KR20190027582A - 전자 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전자 장치 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치는, 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치로서, 상기 반도체 메모리는, 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다.
Description
본 특허 문헌은 메모리 회로 또는 장치와, 전자 장치에서의 이들의 응용에 관한 것이다.
최근 전자기기의 소형화, 저전력화, 고성능화, 다양화 등에 따라, 컴퓨터, 휴대용 통신기기 등 다양한 전자기기에서 정보를 저장할 수 있는 반도체 장치가 요구되고 있으며, 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 반도체 장치로는 인가되는 전압 또는 전류에 따라 서로 다른 저항 상태 사이에서 스위칭하는 특성을 이용하여 데이터를 저장할 수 있는 반도체 장치 예컨대, RRAM(Resistive Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), 이-퓨즈(E-fuse) 등이 있다.
본 발명의 실시예들이 해결하려는 과제는, 가변 저항 소자의 특성 향상이 가능한 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치는, 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치로서, 상기 반도체 메모리는, 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다.
위 실시예에서, 상기 제1 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있다. 상기 제1 보호막은 적어도 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있다. 상기 제2 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 상기 제2 보호막은 적어도 상기 핀드층에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력 또는 인장 응력의 어느 하나를 인가할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 산화물, 질화물 또는 수소를 포함하는 패시베이션막일 수 있다. 상기 가변 저항 소자는 실질적으로 수직인 프로파일을 가질 수 있다.
상기 전자 장치는, 마이크로프로세서를 더 포함하고, 상기 마이크로프로세서는, 상기 마이크로프로세서 외부로부터의 명령을 포함하는 신호를 수신하고, 상기 명령의 추출이나 해독 또는 상기 마이크로프로세서의 신호의 입출력 제어를 수행하는 제어부; 상기 제어부가 명령을 해독한 결과에 따라서 연산을 수행하는 연산부; 및 상기 연산을 수행하는 데이터, 상기 연산을 수행한 결과에 대응하는 데이터 또는 상기 연산을 수행하는 데이터의 주소를 저장하는 기억부를 포함하고, 상기 반도체 메모리는, 상기 마이크로프로세서 내에서 상기 기억부의 일부일 수 있다.
상기 전자 장치는, 프로세서를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 프로세서의 외부로부터 입력된 명령에 따라 데이터를 이용하여 상기 명령에 대응하는 연산을 수행하는 코어부; 상기 연산을 수행하는 데이터, 상기 연산을 수행한 결과에 대응하는 데이터 또는 상기 연산을 수행하는 데이터의 주소를 저장하는 캐시 메모리부; 및 상기 코어부와 상기 캐시 메모리부 사이에 연결되고, 상기 코어부와 상기 캐시 메모리부 사이에 데이터를 전송하는 버스 인터페이스를 포함하고, 상기 반도체 메모리는, 상기 프로세서 내에서 상기 캐시 메모리부의 일부일 수 있다.
상기 전자 장치는, 프로세싱 시스템을 더 포함하고, 상기 프로세싱 시스템은, 수신된 명령을 해석하고 상기 명령을 해석한 결과에 따라 정보의 연산을 제어하는 프로세서; 상기 명령을 해석하기 위한 프로그램 및 상기 정보를 저장하기 위한 보조기억장치; 상기 프로그램을 실행할 때 상기 프로세서가 상기 프로그램 및 상기 정보를 이용해 상기 연산을 수행할 수 있도록 상기 보조기억장치로부터 상기 프로그램 및 상기 정보를 이동시켜 저장하는 주기억장치; 및 상기 프로세서, 상기 보조기억장치 및 상기 주기억장치 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스 장치를 포함하고, 상기 반도체 메모리는, 상기 프로세싱 시스템 내에서 상기 보조기억장치 또는 상기 주기억장치의 일부일 수 있다.
상기 전자 장치는, 데이터 저장 시스템을 더 포함하고, 상기 데이터 저장 시스템은, 데이터를 저장하며 공급되는 전원에 관계없이 저장된 데이터가 유지되는 저장 장치; 외부로부터 입력된 명령에 따라 상기 저장 장치의 데이터 입출력을 제어하는 컨트롤러; 상기 저장 장치와 외부 사이에 교환되는 데이터를 임시로 저장하는 임시 저장 장치; 및 상기 저장 장치, 상기 컨트롤러 및 상기 임시 저장 장치 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 포함하고, 상기 반도체 메모리는, 상기 데이터 저장 시스템 내에서 상기 저장 장치 또는 상기 임시 저장 장치의 일부일 수 있다.
상기 전자 장치는, 메모리 시스템을 더 포함하고, 상기 메모리 시스템은, 데이터를 저장하며 공급되는 전원에 관계없이 저장된 데이터가 유지되는 메모리; 외부로부터 입력된 명령에 따라 상기 메모리의 데이터 입출력을 제어하는 메모리 컨트롤러; 상기 메모리와 외부 사이에 교환되는 데이터를 버퍼링하기 위한 버퍼 메모리; 및 상기 메모리, 상기 메모리 컨트롤러 및 상기 버퍼 메모리 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 포함하고, 상기 반도체 메모리는, 상기 메모리 시스템 내에서 상기 메모리 또는 상기 버퍼 메모리의 일부일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치는, 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치로서, 상기 반도체 메모리는, 기판 상에 형성된 제1 자성층; 상기 제1 자성층 상에 형성된 터널 베리어층; 상기 제1 터널 베리어층 상에 형성된 제1 캡핑층; 상기 터널 베리어층 상에 형성된 제2 자성층; 상기 제2 자성층 상에 형성된 피닝층; 상기 제1 자성층, 상기 터널 베리어층 및 상기 제1 캡핑층의 측벽 상에 형성된 제1 보호막; 및 상기 제2 자성층 및 상기 피닝층의 측벽 상에 형성된 제2 보호막을 포함할 수 있으며, 상기 제1 보호막은 압축 응력막이고, 상기 제2 보호막은 인장 응력막일 수 있다.
위 실시예에서, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 산화물, 질화물 또는 수소를 포함하는 패시베이션막일 수 있다. 상기 제1 보호막은 상기 제1 자성층에 대하여 압축 응력을 인가하고, 상기 제2 보호막은 상기 제2 자성층 및 상기 피닝층에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 상기 제1 자성층, 상기 터널 베리어층, 상기 제1 캡핑층, 상기 제2 자성층 및 상기 피닝층은 서로 정렬된 측벽을 가질 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치의 제조 방법은 기판 상에 가변 저항 소자의 제1 부분을 형성하는 단계; 제1 패시베이션 공정을 수행하여 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분의 측벽 상에 제1 보호막을 형성하는 단계; 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분 상에 상기 가변 저항 소자의 제2 부분을 형성하는 단계; 및 제2 패시베이션 공정을 수행하여 상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분의 측벽 상에 제2 보호막을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가하고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다.
위 실시예에서, 상기 제1 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있다. 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분은 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층을 포함하고, 상기 제1 보호막은 적어도 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있다. 상기 제2 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분은 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층을 포함하고, 상기 제2 보호막은 적어도 상기 핀드층에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있다. 상기 제1 패시베이션 공정 및 상기 제2 패시베이션 공정은, 각각 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막이 각각 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력 또는 인장 응력의 어느 하나를 인가할 수 있도록 하는 물질을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 제1 패시베이션 공정 및 상기 제2 패시베이션 공정은 각각 산화물, 질화물 또는 수소의 일 이상을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 정렬된 측벽을 가질 수 있다. 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분은, 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층; 상기 자유층 상에 형성된 터널 베리어층; 및 상기 터널 베리어층 상에 형성된 제1 캡핑층을 포함할 수 있고, 상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분은, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층; 및 상기 핀드층 상에 형성된 피닝층을 포함할 수 있으며, 상기 제1 보호막은 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 인가하고, 상기 제1 보호막은 상기 핀드층 및 상기 피닝층에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들에 의한 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 가변 저항 소자의 특성 향상이 가능하다.
도 1a 내지 도 1c는 비교예의 반도체 메모리 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 마이크로프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 데이터 저장 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 메모리 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 마이크로프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 데이터 저장 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 메모리 시스템의 구성도의 일 예이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들이 상세히 설명된다.
