KR20200019557A - Magnetic Tunnel Junction Device and Magnetic Resistance Memory Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기터널접합 소자 및 자기저항 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic tunnel junction element and a magnetoresistive memory device.
수직 자화를 갖는 자기저항 소자는 자기 저항 효과에 의한 읽기가 가능하고 미세화에 따른 열교란 내성이 높아, 차세대의 메모리로 기대되고 있다.Magnetoresistive elements having perpendicular magnetization can be read by the magnetoresistive effect and have high resistance to thermal disturbance due to miniaturization, and are expected to be the next generation of memories.
이러한 차세대 메모리는 자화 방향이 가변인 자유층(기억층이라고도 불린다), 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층(참조층이라고도 불린다), 및 자유층과 고정층 사이에 배치된 절연층(터널 배리어)을 가지는 자기터널접합(Magnetic tunnel junction:MTJ) 소자를 포함한다.This next-generation memory has a free layer (also called a memory layer) having a variable magnetization direction, a fixed layer (also called a reference layer) maintaining a predetermined magnetization direction, and an insulating layer (tunnel barrier) disposed between the free layer and the fixed layer. It includes a magnetic tunnel junction (MTJ) element.
이러한 차세대 메모리를 기본적으로 구성하는 스핀 분극 자성층은 높은 수직 자기 이방성 및 높은 스핀 분극율을 가지는 강자성 재료를 요구한다. 그러나, 재료 자체가 수직 자기 이방성 및 실험적으로 높은 스핀 분극율을 가지는 재료는 적다. 또한, 수직 자기 이방성 및 높은 스핀 분극율을 가지는 재료는 계면자기 이방성을 이용한 CoFeB 합금 밖에 없고, 재료 선택 범위가 매우 좁다.The spin polarization magnetic layer that basically constitutes such a next-generation memory requires a ferromagnetic material having high perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarization rate. However, few materials have their own perpendicular magnetic anisotropy and experimentally high spin polarization. In addition, the material having perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarization is only CoFeB alloy using interfacial magnetic anisotropy, and the material selection range is very narrow.
현재, 스핀 분극 자성층으로 CoFeB 합금이 연구 개발되고 있다. 특허 문헌 1은 스핀 분극 자성층 보다 작은 격자 정수를 가지는 스페이서층을 스핀 분극 자성층과 접촉시켜, 스핀 분극 자성층의 결정 격자를 x축 및 y축 방향으로 줄어들게 하는 자기터널접합 소자를 개시한다.Currently, CoFeB alloy is being researched and developed as a spin polarized magnetic layer. Patent document 1 discloses a magnetic tunnel junction element in which a spacer layer having a lattice constant smaller than a spin polarization magnetic layer is brought into contact with a spin polarization magnetic layer to reduce the crystal lattice of the spin polarization magnetic layer in the x-axis and y-axis directions.
그러나, 재료 자체가 큰 수직 자기 이방성을 가지지 않기 때문에, 특허 문헌 1은 수직 자화 유지층을 결합시킨 고정층을 사용한다. 많은 연구에서, 수직 자화 유지층은 (001) 텍스쳐(texture)를 가지는 L10형의 FePd, FePt, CoPd, 또는 CoPt, Co/Pd 다층막(Co와 Pd를 (001) 축 방향으로 적층한 막), 또는 Co/Pt 다층막(Co와 Pt를 (001) 축 방향으로 적층한 막)으로 구성되어, 자화 용이축이 막면에 수직 방향을 향하는 강자성체로 구성된다.However, since the material itself does not have a large perpendicular magnetic anisotropy, Patent Document 1 uses a fixed layer in which a vertical magnetization holding layer is bonded. In many studies, the vertical magnetization retaining layer is a L1 0 type FePd, FePt, CoPd, or CoPt, Co / Pd multilayer (Co and Pd layered in the (001) axial direction) with a (001) texture. Or a Co / Pt multilayer film (a film in which Co and Pt are laminated in the (001) axial direction), and the easy magnetization axis is made of a ferromagnetic material directed in a direction perpendicular to the film surface.
