 TMR비는 얻어지지 않는다. TMR비를 향상시키기 위해서는 수직 자화층과 MgO 터널 배리어층 사이에 CoFeB나 CoFe를 배치하는 구조가 유효하지만, 이 구조의 경우, 강자성체층(기록층)의 체적이 증대되어, 저I_c0의 실현은 곤란해진다. 또한, FePt나 Co/Pt 등의 수직 자화는, 면 내 자화 재료의 CoFeB에 비하여, 결정 자기 이방성이 큰 한편, 댐핑 상수 α가 높다. 큰 결정 자기 이방성은 E/k_BT의 향상에 유리하지만, 높은 댐핑 상수 α는 I_c0을 증대시킨다.

한편, CoFeB의 계면에 산화물층을 배치하여 CoFeB 막 두께를 얇게 함으로써 수직 자기 이방성을 발현시킨, CoFeB/MgO/CoFeB를 기본 구조로 한 수직 MTJ 소자에서는, MgO(001)와 CoFeB의 bcc(001) 구조에 기초하는 높은 TMR비가 얻어진다. 또한, 수직 자화 구조에 기인한 고E/k_BT와, 낮은 댐핑 상수 α에 기인한 저I_c0을 실현할 수 있다.

이와 같이 우수한 특성을 나타내는 CoFeB 수직 MTJ 소자이지만, 고집적 메모리에 대한 적용을 위해서는 한 층 더한 특성 개선이 요망된다. MTJ 소자의 본질적인 과제로서, 소자의 미세화에 수반하는 열 안정성(E/k_BT)의 저하가 있고, 고집적·극미세화에 대응할 수 있도록 CoFeB층의 수직 자기 이방성을 높이는 것이 바람직하다. 또한, CoFeB/MgO/CoFeB의 기본 구조의 경우, 고정층과 기록층의 자화 반전의 용이함(즉, 기입 전류 I_c0)은 CoFeB 막 두께만으로 결정된다. 기록층의 자화 반전 시에, 잘못하여 고정층을 자화 반전시키지 않는 안정 동작을 얻기 위해서는, 고정층측의 수직 자기 이방성을 더욱 향상시키는 것이 바람직하다. 이상의 과제에 관하여, CoFeB 박막의 수직 자기 이방성은 산화물층과의 계면이 기원이며, 수직 자기 이방성을 향상시키기 위해서는 MgO 터널 배리어층과 반대측에도 산화물층을 배치하는 구조가 유망하다. 그러나, 그 구조의 경우, 산화물층이 증가함으로써 소자 전체의 저항이 증대되어, 자화 반전에 필요한 전류를 트랜지스터에서 흘릴 수 없게 되는 문제가 발생한다.

본 발명은, 수직 MTJ 소자에 있어서, 높은 TMR비와 낮은 기입 전류를 유지하면서, 또한 소자 전체의 저항 증대를 억제하면서 기록층 및 고정층의 열 안정성 지수(E/k_BT)를 높이거나, 혹은 기록층에 대한 고정층의 수직 자기 이방성을 증대시킴으로써, 소자 동작의 안정성을 향상시킬 수 있는 구조를 제안하는 것이다.

본 발명에서는, CoFeB를 사용한 수직 MTJ 소자에 있어서, 강자성 재료 CoFeB를 포함하는 기록층, 고정층 중 적어도 한쪽에 있어서, 터널 배리어층과 반대측에 도전성 산화물층을 배치한다.

본 발명에 의한 터널 자기 저항 효과 소자는, 수직 자기 이방성을 갖는 기록층과, 수직 자기 이방성을 갖고 자화의 방향이 일방향으로 고정된 고정층과, 기록층과 고정층 사이에 배치된 산화물의 터널 배리어층을 구비한다.

본 발명의 일 형태에 의하면, 기록층 및 상기 고정층은, 3d 전이 금속을 적어도 1종류 포함하는 강자성 재료로 구성되고, 막 두께의 제어에 의해 자화 방향이 막면에 대하여 수직 방향을 향하고 있으며, 기록층과 고정층 중 적어도 한쪽은, 터널 배리어층과 반대측의 계면에 도전성 산화물층이 배치되어 있다.

본 발명의 다른 형태에 의하면, 고정층은, 제1 강자성층과 제2 강자성층을 적층한 구조를 갖고, 제1 강자성층은 상기 터널 배리어층의 측에 배치되어 있다. 기록층 및 제 1의 강자성층은, 3d 전이 금속을 적어도 1종류 포함하는 강자성 재료로 구성되고, 막 두께의 제어에 의해 자화 방향이 막면에 대하여 수직 방향을 향하고 있으며, 기록층의 터널 배리어층과 반대측의 계면에 도전성 산화물층이 배치되어 있다.