도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예들의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 층이 제2 층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 층이 제2 층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1 층과 제2 층 사이 또는 제1 층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 실시예들과의 대비를 위한 비교예 및 그 문제점을 먼저 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 비교예의 반도체 메모리 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a을 참조하면, 소정의 하부 구조물(도시하지 않음)이 형성된 기판(11) 상에 하부층용 물질막(12)을 형성할 수 있다.
이어서, 하부층용 물질막(12) 상에, 자유층용 물질막(13), 터널 베리어층용 물질막(14) 및 고정층용 물질막(15)을 순차적으로 형성할 수 있다.
이어서, 고정층용 물질막(15) 상에 상부층용 물질막(16)을 형성할 수 있다.
이어서, 상부층용 물질막(16) 상에 하드마스크 패턴(17)을 형성할 수 있다. 하드마스크 패턴(17)은, 상부층용 물질막(16) 상에 하드마스크 패턴(17)용 물질막 및 포토레지스트 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 식각 베리어로 하여 하드마스크 패턴(17)용 물질막을 식각함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 하드마스크 패턴(17)을 식각 베리어로 하여 상부층용 물질막(16), 고정층용 물질막(15), 터널 베리어층용 물질막(14), 자유층용 물질막(13) 및 하부층용 물질막(12)을 순차적으로 식각할 수 있다.
이러한 식각 과정은 주로 이온 빔 식각(Ion Beam Etching, 'IBE') 또는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, 'RIE')에 의해 수행될 수 있다. 이와 같이, 비교예에 따르면, 가변 저항 소자(도 1b의 도면 부호 10 참조) 형성 시, 가변 저항 소자를 이루는 층들을 모두 증착한 후, 한번의 식각 과정에 의해 이 모든 층들을 동시에 식각한다. 그런데, 식각되는 각각의 층들, 즉 상부층용 물질막(16), 고정층용 물질막(15), 터널 베리어층용 물질막(14), 자유층용 물질막(13) 및 하부층용 물질막(12)은 높이 및 구성 재료가 서로 상이하기 때문에 식각률이 서로 다르게 되어, 결과적으로 가변 저항 소자의 측면 프로파일이 수직 형태가 아닌 기울어진 형태를 갖게 된다.
도 1b를 참조하면, 가변 저항 소자(10)는 하부층(12'), 자유층(13'), 터널 베리어층(14'), 고정층(15') 및 상부층(16')을 포함할 수 있다. 자유층(13'), 터널 베리어층(14') 및 고정층(15')은 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가변 저항 소자(10)는 기울어진 형태의 프로파일을 갖는 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 가변 저항 소자(10)에 대하여 패시베이션 공정 및 표면 세정 공정을 수행하여, 가변 저항 소자(10)의 측벽에 패시베이션 막(18)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 비교예에 따른 가변 저항 소자(10)는 수직 프로파일이 아닌 기울어진 형태의 프로파일을 갖는 필라 형태로 형성되므로, 자유층(13') 및 고정층(15')의 자기 특성이 저하되어, 가변 저항 소자(10)의 전기적 특성이 열화될 수 있다.
또한, 비교예에 따르면, 가변 저항 소자(10)에 포함되는 모든 층들을 한꺼번에 식각하여야 하므로, 가변 저항 소자(10) 형성을 위한 식각 시간이 증가될 수 있다. 식각 시간이 증가할 경우, 식각되는 면 상에 식각 대상으로부터 기인한 식각 부산물이 재증착될 수 있다. 그 결과, 가변 저항 소자(10)의 패터닝 후 가변 저항 소자(10)의 측벽 상에는 이러한 식각 부산물이 재증착될 수 있으며, 특히 하부층(12')에 포함될 수 있는 금속 등이 상부의 자유층(13') 또는 터널 베리어층(14')의 측벽 상에 재증착되어, 이를 통하여 누설 전류가 발생하는 문제가 있으며, 결과적으로 가변 저항 소자(10)의 특성 열화를 일으킬 수 있다.
가변 저항 소자는, 양단에 인가되는 전압 또는 전류에 따라 서로 다른 저항 상태 사이에서 스위칭할 수 있는 소자를 의미한다. 가변 저항 소자의 저항 상태에 따라 가변 저항 소자에는 서로 다른 데이터가 저장될 수 있다. 즉, 가변 저항 소자는 메모리 셀로서 기능할 수 있다. 메모리 셀은, 가변 저항 소자와 함께, 가변 저항 소자와 접속하여 가변 저항 소자로의 접근(access)을 제어하는 선택 소자를 더 포함할 수 있다. 이러한 메모리 셀은 다양하게 배열되어 반도체 메모리를 구성할 수 있다.
가변 저항 소자는, 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 고정층, 및 자유층과 고정층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함할 수 있다. 이러한 가변 저항 소자에서는 인가되는 전압 또는 전류에 따라, 자유층의 자화 방향이 변화하여 고정층의 자화 방향과 평행한 상태가 되거나 또는 반평행한 상태가 될 수 있고, 그에 따라, 가변 저항 소자가 저저항 상태 또는 고저항 상태 사이에서 스위칭할 수 있다. 이에 의해 상이한 저항 상태에 기초하는 상이한 데이터를 저장할 수 있다. 이하에서 설명하는 실시예들에서는, 이러한 가변 저항 소자에 요구되는 다양한 특성을 만족 또는 향상시킬 수 있는 개량된 가변 저항 소자를 제공하고자 한다.
특히, 본 실시예에서는, 각각의 층에 상이한 응력이 인가되도록 응력을 제어하여 원하는 층의 자기 특성을 향상시키고, 수직 프로파일을 구현하여 소자 특성이 향상될 수 있는 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 메모리 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리는, 기판(101) 상에 위치하는 가변 저항 소자(100), 가변 저항 소자(100)의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막(108) 및 가변 저항 소자(100)의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막(115)을 포함할 수 있다.
가변 저항 소자(100)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층(104'), 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층(109') 및 자유층(104')과 핀드층(109') 사이에 개재되는 터널 베리어층(105')을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함할 수 있다.
자유층(104')은 변경 가능한 자화 방향을 가짐으로써 MTJ 구조물이 가변 저항 값을 가지도록 할 수 있다. 자유층(104')의 자화 방향 변화에 의해, 자유층(104')과 핀드층(109')의 자화 방향의 상대적인 관계가 변화할 수 있으며, 이에 의해 가변 저항 소자(100)는 상이한 데이터를 저장하거나, 또는 상이한 데이터 비트를 나타낼 수 있다. 자유층(104')은 스토리지층(storage layer) 등으로도 불릴 수 있다. 자유층(104')의 자화 방향은 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 핀드층(109')의 표면에 대해 실질적으로 수직일 수 있다. 다시 말하면, 자유층(104')의 자화 방향은 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 핀드층(109')의 적층 방향과 실질적으로 평행할 수 있다. 따라서, 자유층(104')의 자화 방향은 위에서 아래로 향하는 방향 및 아래에서 위로 향하는 방향 사이에서 가변될 수 있다. 이러한 자유층(104')의 자화 방향의 변화는 스핀 전달 토크(spin transfer torque)에 의할 수 있다.
자유층(104')은 강자성 물질을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 이 강자성 물질은 Fe, Ni 또는 Co를 주성분으로 하는 합금 예컨대, Fe-Pt 합금, Fe-Pd 합금, Co-Fe 합금, Co-Pd 합금, Co-Pt 합금, Co-Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Pt 합금, Co-Fe-Pt 합금, Co-Ni-Pt 합금, Co-Fe-B 합금 등을 포함하거나, 또는, Co/Pt, Co/Pd 등의 적층 구조를 포함할 수 있다.
터널 베리어층(105')은 가변 저항 소자(100)의 저항 상태를 변경시키는 라이트 동작시 자유층(104')과 핀드층(109') 사이에서의 전자의 터널링을 가능하게 하여 자유층(104')의 자화 방향이 변화되게 할 수 있다. 터널 베리어층(105')은 절연성의 산화물, 예컨대, Mg, Al, Ca, Sr, Ti, V, Nb, Y, Zn, Sn 등의 산화물 또는 위 물질들의 혼합 산화물을 포함할 수 있다.