또한, 고정층은 수직 자화 유지층, 및 높은 스핀 분극율을 가지는 강자성 재료인 CoFeB와 결합시켜 구성될 수 있다. 또한, CoFeB 합금으로 구성된 자유층 및 고정층을 갖는 자기터널접합 소자는, 절연층과의 밴드 구조의 관계로부터 높은 터널 자기저항(TMR:Tunnel Magneto Resistance) 효과를 얻도록, (001) 텍스쳐(texture)를 갖는다. In addition, the pinned layer may be configured by combining with a perpendicular magnetization holding layer and CoFeB, a ferromagnetic material having a high spin polarization rate. In addition, the magnetic tunnel junction element having a free layer and a fixed layer composed of CoFeB alloy has a (001) texture so as to obtain a high tunnel magneto resistance (TMR) effect from the relationship of the band structure with the insulating layer. Has
예를 들면, 자기터널접합의 절연층으로 (001) 텍스쳐(texture)를 가지는 MgO막이 사용되고, 수직 자화 유지층의 배향성을 향상시키는 기저층 또한 (001) 텍스쳐(texture)를 가질 수 있다. 즉, 기본으로 자기터널접합은 (001) 텍스쳐(texture)를 갖는다.For example, an MgO film having a (001) texture is used as the insulating layer of the magnetic tunnel junction, and the base layer which improves the orientation of the vertical magnetization holding layer may also have a (001) texture. That is, the magnetic tunnel junction has a (001) texture by default.
이와 같이, 특허 문헌 1에 기재된 자기터널접합 소자는 고정층의 구조가 복잡하여, 두께가 커지는 문제가 있었다.As described above, the magnetic tunnel junction element described in Patent Document 1 has a problem in that the structure of the fixed layer is complicated and the thickness becomes large.
또한, 자유층의 약한 수직 자기 이방성 때문에, 열안정성이나 고밀도화에 문제가 있었다. 한편, MnGa, MnGe 등의 Mn-Ge 재료 자체가 큰 수직 자기 이방성을 갖는 자성체에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 높은 터널 자기 저항 효과를 실험에서는 얻을 수 없는 문제가 있었다.In addition, due to the weak perpendicular magnetic anisotropy of the free layer, there is a problem in thermal stability and high density. On the other hand, Mn-Ge materials themselves, such as MnGa and MnGe, have been studied for magnetic materials having large perpendicular magnetic anisotropy. However, there was a problem that a high tunnel magnetoresistance effect could not be obtained in an experiment.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 자화 방향이 가변인 자유층, 및 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하고 단일의 층으로 구성된 고정층, 및 자유층과 고정층 사이에 적층된 절연층을 포함하고, 자유층과 고정층 중 적어도 하나는 L11형 자성 합금막이고, 절연층은 (111)의 텍스쳐(texture)를 갖는다.The magnetic tunnel junction element according to an embodiment includes a free layer having a variable magnetization direction, a fixed layer composed of a single layer while maintaining the magnetization direction in a predetermined direction, and an insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer. at least one of the free layer and the fixed layer is the L1 1 type magnetic alloy film, the insulating layer has a texture (texture) of 111.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는 수직 자화 유지층 및 스페이서층을 포함하지 않고, 단일의 스핀 분극 자성층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는 간단한 고정층의 구조를 가지므로, 자기터널접합 소자의 적층 수를 줄일 수 있다.The magnetic tunnel junction element according to an embodiment does not include a vertical magnetization holding layer and a spacer layer, and may maintain a magnetization direction in a predetermined direction with a single spin polarization magnetic layer. Therefore, since the magnetic tunnel junction element has a simple fixed layer structure, the number of stacks of the magnetic tunnel junction element can be reduced.