기록층, 고정층 및 제1 강자성층은 Fe, CoFe 또는 CoFeB인 것이 바람직하고, 막 두께는 0.5nm 내지 3nm의 범위이다. 또한, 터널 배리어층은 MgO, 혹은 MgO를 주성분으로 해서 Zn을 첨가한 산화물로 하는 것이 바람직하다.

표면과 이면의 양측에 산화물층이 배치된 CoFeB는, 수직 자기 이방성이 증대된다. 그 때, 도전성 산화물층은 터널 배리어층에 비하여 저항이 낮기 때문에, 소자 전체의 저항 증대는 무시할 수 있을 정도로 억제된다. 결과로서, 본 발명에 의하면, 저저항이면서 또한 높은 열 안정성을 갖고, 또한 고정층의 오기입이 없이 안정적으로 동작하는 수직 MTJ 소자가 얻어진다.

상기한 것 이외의, 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 명백하게 된다.

도 1은 실시예 1의 MTJ 소자의 단면 모식도이다.
도 2는 실시예 2의 MTJ 소자의 단면 모식도이다.
도 3은 실시예 3의 MTJ 소자의 단면 모식도이다.
도 4는 실시예 4의 자기 메모리 셀의 구성을 도시하는 단면 모식도이다.
도 5는 실시예 4의 랜덤 액세스 메모리 구성을 도시하는 모식도이다.

본 발명의 실시 형태를, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

도 1에, 실시예 1에 있어서의 MTJ 소자의 단면 모식도를 도시한다. 열산화막이 형성된 Si 기판(5) 상에 하부 전극(12), 산화물 하지층(32), 고정층(22), 터널 배리어층(10), 기록층(21), 산화물 캡층(31), 금속 캡층(13), 상부 전극(11)의 순서로 박막을 적층한다. 터널 배리어층(10)에는 MgO(막 두께: 1nm)를 사용하였다. 기록층(21)을 구성하는 강자성층에는 CoFeB(막 두께: 1.5nm)를 적용하고, 고정층(22)을 구성하는 강자성층에는 CoFeB(막 두께: 1nm)를 적용하였다. 고정층(22)과 기록층(21)에 각각 접하는, 산화물 하지층(32)과 산화물 캡층(31)에는, 도전성 산화물인 RuO₂(막 두께: 3nm)를 사용하였다. 또한, 하부 전극은 기판측으로부터 Ta(막 두께: 5nm)/Ru(막 두께: 10nm)/Ta(막 두께: 5nm)의 순으로 적층한 적층막으로 구성하였다. 금속 캡층(13)은 Ta(막 두께: 5nm)/Ru(막 두께: 10nm)의 순으로 적층한 적층막으로 구성하였다. 또한, 상부 전극(11)은 Cr(막 두께: 5nm)/Au(막 두께: 100nm)의 적층막으로 구성하였다.

상기 각 층은 Ar 가스를 사용한 RF 스패터링법을 이용해서 Si 기판(5) 상에 형성하였다. 아래부터 순서대로 금속 캡층(13)까지의 적층 박막을 형성한 후, 전자 빔(EB) 리소그래피와 이온빔 에칭을 이용하여, 직경 100nm의 필러 형상으로 가공하였다. 그 후, Cr(막 두께: 5nm)/Au(막 두께: 100nm) 적층 구조의 상부 전극(11)을 형성하였다. 또한, 도시하지 않았지만, 상부 전극층(11)과 하부 전극층(12)에는 각각, 소자에 전류를 흘리기 위한 배선이 접속된다. 소자를 제작 후, 수직 자장 중에서 300℃의 어닐을 행하였다.

소자의 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 기록층(21)과 고정층(22)을 구성하는 강자성체는 CoFeB이며, 터널 배리어층(10)의 MgO와의 계면 및 산화물 캡층(31), 산화물 하지층(32)과의 계면에서 수직 자기 이방성이 발현된다. 그 막 두께를 적절하게 설정함으로써 자화 용이축은 수직 방향을 향하고 있다. MTJ 소자에 전류(70)를 흘리면, 그 전류 방향에 의해 기록층(21) 내의 자화(61)가 반전된다. 한편, 고정층(22)은 기록층(21)보다도 막 두께가 얇다. CoFeB의 수직 자기 이방성은 막 두께 저감에 의해 증대되는 성질이 있으며, 그 때문에 고정층(22)에서는 자화 반전을 일으키는 전류값(기입 전류: I_c0)이 기록층(21)보다도 높다. 이에 의해, 기록층(21)의 자화(61)를 반전시킬 때, 고정층(22)의 자화(62)는 반전되지 않고 고정되어 있다.

