KR20220054146A - Magnetic tunnel junction element and magnetoresistive memory device - Google Patents

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KR20220054146A
KR20220054146A KR1020200173582A KR20200173582A KR20220054146A KR 20220054146 A KR20220054146 A KR 20220054146A KR 1020200173582 A KR1020200173582 A KR 1020200173582A KR 20200173582 A KR20200173582 A KR 20200173582A KR 20220054146 A KR20220054146 A KR 20220054146A
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magnetic tunnel
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magnetic
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히데토 야나기하라
요시아키 소노베
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삼성전자주식회사
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Abstract

The present invention is to provide a magnetic tunnel junction structure having low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even in a wide range of operating temperatures from -40 ℃ to +150 ℃, and a magnetoresistive memory device. In the magnetic tunnel junction structure, a fixed layer maintaining a predetermined magnetization direction, an insulating layer, a free layer having a variable magnetization direction, and an antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked, and the free layer are in direct contact with the antiferromagnetic oxide layer.

Description

자기 터널 접합 구조 및 자기 저항 메모리 소자{MAGNETIC TUNNEL JUNCTION ELEMENT AND MAGNETORESISTIVE MEMORY DEVICE}MAGNETIC TUNNEL JUNCTION ELEMENT AND MAGNETORESISTIVE MEMORY DEVICE

본 발명의 기술분야는 자기 터널 접합 구조 및 자기 저항 메모리 소자에 관한 것이다.The technical field of the present invention relates to a magnetic tunnel junction structure and a magnetoresistive memory device.

수직 자화를 가지며 자기 저항 효과에 의해 독출을 수행하는 자기 저항 소자는, 미세화에 대한 열 교란 내성이 높아 차세대 메모리로 기대되고 있다. 이의 구조는 자화 방향이 가변인 자유층, 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층, 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 설치된 절연층을 가지는 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 구조를 포함하는 자기 저항 소자로 구성된다. 이러한 자기 저항 소자로는 아래의 특허 문헌 1 내지 3에 기재된 것이 있다.A magnetoresistive element having perpendicular magnetization and performing read by the magnetoresistance effect has high resistance to thermal disturbance against miniaturization and is expected as a next-generation memory. The structure of the magnetoresistive element includes a magnetic tunnel junction (MTJ) structure having a free layer having a variable magnetization direction, a pinned layer maintaining a predetermined magnetization direction, and an insulating layer provided between the free layer and the pinned layer. is composed of Such magnetoresistive elements include those described in Patent Documents 1 to 3 below.

이러한 차세대 메모리의 기본 구성 재료로서 높은 수직 자기 이방성을 가지며, 높은 스핀 분극율을 가지는 강자성 재료가 요구되고 있지만, 재료 자체가 수직 자기 이방성을 가지며, 실험적으로 높은 스핀 분극율을 가지는 재료가 적다. 실용적으로는, 계면 자기 이방성을 이용하여 수직 자기 이방성을 부여한 CoFeB 금속 강자성체 재료밖에 없어, 재료 선택의 범위가 매우 좁은 현실이다. 따라서, 높은 수직 자기 이방성을 가지며 높은 스핀 분극율을 가지는 재료를 이용하는 것은 어려운 상황이다. 한편, 상기 문제의 해결책으로 자기 터널 접합 구조에 수직 자화 홀딩층을 결합시키는 방법이 제안되고 있다.A ferromagnetic material having high perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarization is required as a basic constituent material of such next-generation memory. However, the material itself has perpendicular magnetic anisotropy and experimentally, there are few materials having a high spin polarization. In practical terms, there is only a CoFeB metal ferromagnetic material to which perpendicular magnetic anisotropy is imparted using interfacial magnetic anisotropy, and the range of material selection is very narrow. Therefore, it is difficult to use a material having high perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarization. Meanwhile, as a solution to the above problem, a method of coupling a perpendicular magnetization holding layer to a magnetic tunnel junction structure has been proposed.

이러한 복합막으로 구성되는 기억층은, 예를 들어, MgO 등의 절연층에 접촉한 높은 스핀 분극율 재료인 호이슬러(Heusler) 합금막이 이용되고, 이것들을 이용하는 자기 터널 접합 구조에서는 거대한 터널 자기 저항비가 기대되고 있다. 또한, FePt, Co/Pt, MnGa, MnGe 수직 자화 홀딩층을 결합시켜 자화의 열적 안정성을 향상시키고 있다. 또한, 2개의 자성층 사이에 자기적 결합 제어층을 포함함으로써, 자기적인 결합을 제어하고, 자화의 열적 안정성을 홀딩함과 더불어, 자화 반전 전류를 작게 할 수 있는 ECC 구조, TcC 구조 등이 제안되고 있다. TcC 구조는 수직 홀딩층의 Curie(Tc) 온도를 작게 한 구조이다.For the memory layer composed of such a composite film, for example, a Heusler alloy film, which is a high spin polarizability material in contact with an insulating layer such as MgO, is used, and in a magnetic tunnel junction structure using these, a huge tunnel magnetoresistance is used. Rain is expected. In addition, the thermal stability of magnetization is improved by combining FePt, Co/Pt, MnGa, and MnGe perpendicular magnetization holding layers. In addition, by including a magnetic coupling control layer between the two magnetic layers, an ECC structure, a TcC structure, etc. that can control the magnetic coupling and hold the thermal stability of magnetization and reduce the magnetization reversal current have been proposed. there is. The TcC structure is a structure in which the Curie (Tc) temperature of the vertical holding layer is reduced.