바람직하게는, 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 절연층은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 MgO, MgAl2O4, MgGa2O4, ZnAl2O4 또는 ZnGa2O4을 포함할 수 있다.Preferably, the insulating layer of the magnetic tunnel junction device according to an embodiment includes MgO, MgAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , ZnAl 2 O 4 or ZnGa 2 O 4 having a texture of 111. can do.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는 큰 터널 자기 저항 효과 및 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.The magnetic tunnel junction element according to an embodiment may have a large tunnel magnetoresistance effect and high perpendicular magnetic anisotropy.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는, 바람직하게는, (111)의 텍스쳐(texture)를 갖는 기저층을 더 포함할 수 있다.The magnetic tunnel junction element according to an embodiment may preferably further include a base layer having a texture of (111).
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자에 의하면, (001) 면보다 (111) 면이 배위수(coordination number, 최인접 격자수)를 많이 가져 면내의 결합이 강해지므로, 결정 구조가 안정하여, 결과적으로 원자 확산을 억제할 수 있다.According to the magnetic tunnel junction element according to the embodiment, since the (111) plane has more coordination number (coordination number) than the (001) plane, the bond in the plane becomes stronger, so that the crystal structure is stable and consequently, Atom diffusion can be suppressed.
바람직하게는, 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자의 고정층은 수직 자화 유지층 및 스페이서층을 포함하지 않을 수 있다.Preferably, the pinned layer of the magnetic tunnel junction element according to an embodiment may not include a vertical magnetization holding layer and a spacer layer.
일 실시예에 따른 자기터널접합 소자에 의하면, 자기터널접합 소자의 두께가 더 얇게 될 수 있다.According to the magnetic tunnel junction element according to an embodiment, the thickness of the magnetic tunnel junction element may be thinner.
일 실시예에 따른 자기저항 메모리 장치는 자기터널접합 소자, 및 상기 자기터널접합 소자에 전압을 인가하는 전극을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 소자는 자화 방향이 가변인 자유층, 자화 방향을 소정의 방향을 유지하고 단일의 층으로 구성된 고정층, 및 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 적층된 절연층을 포함하고, 상기 자유층과 상기 고정층 중 적어도 하나는 L11형 자성 합금막이고, 상기 절연층은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가질 수 있다. In an embodiment, a magnetoresistive memory device may include a magnetic tunnel junction element, and an electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction element. The magnetic tunnel junction element includes a free layer having a variable magnetization direction, a fixed layer composed of a single layer while maintaining a predetermined direction in the magnetization direction, and an insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer. and at least one of the fixed bed is a type 1 L1 a magnetic alloy film, the insulating layer can have a texture (texture) of 111.
일 실시예에 따른 자기저항 메모리 장치는 수직 자화 유지층 및 스페이서층을 포함하지 않고, 단일의 스핀 분극 자성층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 자기터널접합 소자는 간단한 고정층의 구조를 가지므로, 자기터널접합 소자의 적층 수를 줄일 수 있다.The magnetoresistive memory device according to an embodiment may not include a vertical magnetization sustaining layer and a spacer layer, and may maintain a magnetization direction in a predetermined direction with a single spin polarization magnetic layer. Therefore, since the magnetic tunnel junction element has a simple fixed layer structure, the number of stacks of the magnetic tunnel junction element can be reduced.
본 발명의 자기터널접합 소자 및 자기저항 메모리 장치에 의하면, 자기터널접합 소자의 고정층의 구조가 간단하고, 자기터널접합 소자의 적층 수를 줄인 자기터널접합 소자가 제공될 수 있다.According to the magnetic tunnel junction element and the magnetoresistive memory device of the present invention, the structure of the fixed layer of the magnetic tunnel junction element can be provided, and the magnetic tunnel junction element can be provided in which the number of magnetic tunnel junction elements is reduced.
도 1은 실시예 1에 따른 자기터널접합 소자의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 자기터널접합 소자의 참고예의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 자기터널접합 소자의 스핀 분극 자성층(고정층)에 이용되는 NiPt의 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 따른 자기터널접합 소자의 배리어층에 이용되는 MgAl2O4의 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 3에 따른 자기저항 메모리 장치의 일례의 주요부를 나타내는 사시도이다.1 is a sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction element according to the first embodiment.