터널 배리어층(10)을 사이에 두고 대향하는 기록층(21)의 자화(61)와, 고정층(22)의 자화(62)가 평행 배열일 때, 소자는 저저항 상태로 된다. 반대로, 자화(61)와 자화(62)가 반평행 배열일 때, 소자는 고저항 상태로 된다. 기록층(21)과 고정층(22)의 CoFeB는 어닐 처리에 의해 bcc(001) 구조로 되어 있으며, 터널 배리어층(10)의 MgO(001) 구조와의 조합에 기인하여 100％ 이상의 높은 TMR비가 얻어졌다.

본 실시예에서는, 산화물 캡층(31)과 산화물 하지층(32)에 의해, 그것들이 없는 CoFeB/MgO/CoFeB 기본 구조에 비하여, 기록층(21)과 고정층(22)의 수직 자기 이방성이 증대된다. 결과로서, CoFeB/MgO/CoFeB 기본 구조에 비하여, 기록층(21) 및 고정층(22)의 열 안정성 E/k_BT는 약 2배로 증대되었다. 또한, 산화물 캡층(31)과 산화물 하지층(32)은 도전성 산화물의 RuO₂(막 두께: 3nm)이며, 그 저항률은 10^-3Ωcm 이하이기 때문에, 면적 저항 RA는 0.03Ω㎛² 이하로 된다. 이는, MgO 터널 배리어층(10)(막 두께: 1nm)의 RA=약 10Ω㎛²와 비교해서 3자리수나 작다. 즉, MTJ 소자의 저항을 결정하는 지배적 요인은 MgO 터널 배리어층(10)이며, RuO₂층에 의한 기여는 거의 무시할 수 있다. 결과로서, 본 실시예의 구성에서는, CoFeB/MgO/CoFeB 기본 구조를 갖는 MTJ 소자의 저항과 거의 동일한 정도의 저항을 유지하면서 열 안정성 E/k_BT를 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서는, 산화물 캡층(31)과 산화물 하지층(32)에 RuO₂를 사용하였지만, 다른 도전성 산화물을 사용해도 좋다. 산화물 캡층(31)이나 산화물 하지층(32)에 사용할 수 있는 재료로서는, 본 실시예에서 사용한 RuO₂와 동류의 VO₂, CrO₂, NbO₂, MoO₂, WO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, IrO₂, PtO₂, V₃O₅, Ti₃O₅ 등의 루틸-MoO₂형 산화물이 있다. 또한, TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO 등의 NaCl형 산화물, 혹은, LiTi₂O₄, LiV₂O₄, Fe₃O₄로 대표되는 스피넬형 산화물, 혹은, ReO₃, CaCrO₃, SrCrO₃, BaMoO₃, SrMoO₃, CaMoO₃, LaCuO₃, CaRuO₃, SrVO₃, BaTiO₃ 등의 페로브스카이트-ReO₃형 산화물, 혹은, Ti₂O₃, V₂O₃, Rh₂O₃ 등의 코랜덤형 산화물, 혹은, ZnO, TiO₂, SnO₂, Cu₂O, Ag₂O, In₂O₃, WO₃ 등의 산화물 반도체를 사용해도 좋다. 또한, 그것들을 복수 적층해도 좋다. 그 중에서 수직 MTJ 소자의 캡층, 하지층에 사용하는 도전성 산화물로서는, 소자 전체의 저항에 영향을 주지 않는 특성으로서, 저항률이 0.1Ωcm 이하인 것이 바람직하다.

수직 MTJ 소자의 기록층(21), 고정층(22)에 사용하는 CoFeB의 막 두께는, 최소 0.5nm 이상, 최대 3nm 이하이며, 보다 바람직하게는 1nm부터 2nm 사이이다. 이는, CoFeB의 막 두께가 너무 얇으면 강자성체로서 기능하지 않고, 한편으로 너무 두꺼우면, 수직 자기 이방성의 강도가 저하되기 때문이다. 또한, 본 실시예에서는, 기록층(21), 고정층(22)에 CoFeB를 사용했지만, bcc 결정 구조를 갖는 그 밖의 재료, 예를 들어 CoFe나 Fe를 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 이는 본 발명에서 이용하고 있는 수직 자기 이방성의 발현 기구가, Fe나 Co의 3d 전자 궤도와 산화물의 O의 2p 전자 궤도의 혼성에 기인하기 때문이다.

