KR20160033590A - 자기 터널 접합 소자 및 자기 랜덤 엑세스 메모리 - Google Patents

Abstract

작은 전류 밀도를 갖는 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있는 자기 터널 접합 소자를 제공한다.
자기 터널 접합 소자는 자화 방향이 가변인 기억층; 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층; 및 스페이서층;을 포함한다. 자기 터널 접합 소자는 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 기입을 행한다. 자기 터널 접합 소자는 기억층 및 고정층의 적어도 일방이 강자성 절연층을 포함한다. 다른 실시의 형태로서, 상기 스페이서층은 전류 경로부 및 절연부를 포함할 수 있다.

Description

자기 터널 접합 소자 및 자기 랜덤 엑세스 메모리{Magnetic Tunnel Junction Device and Magnetic Random Access Memory}

본 발명은 자기 터널 접합 소자 및 자기 랜덤 엑세스 메모리에 관한 것이고, 특히 스핀 주입 자화 반전 방식을 이용한 자기 터널 접합 소자 및 자기 랜덤 엑세스 메모리에 관한 것이다.

자기 저항 효과에 의해 독출을 행하고, 스핀 주입 자화 반전 방식(STT： Spin Transfer Torque)에 의해 기입을 행하는 자기 터널 접합(MTJ：Magnetic Tunnel Junction) 소자가 있다.

이러한 자기 터널 접합 소자는 자화 방향이 가변인 기억층; 막면에 수직한 자화 방향을 유지하는 고정층; 및 기억층과 고정층 사이에 설치된 절연체로 이루어진 터널 배리어층;을 포함한다. 고정층 및 기억층의 재료로서 높은 수직 자기 이방성과, 높은 스핀 분극율을 구비하는 강자성 재료가 바람직하다고 여겨진다. 이러한 자기 터널 접합 소자는 미세화에 대한 열 교란 내성을 가지며, 예컨대, 자기 랜덤 엑세스 메모리(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory)에 대한 이용이 기대되고 있다.

예컨대, 특허 문헌 1에서는 반강자성막을 고정층의 적어도 측면에 설치한 자기 터널 접합 소자가 개시되어 있다. 이 자기 터널 접합 소자에서는 고정층 및 기억층을 형성하는 재료로서, 예컨대, Co, Fe, Ni 등의 강자성 금속, 이들의 합금, 또는 CoFeB 등의 B를 갖는 합금을 들 수 있다. 이러한 자기 터널 접합 소자에 의하면, 고정층의 다자구화(多磁區化)를 억제할 수 있다.

또한, 특허 문헌 2에서는, 하지층과 Mn－Ga계 합금으로 이루어진 자성체막을 포함하는 기억층; 비자성층; 및 Mn－Ga계 합금으로 이루어진 자성체막을 포함하는 고정층;을 차례로 적층한 자기 터널 접합 소자가 개시되고 있다. 이러한 자기 터널 접합 소자에 의하면, 수직 자기 이방성을 가짐과 동시에, 큰 자기 저항 효과를 발현할 수 있다.

[특허문헌]

[특허 문헌 1] 일본특허공개 2005－032878호 공보

[특허 문헌 2] 일본특허공개 2012－204683호 공보

그런데, 기억층의 자화 방향을 반전시키는데 필요한 자화 반전 전류를 작게 하는 것이 요구되고 있다.

또한, 특허 문헌 1 및 2에 개시된 바와 같이, 높은 수직 자기 이방성과, 높은 스핀 분극율을 구비하는 강자성 재료로서 강자성 금속, 이들의 합금, 또는 Mn－Ga계 합금을 들 수 있다. 자기 터널 접합 소자에서는, 고정층 및 기억층을 형성하는 재료의 선택 범위를 더욱 넓힐 여지가 있었다.

본 발명은 상기한 사정을 배경으로 이루어진 것으로, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있는 자기 터널 접합 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 태양에 따른 자기 터널 접합 소자는, 자화 방향이 가변인 기억층; 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층; 및 스페이서층;을 포함하고, 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 기입을 실시하는 자기 터널 접합 소자로서, 기억층 및 고정층 중 적어도 일방이 강자성 절연층을 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있다.

또한, 상기 기억층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고, 상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 기억층은 상기 강자성 절연층과, 막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 더욱 확실하게 반전시킬 수 있다.

또한, 상기 고정층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고, 상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 고정층은 상기 강자성 절연층과, 막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 큰 MR비(자기 저항 효과)를 얻을 수 있다.

또한, 상기 강자성 절연층은 강자성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 강자성 산화물은 BaFe₁₂O₁₉, 또는 CoxFe_{3 － X}O₄이고, x가 0＜x＜3을 만족하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 독출시의 기록층 자화의 열안정성을 확보함과 동시에, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있다.

또한, 소자 저항값이 30 Ω㎛² 이하인 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 자화 반전 전류 밀도가 작고, 소자 저항값이 작은 자기 터널 접합 소자를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 자기 랜덤 엑세스 메모리는 상기한 자기 터널 접합 소자를 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 소비 전력이 작은 자기 랜덤 엑세스 메모리를 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 태양에 따른 자기 터널 접합 소자는, 자화 방향이 가변인 기억층; 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층; 및 상기 기억층과 상기 고정층 사이에 설치된 스페이서층;을 포함하고, 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 기입을 실시하는 자기 터널 접합 소자로서, 상기 기억층 및 상기 고정층 중 적어도 일방이 강자성 절연층을 포함하고, 상기 스페이서층은 상기 기억층과 상기 고정층을 전기적으로 접속시키는 전류 경로부; 및 상기 기억층과 상기 고정층을 전기적으로 절연하는 절연부;를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있다.

또한, 상기 기억층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고, 상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 기억층은 상기 강자성 절연층; 및 막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층;을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 더욱 확실하게 반전시킬 수 있다.

또한, 상기 고정층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고, 상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 고정층은 상기 강자성 절연층; 및 막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층;을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 큰 MR비(자기 저항 효과)를 얻을 수 있다.

또한, 상기 강자성 절연층은 강자성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 강자성 산화물은 BaFe₁₂O₁₉, 또는 CoxFe_{3 － X}O₄이고, x가 0＜x＜3을 만족하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 독출시의 기록층 자화의 열안정성을 확보함과 동시에, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 확실하게 반전시킬 수 있다.

또한, 상기 전류 경로부는 비자성 금속으로 이루어진 복수개의 주상체(柱狀體)이고, 상기 절연부는 상기 전류 경로부의 각각을 둘러싸는 매트릭스이며, 상기 매트릭스는 비자성 절연체로 이루어진 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 비자성 절연체는 MgO 또는 Al₂O₃인 것을 특징으로 할 수도 있다. 또한, 상기 비자성 금속은 Cu인 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 작은 전류 밀도의 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 확실하게 반전시킬 수 있다.

또한, 소자 저항값이 30 Ω㎛² 이하인 것을 특징으로 할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 자화 반전 전류 밀도가 작고, 또한 소자 저항값이 작은 자기 터널 접합 소자를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 자기 랜덤 엑세스 메모리는 상기한 자기 터널 접합 소자를 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 소비 전력이 작은 자기 랜덤 엑세스 메모리를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 작은 전류 밀도를 갖는 전류라 하더라도, 기억층의 자화 방향을 반전시킬 수 있는 자기 터널 접합 소자를 제공할 수 있다.