2 is a sectional view showing a schematic configuration of a reference example of a magnetic tunnel junction element.
3 is a graph showing a band structure of NiPt used in the spin polarization magnetic layer (fixed layer) of the magnetic tunnel junction element according to Example 1. FIG.
4 is a graph showing a band structure of MgAl 2 O 4 used in the barrier layer of the magnetic tunnel junction element according to Example 2. FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing an essential part of an example of the magnetoresistive memory device according to the third embodiment. FIG.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(실시예 1)(Example 1)
도 1은 실시예 1에 따른 자기터널접합 소자의 개략적 구성을 나타내는 단면도이다. 자기터널접합 소자(10)는 기판(11), 버퍼층(12), 고정층(13), 절연층(14), 자유층(15) 및 캡층(16)을 포함한다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction element according to the first embodiment. The magnetic
기판(11)은 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 예를 들면, 기판(11)은 (111) 기판인 것이 바람직하다. 기판(11)은 열산화막이 있는 실리콘(Si) 기판, 또는 실리콘(Si) 단결정 기판일 수도 있다.The
버퍼층(12)은 기판(11) 상에 형성된 안정화층이다. 구체적으로, 버퍼층(12)은 Ru를 포함할 수 있다.The
고정층(13)은 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 층이다. 고정층(13)은 L11형 자성 합금막인 것이 바람직하다. 고정층(13)은 자화 방향이 자유층(15)에 대해 용이하게 변화하지 않는 재료에서 선택되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 고정층(13)을 구성하는 재료는 특히 한정되는 것은 아니고, 임의의 재료로부터 선택될 수 있다.The pinned
예를 들면, 고정층(13)은 L11형 합금으로 구성될 수도 있다. 특히, 고정층(13)은 L11형 (Co-Ni)Pt 합금으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 고정층(13)은 Co0.5Ni0.5Pt의 L11형 합금으로 구성될 수 있다. 고정층(13)은 Fe0 . 5Ni0 . 5Pt, Co0.5Fe0.5Pt, NiPt, FePt, 또는 CoPt로 구성될 수 있다. 합금 중의 원자비는 변경될 수 있다. 고정층(13)을 상술과 같이 구성하는 것에 의하여, 고정층(13)은 단일의 층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다. 고정층(13)은 참조층이라고도 불린다. For example, the
절연층(14)은 절연물질을 주성분으로 하는 층이다. 그리고, 절연층(14)은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가질 수 있다. 절연층(14)은 강자성을 가지는 고정층(13)과 자유층(15) 사이에 적층된다. 절연층(14)은 MgO 또는 MgAl2O4의 절연막으로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 고정층(13) 및 자유층(15)의 접합면에 대해서 수직으로 전압이 인가되면, 터널 효과에 의해 자기터널접합 소자(10)에 전류가 흐른다.The insulating
자유층(15)은 자화 방향이 변화하는 층이다. 자유층(15)은 L11형 자성 합금막인 것이 바람직하다. 예를 들면, 자유층(15)은 L11형 규칙 합금(ordered alloy)으로 구성될 수 있다. 특히, 자유층(15)은 L11형 (Co-Ni)Pt 규칙 합금으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 자유층(15)은 Co0 . 5Ni0 . 5Pt의 L11형 합금으로 구성될 수 있다. 또한, 자유층(15)은 Fe0 . 5Ni0 . 5Pt, Co0 . 5Fe0 . 5Pt, NiPt, FePt, 또는 CoPt로 구성될 수 있다. 또한, 합금 중의 원자 비는 변경될 수 있다. 자유층(15)을 상술하는 것과 같이 구성함으로써, 자유층(15)은 단일의 층으로 자화 방향이 변화하는 층이 될 수 있다. 자유층(15)은 기억층이라고도 불린다.The
캡층(16)은 자유층(15) 상에 형성된 안정화층이다. 예를 들면, 캡층(16)은 Ru을 포함하는 것이 바람직하다.The
이상과 같이, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)가 구성된다. 다음, 종래의 자기터널접합 소자의 구조와 실시예1을 비교하여 설명한다. 도 2는 자기터널접합 소자의 참고예의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.As described above, the magnetic