또한, 본 실시예에서는, 터널 배리어층(10)에 MgO를 사용했지만, MgO에 Zn을 소량 첨가한 MgZnO를 사용해도 좋다. 그 경우, 높은 TMR을 실현하기 위해서 필요한 NaCl 구조를 유지하면서 터널 배리어층의 터널 저항이 저감하기 때문에, 소자의 저항을 더 억제하는 것이 가능해진다.

<실시예 2>

실시예 2는, 고정층측에만 도전성 산화물을 배치하는 구조를 적용하는 것이다. 도 2에, 실시예 2에 있어서의 MTJ 소자의 단면 모식도를 도시한다. 실시예 2에서는, 실시예 1과 달리, 기록층(21) 상에 산화물 캡층을 배치하지 않고, 또한 기록층(21)을 구성하는 CoFeB의 막 두께를 1.2nm로 하였다. 그 밖의 적층 구조 및 각 층의 재료·막 두께에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 소자의 제작 방법 및 동작에 대해서도 실시예 1과 마찬가지이다.

실시예 2의 경우에도, 고정층(22)의 CoFeB 막 두께(1nm)는, 기록층(21)의 CoFeB 막 두께(1.2nm)에 비하여 얇다. 이 막 두께 차에 기인하여, 기본적으로 고정층(22)의 수직 자기 이방성은 기록층(21)보다도 크다. 그에 더하여, 산화물 하지층(32)에 의해, 고정층(22)의 수직 자기 이방성은 더욱 증대된다. 강자성층의 자화 반전에 필요한 전류(I_c0)는 수직 자기 방성의 강도와 함께 증대된다. 따라서, 전류에 의해 기록층(21)을 자화 반전시킬 때, 고정층(22)이 자화 반전되어버리는 오동작을 억제할 수 있다.

종래의 CoFeB/MgO/CoFeB 기본 구조에서는, 수직 자기 이방성의 강도는, 기록층(21)과 고정층(22)의 막 두께만으로 제어하고 있었다. 이에 반해, 실시예 2의 구조에서는, 산화물층을 고정층의 하지에 사용함으로써, 고정층(22)과 기록층(21)의 수직 자기 이방성의 강도(자화 반전 전류)의 차를 크게 할 수 있다. 이에 의해, 기록층(21)의 막 두께를 고정층(22)의 막 두께에 근접시켜도(박층화하여도), 동작의 안정성이 손상되지 않는다. 즉, CoFeB/MgO/CoFeB 기본 구조에 비하여, 기록층(21)의 막 두께를 보다 얇게 할 수 있어, 결과적으로, 고정층(22)의 오기입을 억제하면서, 기록층(21)의 열 안정성 E/k_BT를 향상시킬 수 있다. 그 때, 산화물 하지층(32)은 도전성 산화물이기 때문에, 소자의 저항 증대는 막을 수 있다. 또한 CoFeB를 사용함으로써, 100％를 초과하는 높은 TMR비를 실현할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

본 실시예에서는, 산화물 하지층(32)에 RuO₂를 사용하였지만 다른 도전성 산화물을 사용해도 좋다. 산화물 하지층(32)에 사용할 수 있는 재료로서는, 본 실시예에서 사용한 RuO₂와 동류의 VO₂, CrO₂, NbO₂, MoO₂, WO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, IrO₂, PtO₂, V₃O₅, Ti₃O₅ 등의 루틸-MoO₂형 산화물이 있다. 또한, TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO 등의 NaCl형 산화물, 혹은, LiTi₂O₄, LiV₂O₄, Fe₃O₄로 대표되는 스피넬형 산화물, 혹은, ReO₃, CaCrO₃, SrCrO₃, BaMoO₃, SrMoO₃, CaMoO₃, LaCuO₃, CaRuO₃, SrVO₃, BaTiO₃ 등의 페로브스카이트-ReO₃형 산화물, 혹은, Ti₂O₃, V₂O₃, Rh₂O₃ 등의 코랜덤형 산화물, 혹은, ZnO, TiO₂, SnO₂, Cu₂O, Ag₂O, In₂O₃, WO₃ 등의 산화물 반도체를 사용해도 좋다. 또한, 그것들을 복수 적층해도 좋다. 그 중에서, 수직 MTJ 소자의 고정층의 하지층에 사용하는 도전성 산화물로서는, 소자 전체의 저항에 영향을 주지 않는 특성으로써, 저항률이 0.1Ωcm 이하인 것이 바람직하다.