도 1은 실시의 형태 1에 따른 MRAM의 요부 사시도다.
도 2는 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 3은 계산 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 계산 모델을 나타내는 도면이다.
도 5는 자기 이방성 정수에 대한 반전 전류 밀도이다.
도 6은 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 7은 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 8은 실시의 형태 4에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 9는 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 10은 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자의 요부 단면도이다.
도 11은 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 12는 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 13은 실시의 형태 8에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 14는 참고예 1에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 15는 참고예 2에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.
도 16은 계산 모델을 나타내는 도면이다.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해 다양한 재료에 대해 자기 터널 접합 소자에 있어서의 기억층 및 고정층에 대한 적용 가능성을 꾀할 수 있도록, 탐색 및 계산을 실시하였다. 그 중, 본 발명자들은 강자성 절연체를 기억층 또는 고정층의 재료로서 이용하면, 자화 반전시에 기억층이 온도 상승하고, 또한 그 자기 이방성이 저하되는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 고정층과 기억층 사이에 설치되는 스페이서층의 재료에 대해서도 검토를 행하는 등 예의 연구를 거듭함으로써, 본 발명을 생각하기에 이르렀던 것이다.

< 실시의 형태 1 >

도 1 및 도 2를 참조하여 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 실시의 형태 1에 따른 MRAM의 요부 단면도이다. 도 2는 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자의 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 메모리 셀(100)은 반도체 기판(2), 확산 영역(3, 4), 소스 라인(6), 및 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자(10)를 포함한다. 복수의 메모리 셀(100)을 매트릭스상으로 배치하고, 복수개의 비트 라인(1) 및 복수개의 워드 라인(8)을 이용하여 서로 접속하면, 자기 랜덤 엑세스 메모리(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory)가 형성된다. 이 자기 랜덤 엑세스 메모리에서는 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 데이터의 기입이 행해진다.

반도체 기판(2)은 그 상면에 확산 영역(3, 4)을 가지고, 확산 영역(3)은 확산 영역(4)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 확산 영역(3)은 드레인 영역으로서 기능하고, 확산 영역(4)은 소스 영역으로서 기능한다. 확산 영역(3)은 콘택 플러그(7)를 통해 MTJ 소자(10)에 접속된다.

비트 라인(1)은 반도체 기판(2)의 상방에 배치됨과 동시에, MTJ 소자(10)에 접속된다. 비트 라인(1)은 기입 회로(미도시) 및 독출 회로(미도시)에 접속되어 있다.

확산 영역(4)은 콘택 플러그(5)를 통해 소스 라인(6)에 접속된다. 소스 라인(6)은 기입 회로(미도시) 및 독출 회로(미도시)에 접속되어 있다.

워드 라인(8)은 확산 영역(3) 및 확산 영역(4)에 접촉하도록, 게이트 절연막(9)을 통해 반도체 기판(2)에 배치된다. 워드 라인(8)과 게이트 절연막(9)은 선택 트랜지스터로서 기능한다. 워드 라인(8)은 도시하지 않은 회로로부터 전류가 공급되어 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴온된다.

도 2에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(10)는 고정층(13), 스페이서층(12), 및 기억층(11)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다.

고정층(13)은 강자성 금속으로 이루어진다. 강자성 금속으로서, 예컨대, Fe, Ni, CoFeB를 들 수 있다. 고정층(13)은 소정의 자화 방향을 유지한다. 이 소정의 자화 방향은, 예컨대, 막면에 수직한 방향이나, 막면 내에서의 길이 방향일 수도 있다. 또한 고정층(13)은 자화 고착층, 자화 고정층, 참조층, 자화 참조층, 핀층, 기준층, 자화 기준층 등으로 칭할 수도 있다.

스페이서층(12)은 절연체로 이루어지며, 터널 배리어층의 역할을 할 수 있다. 절연체로서, 예컨대, MgO, Al₂O₃를 들 수 있다. 스페이서층(12)의 두께는 MTJ 소자(10)의 저항값에 따라, 적절히 변경 가능하다. 또한 스페이서층(12)이 MgO로 이루어진 경우, 기억층(11) 및 고정층(13)의 적어도 하나를 스페이서층(12)에 대해 에피택셜 성장시키는 것이 바람직하다.

기억층(11)은 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 강자성 절연체로서, 예컨대, 강자성 산화물을 들 수 있다. 강자성 산화물로서, 예컨대, CoxFe_3－XO₄(여기서, 0＜x＜3)나 BaFe₁₂O₁₉ 등을 들 수 있다. 이러한 강자성 산화물로서 CoxFe_{3 － X}O₄는 5 x 10⁵J/m³ (=5 x 10⁶erg/cc) 보다 높은 자기 이방성을 가지므로, 특히 바람직하다. CoxFe_{3 － X}O₄의 일예로서, CoFe₂O₄(이 일예에서 x=1)를 들 수 있다. 또한, x가 0.5 보다 큰 것이 바람직하고, CoxFe_{3 － X}O₄가 스피넬형 결정 구조를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 또한 BaFe₁₂O₁₉가 육방정형 결정 구조를 갖는 것이 바람직하다. 기억층(11)은 가변 자화 방향을 갖는다. 기억층(11)은, 예컨대, 막면에 대해 수직으로 자화되고 있고, 상방 또는 하부를 향한다. 기억층(11)은 자유층, 자화 자유층, 자화 가변층 등으로 칭할 수도 있다. 기억층(11)의 두께는 목표로 하는 MTJ 소자(10)의 소자 저항값(RA)에 따라, 적절히 변경할 수도 있다.

여기서, 메모리 셀(100)로의 데이터 기입 동작에 대해 설명하기로 한다. 복수의 메모리 셀(100) 중 데이터를 기입하는 대상으로서 하나의 메모리 셀(100)을 선택한다. 선택된 메모리 셀(100)에서는 워드 라인(8)이 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴온된다. 메모리 셀(100)은 기입하는 데이터에 따라, 기입 회로(미도시)로부터 기입 전류를 공급받는다. 예컨대, 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(10)로 흐른다. 그러면, 기억층(11)은 절연성을 갖기 때문에, 기억층(11)의 온도가 상승하고, 기억층(11)의 자기 이방성이 줄어든다. 기억층(11)의 자화 방향이 반전되기 쉬운 상태에 이른다. 또한, 전류에 의한 스핀이 기억층(11)에 주입되고, 기억층(11)의 자화 방향이 소정의 방향으로 변화한다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다.

이어서, 메모리 셀(100)의 데이터 독출 동작에 대해 설명하기로 한다. 복수의 메모리 셀(100) 중 데이터를 독출하는 대상으로서 하나의 메모리 셀(100)을 선택한다. 선택된 메모리 셀(100)에서는 워드 라인(8)이 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴온된다. 메모리 셀(100)은 독출 회로(미도시)로부터 독출 전류를 공급받는다. 독출 회로(미도시)는 독출 전류에 따라, 저항값을 검출한다. 이 저항값에 따라, 메모리 셀(100)이 기억하는 데이터를 독출할 수 있다. 또한, 기록층(11)이 CoxFe_{3－ X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 절연 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(11)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

이어서, 도 3 내지 도 5를 이용하여 실시의 형태 1에 따른 MRAM에 대한 계산 결과에 대해 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4는 계산 모델을 나타내는 도면이다. 도 5는 자기 이방성 정수에 대한 반전 전류 밀도이다. 여기서는 실시의 형태 1에 따른 MRAM이 소정의 MR비를 갖는 경우, 자화 반전시(기입 동작시)의 전류 밀도를 계산하였다.

도 3에 도시한 바와 같이, 양자역학에 따라, 타이트 바인딩 모형(tight binding model)을 이용하여 계산을 실시하였다. 이 타이트 바인딩 모형은 일차원 및 단일 궤도이다. 또한 상자성 금속(NM)은 상기한 MTJ 소자(10)에 있어서의 비트 라인(1)에 해당된다. 마찬가지로, 강자성 절연체(FI)는 기억층(11)에 해당되고, 상자성 절연체(NI)는 스페이서층(12)에 해당되며, 강자성 금속(FM)은 고정층(13)에 해당된다.

우선, 하기 수학식 1 ~ 수학식 3을 이용하여 MR비(MR)를 구하였다.