상기 TcC 구조의 결점으로는 높은 사용 온도에서 열적 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. 즉, 높은 온도에서 열적 안정성이 나쁜 이유는, 수직 홀딩층으로서 Tc가 작은 높은 자기 이방성층을 이용하여, 온도 상승에 따라 급격하게 자기 이방성이 열화되기 때문이다.As a drawback of the TcC structure, there was a problem in that thermal stability was deteriorated at a high operating temperature. That is, the reason that the thermal stability is poor at high temperature is that the magnetic anisotropy is rapidly deteriorated as the temperature rises by using a high magnetic anisotropy layer with a small Tc as the vertical holding layer.

또한, 기록층으로서 높은 수직 자기 이방성의 고분극율층과, 상기 기록층과 상기 고분극율층과 반대 방향의 자성층(AFC층이라고 함)으로부터 이루어진 복합막형 기록층으로 구성되는 구조도 제안되고 있다. 이는 고속 영역에서 기록 전류를 작게 할 수 있다.Also, a structure comprising a high polarizability layer having high perpendicular magnetic anisotropy as the recording layer, and a composite film type recording layer composed of the recording layer and a magnetic layer in the opposite direction to the high polarizability layer (referred to as an AFC layer) has also been proposed. This can make the write current small in the high-speed region.

1. 일본특허공개 제2014－116474호 공보1. Japanese Patent Laid-Open No. 2014-116474 2. 일본특허공개 제2016－92066호 공보2. Japanese Patent Laid-Open No. 2016-92066 3. 일본특허공개 제2020－72239호 공보3. Japanese Patent Laid-Open No. 2020-72239

그러나, 상기 구조는 모두 다층 구조가 되기 때문에, 최적화가 매우 곤란하다는 문제가 있다. 또한, 실용화의 과제로서 -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가지는 자기 터널 접합 구조가 요구되고 있다.However, since all of the above structures are multilayer structures, there is a problem that optimization is very difficult. In addition, as a practical task, a magnetic tunnel junction structure having low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C is required.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층, 절연층과 자화 방향이 가변인 자유층, 및 반강자성 산화물층을 차례로 적층하고, 상기 자유층과 상기 반강자성 산화물층이 직접 접촉하도록 한다.In the magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention, a pinned layer maintaining a predetermined magnetization direction, an insulating layer, a free layer having a variable magnetization direction, and an antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked, and the free layer and the antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked. Make sure the layers are in direct contact.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.The magnetic tunnel junction structure of one embodiment of the present invention may have low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 상기 자유층의 자기 이방성이 적층면에 대해 수직 방향일 수 있다.In the magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention, the magnetic anisotropy of the free layer may be in a direction perpendicular to the lamination surface.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 자유층에서의 자화의 수직 자기 이방성 증가에 의해, 고온의 동작 온도에서도 신뢰성을 얻을 수 있다.The magnetic tunnel junction structure according to the embodiment of the present invention can achieve reliability even at a high operating temperature by increasing the perpendicular magnetic anisotropy of magnetization in the free layer.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 반강자성 산화물층으로부터 발생하는 바이어스 자계의 방향이 적층면 내로 평행 방향일 수 있다.In the magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention, the direction of the bias magnetic field generated from the antiferromagnetic oxide layer may be parallel to the lamination plane.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 자유층의 수직 자화에 대해 면내 방향의 바이어스 자계를 동시에 얻을 수 있으므로, 작은 기록 전류값으로 반전 가능하게 되어, 저전력 및 고속화를 달성할 수 있다.The magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention can simultaneously obtain an in-plane bias magnetic field with respect to the perpendicular magnetization of the free layer, so that it can be inverted with a small write current value, thereby achieving low power and high speed.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 반강자성 산화물층의 전기 저항이 절연층의 전기 저항보다 작게 할 수 있다.In the magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention, the electrical resistance of the antiferromagnetic oxide layer can be made smaller than the electrical resistance of the insulating layer.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 NiO의 전기 저항이 작음으로써, 기록 전류를 작게 할 수 있다. 절연층 MgO 및 NiO는 모두 절연체이지만, 밴드갭은 각각 약 7.8eV 및 약 4.2eV이기 때문에, 전기 저항은 비자성 절연층보다 작게 할 수 있다.In the magnetic tunnel junction structure according to the embodiment of the present invention, since the electrical resistance of NiO is small, the write current can be reduced. Although the insulating layers MgO and NiO are both insulators, since the band gaps are about 7.8 eV and about 4.2 eV, respectively, the electrical resistance can be made smaller than that of the non-magnetic insulating layer.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 반강자성 산화물층의 두께를 0.5㎚ 이상 2㎚ 이하로 할 수 있다.In the magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention, the thickness of the antiferromagnetic oxide layer can be set to 0.5 nm or more and 2 nm or less.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 터널 접합 구조는 면내 방향 바이어스 자계를 얻을 수 있는 최적의 NiO 두께로 할 수 있다. The magnetic tunnel junction structure of the embodiment of the present invention can have an optimal NiO thickness that can obtain an in-plane directional bias magnetic field.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 저항 메모리 소자는 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층, 절연층, 자화 방향이 가변인 자유층, 및 반강자성 산화물층을 차례로 적층하고, 상기 자유층과 상기 반강자성 산화물층이 직접 접촉하는 자기 터널 접합 구조와, 상기 자기 터널 접합 구조에 전압을 인가하는 전극을 포함한다.In the magnetoresistive memory device according to the embodiment of the present invention, a pinned layer maintaining a predetermined magnetization direction, an insulating layer, a free layer having a variable magnetization direction, and an antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked, and the free layer and the antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked. A magnetic tunnel junction structure in which the layers are in direct contact with each other, and an electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction structure.