수직 MTJ 소자의 기록층(21), 고정층(22)에 사용하는 CoFeB의 막 두께는, 최소 0.5nm 이상, 최대 3nm 이하이며, 보다 바람직하게는 1nm부터 2nm 사이이다. 이는, CoFeB의 막 두께가 너무 얇으면 강자성체로서 기능하지 않고, 한편으로 너무 두꺼우면, 수직 자기 이방성의 강도가 저하되기 때문이다. 또한, 본 실시예에서는, 기록층(21), 고정층(22)에 CoFeB를 사용하였지만, bcc 결정 구조를 갖는 그 밖의 재료, 예를 들어 CoFe나 Fe를 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 이는 본 발명에서 이용하고 있는 수직 자기 이방성의 발현 기구가, Fe나 Co의 3d 전자 궤도와 산화물의 O의 2p 전자 궤도의 혼성에 기인하기 때문이다.

또한, 본 실시예에서는, 터널 배리어층(10)에 MgO를 사용하였지만, MgO에 Zn을 소량 첨가한 MgZnO를 사용해도 좋다. 그 경우, 높은 TMR을 실현하기 위해서 필요한 NaCl 구조를 유지하면서 터널 배리어층의 터널 저항이 저감되기 때문에, 소자의 저항을 더 억제하는 것이 가능해진다.

<실시예 3>

실시예 3은, CoFeB의 기록층과, CoFeB 이외의 재료를 포함하는 고정층을 조합한 수직 MTJ 소자를 제안하는 것이다. 도 3에, 실시예 3에서의 MTJ 소자의 단면 모식도를 도시한다. 실시예 3에서는, 실시예 1과 달리, 도전성 산화물층은 고정층(22) 아래에는 배치하지 않고, 기록층(21) 상에만 배치한다. 또한, 실시예 3에서는, 고정층(22)을, 제1 강자성층(41)과 제2 강자성층(51)의 적층 구조로 제작한다. 제1 강자성층(41)에는 CoFeB(막 두께: 2nm)를 사용하고, 제2 강자성층(51)에는, Co₅₀Pt₅₀의 L1₀형 규칙 합금(막 두께: 3nm)을 적용하였다. 그 밖의 재료·막 두께, 소자의 제작 방법에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 고정층(22)을 구성하는 제1 강자성층(41)과 제2 강자성층(51)은 강자성 결합하고 있으며, 그 자화 방향은 연동되어 있다. 따라서, 고정층(22)의 자화는 단일 자화로서 간주할 수 있기 때문에, 소자의 동작도 실시예 1과 마찬가지이다.

기록층(21)의 상부에 배치된 산화물 캡층(31)에 의해 기록층의 수직 자기 이방성이 향상되고, 기록층의 열 안정성 E/k_BT는 증대된다. 또한, 실시예 3의 경우, 제2 강자성층(51)에 사용한 CoPt 규칙 합금은, 기록층(21)의 CoFeB 박막에 비하여 수직 자기 이방성이 크고, 이에 의해 고정층(22)은 자기적으로 안정되어 있다. 또한, MgO의 터널 배리어층(10)과 접하는 제1 강자성층(41)은 CoFeB이기 때문에, 높은 TMR비가 얻어진다. 따라서, 본 실시예의 구조를 사용하면, 실시예 1, 2와 마찬가지로, 고정층(22)의 오기입을 억제하면서, 산화물 캡층(31)이 없는 구성에 비하여 기록층(21)의 열 안정성 E/k_BT를 향상시킬 수 있다. 그 때, 산화물 캡층(31)은 도전성 산화물이기 때문에, 소자의 저항 증대는 막을 수 있다. 또한, 터널 배리어층(10)의 양측에 CoFeB를 배치하기 때문에, 100％를 초과하는 높은 TMR비를 실현할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