핀드층(109')은 자화 방향이 고정되어 자유층(104')의 자화 방향과 대비될 수 있는 층으로서, 기준층(reference layer) 등으로도 불릴 수 있다. 핀드층(109')이 위에서 아래로 향하는 자화 방향, 또는 아래에서 위로 향하는 자화 방향을 가질 수 있다. 핀드층(109')은 강자성 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 핀드층(109')은 Fe, Ni 또는 Co를 주성분으로 하는 합금 예컨대, Fe-Pt 합금, Fe-Pd 합금, Co-Fe 합금, Co-Pd 합금, Co-Pt 합금, Co-Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Pt 합금, Co-Fe-Pt 합금, Co-Ni-Pt 합금, Co-Fe-B 합금 등을 포함하거나, 또는, Co/Pt, Co/Pd 등의 적층 구조를 포함할 수 있다.
이러한 MTJ 구조물에서는, 가변 저항 소자(100)의 상단 및 하단에 전압 또는 전류가 인가되는 경우, 스핀 전달 토크에 의해 자유층(104')의 자화 방향이 가변될 수 있다. 자유층(104')과 핀드층(109')의 자화 방향이 서로 평행한 경우, 가변 저항 소자(100)는 저저항 상태에 있을 수 있고, 예컨대, 데이터 '0'을 저장할 수 있다. 반대로, 자유층(104')의 자화 방향과 핀드층(109')의 자화 방향이 서로 반평행한 경우, 가변 저항 소자(100)는 고저항 상태에 있을 수 있고, 예컨대, 데이터 '1'을 저장할 수 있다.
가변 저항 소자(100)는, MTJ 구조물에 더하여, MTJ 구조물의 특성이나 공정 과정을 개선하기 위한 다양한 용도를 갖는 층들을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 가변 저항 소자(100)는 버퍼층(102'), 하부층(103'), 제1 캡핑층(106'), 피닝층(110'), 스페이서층(111'), 자기보정층(112') 및 제2 캡핑층(113')을 더 포함할 수 있다.
하부층(103')은 자유층(104')의 아래에서 자유층(104')의 저면과 직접 접촉하면서, 자유층(104')의 수직 자기 결정 이방성(perpendicular magnetic crystalline anisotropy)을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 하부층(103')은 금속, 금속 합금, 금속 질화물 또는 금속 산화물의 일 이상을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다.
하부층(103')의 아래에는 하부층(103')의 결정 성장을 돕는 버퍼층(102')이 형성될 수 있다. 이와 같이 하부층(103') 아래에 버퍼층(102')이 추가되는 경우, 하부층(103')의 결정 성장을 도울 수 있고, 결과적으로 자유층(104')의 수직 자기 이방성을 더욱 향상시킬 수 있다. 버퍼층(102')은 단일 금속, 금속 합금, 금속 질화물, 금속 산화물 등 다양한 도전 물질을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 또한, 버퍼층(102')은 하부전극(도시하지 않음)과 하부층(103')의 격자 상수 불일치를 해소하기 위하여 하부전극(도시하지 않음)과 정합성이 우수한 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 버퍼층(102')은 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다.
제1 캡핑층(106')은 2단계로 이루어지는 MTJ 구조물 패터닝 과정 중 첫 번째 단계의 식각에 있어서 하부에 위치한 층들을 보호하는 역할을 할 수 있으며, 하드마스크의 일부로서 기능할 수도 있다. 제1 캡핑층(106')은 금속, 금속 질화물 등 다양한 도전 물질을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다.
피닝층(110')은 핀드층(109')의 자화 방향을 일 방향으로 고정시키는 역할을 할 수 있다. 피닝층(110')은 반강자성 물질, 예컨대 FeMn, IrMn, NiMn 또는 PtMn 등을 포함할 수 있다.
자기 보정층(112')은 핀드층(109')에 의해 생성되는 표류자계의 영향을 상쇄 또는 감소하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 경우, 핀드층(109')의 표류자계가 자유층(104')에 미치는 영향이 감소하여 자유층(104')에서의 편향 자기장이 감소할 수 있다. 자기 보정층(112')은 핀드층(109')의 자화 방향과 반평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 핀드층(109')이 위에서 아래로 향하는 자화 방향을 갖는 경우, 자기 보정층(112')은 아래에서 위로 향하는 자화 방향을 가질 수 있다. 반대로, 핀드층(109')이 아래에서 위로 향하는 자화 방향을 갖는 경우, 자기 보정층(112')은 위에서 아래로 향하는 자화 방향을 가질 수 있다. 자기 보정층(112')은 강자성 물질을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에서 자기 보정층(112')은 핀드층(109')의 위에 존재하나, 자기 보정층(112')의 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 자기 보정층(112')은 MTJ 구조물의 아래에 위치할 수 있다. 또는, 예컨대, 자기 보정층(112')은 MTJ 구조물과 별개로 패터닝되면서, MTJ 구조물의 위, 아래 또는 옆에 배치될 수 있다.
스페이서층(111')은 자기 보정층(112')과 핀드층(109') 사이에 개재되어 이들 사이의 버퍼 역할을 수행하면서, 자기 보정층(112')의 특성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 스페이서층(111')은 Ru 등과 같은 귀금속을 포함할 수 있다.
제2 캡핑층(113')은 2단계로 이루어지는 MTJ 구조물 패터닝 과정 중 두 번째 단계의 식각에 있어서 하부에 위치한 층들을 보호하는 역할을 할 수 있으며, 하드마스크의 일부로서 기능할 수도 있다. 또한, 제2 캡핑층(113')은 가변 저항 소자(100)의 최상부에 위치하여 가변 저항 소자(100)의 상부 전극으로서 기능할 수도 있다. 제2 캡핑층(113')은 금속, 금속 질화물 등 다양한 도전 물질을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 특히, 제2 캡핑층(113')은 층 내의 핀 홀(pin hole)이 적고 습식 및/또는 건식 식각에 대한 저항성이 큰 금속 계열 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 캡핑층(113')은 Ru 등과 같은 귀금속을 포함할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에 따른 가변 저항 소자(100)는 자유층(104')이 핀드층(109') 하부에 형성되어 있는 경우이나, 이와 달리 자유층(104')이 핀드층(109')의 상부에 형성되어 있는 경우에도 적용가능하다.
본 실시예에서, 가변 저항 소자(100)는 기울어진 형태의 프로파일이 아닌 수직 프로파일을 갖게 되어, 자유층(104') 및 핀드층(109') 등의 자성층의 부피 변형을 막을 수 있어 자기 특성이 향상될 수 있으며, 이에 따라 가변 저항 소자(100)의 전기적 특성 열화를 방지 또는 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리는 가변 저항 소자(100)의 측벽에형성된 제1 보호막(108) 및 제2 보호막(115)을 포함할 수 있다.
제1 보호막(108) 및 제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)를 이루는 층들의 적층 방향에 대하여 수직인 방향으로 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부에 대하여 서로 상이한 방향의 응력, 즉 압축 응력(compressive stress) 및 인장 응력(tensile stress)을 가할 수 있다. 제1 보호막(108) 및 제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)를 이루는 각각의 층 중 원하는 층에 대하여 원하는 응력, 즉 인장 응력 또는 압축 응력을 가하도록 적절하게 선택될 수 있다.
제1 보호막(108)은 가변 저항 소자(100)의 일부의 측벽 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 보호막(108)은 적어도 자유층(104') 및 터널 베리어층(105')의 측벽 상에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 보호막(108)은 적어도 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 제1 캡핑층(106')의 측벽 상에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 보호막(108)은 버퍼층(102'), 하부층(103'), 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 제1 캡핑층(106')의 측벽 상에 형성될 수 있다.
제1 보호막(108)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부, 예컨대 적어도 자유층(104')에 대하여 압축 응력을 가할 수 있다. 제1 보호막(108)에 의해 자유층(104')에 가해지는 압축 응력은 격자 상수가 줄어드는 방향으로 작용하여 자유층(104')의 자기적 특성을 향상시킬 수 있다.
제1 보호막(108)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부에 압축 응력을 가할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 보호막(108)은 산화막, 질화막 또는 수소막의 일 이상을 포함할 수 있으며, 패시베이션 공정에 의해 형성되는 패시베이션 막일 수 있다.
제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부의 측벽 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 보호막(115)은 적어도 핀드층(109')의 측벽 상에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 보호막(115)은 적어도 핀드층(109') 및 피닝층(110')의 측벽 상에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제2 보호막(115)은 핀드층(109'), 피닝층(110'), 스페이서층(111'), 자기 보정층(112') 및 제2 캡핑층(113')의 측벽 상에 형성될 수 있다.