MR［무차원］：MR비

P_I［무차원］：강자성 절연체(FI)에 있어서의 스핀 필터 효과의 스핀 분극율

P_D［무차원］：강자성 금속(FM)에 있어서의 전자 상태 밀도의 스핀 분극율

κ＋［1/m］：강자성 절연체(FI)에 있어서의 다수 스핀 전자의 파동함수의 감쇠율

κ－［1/m］：강자성 절연체(FI)에 있어서의 소수 스핀 전자의 파동함수의 감쇠율

M［m］：강자성 절연체(FI)의 막두께

D＋［1/J］：강자성 금속(FM)에 있어서의 다수 스핀 전자의 전자 상태 밀도

D－［1/J］：강자성 금속(FM)에 있어서의 소수 스핀 전자의 전자 상태 밀도

여기서, P_I가 1이라면, MR비가 하기 수학식 4와 같이 기재된다.

또한, P_D가 0.50(50%)이라면, MR는 1(100%)에 수렴된다. 즉, MTJ 소자(10)는 MR비 100%로 충분히 높은 MR비를 갖는다. 또한 상자성 절연체(NI)가 MgO로 이루어짐과 동시에, 강자성 금속(FM)이 Fe로 이루어진 경우, 상자성 절연체(NI)와 강자성 금속(FM)의 계면에서 열안정성 △의 대칭성을 이용할 수 있다.

그런데, MRAM을 사용하면, MTJ 소자(10)의 온도(T)가 약 200°상승하는 것으로 알려져 있다. 이어서, 기억층(11)이 이 온도 상승에 의해, 자기 이방성 정수(Ku)가 MRAM으로서 동작할 수 있는 값까지 감소하였다고 가정하고, 자화 반전 전류 밀도를 계산하였다. 이 계산에서는, 도 4에 도시한 모델을 강자성 절연체(FI)의 모델로서 이용하였다. 이용한 모델은 단층으로서, 높이(h)［nm］ 및 직경(D)［nm］를 갖는 원주상체(圓柱狀體)이다. 당 모델에서는 강자성 절연체(FI)는 상하 방향으로 자화 용이축(Easy Axis)을 가지며, 초기 상태(Initial State)에서는 상방을 향하고 있다. 또한, 강자성 절연체(FI)는 자기 모멘트(Ms)［A/m］와 단위 계면 면적당 포화 자화(A)［J/m］를 갖는다. 높이(h), 직경(D), 자기 모멘트(Ms), 단위 계면 면적당 포화 자화(A), 덤핑 정수(a), 및 자기 이방성 정수(Ku)는 각각 이하의 값으로 설정하여 계산하였다.

h=2nm

D=20nm

Ms=600 x 103A/m(=600 emu/cm³)

A=1 x 10－11J/m(=1 μerg/cm)

a=0.01

K_u：열안정성 △에 의해 결정

또한, 열안정성 △는 하기 수학식 5를 이용하여 구하였다.

Ku［J/m³］：기억층의 자기 이방성 정수

V［m³］：강자성 절연체(FI)의 체적

k_b［J/K］：볼츠만 정수

T［K］：강자성 절연체(FI)의 온도

계산한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 자기 이방성 정수(Ku)가 줄면, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)도 줄어든다. 구체적으로, 자기 이방성 정수(Ku)가 약 0.56J/m³(=약 5.6 x 10⁶erg/cm³)로부터 약 0.20J/m³(=약 2.0 x 10⁶erg/cm³)로 줄면, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)는 8.1 x 10¹⁰A/m²에서 4.0 x 10¹⁰A/m²로 줄었다. 즉, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)가 51%로 줄었다.

그런데, 고전 전자기학에 따른 계산을 실시하면, 메모리 셀(100)의 데이터 독출 동작시에 일견 전류가 MTJ 소자(10)로 거의 흐르지 않는 것으로 보인다. 그 때문에, MTJ 소자(10)를 포함하는 MRAM은 동작하지 않는다고 생각할 수 있다. 그러나, 양자 역학에 따른 계산을 실시하면, 독출시에도 전류가 MTJ 소자(10)로 흘러, MTJ 소자(10)를 포함하는 MRAM가 동작하는 것을 증명할 수 있다. 이어서, 도 3을 이용하여, 이 양자 역학에 따른 계산에 대해 설명한다. 또한, 하기 수학식 6을 이용하여 MTJ 소자의 투과 계수(C)를 구하였다. 여기에는, kON, kσM >>1인 것을 가정하였다. 수학식 6에, 대표적인 값을 대입하여 계산하면, MTJ 소자(10)의 투과 계수(C)가 소정의 값을 넘는 것을 확인할 수 있었다. 즉, MRAM에서의 메모리 셀(100) 중의 MTJ 소자(10)는 독출시에 전자가 절연층을 포함하는 고정층 및 기억층 중 적어도 하나를 통과하는 것을 확인하였다. 따라서, MTJ 소자(10)는 독출시에 전류를 흘려 보낼 수 있으므로, MTJ 소자(10)를 포함하는 MRAM은 동작 가능하다.

C［무차원］:투과 계수

t［J］:전자의 깡충뛰기 적분(hopping integral)

κσ［1/m］：강자성 절연체(FM)에 있어서의 σ스핀 전자의 파동함수의 감쇠율

N［m］：상자성 절연체(NI)의 막두께

M［m］：강자성 절연체(FI)의 막두께

κ0［1/m］：상자성 절연체(NI)에 있어서의 전자의 파동함수의 감쇠율

Dσ'［1/J］：강자성 금속(FM)에 있어서의 σ' 스핀 전자의 전자 상태 밀도

D0［1/J］：상자성 금속(NM)에 있어서의 전자 상태 밀도

이상, 실시의 형태 1에 따른 MRAM에 의하면, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 자화 반전하는 과정에서, 기억층의 온도가 상승하고, 기억층의 자기 이방성 정수가 줄고, 또한 자화 반전 전류 밀도가 줄었다. 즉, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 이용하면, 작은 전류 밀도로 기억층의 자화 반전을 실시할 수 있다. 즉, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 이용한 MTJ 소자는 충분히 높은 MR비(자기 저항 효과)를 가지며, 또한 작은 자화 반전 전류 밀도를 갖는다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM의 소비 전력은 작다.

또한, MTJ 소자(10)의 소자 저항값(RA)은 30 Ω㎛² 이하가 바람직하다. 스페이서층(12) 및 기억층(11)의 두께를 바꿈으로써, 소자 저항값(RA)을 변경할 수 있다. MTJ 소자(10)의 소자 저항값(RA)이 30 Ω㎛² 이하일 때, MTJ 소자는 양호한 독출 성능을 갖는다. 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 큰 기억 용량을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 실시의 형태 1에 따른 MRAM에 의하면, 강자성 절연체로 이루어진 층을 기억층으로 이용할 수 있다. 즉, 실시의 형태 1에 따른 MRAM은 수직 자기 이방성을 갖는 다양한 재료를 폭넓게 이용할 수 있다.

< 실시의 형태 2 >

이어서, 도 6을 참조하여 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 6은 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자(210)는 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자(10)(도 2 참조)와 비교하여, 기억층 및 고정층을 바꾼 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(210)는 고정층(23), 스페이서층(12), 및 기억층(21)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다.

기억층(21)은 고정층(13)(도 2 참조)과 마찬가지로, 강자성 금속으로 이루어진다. 강자성 금속으로서, 예컨대, Fe, CoFeB를 들 수 있다. 기억층(21)은 가변 자화 방향을 갖는다. 기억층(21)은, 예컨대, 막면에 대해 수직 자화되어 있다.

고정층(23)은 기억층(11)(도 2 참조)과 동일한 종류의 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 고정층(23)은 막면에 수직한 자화 방향을 유지한다. 고정층(23)의 두께는 MTJ 소자(210)의 저항값에 따라 적절히 변경할 수도 있다.