도 2를 참조하여, 자기터널접합 소자(20)는 기판(21), 버퍼층(22), 고스핀분극 자성층(high spin polarization magnetic layer, 23A), 수직 자화 유지층(perpendicular magnetization preserving layer, 23B), 절연층(24), 자유층(25), 및 캡층(26)을 포함한다. 그리고, 고정층(23)은 고스핀분극 자성층(23A) 및 수직 자화 유지층(23B)으로 형성된다. 고스핀분극 자성층(23A)은 Co 기반의 호이슬러 합금 등으로 구성되지만, 재료 자체가 수직 자기 이방성을 가지지 않는다. 따라서, 고스핀분극 자성층(23A)은 수직 자화 유지층(23B)과 결합하여, 자기터널접합 소자(20)의 고정층으로 기능할 수 있다.Referring to FIG. 2, the magnetic
참고예와 비교할 때, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에서는, 고정층(13)으로 L11형 자성 합금막을 이용하는 것에 의해, 고정층(13)은 단일의 층으로 높은 스핀 분극률과 함께 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 따라서, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에서는, 참고예의 자기터널접합 소자(20)와 같이 고정층(23)을 고스핀분극 자성층(23A)과 수직 자화 유지층(23B)의 다층으로 형성할 필요가 없다.Note in the example, and a magnetic
다음, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)의 밴드 구조에 대해 설명한다. Next, the band structure of the magnetic
도 3은 실시예 1에 따른 자기터널접합 소자(10)의 스핀 분극 자성층(spin polarization magnetic layer, 일 예로, 고정층(13))에 이용되는 NiPt의 밴드 구조를 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, 세로축은 에너지 준위(eV)를 나타내고, 가로축은 전자의 파수 벡터(wave vector, k)를 나타낸다. 도 3은 고정층(13)으로 L11형 자성 합금 NiPt를 이용한 예에 있어서의 밴드 구조를 나타낸다.3 is a graph illustrating a band structure of NiPt used in a spin polarization magnetic layer (eg, the pinned layer 13) of the magnetic
도 3은 L11형 자성 합금 NiPt의 밴드 구조를 나타낸다. 제1 원리 계산으로 조사한 결과, L11형 자성 합금 NiPt는 (111) 방향, 즉 도 3의 G-Z 사이에서 반쪽 금속(Half metallic, 즉, 100%의 스핀 분극률)이 되어, 높은 터널 자기 저항 효과를 기대할 수 있다. 또한, L11형 자성 합금 NiPt는 106 J/m3의 큰 수직 자기 이방성을 나타낸다.3 shows a band structure of the L1 1 type magnetic alloy NiPt. The first principle is the result of research by calculation, L1 1 type magnetic alloy NiPt the 111 direction, that is, half metal (Half metallic, that is, the spin polarization rate of 100%) between the G-Z of Figure 3, high tunnel magneto A resistance effect can be expected. In addition, L1 1 type magnetic alloy NiPt represents a high perpendicular magnetic anisotropy of 10 6 J / m 3.
이와 같이, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)는 큰 수직 자기 이방성을 가짐과 동시에 높은 스핀 분극률을 얻을 수 있다.As described above, the magnetic
게다가, 자기터널접합 소자를 구성하려면, 격자상수의 매칭을 고려하는 것이 바람직하다. 표 1은 합금의 격자상수로 격자불일치(Misfit)를 나타내는 표이다. 표 1에서, 격자불일치(Misfit)는 Ru, MgO 또는 MgAl2O4의 격자상수와 L11 구조의 NiPt 합금의 격자상수의 차이를, L11 구조의 NiPt 합금의 격자상수로 나눈 비율로 나타낸다.In addition, in order to construct a magnetic tunnel junction element, it is desirable to consider matching of lattice constants. Table 1 is a table showing the lattice mismatch by the lattice constant of the alloy. In Table 1, the lattice mismatch (Misfit) represents a ratio divided by the lattice constant of Ru, MgO, or MgAl 2 O 4 lattice with L1 1 structure of NiPt the difference in lattice constant, L1 1 NiPt alloy structure of the alloy.