제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부, 예컨대 적어도 핀드층(109'), 또는 적어도 핀드층(109') 및 피닝층(110')에 대하여 인장 응력을 가할 수 있다.
제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부에 인장 응력을 가할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 보호막(115)은 산화막, 질화막 또는 수소막의 일 이상을 포함할 수 있으며, 패시베이션 공정에 의해 형성되는 패시베이션막일 수 있다.
제1 보호막(108)에 의해 자유층(104')에 가해지는 압축 응력과 상이한 인장 응력이 제2 보호막(115)에 의해 핀드층(109')(또는 핀드층(109') 및 피닝층(110'))에 가해질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 가변 저항 소자(100)를 이루는 층들에 대하여 외부적으로 가해지는 응력을 개별적으로 조절함으로써 특성을 변화시키고자 하는 층의 자기 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 자유층(104') 및 핀드층(109')(또는 핀드층(109') 및 피닝층(110'))을 형성하는 재료를 변화시킴으로써 이들 층의 자기 특성을 변화시키는 것이 아니라, 이들 층 각각에 대하여 외부로부터 가해지는 응력을 서로 다르게 인가함으로써 가변 저항 소자(100)의 자기 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 실시예는, 제1 보호막(108)이 가변 저항 소자(100)의 일부, 적어도 자유층(104')에 대하여 압축 응력을 가하고, 제2 보호막(115)이 가변 저항 소자(100)의 일부, 적어도 핀드층(109')(또는 핀드층(109') 및 피닝층(110'))에 대하여 인장 응력을 가하는 경우이나, 다른 실시예에서는, 제1 보호막(108) 및 제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)에 포함되는 층들 중, 특성 변화 또는 향상을 원하는 층에 대하여 각각 다른 응력, 즉 압축 응력 또는 인장 응력을 가하도록 적절하게 선택될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명한 반도체 메모리의 세부 사항에 대해서는 반복을 피하기 위하여 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3a를 참조하면, 요구되는 소정의 하부 구조물(미도시됨)이 형성되어 있는 기판(101)을 제공할 수 있다. 소정의 하부 구조물이란, 가변 저항 소자와 접속하여 가변 저항 소자로의 전류 또는 전압의 공급 여부를 제어하기 위한 트랜지스터, 다이오드 등의 스위칭 소자, 및 가변 저항 소자와 스위칭 소자 사이에서 이들을 접속시키기 위한 콘택 플러그 등을 포함할 수 있다. 기판(101)은 반도체 기판일 수 있다.
이어서, 기판(101) 상에 가변 저항 소자(도 3h의 도면 부호 100 참조)의 제1 부분(제1 적층 구조물)을 형성하기 위한 물질막들(102 내지 106)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 이 물질막들(102 내지 106)은 순차적으로 적층된 버퍼층용 물질막(102), 하부층용 물질막(103), 자유층용 물질막(104), 터널 베리어층용 물질막(105) 및 제1 캡핑층용 물질막(106)을 포함할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 캡핑층용 물질막(106) 상에 제1 하드마스크 패턴(107)을 형성할 수 있다.
제1 하드마스크 패턴(107)은, 제1 캡핑층용 물질막(106) 상에 하드마스크 패턴(107)용 물질막 및 포토레지스트 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 식각 베리어로 하여 제1 하드마스크 패턴(107)용 물질막을 식각함으로써 형성될 수 있다.
이 제1 하드마스크 패턴(107)을 식각 베리어로 하여 제1 캡핑층용 물질막(106), 터널 베리어층용 물질막(105), 자유층용 물질막(104), 하부층용 물질막(103) 및 버퍼층용 물질막(102)을 순차적으로 식각할 수 있다. 식각은 주로 이온 빔 식각(Ion Beam Etching, 'IBE') 또는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, 'RIE')에 의해 수행될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 이와 같은 식각 과정을 수행함으로써, 기판(101) 상에, 버퍼층(102'), 하부층(103'), 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 제1 캡핑층(106')이 순차적으로 적층된 제1 적층 구조물을 형성할 수 있다. 이 제1 적층 구조물은 가변 저항 소자(100)의 하부 구조물에 해당할 수 있다.
본 식각 과정에서 또는 별도의 제거 공정을 통하여 제1 하드마스크 패턴(107)은 제거될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 캡핑층(106')이 잔류하는 경우를 설명하고 있으나, 다른 실시예에서는 제1 캡핑층(106')이 본 식각 과정에서 또는 별도의 제거 공정을 통하여 제거될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 기판(101) 상에 형성된, 버퍼층(102'), 하부층(103'), 자유층(104'), 터널 베리어층(105') 및 제1 캡핑층(106')이 순차적으로 적층된 제1 적층 구조물에 대하여 패시베이션 공정 및 표면 세정 공정을 수행함으로써, 제1 적층 구조물의 측벽 상에 제1 보호막(108)을 형성할 수 있다.
제1 보호막(108)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부, 예컨대 자유층(104')에 대하여 압축 응력을 가할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 제1 보호막(108)을 형성하기 위한 패시베이션 공정은 산화물, 질화물 또는 수소의 일 이상을 이용하여 수행될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 제1 캡핑층(106') 및 제1 보호막(108) 상에 가변 저항 소자(100)의 제2 부분(제2 적층 구조물)을 형성하기 위한 물질막들(109 내지 113)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 이 물질막들(109 내지 113)은 순차적으로 적층된 핀드층용 물질막(109), 피닝층용 물질막(110), 스페이서층용 물질막(111), 자기 보정층용 물질막(112) 및 제2 캡핑층용 물질막(113)을 포함할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 제2 캡핑층용 물질막(113) 상에 제2 하드마스크 패턴(114)을 형성할 수 있다. 제2 하드마스크 패턴(114)은 제1 하드마스크 패턴(107)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
이 제2 하드마스크 패턴(114)을 식각 베리어로 하여 제2 캡핑층용 물질막(113), 자기 보정층용 물질막(112), 스페이서층용 물질막(111), 피닝층용 물질막(110) 및 핀드츠용 물질막(109)을 순차적으로 식각할 수 있다. 식각은 주로 이온 빔 식각(Ion Beam Etching, 'IBE') 또는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, 'RIE')에 의해 수행될 수 있다.
본 식각 과정에서 또는 별도의 제거 공정을 통하여 제2 하드마스크 패턴(114)은 제거될 수 있다.
본 실시예에서는, 제2 하드마스크 패턴(114)을 이용하여 두 번째 식각 과정을 수행하였으나, 다른 실시예에서는 제2 하드마스크 패턴(114)을 형성하지 않고, 제2 캡핑층용 물질막(113)을 패터닝하여 제2 캡핑층(도 3g의 도면 부호 113')을 형성하고, 이를 하드마스크로 이용하여 식각 과정을 수행할 수도 있다.
도 3g를 참조하면, 이와 같은 식각 과정을 수행함으로써, 제1 캡핑층(106') 상에 핀드층(109'), 피닝층(110'), 스페이서층(111'), 자기 보정층(112') 및 제2 캡핑층(113')이 순차적으로 적층된 제2 적층 구조물을 형성할 수 있다. 이 제2 적층 구조물은 가변 저항 소자(100)의 상부 구조물에 해당할 수 있다.
도 3h를 참조하면, 핀드층(109'), 피닝층(110'), 스페이서층(111'), 자기 보정층(112') 및 제2 캡핑층(113')이 순차적으로 적층된 제2 적층 구조물에 대하여 패시베이션 공정 및 표면 세정 공정을 수행함으로써, 제2 적층 구조물의 측벽 상에 제2 보호막(115)을 형성할 수 있다.
제2 보호막(115)은 가변 저항 소자(100)의 적어도 일부, 예컨대 핀드층(109')(또는 핀드층(109') 및 피닝층(110'))에 대하여 인장 응력을 가할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 제2 보호막(115)을 형성하기 위한 패시베이션 공정은 산화물, 질화물 또는 수소의 일 이상을 이용하여 수행될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가변 저항 소자(100) 패터닝 시 모든 층들을 한번에 식각하는 것이 아니라, 하부 및 상부로 나누어 2번에 걸쳐 식각을 수행할 수 있다. 이와 같이, 2회의 식각 공정을 수행함으로써 한 번에 식각하여야 하는 높이가 감소하고 식각 대상물을 이루는 재료에 따른 식각률 차이를 극복할 수 있어 가변 저항 소자(100)의 측면 프로파일을 비교예에 비하여 상대적으로 수직에 가깝게 유지시킬 수 있다. 이에 따라, 가변 저항 소자(100)에 포함되는 자성층들의 부피 변형을 막을 수 있으며 자기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 1회 식각 시간이 감소될 수 있어, 식각 시간이 길 경우 발생하는 식각 부산물의 재증착에 의한 가변 저항 소자(100)의 특성 열화를 방지할 수 있다.