본 발명의 일 실시 형태의 자기 저항 메모리 소자는 -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.The magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention may have low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C.

본 발명의 자기 터널 접합 구조 및 자기 메모리 소자에 의하면 -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.According to the magnetic tunnel junction structure and the magnetic memory device of the present invention, it is possible to have low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C.

도 1은 본 발명의 실시의 제1 형태에 따른 자기 터널 접합 구조의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 자유층의 두께가 0.6㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 자유층의 두께가 0.8㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 자유층의 두께가 1.0㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 자유층의 두께가 1.6㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 반강자성 산화물층과 자유층의 자기적인 결합과 자기 반전 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시의 제2 형태에 따른 자기 터널 접합 구조의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 제3 형태에 따른 자기 저항 메모리 소자의 일례의 요부를 나타내는 사시도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction structure according to a first embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 0.6 nm.
3 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 0.8 nm.
4 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 1.0 nm.
5 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 1.6 nm.
6 is a graph showing the relationship between the magnetic coupling between the antiferromagnetic oxide layer and the free layer and the magnetic reversal time.
7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction structure according to a second embodiment of the present invention.
Fig. 8 is a perspective view showing an essential part of an example of a magnetoresistive memory element according to a third embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시의 형태들에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the technical idea of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 실시의 제1 형태1. First embodiment

도 1은 실시의 제1 형태에 따른 자기 터널 접합 구조의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction structure according to a first embodiment.

자기 터널 접합 구조(10)는 기판(11), 버퍼층(12), 고정층(13), 절연층(14), 자유층(15), 반강자성 산화물층(16), 및 캡층(17)을 포함한다. 그리고, 자기 터널 접합 구조(10)에 있어서, 기판(11), 버퍼층(12), 고정층(13), 절연층(14), 자유층(15), 반강자성 산화물층(16), 캡층(17)의 순서로 적층된다.The magnetic tunnel junction structure 10 includes a substrate 11 , a buffer layer 12 , a pinned layer 13 , an insulating layer 14 , a free layer 15 , an antiferromagnetic oxide layer 16 , and a cap layer 17 . do. In the magnetic tunnel junction structure 10 , the substrate 11 , the buffer layer 12 , the pinned layer 13 , the insulating layer 14 , the free layer 15 , the antiferromagnetic oxide layer 16 , and the cap layer 17 . ) are stacked in the order of

기판(11)은 Si 기판이다. 또한, 기판(11)은 열산화막 Si 기판 또는 Si 단결정 기판일 수도 있다.The substrate 11 is a Si substrate. Further, the substrate 11 may be a thermally oxidized Si substrate or a Si single crystal substrate.

버퍼층(12)은 기판(11) 상에 형성된 안정화층이다. 구체적으로, 버퍼층(12)은 Ru, Cr, Ta, Au, W, Pt, 또는 Ti를 포함하는 층이다.The buffer layer 12 is a stabilization layer formed on the substrate 11 . Specifically, the buffer layer 12 is a layer including Ru, Cr, Ta, Au, W, Pt, or Ti.