[표 1] TABLE 1
표 1에 나타난 바와 같이, 격자불일치(Misfit)의 크기는 Ru, MgO 또는 MgAl2O4에 L11 NiPt를 적층하기에 충분히 작은 값이다.As shown in Table 1, the size of the mismatch is small enough to deposit L1 1 NiPt on Ru, MgO or MgAl 2 O 4 .
이와 같이, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 고정층(13)을 L11형 자성 합금막으로 형성하고, 절연층(14)을 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 층으로 형성하는 것에 의해, 고정층(13)은 단일의 층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다.In this way, the embodiment according to the first magnetic
그리고, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 고정층(13)은 수직 자화 유지층을 포함하지 않고 단일의 층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다. 따라서, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)는 고정층(13)의 구조를 간단하게 할 수 있으므로, 자기터널접합 소자(10)의 적층 수를 줄일 수 있다. 또한, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 자기터널접합 소자(10)의 두께를 더욱 얇게 할 수 있다.In addition, according to the magnetic
또한, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 자유층(15)을 L11형 자성 합금막으로 형성하고 절연층(14)을 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 층으로 형성하는 것에 의해, 자유층(15)이 단일의 층으로 자화 방향이 변화하는 층이 되도록 할 수 있다.Further, according to the magnetic
또한, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 자유층(15)과 고정층(13) 중 적어도 어느 하나를 L11형 자성 합금막으로 형성하고 절연층(14)을 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 층으로 형성하는 것에 의하여, 보다 적은 적층 수로 자기터널접합 소자(10)를 구성할 수 있고, 자기터널접합 소자(10)의 결정 구조를 안정화시킬 수 있다. 그 결과, 자기터널접합 소자(10)에서의 원자 확산을 억제할 수 있다.Further, in the embodiment according to the first magnetic
또한, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)는 양호한 열안정성을 갖고, 고밀도화가 가능할 수 있다.In addition, the magnetic
또한, 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, Ni와 Co의 양을 조절함에 의해 Ms(포화 자화)를 저감시켜, 자화 방향을 고속으로 변경할 수 있다.In addition, according to the magnetic
(실시예 2)(Example 2)
실시예 2에서는, 절연층(14)으로 MgAl2O4를 이용한 예에 대해 설명한다.In Example 2, a description will be given of the example using the MgAl 2 O 4 with an insulating layer (14).
도 4는 실시예 2에 따른 자기터널접합 소자(10)의 배리어층에 이용되는 MgAl2O4의 밴드 구조를 나타내는 그래프이다. 도 4에서, 세로축은 에너지 준위(eV)를 나타내고, 가로축은 전자의 파수 벡터(k)를 나타낸다. 도 4는 절연층(14)으로 MgAl2O4를 이용한 예에 있어서의 밴드 구조를 도시한다.4 is a graph showing a band structure of MgAl 2 O 4 used in the barrier layer of the magnetic
도 4에 도시된 바와 같이, MgAl2O4는 G점에서 직접 갭 절연체(direct gap insulator)이고, 절연층(14)에 수직 입사하는, 즉, (111) 방향으로 진행하는 전자만을 필터링한다. 따라서, 절연층(14)으로 MgAl2O4를 이용한 자기터널접합 소자(10)는, 실시예 1의 도 3에 도시된 것과 같은, (111) 방향에서 반쪽 금속(Half metallic)인 재료를 스핀 분극층으로 이용하는 것에 의해, 높은 터널 자기 저항 효과 및 높은 스핀 분극율을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 4, MgAl 2 O 4 is a direct gap insulator at point G, and filters only electrons perpendicular to the insulating
이와 같이, 실시예 2의 자기터널접합 소자(10)에 의하면, 격자불일치(Misfit)를 작게 할 수 있으므로, 새로운 큰 터널 자기 저항 효과를 기대할 수 있다. As described above, according to the magnetic
(실시예 3)(Example 3)
실시예 3에서는 실시예 1 또는 실시예 2의 자기터널접합 소자(10)를 이용한 자기저항 메모리 장치에 대해 설명한다.In Embodiment 3, a magnetoresistive memory device using the magnetic
도 5는 실시예 3에 따른 자기저항 메모리 장치의 일례의 주요부를 나타내는 사시도이다.FIG. 5 is a perspective view showing an essential part of an example of the magnetoresistive memory device according to the third embodiment. FIG.