또한, 고정층(23)에서는 그 전도대에서 자기 분열이 발생하고, 전도 전자의 스핀 방향에 따라 터널 확률이 달라진다. 이에 따라 고정층(23)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더욱 많이 고정층(23)을 빠져 나가는 스핀 필터 효과가 발생한다. 스핀 필터 효과의 스핀 분극율은 고정층(23)의 막두께를 바꿈으로써 변경할 수 있다.

여기서, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(23)으로부터 기억층(21)으로 흐른다. 고정층(23)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더욱 많이 고정층(23)을 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 이 스핀 분극율이 높을수록 MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(210)로부터의 신호 전압이 증대되고, MTJ 소자(210)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(210)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 고정층(23)은 CoxFe_{3 － X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(21)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

이어서, 기입 동작에 대해 설명한다. 예컨대, 기입 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(210)로 흐른다. 그러면, 고정층(23)은 절연성을 갖기 때문에, 고정층(23)의 온도가 상승하고, 이 온도 상승에 의해 기억층(21)의 온도도 상승할 수 있다. 기억층(21)의 자기 이방성이 줄고, 기억층(21)의 자화 방향이 반전되기 쉬운 상태에 이른다. 또한, 전류에 의해, 스핀 토크가 기억층(21)에 주입되고, 기억층(21)의 자화 방향이 소정 방향으로 변화한다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(210)는 MTJ 소자(10)과 마찬가지로, 작은 전류 밀도로 자화 방향을 반전할 수 있다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM의 소비 전력은 작다.

이상, 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자에 의하면, 작은 자화 반전 전류 밀도를 가질 수 있다. 높은 MR비를 가지며, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 소비 전력이 작고, 큰 기억 용량을 갖는 MRAM을 형성할 수 있다.

< 실시의 형태 3 >

이어서, 도 7을 참조하여 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 7은 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자는 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자(210)(도 6 참조)와 비교하여, 고정층을 제외하고, 공통되는 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명한다.

도 7에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(310)는 고정층(33), 스페이서층(12), 및 기억층(21)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다. 고정층(33)은 수직 자화 유지층(333), 자기 결합 제어층(332), 및 강자성층(331)을 차례로 적층한 구조를 갖는다.

강자성층(331)은 기억층(11)(도 2 참조)과 동일한 종류의 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 강자성층(331)은 수직 자기 이방성 정수(Ku1)를 갖는다. 또한 이 강자성 절연체는 고정층(23)(도 6 참조)을 형성하는 강자성 절연체와 달리, 막면에 수직한 자화 방향을 유지하지 않을 수도 있다.

자기 결합 제어층(332)은 강자성층(331)과 수직 자화 유지층(333)의 자기 결합에 영향을 주는 재료로 이루어진다. 이러한 재료로서, 예컨대, Rh, Pd, Pt, Ru, MgO 등을 들 수 있다. 자기 결합 제어층(332)의 두께는 2nm 이하이다. 그 두께는 필요에 따라 바뀔 수도 있다. 자기 결합 제어층(332)의 두께를 변화시키면, MR비(저항 변화율), 열안정성, 기록 전류, 자화 반전 스피드 등의 인자를 조절하는 것이 바람직하다.

수직 자화 유지층(333)은 수직 자기 이방성 정수(Ku2)를 갖는 재료로 이루어진다. 수직 자기 이방성 정수(Ku2)는 강자성층(331)의 수직 자기 이방성 정수(Ku1)에 비해 높다. 이러한 재료로서, 예컨대, L10형 FePd 또는 FePt를 들 수 있다.

또한 상기 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자(310)에서는, 고정층(33)은 자기 결합 제어층(332)을 포함하는 구성을 갖지만, 고정층(33)으로부터 자기 결합 제어층(332)을 제외할 수도 있다. 즉, MTJ 소자(310)는 고정층(33) 대신에, 수직 자화 유지층(333)과 강자성층(331)을 차례로 적층한 구조를 갖는 고정층을 포함할 수도 있다.

여기서, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(33)으로부터 기억층(21)으로 흐른다. 고정층(33)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(33)을 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 이 스핀 분극율이 높을수록 MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(310)로부터의 신호 전압이 증대되어 MTJ 소자(310)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(310)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 강자성층(331)이 CoxFe_{3 － X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(21)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

또한, 기입 동작에 대해 설명한다. 예컨대, 기입 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(310)로 흐른다. 그러면, 고정층(33)은 절연성을 갖기 때문에, 고정층(33)의 온도가 상승하고, 이 온도 상승에 의해 기억층(21)의 온도도 상승할 수 있다. 기억층(21)의 자기 이방성이 줄고, 기억층(21)의 자화 방향이 반전되기 쉬운 상태에 이른다. 또한, 전류에 의해, 스핀 토크가 기억층(21)에 주입되고, 기억층(21)의 자화 방향이 소정의 방향으로 변화된다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(310)는 MTJ 소자(210)와 마찬가지로, 작은 전류 밀도로 자화 방향을 반전할 수 있다.

이상, 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자에 의하면, 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자와 마찬가지로, 작은 자화 반전 전류 밀도를 가질 수 있다. 높은 MR비를 가지며, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 큰 기억 용량을 갖는 MRAM을 형성할 수 있다.

또한, 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자에 의하면, 자기 결합 제어층(332)의 두께를 조절함으로써, MR비(저항 변화율), 열안정성, 기록 전류, 자화 반전 스피드 등의 인자를 조절할 수 있다.

< 실시의 형태 4 >

이어서, 도 8을 참조하여 실시의 형태 4에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 8은 실시의 형태 4에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 4에 따른 MTJ 소자는 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자(10)(도 2 참조)와 비교하여, 고정층을 제외하고, 공통되는 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명한다.

도 8에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(410)는 기억층(11), 스페이서층(12), 및 고정층(33)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다. 고정층(33)은 실시의 형태 3에 따른 MTJ 소자(310)(도 7 참조)의 구성과 공통된다.

여기서, 데이터의 기입 동작에 대해 설명한다. MTJ 소자(410)를 이용한 메모리 셀은 기입하는 데이터에 따라, 기입 회로(미도시)로부터 기입 전류를 공급받는다. 예컨대, 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(410)로 흐른다. 그러면, 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자(10)(도 2 참조)와 마찬가지로, 기억층(11)의 자화 방향이 소정의 방향으로 변화한다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(410)에서는 상기 실시의 형태 1에 따른 MTJ 소자(10)와 마찬가지로, 자화 반전 전류 밀도가 작다. 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 소비 전력이 작다.

또한, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(33)으로부터 기억층(11)으로 흐른다. 고정층(33)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(33)을 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 이 스핀 분극율이 높을수록 MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(410)로부터의 신호 전압이 증대되고, MTJ 소자(410)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(410)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 강자성층(331)이 CoxFe_{3 － X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(11)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

이상, 실시의 형태 4에 따른 MTJ 소자에 의하면, 작은 전류 밀도를 갖는 전류라도 자화 반전시킬 수 있고, 또한 높은 MR비를 갖기 때문에, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 소비 전력이 작고, 큰 기억 용량을 갖는다.

또한 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되지 않으며, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절한 변경이 가능하다. 예컨대, 실시의 형태 1~4에 따른 MTJ 소자는 기억층 대신에, 수직 자화 유지층과 강자성층을 적층한 적층 구조를 갖는 기억층을 포함할 수도 있다. 또한, 실시의 형태 2에 따른 MTJ 소자(210)(도 6 참조)는 기억층(21) 대신에, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 포함할 수도 있다.

< 실시의 형태 5 >

도 1, 도 9 및 도 10을 참조하여, 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 1은 전술한 실시의 형태 1에 따른 MRAM의 요부 단면도이며, 또한 실시의 형태 5에 따른 MRAM의 요부 단면도로써, 그 상세한 설명은 생략한다. 도 9는 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 도 10은 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자의 요부 단면도이다.