나아가, 각각의 식각 공정 후, 식각 결과물에 대하여 패시베이션 공정을 개별적으로 진행함으로써, 가변 저항 소자(100)의 상부 및 하부에 대하여 2개의 다른 응력을 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 보호막(108)에 의해 자유층(104')에 대하여 압축 응력을 가하고, 제2 보호막(115)에 의해 핀드층(109') 및 피닝층(110')에 대하여 인장 응력을 가함으로써, 자성층들의 결정 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 자유층(104')의 격자 상수가 줄어드는 방향으로 작용할 수 있어, 가변 저항 소자(100)의 특성을 향상시킬 수 있다.
전술한 실시예들의 메모리 회로 또는 반도체 장치는 다양한 장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 도 4 내지 도 8은 전술한 실시예들의 메모리 회로 또는 반도체 장치를 구현할 수 있는 장치 또는 시스템의 몇몇 예시들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 마이크로프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 4를 참조하면, 마이크로프로세서(1000)는 다양한 외부 장치로부터 데이터를 받아서 처리한 후 그 결과를 외부 장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정하는 일을 수행할 수 있으며, 기억부(1010), 연산부(1020), 제어부(1030) 등을 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(1000)는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU), 그래픽 처리 장치(Graphic Processing Unit; GPU), 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP) 등 각종 데이터 처리 장치 일 수 있다.
기억부(1010)는 프로세서 레지스터(Processor register), 레지스터(Register) 등으로, 마이크로프로세서(1000) 내에서 데이터를 저장하는 부분일 수 있고, 데이터 레지스터, 주소 레지스터, 부동 소수점 레지스터 등을 포함할 수 있으며 이외에 다양한 레지스터를 포함할 수 있다. 기억부(1010)는 연산부(1020)에서 연산을 수행하는 데이터나 수행결과 데이터, 수행을 위한 데이터가 저장되어 있는 주소를 일시적으로 저장하는 역할을 수행할 수 있다.
기억부(1010)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 기억부(1010)는 상기 반도체 메모리는, 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 기억부(1010)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 마이크로프로세서(1000)의 동작 특성 향상이 가능하다.
연산부(1020)는 제어부(1030)가 명령을 해독한 결과에 따라서 여러 가지 사칙 연산 또는 논리 연산을 수행할 수 있다. 연산부(1020)는 하나 이상의 산술 논리 연산 장치(Arithmetic and Logic Unit; ALU) 등을 포함할 수 있다.
제어부(1030)는 기억부(1010), 연산부(1020), 마이크로프로세서(1000)의 외부 장치 등으로부터 신호를 수신하고, 명령의 추출이나 해독, 마이크로프로세서(1000)의 신호 입출력의 제어 등을 수행하고, 프로그램으로 나타내어진 처리를 실행할 수 있다.
본 실시예에 따른 마이크로프로세서(1000)는 기억부(1010) 이외에 외부 장치로부터 입력되거나 외부 장치로 출력할 데이터를 임시 저장할 수 있는 캐시 메모리부(1040)를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우 캐시 메모리부(1040)는 버스 인터페이스(1050)를 통해 기억부(1010), 연산부(1020) 및 제어부(1030)와 데이터를 주고 받을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 프로세서의 구성도의 일 예이다.
도 5를 참조하면, 프로세서(1100)는 다양한 외부 장치로부터 데이터를 받아서 처리한 후 그 결과를 외부 장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정하는 일을 수행하는 마이크로프로세서의 기능 이외에 다양한 기능을 포함하여 성능 향상 및 다기능을 구현할 수 있다. 프로세서(1100)는 마이크로프로세서의 역할을 하는 코어부(1110), 데이터를 임시 저장하는 역할을 하는 캐시 메모리부(1120) 및 내부와 외부 장치 사이의 데이터 전달을 위한 버스 인터페이스(1430)를 포함할 수 있다. 프로세서(1100)는 멀티 코어 프로세서(Multi Core Processor), 그래픽 처리 장치(Graphic Processing Unit; GPU), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP) 등과 같은 각종 시스템 온 칩(System on Chip; SoC)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 코어부(1110)는 외부 장치로부터 입력된 데이터를 산술 논리 연산하는 부분으로, 기억부(1111), 연산부(1112) 및 제어부(1113)를 포함할 수 있다.
기억부(1111)는 프로세서 레지스터(Processor register), 레지스터(Register) 등으로, 프로세서(1100) 내에서 데이터를 저장하는 부분일 수 있고, 데이터 레지스터, 주소 레지스터, 부동 소수점 레지스터 등를 포함할 수 있으며 이외에 다양한 레지스터를 포함할 수 있다. 기억부(1111)는 연산부(1112)에서 연산을 수행하는 데이터나 수행결과 데이터, 수행을 위한 데이터가 저장되어 있는 주소를 일시적으로 저장하는 역할을 수행할 수 있다. 연산부(1112)는 프로세서(1100)의 내부에서 연산을 수행하는 부분으로, 제어부(1113)가 명령을 해독한 결과에 따라서 여러 가지 사칙 연산, 논리 연산 등을 수행할 수 있다. 연산부(1112)는 하나 이상의 산술 논리 연산 장치(Arithmetic and Logic Unit; ALU) 등을 포함할 수 있다. 제어부(1113)는 기억부(1111), 연산부(1112), 프로세서(1100)의 외부 장치 등으로부터 신호를 수신하고, 명령의 추출이나 해독, 프로세서(1100)의 신호 입출력의 제어 등을 수행하고, 프로그램으로 나타내어진 처리를 실행할 수 있다.
캐시 메모리부(1120)는 고속으로 동작하는 코어부(1110)와 저속으로 동작하는 외부 장치 사이의 데이터 처리 속도 차이를 보완하기 위해 임시로 데이터를 저장하는 부분으로, 1차 저장부(1121), 2차 저장부(1122) 및 3차 저장부(1123)를 포함할 수 있다. 일반적으로 캐시 메모리부(1120)는 1차, 2차 저장부(1121, 1122)를 포함하며 고용량이 필요할 경우 3차 저장부(1123)를 포함할 수 있으며, 필요시 더 많은 저장부를 포함할 수 있다. 즉 캐시 메모리부(1120)가 포함하는 저장부의 개수는 설계에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 1차, 2차, 3차 저장부(1121, 1122, 1123)의 데이터 저장 및 판별하는 처리 속도는 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 각 저장부의 처리 속도가 다른 경우, 1차 저장부의 속도가 제일 빠를 수 있다. 캐시 메모리부(1120)의 1차 저장부(1121), 2차 저장부(1122) 및 3차 저장부(1123) 중 하나 이상의 저장부는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐시 메모리부(1120)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해 캐시 메모리부(1120)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 프로세서(1100)의 동작 특성 향상이 가능하다.
도 5에는 1차, 2차, 3차 저장부(1121, 1122, 1123)가 모두 캐시 메모리부(1120)의 내부에 구성된 경우를 도시하였으나, 캐시 메모리부(1120)의 1차, 2차, 3차 저장부(1121, 1122, 1123)는 모두 코어부(1110)의 외부에 구성되어 코어부(1110)와 외부 장치간의 처리 속도 차이를 보완할 수 있다. 또는, 캐시 메모리부(1120)의 1차 저장부(1121)는 코어부(1110)의 내부에 위치할 수 있고, 2차 저장부(1122) 및 3차 저장부(1123)는 코어부(1110)의 외부에 구성되어 처리 속도 차이의 보완 기능이 보다 강화될 수 있다. 또는, 1차, 2차 저장부(1121, 1122)는 코어부(1110)의 내부에 위치할 수 있고, 3차 저장부(1123)는 코어부(1110)의 외부에 위치할 수 있다.
버스 인터페이스(1430)는 코어부(1110), 캐시 메모리부(1120) 및 외부 장치를 연결하여 데이터를 효율적으로 전송할 수 있게 해주는 부분이다.