본 실시예에서는, 산화물 캡층(31)에 RuO₂를 사용하였지만 다른 도전성 산화물을 사용해도 좋다. 산화물 캡층(31)에 사용할 수 있는 재료로서는, 본 실시예에서 사용한 RuO₂와 동류의 VO₂, CrO₂, NbO₂, MoO₂, WO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, IrO₂, PtO₂, V₃O₅, Ti₃O₅ 등의 루틸-MoO₂형 산화물이 있다. 또한, TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO 등의 NaCl형 산화물, 혹은, LiTi₂O₄, LiV₂O₄, Fe₃O₄로 대표되는 스피넬형 산화물, 혹은, ReO₃, CaCrO₃, SrCrO₃, BaMoO₃, SrMoO₃, CaMoO₃, LaCuO₃, CaRuO₃, SrVO₃, BaTiO₃ 등의 페로브스카이트-ReO₃형 산화물, 혹은, Ti₂O₃, V₂O₃, Rh₂O₃ 등의 코랜덤형 산화물, 혹은, ZnO, TiO₂, SnO₂, Cu₂O, Ag₂O, In₂O₃, WO₃ 등의 산화물 반도체를 사용해도 좋다. 또한, 그것들을 복수 적층해도 좋다. 그 중에서, 수직 MTJ 소자의 캡층에 사용하는 도전성 산화물로서는, 소자 전체의 저항에 영향을 주지 않는 특성으로서, 저항률이 0.1Ωcm 이하인 것이 바람직하다.

수직 MTJ 소자의 기록층(21), 고정층(22)을 구성하는 제1 강자성층(41)에 사용하는 CoFeB의 막 두께는, 최소 0.5nm 이상, 최대 3nm 이하이며, 보다 바람직하게는 1nm부터 2nm 사이이다. 이는, CoFeB의 막 두께가 너무 얇으면 강자성체로서 기능하지 않고, 한편으로 너무 두꺼우면, 수직 자기 이방성의 강도가 저하되기 때문이다. 또한, 본 실시예에서는, 기록층(21), 고정층(22)을 구성하는 제1 강자성층(41)에 CoFeB를 사용하였지만, bcc 결정 구조를 갖는 그 밖의 재료, 예를 들어 CoFe나 Fe를 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 실시예 3에서는, 고정층(22)을 구성하는 제2 강자성층(51)의 수직 자화 재료로서 Co₅₀Pt₅₀의 L1₀형 규칙 합금을 적용하였지만, 그 밖의 수직 자화 재료를 적용하여도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 구체적인 재료로서, 예를 들어, Fe₅₀Pt₅₀ 등의 Co-Pt, Co-Pd, Fe-Pt, Fe-Pd를 주성분으로 하는 L1₀형 규칙 합금이나, Co₅₀Pt₅₀의 L1₁형 규칙 합금이나, m-D0₁₉형의 Co₇₅Pt₂₅ 규칙 합금, 혹은, CoCrPt-SiO₂, FePt-SiO₂ 등 입상의 자성체가 비자성체의 모상 중에 분산된 그래뉼러 구조의 재료, 혹은, Fe, Co, Ni 중 어느 1개 또는 복수를 포함하는 합금과, Ru, Pt, Rh, Pd, Cr 등의 비자성 금속을 교대로 적층한 적층막, 혹은, TbFeCo, GdFeCo 등, Gd, Dy, Tb 등의 희토류 금속에 전이 금속을 포함한 아몰퍼스 합금, 혹은, CoCr나 CoPtCr 등의 Co계 합금을 사용해도 좋다.

<실시예 4>

실시예 4는, 본 발명에 의한 MTJ 소자를 적용한 랜덤 액세스 메모리를 제안하는 것이다. 도 4는, 본 발명에 의한 자기 메모리 셀의 구성예를 도시하는 단면 모식도이다. 이 자기 메모리 셀은, 실시예 1 내지 3에 개시한 MTJ 소자(110) 중 어느 하나를 탑재하고 있다.

트랜지스터(111)는, 2개의 n형 반도체(112, 113)와 하나의 p형 반도체(114)를 포함한다. n형 반도체(112)에 전극(121)을 통해서 소스선(224)이 접속된다. n형 반도체(113)에는, 전극(122) 및 전극(146)을 통해서 MTJ 소자(110)가 접속된다. 또한 게이트 전극(123)에는, 도시되어 있지 않지만 워드선(223)이 접속된다. 워드선으로부터의 신호에 의해 게이트 전극(123)의 ON/OFF를 제어하여, 전극(122)과 전극(121) 사이에 흐르는 전류의 ON/OFF를 제어한다. 비트선(222)은, MTJ 소자(110)의 상부 전극(11)에 접속되어 있다. 본 실시예의 자기 메모리 셀에서는, 트랜지스터(111)를 제어하여, 비트선(222)과 전극(146) 사이에 전류를 흘린다. 이 전류에 의한 스핀 트랜스퍼 토크가 MTJ 소자(110) 중의 기록층의 자화에 작용하여, 자화의 방향을 반전시킨다. 이에 의해 MTJ 소자(110)의 자기적 정보를 기록한다.