도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(110)는 고정층(113), 스페이서층(112), 및 기억층(111)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다. MTJ 소자(110)는 기입시에 스핀 토크 주입 방식을 이용함으로써, 기억층(111)의 자화 방향을 변경한다. 또한, MTJ 소자(110)는 독출시에 전자를 고정층(113), 스페이서층(112) 및 기억층(111)까지 터널링하고, 기억층(111)의 자화 방향에 따라 다른 전압으로 전류를 흘려 보낼 수 있다.

　또한 본원 명세서에 있어서, MTJ 소자란, 기입시에 스핀 토크 주입 방식을 이용함으로써, 기억층의 자화 방향을 변경할 수 있고, 또한 독출시에 전자가 절연체로 이루어진 층을 터널링함으로써, 기록층의 자화 방향에 따라 다른 전압으로 전류를 흘려 보낼 수 있는 소자라고 정의한다. 즉, 본원 명세서에서 MTJ 소자에는, MTJ 소자(110)와, 강자성 금속으로 이루어진 고정층, 절연체로 이루어진 터널 배리어층, 및 강자성 금속으로 이루어진 기억층을 적층한 적층 구조를 갖는 MTJ 소자가 포함된다.

고정층(113)은 강자성 금속으로 이루어진다. 강자성 금속으로서, 예컨대, Fe, Ni, CoFeB를 들 수 있다. 고정층(113)은 소정의 자화 방향을 유지한다. 이 소정의 자화 방향은, 예컨대, 막면에 수직한 방향이나, 막면 내에서의 길이 방향일 수 있다. 또한 고정층(113)은 자화 고착층, 자화 고정층, 참조층, 자화 참조층, 핀층, 기준층, 자화 기준층 등으로 칭할 수도 있다.

스페이서층(112)은 기억층(111)과 고정층(113)을 전기적으로 접속시키는 전류 경로부(112a), 기억층(111), 및 고정층(113)을 전기적으로 절연하는 절연부를 포함하는 층이다. 스페이서층(112)은, 예컨대, 다수의 전류 경로부(112a)를 각각 둘러싸는 매트릭스(112b)를 포함하는 층이다. 매트릭스(112b)는 비자성 절연체로 이루어진다. 비자성 절연체로서, 예컨대, MgO, Al₂O₃를 들 수 있다. 전류 경로부(112a)는 비자성 금속으로 이루어진 주상체로서, 이러한 비자성 금속은, 예컨대, 상자성 금속이다. 상자성 금속으로는, 예컨대, Cu, Ag, Al, 또는 이들의 합금이 있다. 전류 경로부(112a)는 매트릭스(112b)를 관통하도록, 매트릭스(112b) 내에 배치될 수도 있다. 스페이서층(112)의 두께는 MTJ 소자(110)의 저항값에 따라, 적절히 변경할 수도 있다. 또한 스페이서층(112)이 Cu로 이루어진 전류 경로부(112a)를 가지며, Al₂O₃로 이루어진 매트릭스(112b)를 포함하는 경우가 있다. 이 경우, 예컨대, AlCu로 이루어진 막을 성막하고, 또한 산화 프로세스를 실시하여 Al만을 산화시킴으로써, Al₂O₃로 이루어진 매트릭스(112b)와, Cu로 이루어진 전류 경로부(112a)를 형성하여 스페이서층(112)이 얻어진다. 산화 프로세스는 자연 산화(NO：Natural Oxidation)와 이온 어시스트 산화(IAO:Ion-Assisted Oxidation) 등을 이용할 수 있다. 또한, 전류가 스페이서층(112)을 통과할 때, 전류 협착이 발생하기 때문에, MTJ 소자(110)의 자기 저항비가 증가할 수 있다.

기억층(111)은 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 강자성 절연체로서, 예컨대, 강자성 산화물을 들 수 있다. 강자성 산화물로서 예컨대, CoxFe_3－XO₄(여기서, 0＜x＜3)나 BaFe₁₂O₁₉ 등을 들 수 있다. 이러한 강자성 산화물로서 CoxFe_{3 － X}O₄는 5 x 10⁵J/m³ (=5 x 10⁶erg/cc) 보다 높은 자기 이방성을 갖기 때문에, 특히 바람직하다. CoxFe_{3 － X}O₄의 일 예로서 CoFe₂O₄(이 일 예에서는 x=1)를 들 수 있다. 또한, x가 0.5 보다 크면 더 바람직하고, CoxFe_{3 － X}O₄가 스피넬형 결정 구조를 갖는다면 더욱 바람직하다. 또한 BaFe₁₂O₁₉가 육방정형 결정 구조를 갖는다면 바람직하다. 기억층(111)은 가변 자화 방향을 갖는다. 기억층(111)은, 예컨대, 막면에 대해 수직으로 자화되어 있고, 상방 또는 하방을 향한다. 기억층(111)은 자유층, 자화 자유층, 자화 가변층 등으로 칭할 수도 있다. 기억층(111)의 두께는 목표로 하는 MTJ 소자(110)의 소자 저항값(RA)에 따라, 적절히 변경할 수도 있다.

여기서, 메모리 셀(100)로의 데이터 기입 동작 및 데이터 독출 동작에 대한 설명은 도 1을 참조하여 실시의 형태 1에서 상세하게 하였기 때문에 생략한다.

여기서, 고전 전자기학에 따른 계산을 실시하면, 독출시에 있어서, 일견 전류가 MTJ 소자(110)로 거의 흐르지 않는다고 생각할 수 있다. 그 때문에, MTJ 소자(110)를 포함하는 MRAM은 동작하지 않는다고 생각할 수 있다. 그러나, 양자 역학에 따른 계산을 실시하면, 독출시에도 전류가 MTJ 소자(110)로 흐르고, MTJ 소자(110)를 포함하는 MRAM은 동작하는 것을 증명할 수 있다. 상세하게는, 참고예 1 및 2에 따른 MTJ 소자에 대해, 양자 역학에 따른 계산을 행함으로써 증명한다. 이어서, 도 3, 도 14 ~ 도 16을 이용하여, 이 양자 역학에 따른 계산에 의한 증명에 대해 설명하기로 한다. 도 14 및 도 15는 참고예에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 도 3 및 도 16은 계산 모델을 나타내는 도면이다.

참고예 1.

이어서, 도 3 및 도 14을 이용하여, 참고예 1에 따른 MRAM에 대한 계산 결과에 대해 설명한다. 도 14에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(180)는 MTJ 소자(110)(도 9 참조)와 스페이서층을 제외하고 공통의 구성을 갖는다. MTJ 소자(180)는 스페이서층(182)을 가지며, 스페이서층(182)은 상자성 절연체로 이루어진다. MTJ 소자(180)는 MTJ 소자(110)와 마찬가지로 메모리 셀(100)(도 1 참조)에 장착됨으로써, MRAM의 구성 요소로서 이용된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 양자 역학에 따라 타이트 바인딩 모형을 이용하여 계산을 하였다. 이 타이트 바인딩 모형은 일차원 및 단일 궤도이다. 또한 상자성 금속(NM)은 상기 메모리 셀(100)의 비트 라인(1)에 해당된다. 마찬가지로 강자성 절연체(FI)는 기억층(111)에 해당되고, 상자성 절연체(NI)는 스페이서층(182)에 해당되며, 강자성 금속(FM)은 고정층(113)에 해당된다.

하기 수학식 7을 이용하여, MTJ 소자의 투과 계수(C)를 요구하였다. 여기서는, kON, kσM >>1인 것을 가정하였다. MTJ 소자의 투과 계수(C)가 소정의 값을 넘고 있으므로, MTJ 소자(180)에는 전류가 흐른다고 생각할 수 있다. 즉, MRAM에 있어서의 메모리 셀(100) 중의 MTJ 소자(180)는 독출시에 전자가 절연층을 포함하는 고정층 및 기억층을 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, MTJ 소자(180)는 독출시에 전류를 흘려 보낼 수 있기 때문에, MTJ 소자(180)를 포함하는 MRAM은 동작 가능하다.