고정층(13)은 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 층이다. 고정층(13)은 자유층(15)에 대해 용이하게 자화 방향이 변화하지 않는 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 유효 자기 이방성(Ku(eff)) 및 포화 자화(Ms)가 크고, 또한 자기 완화 상수 α가 큰 재료를 선택하는 것이 바람직하다.The pinned layer 13 is a layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction. For the pinned layer 13 , it is preferable to select a material whose magnetization direction does not easily change with respect to the free layer 15 . That is, it is preferable to select a material having large effective magnetic anisotropy (Ku(eff)) and saturation magnetization (Ms), and a large magnetic relaxation constant α.

그러나, 고정층(13)을 구성하는 재료는 특별히 한정되는 것이 아니며, 제조 방법에 따라 임의의 재료로부터 선택 가능하다. 예를 들어, 고정층(13)은 CoFeB를 주성분으로 하는 층(13A)과 Co/Pt 다층막(13B)으로 구성된다. 또한, 상기 층(13A)은 호이슬러 합금막을 주성분으로 하는 층일 수도 있다. 바람직하게는, 호이슬러 합금막을 주성분으로 하는 층(13A)은 Co 베이스의 풀-호이슬러(Co-based full-Heusler) 합금을 주성분으로 하는 층이다. 구체적으로, Co 베이스의 풀-호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2FeMnSi, Co2FeAl, 또는 Co2CrAl로 할 수 있다. 또한, Co/Pt 다층막(13B)은 높은 수직 자기 이방성을 위해 포함되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 호이슬러 합금막을 주성분으로 하는 층(13A)은 절연층(14)과 접합하고, Co/Pt 다층막(13B)은 버퍼층(12)과 접합되어 있다. 고정층(13)을 상술한 어느 하나의 구성으로 형성함으로써, 고정층(13)은 단일한 층에서 자화 방향을 소정의 방향으로 유지하는 층으로 역할을 할 수 있다. 또한, 고정층(13)은 참조층이라고도 불린다.However, the material constituting the fixing layer 13 is not particularly limited, and may be selected from any material according to the manufacturing method. For example, the pinned layer 13 is composed of a layer 13A containing CoFeB as a main component and a Co/Pt multilayer film 13B. Further, the layer 13A may be a layer mainly composed of a Heusler alloy film. Preferably, the layer 13A having a Heusler alloy film as a main component is a layer having a Co-based full-Heusler alloy as a main component. Specifically, the Co-based Full-Heusler alloy may be Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, Co 2 FeMnSi, Co 2 FeAl, or Co 2 CrAl. In addition, the Co/Pt multilayer film 13B is included for high perpendicular magnetic anisotropy. As shown in FIG. 1 , the layer 13A having the Heusler alloy film as a main component is bonded to the insulating layer 14 , and the Co/Pt multilayer film 13B is bonded to the buffer layer 12 . By forming the pinned layer 13 in any one of the above-described configurations, the pinned layer 13 can serve as a layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction in a single layer. In addition, the pinned layer 13 is also called a reference layer.

절연층(14)은 절연 물질을 주성분으로 하는 층이다. 그리고, 절연층(14)은 (001)의 텍스처를 가지는 층이다. 절연층(14)은 강자성을 가지는 고정층(13) 및 자유층(15) 사이에 개재되어 있다. 절연층(14)은 MgO 등의 절연막으로 구성되어 있다. 또한, 절연층(14)을 구성하는 재료로는 NaCl 구조를 가지는 산화물이 바람직하고, 상술한 MgO 외에, CaO, SrO, TiO, VO, NbO 등을 들 수 있는데, 절연층(14)의 기능에 지장을 초래하지 않는 한 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 스피넬형 MgAl2O4 등도 이용할 수 있다. 그리고, 고정층(13) 및 자유층(15)의 접합면에 대해 수직으로 전압이 인가됨으로써, 터널 효과에 의해 자기 터널 접합 구조(10)에 전류가 흐른다.The insulating layer 14 is a layer mainly composed of an insulating material. And, the insulating layer 14 is a layer having a texture of (001). The insulating layer 14 is interposed between the pinned layer 13 and the free layer 15 having ferromagnetic properties. The insulating layer 14 is made of an insulating film such as MgO. In addition, as a material constituting the insulating layer 14, an oxide having a NaCl structure is preferable, and CaO, SrO, TiO, VO, NbO, etc. in addition to the above-described MgO may be mentioned, but the function of the insulating layer 14 is It is not specifically limited as long as it does not cause trouble. For example, spinel-type MgAl 2 O 4 or the like can also be used. Then, as a voltage is applied perpendicularly to the junction surfaces of the pinned layer 13 and the free layer 15 , a current flows in the magnetic tunnel junction structure 10 due to the tunnel effect.