도 5는, 상기 자기 메모리 셀을 배치한 자기 랜덤 액세스 메모리의 구성예를 도시하는 도면이다. 트랜지스터(111)의 게이트 전극(123)에 워드선(223)이 접속되고, 트랜지스터의 다른 전극(121)에는 소스선(224)이 접속되고, MTJ 소자(110)에는 비트선(222)이 접속된다.

본 구성의 경우의 기입은, 우선 전류를 흘리고자 하는 비트선(222)에 접속된 기입 드라이버(230)에 라이트 인에이블 신호를 보내어 승압한다. 이어서, 워드선(223)에 접속된 기입 드라이버(232)에 라이트 인에이블 신호를 보내어, 기입 드라이버(232)를 승압하고, 기입하고자 하는 MTJ 소자에 접속된 트랜지스터(111)를 온으로 한다. 이에 의해 MTJ 소자(110)로부터 트랜지스터(111)의 방향으로 전류가 흘러, 스핀 토크 자화 반전이 행하여진다. 소정의 시간, 트랜지스터를 온으로 한 후, 기입 드라이버(232)로의 신호를 절단하여, 트랜지스터를 오프로 한다. MTJ 소자(110)의 기록층의 자화 방향을 반전하는("0", "1" 정보를 재기입하는) 경우에는, 상기 기입 동작과 역방향의 전류를 흘리면 된다. 즉, 소스선(224)을 비트선(222)보다도 고전압으로 하고, 이어서 기입 드라이버(232)를 승압하여, 트랜지스터(111)를 온으로 한다. 이에 의해, 트랜지스터(111)로부터 MTJ 소자(110)의 방향으로 전류가 흘러, 기록층의 자화 방향이 반전되어 정보가 재기입된다. 또한, 판독할 때에는, 판독하고자 하는 MTJ 소자에 연결된 비트선(222)만을 판독 전압 V로 승압하여, 선택 트랜지스터만을 온으로 해서 전류를 흘려서 판독을 행한다. 이 구조는 가장 단순한 1 트랜지스터+1 메모리 셀의 배치이므로, 단위 셀이 차지하는 면적은 2F×4F=8F²로 고집적인 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 한 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한 한 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 부가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.

5… 기판
10… 터널 배리어층
11… 상부 전극
12… 하부 전극
21… 기록층
22… 고정층
31… 산화물 캡층
32… 산화물 고정층
41… 제1 강자성층
51… 제2 강자성층
61, 62… 자화
70… 전류
100… 메모리 셀
110… MTJ 소자
111… 트랜지스터
112, 113… n형 반도체
114… p형 반도체
121… 전극
122… 전극
123… 게이트 전극
146… 전극
222… 비트선
223… 워드선
224… 소스선
230, 232… 기입 드라이버