C［무차원］:투과 계수

t［J］:전자의 깡충뛰기 적분(hopping integral)

κ_σ［1/m］：강자성 절연체(FM)에 있어서의 σ 스핀 전자의 파동함수의 감쇠율

N［m］：상자성 절연체(NI)의 막두께

M［m］：강자성 절연체(FI)의 막두께

κ₀［1/m］：상자성 절연체(NI)에 있어서의 전자의 파동함수의 감쇠율

Dσ'［1/J］：강자성 금속(FM)에 있어서의 σ' 스핀 전자의 전자 상태 밀도

D₀［1/J］：상자성 금속(NM)에 있어서의 전자 상태 밀도

참고예 2.

이어서, 도 15 및 도 16을 이용하여 참고예 2에 따른 MRAM에 대한 계산 결과에 대해 설명하기로 한다. 도 15에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(190)은 MTJ 소자(110)(도 9 참조)으로 스페이서층 및 고정층을 제외하고 공통의 구성을 갖는다. MTJ 소자(190)은 스페이서층(192)와 고정층(193)을 포함한다. 스페이서층(192)은 상자성 금속으로 이루어지고, 고정층(193)은 강자성 절연체로 이루어진다. MTJ 소자(190)는 MTJ 소자(110)과 마찬가지로 메모리 셀(100)(도 1 참조)에 장착됨으로써, MRAM의 구성 요소로서 이용된다.

도 16에 도시한 바와 같이, 양자 역학에 따라, 타이트 바인딩 모형을 이용하여 계산을 실시하였다. 이 타이트 바인딩 모형은 일차원 및 단일 궤도이다. 또한, 제1의 상자성 금속(NM1)은 상기한 메모리 셀(100)에서의 비트 라인(1)(도 1 참조)에 해당된다. 마찬가지로 제1 강자성 절연체(FI1)는 기억층(111)에 해당되고, 제2 상자성 금속(NM2)은 스페이서층(192)에 해당된다. 또한, 제2 강자성 절연체(FI2)는 고정층(193)에 해당되고, 제3의 상자성 금속(NM3)은 콘택 플러그(7)(도 1 참조) 등에 해당된다.

우선, 제1 강자성 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2) 및 제2 강자성 절연체(FI2)의 터널 확률을 구한다. 제1 강자성 절연체(FI1) 및 제2 강자성 절연체(FI2)의 터널 확률은 각각 하기 수학식 8에 도시한 바와 같이 1 보다 매우 작은 것으로 가정할 수 있다.

제1의 상자성 금속(NM1) 또는 제3의 상자성 금속(NM3)으로부터 입사되는 전자의 에너지가, 제2 상자성 금속(NM2)에 있어서의 에너지 준위에 적합하면, 터널 확률이 향상된다. 이러한 공명 조건이 성립될 때, 제1 강자성 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2) 및 제2 강자성 절연체(FI2)로 이루어진 접합(MTJ90)의 터널 확률이 하기 수학식 9을 이용하여 표현된다.

:제1 강자성체 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2), 제2 강자성체 절연체(FI2)로 이루어진 접합(MTJ 소자(190))의 터널 확률

:제1 강자성체 절연체(FI1)의 터널 확률

:제2 강자성체 절연체(FI2)의 터널 확률

한편, 이러한 공명 조건이 성립되지 않는 비공명 조건에서는 제1 강자성 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2) 및 제2 강자성 절연체(FI2)로 이루어진 접합(MTJ90)의 터널 확률은 하기 수학식 10을 이용하여 표현된다.

수학식 9 및 수학식 10에, 대표적인 값을 대입하여 계산하면, 제1 강자성 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2) 및 제2 강자성 절연체(FI2)의 터널 확률이 0(제로) 보다 높은 값을 갖는다. 즉, MRAM에 있어서의 메모리 셀(100) 중의 MTJ 소자(110)는 독출시에 전자가 절연층을 포함하는 고정층 및 기억층을 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 참고예 2에 따른 MTJ 소자(190)는 독출시에 전류를 흘려 보낼 수 있기 때문에, MTJ 소자(190)를 포함하는 MRAM은 동작 가능하다.

공명 조건의 성립 확률은, 예컨대, 제1의 상자성 금속(NM1), 제1 강자성 절연체(FI1), 제2 상자성 금속(NM2), 제2 강자성 절연체(FI2), 제3의 상자성 금속(NM3)의 재료나 치수를 변경함으로써, 제1 강자성 절연체(FI1) 및 제2 강자성 절연체(FI2)의 자화 방향이 평행한 경우 공명 조건이 성립되고, 역평행인 경우 공명 조건이 성립되지 않도록 조정할 수 있다. 이 때, MTJ 소자(110)의 MR비(자기 저항비)를 구한다. MTJ 소자(110)의 MR비는 하기 수학식 11을 이용하여 표현된다. 수학식 7로부터, MR비는 100%에 근사할 수 있다(수학식 12 참조). 즉, MTJ 소자(10)는 MR비 100%로 충분히 높은 MR비를 갖는다.

그런데, MTJ 소자(10)(도 1 참조)는 스페이서층을 제외하고 참고예 1에 따른 MTJ 소자(180)와 동일한 구성을 갖는다. MTJ 소자(110)의 스페이서층(112)은 상자성 절연체로 이루어진 스페이서층(182)에 비해 높은 도전성을 갖는다. MTJ 소자(110)는 MTJ 소자(180) 보다 높은 도전성을 갖는 구성 요소를 구비하고 있어 MTJ 소자(180) 보다 전류가 흐르기 쉽다.

또한, MTJ 소자(110)는 스페이서층 및 고정층을 제외하고 참고예 2에 따른 MTJ 소자(190)와 동일한 구성을 갖는다. MTJ 소자(110)의 스페이서층(112)은 상자성 금속으로 이루어진 스페이서층(192)에 비해 낮은 도전성을 가지며, 고정층(113)은 강자성 절연체로 이루어진 고정층(193)에 비해 높은 도전성을 갖는다. MTJ 소자(110)는 MTJ 소자(190)와 동일한 정도의 도전성을 갖는 구성 요소를 구비하고 있어 MTJ 소자(190)와 동일한 정도로 전류가 흐르기 쉽다.

상기한 바와 같이, MTJ 소자(180, 190)는 모두 독출시에 전류를 흘려 보낼 수 있다. 따라서, MTJ 소자(180, 190)와 동일한 정도, 또는 전류가 더 흐르기 쉬울 것으로 생각되는 MTJ 소자(110)는 독출시에 전류를 흘려 보낼 수 있다. 그 때문에, MTJ 소자(110)를 포함하는 MRAM은 동작 가능하다.

그런데, MRAM을 사용하면, MTJ 소자(110)의 온도(T)가 약 200° 상승하는 것으로 알려져 있다. 이어서, 이 온도 상승에 의해, 기억층(111)의 자기 이방성 정수(K_u)가 MRAM으로서 동작 가능한 값까지 줄었다고 가정하여 자화 반전 전류 밀도를 계산하였다. 이 계산에서는 도 4에 도시한 모델을 제1 강자성 절연체(FI1)의 모델로서 이용하였다. 이용한 모델은 단층으로서, 높이 h［nm］ 및 직경(D)［nm］를 갖는 원주상체(圓柱狀體)이다. 이 모델에 있어서, 제1 강자성 절연체(FI1)는 상하 방향으로 자화 용이축(Easy Axis)을 가지며, 초기 상태(Initial State)에서는 상방을 향하고 있다. 또한, 제1 강자성 절연체(FI1)는 자기 모멘트 Ms［A/m］와, 단위 계면 면적당 포화 자화 A［J/m］를 갖는다. 높이(h), 직경(D), 자기 모멘트(Ms), 단위 계면 면적당 포화 자화(A), 덤핑 정수(a), 및 자기 이방성 정수(K_u)는 각각 이하의 값으로 설정하여 계산하였다.

h=2nm

D=20nm

Ms=600 x 10³A/m(=600 emu/cm³)

A=1 x 10^－11J/m(=1 x μerg/cm)

a=0.01

K_u：열안정성 △에 의해 결정

또한, 열안정성 △는 하기 수학식 13을 이용하여 구하였다.