자유층(15)은 적층면(막면)에 수직한 방향으로 자화 용이축을 가지며, 자화 회전에 의해 자화 방향이 가변인 층이다. 또한, 자유층(15)은 기억층이라고도 불린다. 자유층(15)은 예를 들어, 적층면(막면)에 대해 수직하게 자화되어 있고, 상방 또는 하방을 향한다. 자유층(15)을 구성하는 재료는 특별히 한정되는 것은 아니며, 제조 방법에 따라 임의의 재료로부터 선택 가능하다. 예를 들어, 자유층(15)은 CoFeB를 주성분으로 구성된다. 또한, Co 베이스의 풀-호이슬러 합금으로 이루어진 층일 수도 있다. 구체적으로, Co 베이스의 풀-호이슬러 합금은 Co2FeSi, Co2MnSi, Co2(Fe-Mn)Si, Co2FeAl, 또는 Co2CrAl로 할 수 있다. 또한, 낮은 포화 자화(Ms)의 MnGaGe계 재료, 자기 이방성(Ku)이 비교적 작은 FeNi계 재료도 이용 가능하다.The free layer 15 has an easy magnetization axis in a direction perpendicular to the lamination surface (film surface), and is a layer whose magnetization direction is variable by magnetization rotation. In addition, the free layer 15 is also called a storage layer. The free layer 15 is magnetized perpendicularly to the lamination surface (film surface), for example, and faces upward or downward. The material constituting the free layer 15 is not particularly limited, and may be selected from any material according to the manufacturing method. For example, the free layer 15 is mainly composed of CoFeB. In addition, it may be a layer made of a Co-based Full-Heusler alloy. Specifically, the Co-based Full-Heusler alloy may be Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, Co 2 (Fe-Mn)Si, Co 2 FeAl, or Co 2 CrAl. In addition, MnGaGe-based materials with low saturation magnetization (Ms) and FeNi-based materials with relatively small magnetic anisotropy (Ku) can also be used.

반강자성 산화물층(16)은 반강자성을 가지는 산화물층이다. 반강자성 산화물층(16)은 자유층(15)과 직접 접촉하고 있다. 예를 들어, 반강자성 산화물층(16)은 NiO로 이루어진 층이다. 또한, 반강자성 산화물층(16)은 δ＜0.1인 산화물이라면 적용 가능하다.The antiferromagnetic oxide layer 16 is an oxide layer having antiferromagnetic properties. The antiferromagnetic oxide layer 16 is in direct contact with the free layer 15 . For example, the antiferromagnetic oxide layer 16 is a layer made of NiO. In addition, the antiferromagnetic oxide layer 16 can be applied as long as it is an oxide with δ<0.1.

예를 들어, 반강자성 산화물층(16)은 CoO, NiO와 CoO의 혼정, NiO+VO,　MnO, CoO, CuO의 조합을 이용할 수도 있다. 반강자성 산화물층(16)으로부터 발생하는 바이어스 자계의 방향은 적층면 내로 평행 방향인 것이 바람직하다. 또한, 반강자성 산화물층(16)의 전기 저항이 절연층(14)의 전기 저항보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 반강자성 산화물층(16)의 두께가 0.5㎚ 이상이고 2㎚ 이하인 것이 바람직하다.For example, the antiferromagnetic oxide layer 16 may be formed of CoO, a mixed crystal of NiO and CoO, or a combination of NiO+VO, MnO, CoO, and CuO. The direction of the bias magnetic field generated from the antiferromagnetic oxide layer 16 is preferably parallel to the lamination plane. Further, it is preferable that the electrical resistance of the antiferromagnetic oxide layer 16 is smaller than the electrical resistance of the insulating layer 14 . Further, the thickness of the antiferromagnetic oxide layer 16 is preferably 0.5 nm or more and 2 nm or less.

캡층(17)은 자유층(15) 상에 형성된 안정화층이다. 예를 들어, 캡층(17)은 Ru를 포함하는 층인 것이 바람직하다.The cap layer 17 is a stabilization layer formed on the free layer 15 . For example, the cap layer 17 is preferably a layer containing Ru.

이어서, 자유층의 두께와 자기적인 결합의 힘(바이어스 자계)과의 관계에 대해 설명한다.Next, the relationship between the thickness of the free layer and the magnetic coupling force (bias magnetic field) will be described.

도 2 내지 도 5는 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2 내지 도 5에 있어서, 가로축은 자속 밀도 μ0H를 나타낸다. 또한, 세로축은 ρAHE(Anomalous Hall Resistivity)를 나타낸다. 도 2 내지 도 5에서는 자유층(15)이 Fe이고, 반강자성 산화물층(16)이 NiO인 경우의 그래프를 나타내고 있다.2 to 5 are graphs showing the relationship between magnetic flux density and ρAHE. 2 to 5 , the horizontal axis represents the magnetic flux density μ0H. In addition, the vertical axis represents ρAHE (Anomalous Hall Resistivity). 2 to 5 show graphs in the case where the free layer 15 is Fe and the antiferromagnetic oxide layer 16 is NiO.