도 5를 참조하여, 자기저항 메모리 장치는 메모리 셀(30), 비트 라인(31), 콘택 플러그(35, 37), 및 워드 라인(38)을 포함한다.Referring to FIG. 5, the magnetoresistive memory device includes a
메모리 셀(30)은 반도체 기판(32), 확산 영역(33, 34), 소스 라인(36), 게이트 절연막(39), 및 자기터널접합 소자(10)를 포함한다. 자기터널접합 소자(10)는 실시예 1의 자기터널접합 소자(10)에 대응하지만, 실시예 2의 자기터널접합 소자(10)일 수도 있다.The
자기저항 메모리 장치는, 복수의 메모리 셀들(30)을 매트릭스 형태로 배치하고, 복수 개의 비트 라인(31) 및 복수 개의 워드 라인(38)을 이용하여 서로 연결함으로써 형성된다. MRAM은 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 데이터의 기입 처리를 실행한다.The magnetoresistive memory device is formed by arranging a plurality of
반도체 기판(32)은 표면에 확산 영역(33, 34)을 가진다. 확산 영역(33)은 확산 영역(34)으로부터 소정의 간격 이격되어 배치된다. 확산 영역(33)은 드레인 영역으로 기능하고, 확산 영역(34)은 소스 영역으로 기능한다. 확산 영역(33)은 콘택 플러그(37)를 개재하여 자기터널접합 소자(10)에 접속된다.The
비트 라인(31)은 반도체 기판(32)의 윗쪽에 배치되고, 자기터널접합 소자(10)에 접속된다. 비트 라인(31)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 접속된다.The
확산 영역(34)은 콘택 플러그(35)를 개재하여 소스 라인(36)에 접속된다. 소스 라인(36)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 접속된다.The
워드 라인(38)은 확산 영역(33) 및 확산 영역(34)에 인접하고, 게이트 절연막(39)을 개재하여 반도체 기판(32) 상에 배치된다. 워드 라인(38) 및 게이트 절연막(39)은 선택 트랜지스터로 기능한다. 도시하지 않는 회로로부터 전류가 공급되면 선택 트랜지스터는 턴-온(turn-on)한다.The
비트 라인(31)과 확산 영역(33)을 전극으로 하여 자기터널접합 소자(10)에 전압이 인가되면, 일정 방향으로 정렬된 전자의 스핀 토크가 강자성체층의 자화 방향을 변화시킨다. 그리고, 전류 방향을 바꾸는 것에 의하여, 자기저항 메모리 장치에 기록되는 데이터의 값을 바꿀 수 있다.When voltage is applied to the magnetic
이와 같이, 실시예 3의 자기저항 메모리 장치에 의하면, 수직 자화 유지층을 포함하지 않고, 단일의 층으로 자화 방향을 소정의 방향으로 유지할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 자기저항 메모리 장치는, 고정층의 구조를 간단하게 할 수 있어 자기터널접합 소자(10)의 적층 수를 줄일 수 있다.As described above, according to the magnetoresistive memory device of the third embodiment, the magnetization direction can be maintained in a predetermined direction by a single layer without including the vertical magnetization holding layer. Therefore, the magnetoresistive memory device according to the embodiment can simplify the structure of the pinned layer and can reduce the number of stacked layers of the magnetic
또한, 실시예 3의 자기저항 메모리 장치에 의하면, 자기터널접합 소자(10)의 열안정성이 양호하고, 자기저항 메모리 장치의 고밀도화가 가능할 수 있다.In addition, according to the magnetoresistive memory device of the third embodiment, the thermal stability of the magnetic
덧붙여, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, 자기터널접합 소자(10)에서, (111)면 접합이 고정층(13) 또는 자유층(15)의 한쪽과 절연층(14) 사이에 있을 수 있다. 자기터널접합 소자(10)에서, 고정층(13)과 절연층(14) 사이, 및 자유층(15)과 절연층(14) 사이의 양쪽 모두가 (111)면 접합일 수도 있다. 절연층(14)은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 MgGa2O4, ZnAl2O4 또는 ZnGa2O4일 수도 있다.In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It is possible to change suitably in the range which does not deviate from the meaning. For example, in the magnetic
10, 20 자기 터널 접합 소자
11, 21 기판
12, 22 버퍼층
13, 23 고정층
14, 24 절연층
15, 25 자유층
16, 26 캡층
23A 고스핀 분극 자성층
23B 수직 자화 유지층
30 메모리 셀
31 비트 라인