본 실시예에 따른 프로세서(1100)는 다수의 코어부(1110)를 포함할 수 있으며 다수의 코어부(1110)가 캐시 메모리부(1120)를 공유할 수 있다. 다수의 코어부(1110)와 캐시 메모리부(1120)는 직접 연결되거나, 버스 인터페이스(1430)를 통해 연결될 수 있다. 다수의 코어부(1110)는 모두 상술한 코어부의 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 프로세서(1100)가 다수의 코어부(1110)를 포함할 경우, 캐시 메모리부(1120)의 1차 저장부(1121)는 다수의 코어부(1110)의 개수에 대응하여 각각의 코어부(1110) 내에 구성되고 2차 저장부(1122)와 3차 저장부(1123)는 다수의 코어부(1110)의 외부에 버스 인터페이스(1130)를 통해 공유되도록 구성될 수 있다. 여기서, 1차 저장부(1121)의 처리 속도가 2차, 3차 저장부(1122, 1123)의 처리 속도보다 빠를 수 있다. 다른 실시예에서, 1차 저장부(1121)와 2차 저장부(1122)는 다수의 코어부(1110)의 개수에 대응하여 각각의 코어부(1110) 내에 구성되고, 3차 저장부(1123)는 다수의 코어부(1110) 외부에 버스 인터페이스(1130)를 통해 공유되도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 프로세서(1100)는 데이터를 저장하는 임베디드(Embedded) 메모리부(1140), 외부 장치와 유선 또는 무선으로 데이터를 송수신할 수 있는 통신모듈부(1150), 외부 기억 장치를 구동하는 메모리 컨트롤부(1160), 외부 인터페이스 장치에 프로세서(1100)에서 처리된 데이터나 외부 입력장치에서 입력된 데이터를 가공하고 출력하는 미디어처리부(1170) 등을 추가로 포함할 수 있으며, 이 이외에도 다수의 모듈과 장치를 포함할 수 있다. 이 경우 추가된 다수의 모듈들은 버스 인터페이스(1130)를 통해 코어부(1110), 캐시 메모리부(1120) 및 상호간 데이터를 주고 받을 수 있다.
여기서 임베디드 메모리부(1140)는 휘발성 메모리뿐만 아니라 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 휘발성 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), Moblie DRAM, SRAM(Static Random Access Memory), 및 이와 유사한 기능을 하는 메모리 등을 포함할 수 있으며, 비휘발성 메모리는 ROM(Read Only Memory), NOR Flash Memory, NAND Flash Memory, PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), STTRAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), 및 이와 유사한 기능을 수행하는 메모리 등을 포함할 수 있다.
통신모듈부(1150)는 유선 네트워크와 연결할 수 있는 모듈, 무선 네트워크와 연결할 수 있는 모듈, 및 이들 전부를 포함할 수 있다. 유선 네트워크 모듈은, 전송 라인을 통하여 데이터를 송수신하는 다양한 장치들과 같이, 유선랜(Local Area Network; LAN), 유에스비(Universal Serial Bus; USB), 이더넷(Ethernet), 전력선통신(Power Line Communication; PLC) 등을 포함할 수 있다. 무선 네트워크 모듈은, 전송 라인 없이 데이터를 송수신하는 다양한 장치들과 같이, 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access; CDMA), 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access; TDMA), 주파수 분할 다중 접속(Frequency Division Multiple Access; FDMA), 무선랜(Wireless LAN), 지그비(Zigbee), 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network; USN), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency IDentification), 롱텀에볼루션(Long Term Evolution; LTE), 근거리 무선통신(Near Field Communication; NFC), 광대역 무선 인터넷(Wireless Broadband Internet; Wibro), 고속 하향 패킷 접속(High Speed Downlink Packet Access; HSDPA), 광대역 코드 분할 다중 접속(Wideband CDMA; WCDMA), 초광대역 통신(Ultra WideBand; UWB) 등을 포함할 수 있다.
메모리 컨트롤부(1160)는 프로세서(1100)와 서로 다른 통신 규격에 따라 동작하는 외부 저장 장치 사이에 전송되는 데이터를 처리하고 관리하기 위한 것으로 각종 메모리 컨트롤러, 예를 들어, IDE(Integrated Device Electronics), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), SCSI(Small Computer System Interface), RAID(Redundant Array of Independent Disks), SSD(Solid State Disk), eSATA(External SATA), PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association), USB(Universal Serial Bus), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
미디어처리부(1170)는 프로세서(1100)에서 처리된 데이터나 외부 입력장치로부터 영상, 음성 및 기타 형태로 입력된 데이터를 가공하고, 이 데이터를 외부 인터페이스 장치로 출력할 수 있다. 미디어처리부(1170)는 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU), 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP), 고선명 오디오(High Definition Audio; HD Audio), 고선명 멀티미디어 인터페이스(High Definition Multimedia Interface; HDMI) 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 6을 참조하면, 시스템(1200)은 데이터를 처리하는 장치로, 데이터에 대하여 일련의 조작을 행하기 위해 입력, 처리, 출력, 통신, 저장 등을 수행할 수 있다. 시스템(1200)은 프로세서(1210), 주기억장치(1220), 보조기억장치(1230), 인터페이스 장치(1240) 등을 포함할 수 있다. 본 실시예의 시스템(1200)은 컴퓨터(Computer), 서버(Server), PDA(Personal Digital Assistant), 휴대용 컴퓨터(Portable Computer), 웹 타블렛(Web Tablet), 무선 폰(Wireless Phone), 모바일 폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 디지털 뮤직 플레이어(Digital Music Player), PMP(Portable Multimedia Player), 카메라(Camera), 위성항법장치(Global Positioning System; GPS), 비디오 카메라(Video Camera), 음성 녹음기(Voice Recorder), 텔레매틱스(Telematics), AV시스템(Audio Visual System), 스마트 텔레비전(Smart Television) 등 프로세스를 사용하여 동작하는 각종 전자 시스템일 수 있다.
프로세서(1210)는 입력된 명령어의 해석과 시스템(1200)에 저장된 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어할 수 있고, 마이크로프로세서(Micro Processor Unit; MPU), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU), 싱글/멀티 코어 프로세서(Single/Multi Core Processor), 그래픽 처리 장치(Graphic Processing Unit; GPU), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP), 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP) 등을 포함할 수 있다.
주기억장치(1220)는 프로그램이 실행될 때 보조기억장치(1230)로부터 프로그램 코드나 자료를 이동시켜 저장, 실행시킬 수 있는 기억장소로, 전원이 끊어져도 기억된 내용이 보존될 수 있다. 주기억장치(1220)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주기억장치(1220)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 주기억장치(1220)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 시스템(1200)의 동작 특성 향상이 가능하다.
또한, 주기억장치(1220)는 전원이 꺼지면 모든 내용이 지워지는 휘발성 메모리 타입의 에스램(Static Random Access Memory; SRAM), 디램(Dynamic Random Access Memory) 등을 더 포함할 수 있다. 이와는 다르게, 주기억장치(1220)는 전술한 실시예의 반도체 장치를 포함하지 않고, 전원이 꺼지면 모든 내용이 지워지는 휘발성 메모리 타입의 에스램(Static Random Access Memory; SRAM), 디램(Dynamic Random Access Memory) 등을 포함할 수 있다.
보조기억장치(1230)는 프로그램 코드나 데이터를 보관하기 위한 기억장치를 말한다. 주기억장치(1220)보다 속도는 느리지만 많은 자료를 보관할 수 있다. 보조기억장치(1230)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조기억장치(1230)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 보조기억장치(1230)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 시스템(1200)의 동작 특성 향상이 가능하다.
또한, 보조기억장치(1230)는 자기를 이용한 자기테이프, 자기디스크, 빛을 이용한 레이져 디스크, 이들 둘을 이용한 광자기디스크, 고상 디스크(Solid State Disk; SSD), USB메모리(Universal Serial Bus Memory; USB Memory), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등과 같은 데이터 저장 시스템(도 7의 1300 참조)을 더 포함할 수 있다. 이와는 다르게, 보조기억장치(1230)는 전술한 실시예의 반도체 장치를 포함하지 않고 자기를 이용한 자기테이프, 자기디스크, 빛을 이용한 레이져 디스크, 이들 둘을 이용한 광자기디스크, 고상 디스크(Solid State Disk; SSD), USB메모리(Universal Serial Bus Memory; USB Memory), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등의 데이터 저장 시스템(도 10의 1300 참조)들을 포함할 수 있다.