K_u［J/m³］：기억층(제1 강자성 절연체(FI1))의 자기 이방성 정수

V［m³］：제1 강자성 절연체(FI1)의 체적

k_b［J/K］：볼츠만 정수

T［K］：제1 강자성 절연체(FI1)의 온도

계산한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 자기 이방성 정수(K_u)가 줄면, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)도 줄어든다. 구체적으로, 자기 이방성 정수(K_u)가 약 0.56J/m³(=약 5.6 x 10⁶erg/cm³)로부터 약 0.20J/m³(= 약 2.0 x 10⁶erg/cm³)로 줄면, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)는 8.1 x 10¹⁰A/m²로부터 4.0 x 10¹⁰A/m²으로 줄었다. 즉, 자화 반전 전류 밀도(j_sw)가 51%로 줄었다.

이상, 실시의 형태 5에 따른 MRAM에 의하면, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 자화 반전하는 과정에서, 기억층의 온도가 상승하고, 기억층의 자기 이방성 정수가 줄며, 또한 자화 반전 전류 밀도가 줄었다. 즉, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 이용하면, 작은 전류 밀도로 기억층의 자화 반전을 실시할 수 있다. 즉, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 이용한 MTJ 소자는 충분히 높은 MR비(자기 저항 효과)를 가지며, 또한 작은 자화 반전 전류 밀도를 갖는다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM의 소비 전력은 작다.

또한 MTJ 소자(110)의 소자 저항값(RA)은 30 Ω㎛² 이하가 바람직하다. MTJ 소자(110)는 상자성 금속으로 이루어진 스페이서층(112)을 고정층(113)와 기억층(111) 사이에 대비한다. 따라서, MTJ 소자(110)는 스페이서층(112) 대신에 절연체로 이루어진 터널 배리어층을 구비하는 MTJ 소자에 비해 바람직한 소자 저항값으로 억제할 수 있다. 또한, 스페이서층(112)의 단면(도 10 참조)에서의 전류 경로부(112a)의 면적이나, 스페이서층(112) 및 기억층(111)의 두께를 바꿈으로써, 소자 저항값(RA)을 변경할 수 있다. MTJ 소자(110)의 소자 저항값(RA)이 30 Ω㎛² 이하라면, MTJ 소자는 양호한 독출 성능을 갖는다. 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 큰 기억 용량을 구비하여 바람직하다.

또한, 실시의 형태 5에 따른 MRAM에 의하면, 강자성 절연체로 이루어진 층을 기억층으로 이용할 수 있다. 즉, 실시의 형태 5에 따른 MRAM은 수직 자기 이방성을 갖는 다양한 재료를 폭넓게 이용할 수 있다.

< 실시의 형태 6 >

이어서, 도 11을 참조하여 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자에 대해 설명하기로 한다. 도 11은 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자(1210)는 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자(110)(도 9 참조)와 비교하여, 기억층 및 고정층을 바꾼 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 11에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(1210)는 고정층(123), 스페이서층(112) 및 기억층(121)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다.

기억층(121)은 고정층(113)(도 9 참조)과 마찬가지로, 강자성 금속으로 이루어진다. 강자성 금속으로서, 예컨대, Fe, Ni, CoFeB를 들 수 있다. 기억층(121)은 가변 자화 방향을 갖는다. 기억층(121)은, 예컨대, 막면에 대해 수직 자화되어 있다.

고정층(123)은 기억층(111)(도 9 참조)과 동일한 종류의 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 고정층(123)은 막면에 수직한 자화 방향을 유지한다. 고정층(123)의 두께는 MTJ 소자(1210)의 저항값에 따라, 적절히 변경할 수도 있다.

또한, 고정층(123)에서는 그 전도대에서 자기 분열이 발생하고, 전도전자의 스핀 방향에 따라 터널 확률이 달라진다. 이에 따라, 고정층(123)의 자화와 평행한(혹은 역평행인) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(123)을 빠져 나가는 스핀 필터 효과가 발생한다. 스핀 필터 효과의 스핀 분극율은 고정층(123)의 막두께를 바꿈으로써 변경할 수 있다.

여기서, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(123)으로부터 기억층(121)으로 흐른다. 고정층(123)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(123)을 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 그 스핀 분극율이 높을수록 MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(1210)로부터의 신호 전압이 증대되어 MTJ 소자(1210)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(1210)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 고정층(123)은 CoxFe_{3 － X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(121)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

이어서, 기입 동작에 대해 설명한다. 예컨대, 기입 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(1210)로 흐른다. 그러면, 고정층(123)은 절연성을 갖기 때문에, 고정층(123)의 온도가 상승하고, 이 온도 상승에 의해 기억층(121)의 온도도 상승할 수 있다. 기억층(121)의 자기 이방성이 줄고, 기억층(121)의 자화 방향이 반전되기 쉬운 상태에 이른다. 또한, 전류에 의해, 스핀 토크가 기억층(121)에 주입되고, 기억층(121)의 자화의 방향이 소정의 방향으로 변화한다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(1210)는 MTJ 소자(110)과 마찬가지로, 작은 전류 밀도로 자화 방향을 반전할 수 있다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM의 소비 전력은 작다.

이상, 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자에 의하면, 작은 자화 반전 전류 밀도를 가질 수 있다. 높은 MR비를 가지며, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 소비 전력이 작고, 큰 기억 용량을 갖는 MRAM을 형성할 수 있다.

< 실시의 형태 7 >

이어서, 도 12를 참조하여 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 12는 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자는 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자(1210)(도 11 참조)와 비교하여, 고정층을 제외하고 공통되는 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명한다.

도 12에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(1310)은 고정층(133), 스페이서층(112), 및 기억층(121)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다. 고정층(133)은 수직 자화 유지층(1333), 자기 결합 제어층(1332), 및 강자성층(1331)을 차례로 적층한 구조를 갖는다.

강자성층(1331)은 기억층(111)(도 9 참조)과 동일한 종류의 강자성 절연체로 이루어진 강자성 절연층을 포함한다. 강자성층(1331)은 수직 자기 이방성 정수(K_u1)를 갖는다. 또한 이 강자성 절연체는 고정층(123)(도 11 참조)을 형성하는 강자성 절연체와 달리, 막면에 수직한 자화 방향을 유지하지 않아도 된다.

자기 결합 제어층(1332)은 강자성층(1331)과 수직 자화 유지층(1333)의 자기 결합에 영향을 주는 재료로 이루어진다. 이러한 재료로서, 예컨대, Rh, Pd, Pt, Ru, MgO 등을 들 수 있다. 자기 결합 제어층(1332)의 두께는 2nm 이하이다. 그 두께는 필요에 따라 변화될 수도 있다. 자기 결합 제어층(1332)의 두께를 변화시키면, MR비, 열안정성, 기록 전류, 자화 반전 스피드 등의 인자를 조절하는 것이 바람직하다.

수직 자화 유지층(1333)은 수직 자기 이방성 정수(K_u2)를 갖는 재료로 이루어진다. 수직 자기 이방성 정수(K_u2)는 강자성층(1331)의 수직 자기 이방성 정수(K_u1)에 비해 높다. 이러한 재료로서, 예컨대, L10형 FePd 또는 FePt를 들 수 있다.

또한 상기 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자(1310)에서는 고정층(133)은 자기 결합 제어층(1332)을 포함하는 구성을 갖지만, 고정층(133)으로부터 자기 결합 제어층(1332)을 제외할 수도 있다. 즉, MTJ 소자(1310)는 고정층(133) 대신에, 수직 자화 유지층(1333)과 강자성층(1331)을 차례로 적층한 구조를 갖는 고정층을 포함할 수도 있다.