32 반도체 기판
33, 34 확산 영역
35, 37 콘택 플러그
36 소스 라인
38 워드 라인
39 게이트 절연막10, 20 magnetic tunnel junction element
11, 21 boards
12, 22 buffer layer
13, 23 fixed bed
14, 24 insulation layer
15, 25 free layer
16, 26 cap layers
23A high spin polarized magnetic layer
23B Vertical Magnetized Retention Layer
30 memory cells
31 bit lines
32 semiconductor substrate
33, 34 diffusion zone
35, 37 contact plug
36 source lines
38 word lines
39 gate insulating film
Claims (8)
자화 방향을 소정의 방향으로 유지하고 단일의 층으로 형성된 고정층; 및
상기 자유층과 상기 고정층의 사이에 적층된 절연층을 포함하고,
상기 자유층과 상기 고정층 중 적어도 어느 하나는 L11형 자성 합금막이고,
상기 절연층은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 자기터널접합 소자.A free layer having a variable magnetization direction;
A pinned layer which maintains the magnetization direction in a predetermined direction and is formed of a single layer; And
An insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer,
At least one of the free layer and the fixed layer is a magnetic alloy film type L1 1,
And the insulating layer has a texture of (111).
상기 절연층은 (111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 MgO, MgAl2O4, MgGa2O4, ZnAl2O4 또는 ZnGa2O4를 포함하는 자기터널접합 소자.The method according to claim 1,
And the insulating layer comprises MgO, MgAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , ZnAl 2 O 4, or ZnGa 2 O 4 having a texture of (111).
(111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 기저층을 더 포함하는 자기터널접합 소자.The method according to claim 2,
A magnetic tunnel junction element further comprising a base layer having a texture of (111).
상기 고정층은 수직 자화 유지층을 포함하지 않는 자기터널접합 소자.The method according to claim 3,
And the pinned layer does not include a vertical magnetization holding layer.
상기 고정층은 수직 자화 유지층을 포함하지 않는 자기터널접합 소자.The method according to claim 2,
And the pinned layer does not include a vertical magnetization holding layer.
(111)의 텍스쳐(texture)를 가지는 기저층을 더 포함하는 자기터널접합 소자.The method according to claim 1,
A magnetic tunnel junction element further comprising a base layer having a texture of (111).
상기 고정층은 수직 자화 유지층을 포함하지 않는 자기터널접합 소자.The method according to claim 1,
And the pinned layer does not include a vertical magnetization holding layer.
상기 자기터널접합 소자에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 자기저항 메모리 장치.A free layer having a variable magnetization direction, a fixed layer formed of a single layer while maintaining the magnetization direction in a predetermined direction, and an insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer, wherein at least one of the free layer and the fixed layer a magnetic tunnel junction device having a texture (texture) of a type 1 L1 a magnetic alloy film, the insulating layer 111; And
And a electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction element.
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