인터페이스 장치(1240)는 본 실시예의 시스템(1200)과 외부 장치 사이에서 명령, 데이터 등을 교환하기 위한 것일 수 있으며, 키패드(keypad), 키보드(keyboard), 마우스(Mouse), 스피커(Speaker), 마이크(Mike), 표시장치(Display), 각종 휴먼 인터페이스 장치(Human Interface Device; HID), 통신장치 등일 수 있다. 통신장치는 유선 네트워크와 연결할 수 있는 모듈, 무선 네트워크와 연결할 수 있는 모듈, 및 이들 전부를 포함할 수 있다. 유선 네트워크 모듈은, 전송 라인을 통하여 데이터를 송수신하는 다양한 장치들과 같이, 유선랜(Local Area Network; LAN), 유에스비(Universal Serial Bus; USB), 이더넷(Ethernet), 전력선통신(Power Line Communication; PLC) 등을 포함할 수 있으며, 무선 네트워크 모듈은, 전송 라인 없이 데이터를 송수신하는 다양한 장치들과 같이, 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access; CDMA), 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access; TDMA), 주파수 분할 다중 접속(Frequency Division Multiple Access; FDMA), 무선랜(Wireless LAN), 지그비(Zigbee), 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network; USN), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency IDentification), 롱텀에볼루션(Long Term Evolution; LTE), 근거리 무선통신(Near Field Communication; NFC), 광대역 무선 인터넷(Wireless Broadband Internet; Wibro), 고속 하향 패킷 접속(High Speed Downlink Packet Access; HSDPA), 광대역 코드 분할 다중 접속(Wideband CDMA; WCDMA), 초광대역 통신(Ultra WideBand; UWB) 등을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 데이터 저장 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 7을 참조하면, 데이터 저장 시스템(1300)은 데이터 저장을 위한 구성으로 비휘발성 특성을 가지는 저장 장치(1310), 이를 제어하는 컨트롤러(1320), 외부 장치와의 연결을 위한 인터페이스(1330), 및 데이터를 임시 저장하기 위한 임시 저장 장치(1340)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 시스템(1300)은 하드 디스크(Hard Disk Drive; HDD), 광학 드라이브(Compact Disc Read Only Memory; CDROM), DVD(Digital Versatile Disc), 고상 디스크(Solid State Disk; SSD) 등의 디스크 형태와 USB메모리(Universal Serial Bus Memory; USB Memory), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등의 카드 형태일 수 있다.
저장 장치(1310)는 데이터를 반 영구적으로 저장하는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 비휘발성 메모리는, ROM(Read Only Memory), NOR Flash Memory, NAND Flash Memory, PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory) 등을 포함할 수 있다.
컨트롤러(1320)는 저장 장치(1310)와 인터페이스(1330) 사이에서 데이터의 교환을 제어할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(1320)는 데이터 저장 시스템(1300) 외부에서 인터페이스(1330)를 통해 입력된 명령어들을 처리하기 위한 연산 등을 수행하는 프로세서(1321)를 포함할 수 있다.
인터페이스(1330)는 데이터 저장 시스템(1300)과 외부 장치간에 명령 및 데이터 등을 교환하기 위한 것이다. 데이터 저장 시스템(1300)이 카드인 경우, 인터페이스(1330)는, USB(Universal Serial Bus Memory), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등과 같은 장치에서 사용되는 인터페이스들과 호환될 수 있거나, 또는, 이들 장치와 유사한 장치에서 사용되는 인터페이스들과 호환될 수 있다. 데이터 저장 시스템(1300)이 디스크 형태일 경우, 인터페이스(1330)는 IDE(Integrated Device Electronics), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), SCSI(Small Computer System Interface), eSATA(External SATA), PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association), USB(Universal Serial Bus) 등과 같은 인터페이스와 호환될 수 있거나, 또는, 이들 인터페이스와 유사한 인터페이스와 호환될 수 있다. 인터페이스(1330)는 서로 다른 타입을 갖는 하나 이상의 인터페이스와 호환될 수도 있다.
임시 저장 장치(1340)는 외부 장치와의 인터페이스, 컨트롤러, 및 시스템의 다양화, 고성능화에 따라 인터페이스(1330)와 저장 장치(1310)간의 데이터의 전달을 효율적으로 하기 위하여 데이터를 임시로 저장할 수 있다. 임시 저장 장치(1340)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임시 저장 장치(1340)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 임시 저장 장치(1340)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 데이터 저장 시스템(1300)의 동작 특성 향상이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 구현하는 메모리 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 8을 참조하면, 메모리 시스템(1400)은 데이터 저장을 위한 구성으로 비휘발성 특성을 가지는 메모리(1410), 이를 제어하는 메모리 컨트롤러(1420), 외부 장치와의 연결을 위한 인터페이스(1430) 등을 포함할 수 있다. 메모리 시스템(1400)은 고상 디스크(Solid State Disk; SSD), USB메모리(Universal Serial Bus Memory; USB Memory), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등의 카드 형태일 수 있다.
데이터를 저장하는 메모리(1410)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1410)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 메모리(1410)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 메모리 시스템(1400)의 동작 특성 향상이 가능하다.
더불어, 본 실시예의 메모리는 비휘발성인 특성을 가지는 ROM(Read Only Memory), NOR Flash Memory, NAND Flash Memory, PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory) 등을 포함할 수 있다.
메모리 컨트롤러(1420)는 메모리(1410)와 인터페이스(1430) 사이에서 데이터의 교환을 제어할 수 있다. 이를 위해 메모리 컨트롤러(1420)는 메모리 시스템(1400) 외부에서 인터페이스(1430)를 통해 입력된 명령어들을 처리 연산하기 위한 프로세서(1421)를 포함할 수 있다.
인터페이스(1430)는 메모리 시스템(1400)과 외부 장치간에 명령 및 데이터 등을 교환하기 위한 것으로, USB(Universal Serial Bus), 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital; SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini Secure Digital card; mSD), 마이크로 씨큐어 디지털 카드(micro SD), 고용량 씨큐어 디지털 카드(Secure Digital High Capacity; SDHC), 메모리 스틱 카드(Memory Stick Card), 스마트 미디어 카드(Smart Media Card; SM), 멀티 미디어 카드(Multi Media Card; MMC), 내장 멀티 미디어 카드(Embedded MMC; eMMC), 컴팩트 플래시 카드(Compact Flash; CF) 등과 같은 장치에서 사용되는 인터페이스와 호환될 수 있거나, 또는, 이들 장치들과 유사한 장치들에서 사용되는 인터페이스와 호환될 수 있다. 인터페이스(1430)는 서로 다른 타입을 갖는 하나 이상의 인터페이스와 호환될 수도 있다.
본 실시예의 메모리 시스템(1400)은 외부 장치와의 인터페이스, 메모리 컨트롤러, 및 메모리 시스템의 다양화, 고성능화에 따라 인터페이스(1430)와 메모리(1410)간의 데이터의 입출력을 효율적으로 전달하기 위한 버퍼 메모리(1440)를 더 포함할 수 있다. 데이터를 임시로 저장하는 버퍼 메모리(1440)는 전술한 반도체 장치의 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 메모리(1440)는 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자; 상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및 상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함할 수 있고, 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가할 수 있고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가할 수 있다. 이를 통해, 버퍼 메모리(1440)의 데이터 저장 특성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 메모리 시스템(1400)의 동작 특성 향상이 가능하다.
더불어, 본 실시예의 버퍼 메모리(1440)는 휘발성인 특성을 가지는 SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory), 비휘발성인 특성을 가지는 ROM(Read Only Memory), NOR Flash Memory, NAND Flash Memory, PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), STTRAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory) 등을 더 포함할 수 있다. 이와는 다르게, 버퍼 메모리(1440)는 전술한 실시예의 반도체 장치를 포함하지 않고 휘발성인 특성을 가지는 SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory), 비휘발성인 특성을 가지는 ROM(Read Only Memory), NOR Flash Memory, NAND Flash Memory, PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), STTRAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory) 등을 포함할 수 있다.
이상으로 해결하고자 하는 과제를 위한 다양한 실시예들이 기재되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자진 자라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 명백하다.