여기서, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(133)으로부터 기억층(121)으로 흐른다. 고정층(133)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(133)을 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 이 스핀 분극율이 높을수록, MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(1310)로부터의 신호 전압이 증대되고, MTJ 소자(1310)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(1310)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 강자성층(1331)은 CoxFe_{3－ X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(121)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

또한, 기입 동작에 대해 설명한다. 예컨대, 기입 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(1310)로 흐른다. 그러면, 고정층(133)은 절연성을 갖기 때문에, 고정층(133)의 온도가 상승되고, 이 온도 상승에 의해 기억층(121)의 온도도 상승될 수 있다. 기억층(121)의 자기 이방성이 줄어들 수 있고, 기억층(121)의 자화 방향이 반전되기 쉬운 상태에 이른다. 또한, 전류에 의해, 스핀 토크가 기억층(121)에 주입되어 기억층(121)의 자화 방향이 소정의 방향으로 변화된다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(1310)는 MTJ 소자(1210)와 마찬가지로, 작은 전류 밀도로 자화 방향을 반전할 수 있다.

이상, 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자에 의하면, 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자와 마찬가지로 작은 자화 반전 전류 밀도를 가질 수 있다. 높은 MR비를 가지며, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 큰 기억 용량을 가진 MRAM을 형성할 수 있다.

또한, 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자에 의하면, 자기 결합 제어층(1332)의 두께를 조절함으로써, MR비, 열안정성, 기록 전류, 자화 반전 스피드 등의 인자를 조절할 수 있다.

< 실시의 형태 8 >

이어서, 도 13을 참조하여 실시의 형태 8에 따른 MTJ 소자에 대해 설명한다. 도 13은 실시의 형태 8에 따른 MTJ 소자의 단면도이다. 실시의 형태 8에 따른 MTJ 소자는 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자(110)(도 9 참조)과 비교하여 고정층을 제외하고, 공통되는 구성을 갖는다. 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 구성에 대해 설명한다.

도 13에 도시한 바와 같이, MTJ 소자(1410)은 기억층(111), 스페이서층(112), 및 고정층(133)을 차례로 적층한 적층 구조를 갖는다. 고정층(133)은 실시의 형태 7에 따른 MTJ 소자(1310)(도 12 참조)의 구성과 공통된다.

여기서, 데이터의 기입 동작에 대해 설명한다. MTJ 소자(1410)를 이용한 메모리 셀은 기입하는 데이터에 따라, 기입 회로(미도시)로부터 기입 전류를 공급받는다. 예컨대, 전류를 비트 라인(1)으로 흘려 보내면, MTJ 소자(1410)로 흐른다. 그러면, 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자(110)(도 9 참조)와 마찬가지로, 기억층(111)의 자화 방향이 소정의 방향으로 변화한다. 이에 따라, 메모리 셀(100)에, 예컨대, 데이터 「0」 또는 데이터 「1」에 대응되는 데이터를 기입할 수 있다. MTJ 소자(1410)에서는 상기한 실시의 형태 5에 따른 MTJ 소자(110)와 마찬가지로, 자화 반전 전류 밀도가 작다. 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 소비 전력이 작다.

또한, 독출 동작에 대해 설명한다. 독출 전류가 고정층(133)으로부터 기억층(111)으로 흐른다. 고정층(133)의 자화와 평행한(혹은 역평행의) 스핀을 갖는 전자가 더 많이 고정층(133)으로 흐른다. 즉, 스핀 필터 효과가 발현되고, 이 스핀 분극율이 높을수록 MR비가 높아진다. MR비가 높아지기 때문에, MTJ 소자(1410)로부터의 신호 전압이 증대되고, MTJ 소자(1410)는 뛰어난 독출 성능을 갖는다. MTJ 소자(1410)를 이용한 MRAM은 큰 기억 용량을 갖는다. 또한, 강자성층(1331)은 CoxFe_{3 －X}O₄ 등의 높은 자기 이방성을 갖는 강자성 산화물로 이루어진 강자성 절연층을 포함하는 경우, 기억층(111)의 자화는 독출시에 높은 열안정성을 갖는다.

이상, 실시의 형태 8에 따른 MTJ 소자에 의하면, 작은 전류 밀도를 갖는 전류라도 자화 반전시킬 수 있고, 또한, 높은 MR비를 갖기 때문에, 독출 성능이 뛰어나다. 또한, 이러한 MTJ 소자를 갖는 MRAM은 소비 전력이 작아 큰 기억 용량을 갖는다.

또한 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되지 않으며, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다. 예컨대, 실시의 형태 5~8에 따른 MTJ 소자는 기억층 대신에, 수직 자화 유지층과 강자성층을 적층한 적층 구조를 갖는 기억층을 포함할 수도 있다. 또한, 실시의 형태 6에 따른 MTJ 소자(1210)(도 11 참조)는 기억층(121) 대신에, 강자성 절연체로 이루어진 기억층을 포함할 수도 있다. 또한, 실시의 형태 5~8에 따른 MTJ 소자에서는 스페이서층(112)을 설치하였지만, 비자성 절연체로 이루어진 주상부(柱狀部), 및 비자성 금속으로 이루어진 매트릭스를 포함하는 스페이서층을 설치할 수도 있다.

이상, 도면을 참조하여 이 발명의 일 실시형태에 대해 상세히 설명하였으나, 구체적인 구성은 상술한 바로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 설계 변경 등이 가능하다.

1 　비트 라인 2　 반도체 기판
3, 4 확산 영역 5, 7 콘택 플러그
6 소스 라인 8　 워드 라인
9　 게이트 절연막
10, 110, 210, 1210, 310, 1310, 410, 1410　 MTJ 소자
11, 21, 111, 121 기억층
12 , 112 스페이서층
112a 전류 경로부 112b 매트릭스
13, 23, 33, 113, 123, 133 고정층
100 　메모리 셀 331, 1331 　강자성층
332, 1332 　자기 결합 제어층
333, 1333 　수직 자화 유지층

Claims (14)

1. 자화 방향이 가변인 기억층;
   소정의 자화 방향을 유지하는 고정층; 및
   상기 기억층과 상기 고정층 사이에 설치된 스페이서층;을 포함하고, 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 기입을 실시하는 자기 터널 접합 소자로서,
   상기 기억층 및 상기 고정층 중 적어도 일방이 강자성 절연층을 포함하는 자기 터널 접합 소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스페이서층은 상기 기억층과 상기 고정층을 전기적으로 접속시키는 전류 경로부; 및 상기 기억층과 상기 고정층을 전기적으로 절연하는 절연부;를 포함하는 자기 터널 접합 소자.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 기억층 및 상기 고정층이 모두 상기 강자성 절연층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 기억층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고,
   상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 기억층은,
   상기 강자성 절연층; 및
   막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고정층이 상기 강자성 절연층으로 이루어지고,
   상기 강자성 절연층은 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고정층은,
   상기 강자성 절연층; 및
   막면에 수직한 자화 방향을 갖는 수직 자화 유지층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 강자성 절연층은 강자성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 강자성 산화물은 BaFe₁₂O₁₉, 또는 CoxFe_{3 － X}O₄이고, x가 0＜x＜3을 만족하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    소자 저항값이 30 Ω㎛² 이하인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
11. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류 경로부는 비자성 금속으로 이루어진 복수개의 주상체이고,
    상기 절연부는 상기 전류 경로부의 각각을 둘러싸는 매트릭스이며,
    상기 매트릭스는 비자성 절연체로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 비자성 절연체는 MgO 또는 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 비자성 금속은 Cu인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
14. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 기재된 자기 터널 접합 소자를 구비한 자기 랜덤 엑세스 메모리.

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