Claims

수직 자기 이방성을 갖는 기록층과, 수직 자기 이방성을 갖고 자화의 방향이 일방향으로 고정된 고정층과, 상기 기록층과 상기 고정층 사이에 배치된 산화물의 터널 배리어층을 구비한 터널 자기 저항 효과 소자로서,
상기 기록층 및 상기 고정층은, 3d 전이 금속을 적어도 1종류 포함하는 강자성 재료로 구성되고, 막 두께의 제어에 의해 자화 방향이 막면에 대하여 수직 방향을 향하고 있으며,
상기 기록층과 상기 고정층 중 적어도 한쪽은, 상기 터널 배리어층과 반대측의 계면에 도전성 산화물층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제1항에 있어서,
상기 3d 전이 금속은 Co, Fe 중 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제1항에 있어서,
상기 기록층과 상기 고정층을 구성하는 강자성 재료는 Fe, CoFe 또는 CoFeB인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제1항에 있어서,
상기 기록층 및 상기 고정층의 막 두께는, 0.5nm 내지 3nm의 범위인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제1항에 있어서,
상기 도전성 산화물층은, 루틸-MoO₂형 산화물인 RuO₂, VO₂, CrO₂, NbO₂, MoO₂, WO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, IrO₂, PtO₂, V₃O₅, Ti₃O₅, 혹은,
NaCl형 산화물인 TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO, 혹은,
스피넬형 산화물인 LiTi₂O₄, LiV₂O₄, Fe₃O₄, 혹은,
페로브스카이트-ReO₃형 산화물인 ReO₃, CaCrO₃, SrCrO₃, BaMoO₃, SrMoO₃, CaMoO₃, LaCuO₃, CaRuO₃, SrVO₃, BaTiO₃, 혹은,
코랜덤형 산화물인 Ti₂O₃, V₂O₃, Rh₂O₃, 혹은,
산화물 반도체인 ZnO, TiO₂, SnO₂, Cu₂O, Ag₂O, In₂O₃, WO₃인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제1항에 있어서,
상기 터널 배리어층은 MgO, 혹은 MgO를 주성분으로 해서 Zn을 첨가한 산화물인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
수직 자기 이방성을 갖는 기록층과, 수직 자기 이방성을 갖고 자화의 방향이 일방향으로 고정된 고정층과, 상기 기록층과 상기 고정층 사이에 배치된 산화물의 터널 배리어층을 구비한 터널 자기 저항 효과 소자로서,
상기 고정층은, 제1 강자성층과 제2 강자성층을 적층한 구조를 갖고, 상기 제1 강자성층은 상기 터널 배리어층의 측에 배치되어 있으며,
상기 기록층 및 상기 제1 강자성층은, 3d 전이 금속을 적어도 1종류 포함하는 강자성 재료로 구성되고, 막 두께의 제어에 의해 자화 방향이 막면에 대하여 수직 방향을 향하고 있으며,
상기 기록층의 상기 터널 배리어층과 반대측의 계면에 도전성 산화물층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제7항에 있어서,
상기 3d 전이 금속은 Co, Fe 중 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제7항에 있어서,
상기 기록층 및 상기 제1 강자성층은 Fe, CoFe 또는 CoFeB인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제5항에 있어서,
상기 기록층 및 상기 제1 강자성층의 막 두께는, 0.5nm 내지 3nm의 범위인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제7항에 있어서,
상기 제2 강자성층은,
Co를 포함하고, Cr, Ta, Nb, V, W, Hf, Ti, Zr, Pt, Pd, Fe, Ni 중에서 선택된 1개 이상의 원소를 포함하는 합금층,
Fe, Co, Ni 중 어느 1개 또는 복수를 포함하는 합금과, Ru, Pt, Rh, Pd, Cr로부터 선택된 비자성 금속을 교대로 적층한 적층막,
입상의 자성상(相)의 주위를 비자성상이 둘러싼 그래뉼러(granular) 구조를 갖는 층,
희토류 금속과 전이 금속을 포함한 아몰퍼스 합금층, 또는,
m-D0₁₉형의 CoPt 규칙 합금, L1₁형의 CoPt 규칙 합금, 혹은 Co-Pt, Co-Pd, Fe-Pt, Fe-Pd를 주성분으로 하는 L1₀형의 규칙 합금을 포함하는 층인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제7항에 있어서,
상기 도전성 산화물층은, 루틸-MoO₂형 산화물인 RuO₂, VO₂, CrO₂, NbO₂, MoO₂, WO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, IrO₂, PtO₂, V₃O₅, Ti₃O₅, 혹은,
NaCl형 산화물인 TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO, 혹은,
스피넬형 산화물인 LiTi₂O₄, LiV₂O₄, Fe₃O₄, 혹은,
페로브스카이트-ReO₃형 산화물인 ReO₃, CaCrO₃, SrCrO₃, BaMoO₃, SrMoO₃, CaMoO₃, LaCuO₃, CaRuO₃, SrVO₃, BaTiO₃, 혹은,
코랜덤형 산화물인 Ti₂O₃, V₂O₃, Rh₂O₃, 혹은,
산화물 반도체인 ZnO, TiO₂, SnO₂, Cu₂O, Ag₂O, In₂O₃, WO₃인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
제7항에 있어서,
상기 터널 배리어층은 MgO, 혹은 MgO를 주성분으로 해서 Zn을 첨가한 산화물인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 효과 소자.
복수의 자기 메모리 셀과,
상기 복수의 자기 메모리 셀 중에서 원하는 자기 메모리 셀을 선택하는 수단과,
상기 선택된 자기 메모리 셀에 선택된 방향의 전류를 흘리는 수단
을 구비하고,
상기 자기 메모리 셀은, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 터널 자기 저항 효과 소자와, 상기 터널 자기 저항 효과 소자에 통전하기 위한 트랜지스터를 갖고,
상기 메모리 셀의 상기 기록층을 스핀 트랜스퍼 토크에 의해 자화 반전시키는 것을 특징으로 하는 랜덤 액세스 메모리.