도 2는 자유층의 두께가 0.6㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에서는 자유층(15)에 수직 자기 이방성이 발현되고, 수직 자화막으로 되어 있다. 또한, 온도를 300K에서 100K로 낮추면 각형이 보다 좋아진다.2 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 0.6 nm. In Fig. 2, perpendicular magnetic anisotropy is expressed in the free layer 15, and it is a perpendicular magnetization film. Also, lowering the temperature from 300K to 100K makes the square better.

도 3은 자유층의 두께가 0.8㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에서는 자유층(15)에 수직 자기 이방성이 발현되고, 완전하게 수직 자화막이 되어 있다. 또한, 온도를 300K에서 100K에 낮추면 약간의 보자력(0.1T 정도)이 나온다.3 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 0.8 nm. In Fig. 3, perpendicular magnetic anisotropy is expressed in the free layer 15, and it is a complete perpendicular magnetization film. In addition, when the temperature is lowered from 300K to 100K, a slight coercive force (about 0.1T) comes out.

도 4는 자유층의 두께가 1.0㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4에서는 자유층(15)에 수직 자기 이방성이 발현되고, 완전하게 수직 자화막이 되어 있다. 또한, 온도를 300K에서 100K로 낮추면 약간의 보자력이 나온다.4 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 1.0 nm. In Fig. 4, perpendicular magnetic anisotropy is expressed in the free layer 15, and it is a complete perpendicular magnetization film. Also, when the temperature is lowered from 300K to 100K, some coercive force is produced.

도 5는 자유층의 두께가 1.6㎚인 경우의 자속 밀도와 ρAHE의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5에서는 자유층(15)이 면내 자화막으로 되어 있다. 또한, 온도 300K보다 온도 100K에서 약간 포화 자장이 크다.5 is a graph showing the relationship between the magnetic flux density and ρAHE when the thickness of the free layer is 1.6 nm. In Fig. 5, the free layer 15 is an in-plane magnetization film. In addition, the saturation magnetic field is slightly larger at a temperature of 100K than at a temperature of 300K.

이어서, LLG 시뮬레이션을 이용하여 반강자성체와 기억층의 자기적인 결합과 자기 반전 속도의 관계에 대해 설명한다.Next, the relationship between the magnetic coupling between the antiferromagnetic material and the memory layer and the magnetic reversal rate will be described using LLG simulation.

LLG 시뮬레이션은 이하의 조건에서 수행하였다.The LLG simulation was performed under the following conditions.

Hb=2A/Msd2 H b =2A/Msd 2

Ms=800emu/cm3 Ms=800 emu/cm 3

(상기 Ms는 자유층의 Ms) (The above Ms is the Ms of the free layer)

d=5×10－8cmd=5×10 -8 cm

(d: 반강자성 산화물층으로부터 발생하는 바이어스 자계 Hb가 영향을 주는 자유층 두께)(d: the thickness of the free layer affected by the bias magnetic field H b generated from the antiferromagnetic oxide layer)

LLG 시뮬레이션의 결과를 도 6에 도시한다. 도 6은 반강자성 산화물층과 자유층의 자기적인 결합과 자기 반전 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.The results of the LLG simulation are shown in FIG. 6 . 6 is a graph showing the relationship between the magnetic coupling between the antiferromagnetic oxide layer and the free layer and the magnetic reversal time.

도 6에 있어서, 가로축은 반강자성 산화물층과 자유층의 자기적인 결합을 나타낸다. 또한, 세로축은 자기 반전 시간의 역수를 나타낸다. 반강자성 산화물층(16)을 가지지 않은 경우, 반강자성 산화물층(16)과 자유층(15)의 자기적인 결합은 0(zero)이 된다.In FIG. 6 , the horizontal axis represents the magnetic coupling between the antiferromagnetic oxide layer and the free layer. In addition, the vertical axis represents the reciprocal of the self-inversion time. When the antiferromagnetic oxide layer 16 is not included, the magnetic coupling between the antiferromagnetic oxide layer 16 and the free layer 15 becomes zero.

즉, 반강자성 산화물층(16)이 자유층(15)과 직접 접촉하고, 자기적인 결합이 커질수록, 자기 반전 시간의 역수가 커진다(즉, 자기 반전이 고속이 된다).That is, the antiferromagnetic oxide layer 16 is in direct contact with the free layer 15, and the greater the magnetic coupling, the greater the reciprocal of the magnetic reversal time (ie, the higher the magnetic reversal becomes).

이와 같이, 실시의 제1 형태의 자기 터널 접합 구조에 의하면, 자유층에 직접 접촉하는 반강자성 산화물층을 포함함으로써, 반강자성 산화물층과 자유층에서 자기적인 결합이 커지고, -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.As described above, according to the magnetic tunnel junction structure of the first embodiment, by including the antiferromagnetic oxide layer in direct contact with the free layer, the magnetic coupling between the antiferromagnetic oxide layer and the free layer is increased, and from -40°C to +150°C. It can have low power, fast inversion, and high reliability that can be used over a wide operating temperature of °C.