101: 기판
102': 버퍼층
103': 하부층 104': 자유층
105': 터널 베리어층 106'; 제1 캡핑층
108: 제1 보호막 109': 핀드층
110': 피닝층 111': 스페이서층
112': 자기 보정층 113': 제2 캡핑층
103': 하부층 104': 자유층
105': 터널 베리어층 106'; 제1 캡핑층
108: 제1 보호막 109': 핀드층
110': 피닝층 111': 스페이서층
112': 자기 보정층 113': 제2 캡핑층
Claims (26)
- 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치로서,
상기 반도체 메모리는,
변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층, 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층 및 상기 자유층과 상기 핀드층 사이에 개재되는 터널 베리어층을 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조물을 포함하는 가변 저항 소자;
상기 가변 저항 소자의 하부 측벽 상에 위치하는 제1 보호막; 및
상기 가변 저항 소자의 상부 측벽 상에 위치하는 제2 보호막을 포함하고,
상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가하고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력을 인가하는
전자 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 보호막은 적어도 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 인가하는
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 제2 보호막은 적어도 상기 핀드층에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력 또는 인장 응력의 어느 하나를 인가할 수 있는 물질을 포함하는
전자 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 산화물, 질화물 또는 수소를 포함하는 패시베이션막인
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가변 저항 소자는 실질적으로 수직인 프로파일을 갖는
전자 장치.
- 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치로서,
상기 반도체 메모리는,
기판 상에 형성된 제1 자성층;
상기 제1 자성층 상에 형성된 터널 베리어층;
상기 제1 터널 베리어층 상에 형성된 제1 캡핑층;
상기 터널 베리어층 상에 형성된 제2 자성층;
상기 제2 자성층 상에 형성된 피닝층;
상기 제1 자성층, 상기 터널 베리어층 및 상기 제1 캡핑층의 측벽 상에 형성된 제1 보호막; 및
상기 제2 자성층 및 상기 피닝층의 측벽 상에 형성된 제2 보호막을 포함하고,
상기 제1 보호막은 압축 응력막이고, 상기 제2 보호막은 인장 응력막인
전자 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막은 각각 산화물, 질화물 또는 수소를 포함하는 패시베이션막인
전자 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 보호막은 상기 제1 자성층에 대하여 압축 응력을 인가하고, 상기 제2 보호막은 상기 제2 자성층 및 상기 피닝층에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치. - 제9항에 있어서,
상기 제1 자성층, 상기 터널 베리어층, 상기 제1 캡핑층, 상기 제2 자성층 및 상기 피닝층은 서로 정렬된 측벽을 갖는
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 장치는, 마이크로프로세서를 더 포함하고,
상기 마이크로프로세서는,
상기 마이크로프로세서 외부로부터의 명령을 포함하는 신호를 수신하고, 상기 명령의 추출이나 해독 또는 상기 마이크로프로세서의 신호의 입출력 제어를 수행하는 제어부;
상기 제어부가 명령을 해독한 결과에 따라서 연산을 수행하는 연산부; 및
상기 연산을 수행하는 데이터, 상기 연산을 수행한 결과에 대응하는 데이터 또는 상기 연산을 수행하는 데이터의 주소를 저장하는 기억부를 포함하고,
상기 반도체 메모리는, 상기 마이크로프로세서 내에서 상기 기억부의 일부인
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 장치는, 프로세서를 더 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 프로세서의 외부로부터 입력된 명령에 따라 데이터를 이용하여 상기 명령에 대응하는 연산을 수행하는 코어부;
상기 연산을 수행하는 데이터, 상기 연산을 수행한 결과에 대응하는 데이터 또는 상기 연산을 수행하는 데이터의 주소를 저장하는 캐시 메모리부; 및
상기 코어부와 상기 캐시 메모리부 사이에 연결되고, 상기 코어부와 상기 캐시 메모리부 사이에 데이터를 전송하는 버스 인터페이스를 포함하고,
상기 반도체 메모리는, 상기 프로세서 내에서 상기 캐시 메모리부의 일부인
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 장치는, 프로세싱 시스템을 더 포함하고,
상기 프로세싱 시스템은,
수신된 명령을 해석하고 상기 명령을 해석한 결과에 따라 정보의 연산을 제어하는 프로세서;
상기 명령을 해석하기 위한 프로그램 및 상기 정보를 저장하기 위한 보조기억장치;
상기 프로그램을 실행할 때 상기 프로세서가 상기 프로그램 및 상기 정보를 이용해 상기 연산을 수행할 수 있도록 상기 보조기억장치로부터 상기 프로그램 및 상기 정보를 이동시켜 저장하는 주기억장치; 및
상기 프로세서, 상기 보조기억장치 및 상기 주기억장치 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스 장치를 포함하고,
상기 반도체 메모리는, 상기 프로세싱 시스템 내에서 상기 보조기억장치 또는 상기 주기억장치의 일부인
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 장치는, 데이터 저장 시스템을 더 포함하고,
상기 데이터 저장 시스템은,
데이터를 저장하며 공급되는 전원에 관계없이 저장된 데이터가 유지되는 저장 장치;
외부로부터 입력된 명령에 따라 상기 저장 장치의 데이터 입출력을 제어하는 컨트롤러;
상기 저장 장치와 외부 사이에 교환되는 데이터를 임시로 저장하는 임시 저장 장치; 및
상기 저장 장치, 상기 컨트롤러 및 상기 임시 저장 장치 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 포함하고,
상기 반도체 메모리는, 상기 데이터 저장 시스템 내에서 상기 저장 장치 또는 상기 임시 저장 장치의 일부인
전자 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 장치는, 메모리 시스템을 더 포함하고,
상기 메모리 시스템은,
데이터를 저장하며 공급되는 전원에 관계없이 저장된 데이터가 유지되는 메모리;
외부로부터 입력된 명령에 따라 상기 메모리의 데이터 입출력을 제어하는 메모리 컨트롤러;
상기 메모리와 외부 사이에 교환되는 데이터를 버퍼링하기 위한 버퍼 메모리; 및
상기 메모리, 상기 메모리 컨트롤러 및 상기 버퍼 메모리 중 하나 이상과 외부와의 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 포함하고,
상기 반도체 메모리는, 상기 메모리 시스템 내에서 상기 메모리 또는 상기 버퍼 메모리의 일부인
전자 장치. - 반도체 메모리를 포함하는 전자 장치의 제조 방법으로서,
기판 상에 가변 저항 소자의 제1 부분을 형성하는 단계;
제1 패시베이션 공정을 수행하여 상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분의 측벽 상에 제1 보호막을 형성하는 단계;
상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분 상에 상기 가변 저항 소자의 제2 부분을 형성하는 단계; 및
제2 패시베이션 공정을 수행하여 상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분의 측벽 상에 제2 보호막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막 중 어느 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 압축 응력을 인가하고, 다른 하나의 막은 상기 가변 저항 소자에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제1 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력을 인가하는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분은 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층을 포함하고, 상기 제1 보호막은 적어도 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 가하는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제2 보호막은 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분은 고정된 자화 방향을 갖는 핀드층을 포함하고, 상기 제2 보호막은 적어도 상기 핀드층에 대하여 압축 응력을 인가하는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제1 패시베이션 공정 및 상기 제2 패시베이션 공정은, 각각 상기 제1 보호막 및 상기 제2 보호막이 각각 상기 가변 저항 소자의 적어도 일부에 대하여 압축 응력 또는 인장 응력의 어느 하나를 인가할 수 있도록 하는 물질을 이용하여 수행되는
전자 장치의 제조방법.
- 제23항에 있어서,
상기 제1 패시베이션 공정 및 상기 제2 패시베이션 공정은 각각 산화물, 질화물 또는 수소의 일 이상을 이용하여 수행되는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 정렬된 측벽을 갖는
전자 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 가변 저항 소자의 상기 제1 부분은,
변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층;
상기 자유층 상에 형성된 터널 베리어층; 및
상기 터널 베리어층 상에 형성된 제1 캡핑층을 포함하고,
상기 가변 저항 소자의 상기 제2 부분은,
고정된 자화 방향을 갖는 핀드층; 및
상기 핀드층 상에 형성된 피닝층을 포함하며,
상기 제1 보호막은 상기 자유층에 대하여 압축 응력을 인가하고, 상기 제1 보호막은 상기 핀드층 및 상기 피닝층에 대하여 인장 응력을 인가하는
전자 장치의 제조방법.
Priority Applications (4)
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