2. 실시의 제2 형태2. Second embodiment

본 발명의 실시의 제2 형태에서는, 절연층(14)과 자유층(15) 사이에 반강자성 산화물층(16)을 포함하는 실시예에 대해 설명한다.In the second embodiment of the present invention, an embodiment including the antiferromagnetic oxide layer 16 between the insulating layer 14 and the free layer 15 will be described.

도 7은 실시의 제2 형태에 따른 자기 터널 접합 구조의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetic tunnel junction structure according to a second embodiment.

도 7에 있어서, 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여하고, 설명을 생략한다. 자기 터널 접합 구조(20)는 기판(11), 버퍼층(12), 고정층(13), 절연층(14), 자유층(15), 반강자성 산화물층(16), 및 캡층(17)을 포함한다. 그리고, 자기 터널 접합 구조(20)에 있어서, 기판(11), 버퍼층(12), 고정층(13), 절연층(14), 반강자성 산화물층(16), 자유층(15), 캡층(17)의 순서로 적층된다. 또한, 반강자성 산화물층(16)은 자유층(15)과 직접 접촉하고 있다.In FIG. 7, about the same structure as FIG. 1, the same number is attached|subjected, and description is abbreviate|omitted. The magnetic tunnel junction structure 20 includes a substrate 11 , a buffer layer 12 , a pinned layer 13 , an insulating layer 14 , a free layer 15 , an antiferromagnetic oxide layer 16 , and a cap layer 17 . do. In the magnetic tunnel junction structure 20 , the substrate 11 , the buffer layer 12 , the pinned layer 13 , the insulating layer 14 , the antiferromagnetic oxide layer 16 , the free layer 15 , and the cap layer 17 . ) are stacked in the order of Also, the antiferromagnetic oxide layer 16 is in direct contact with the free layer 15 .

이와 같이, 실시의 제2 형태의 자기 터널 접합 구조에 의하면, -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.As described above, according to the magnetic tunnel junction structure of the second embodiment, it is possible to have low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C.

3. 실시의 제3 형태3. Third embodiment

본 발명의 실시의 제3 형태에서는, 실시의 제1 형태 또는 실시의 제2 형태의 자기 터널 접합 구조를 이용한 자기 저항 메모리 소자에 대해 설명한다.In the third embodiment of the present invention, a magnetoresistive memory element using the magnetic tunnel junction structure of the first embodiment or the second embodiment will be described.

도 8은 실시의 제3 형태에 따른 자기 저항 메모리 소자의 일례의 요부를 나타내는 사시도이다.Fig. 8 is a perspective view showing essential parts of an example of a magnetoresistive memory element according to a third embodiment.

도 8에 있어서, 자기 저항 메모리 소자는 메모리 셀(30), 비트 라인(31), 컨택 플러그(35, 37), 및 워드 라인(38)을 포함한다.In FIG. 8 , the magnetoresistive memory element includes a memory cell 30 , a bit line 31 , contact plugs 35 and 37 , and a word line 38 .

메모리 셀(30)은 반도체 기판(32), 확산 영역(33, 34), 소스 라인(36), 게이트 절연막(39), 및 자기 터널 접합 구조(10)를 포함한다. 자기 터널 접합 구조(10)는 실시의 제1 형태의 자기 터널 접합 구조(10)에 대응되거나, 실시의 제2 형태의 자기 터널 접합 구조(20)를 이용할 수도 있다.The memory cell 30 includes a semiconductor substrate 32 , diffusion regions 33 and 34 , a source line 36 , a gate insulating film 39 , and a magnetic tunnel junction structure 10 . The magnetic tunnel junction structure 10 may correspond to the magnetic tunnel junction structure 10 of the first embodiment, or the magnetic tunnel junction structure 20 of the second embodiment may be used.

자기 저항 메모리 소자는, 복수의 메모리 셀(30)을 매트릭스 형상으로 배치하고, 복수 라인의 비트 라인(31) 및 복수 라인의 워드 라인(38)을 이용하여 상호 접속함으로써 형성된다. MRAM은 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 데이터의 기입 처리가 실행된다.The magnetoresistive memory element is formed by arranging a plurality of memory cells 30 in a matrix shape, and interconnecting them using a plurality of bit lines 31 and a plurality of word lines 38 . In the MRAM, data write processing is performed using the spin torque injection method.

반도체 기판(32)은 상면에 확산 영역(33, 34)을 가지며, 확산 영역(33)은 확산 영역(34)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 확산 영역(33)은 드레인 영역으로서 기능하며, 확산 영역(34)은 소스 영역으로서 기능한다. 확산 영역(33)은 컨택 플러그(37)를 통해 자기 터널 접합 구조(10)에 접속된다.The semiconductor substrate 32 has diffusion regions 33 and 34 on its upper surface, and the diffusion regions 33 are disposed at a predetermined distance from the diffusion region 34 . The diffusion region 33 functions as a drain region, and the diffusion region 34 functions as a source region. The diffusion region 33 is connected to the magnetic tunnel junction structure 10 through a contact plug 37 .

비트 라인(31)은 반도체 기판(32)의 상방에 배치됨과 더불어, 자기 터널 접합 구조(10)에 접속된다. 비트 라인(31)은 기입 회로(미도시) 및 독출 회로(미도시)에 접속되어 있다.The bit line 31 is disposed above the semiconductor substrate 32 and is connected to the magnetic tunnel junction structure 10 . The bit line 31 is connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

확산 영역(34)은 컨택 플러그(35)를 통해 소스 라인(36)에 접속된다. 소스 라인(36)은 기입 회로(미도시) 및 독출 회로(미도시)에 접속되어 있다.The diffusion region 34 is connected to the source line 36 through a contact plug 35 . The source line 36 is connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

워드 라인(38)은 확산 영역(33) 및 확산 영역(34)에 접하도록 게이트 절연막(39)을 통해 반도체 기판(32)에 배치된다. 워드 라인(38)과 게이트 절연막(39)은 선택 트랜지스터로서 기능한다. 워드 라인(38)은 도시하지 않은 회로로부터 전류가 공급되어 활성화되고, 선택 트랜지스터로서 턴-온 된다.The word line 38 is disposed on the semiconductor substrate 32 through the gate insulating film 39 so as to be in contact with the diffusion region 33 and the diffusion region 34 . The word line 38 and the gate insulating film 39 function as a selection transistor. The word line 38 is activated by supplying a current from a circuit not shown, and is turned on as a selection transistor.

이러한 자기 저항 메모리 소자는 비트 라인(31)과 확산 영역(33)이 전극으로서 자기 터널 접합 구조(10)에 전압을 인가하고, 전압 인가에 의해 일정 방향으로 가지런한 전자의 스핀 토크가 강자성체층의 자화 방향을 변화시킨다. 그리고, 전류 방향을 바꿈으로써, 자기 저항 메모리 소자에 기록되는 데이터의 값을 바꿀 수 있다. In such a magnetoresistive memory device, a voltage is applied to the magnetic tunnel junction structure 10 in which the bit line 31 and the diffusion region 33 are electrodes, and the spin torque of electrons aligned in a certain direction by the voltage application is the magnetization of the ferromagnetic layer. change the direction And, by changing the direction of the current, the value of data written in the magnetoresistive memory element can be changed.

이와 같이, 실시의 제3 형태의 자기 저항 메모리 소자에 의하면, -40℃ 내지 +150℃의 광범위한 동작 온도에서도 사용 가능한 저전력, 고속 반전, 및 고신뢰성을 가질 수 있다.As described above, according to the magnetoresistive memory device of the third embodiment, it is possible to have low power, high-speed inversion, and high reliability that can be used even at a wide operating temperature of -40°C to +150°C.

본 발명은 상기 실시의 형태들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절한 변경이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 자기 저항 소자는, 기판, 버퍼층, 고정층, 절연층, 자유층, 및 캡층의 각각의 사이에서 본 발명의 각 층의 기능을 해치지 않는 범위에서 다른 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 층간의 격자 부정합을 조정하기 위한 층이나, 격자 결함을 해소하는 층을 추가할 수도 있다. 또한, 기판은 절연층에서 볼 때, 자유층 측에 배치할 수도 있다.The present invention is not limited to the above embodiments, and appropriate changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the magnetoresistive element of the present invention may include other layers between each of the substrate, the buffer layer, the pinned layer, the insulating layer, the free layer, and the cap layer within a range that does not impair the function of each layer of the present invention. . For example, a layer for adjusting lattice mismatch between layers or a layer for resolving lattice defects may be added. Further, the substrate may be disposed on the free layer side when viewed from the insulating layer.

10: 자기 터널 접합 구조 11: 기판
12: 버퍼층 13: 고정층
13A: 제1 고정층 13B: 제2 고정층
14: 절연층 15, 25: 자유층
16: 반강자성 산화물층 17: 캡층
30: 메모리 셀 31: 비트 라인
32: 반도체 기판 33, 34: 확산 영역
35, 37: 컨택 플러그 36: 소스 라인
38: 워드 라인 39: 게이트 절연막10: magnetic tunnel junction structure 11: substrate
12: buffer layer 13: fixed layer
13A: first fixed layer 13B: second fixed layer
14: insulating layer 15, 25: free layer
16: antiferromagnetic oxide layer 17: cap layer
30: memory cell 31: bit line
32: semiconductor substrate 33, 34: diffusion region
35, 37: contact plug 36: source line
38: word line 39: gate insulating film

Claims (10)

소정의 자화 방향을 유지하는 고정층;
절연층;
자화 방향이 가변인 자유층; 및
반강자성 산화물층;을 차례로 적층하고,
상기 자유층과 상기 반강자성 산화물층이 직접 접촉하는,
자기 터널 접합 구조.a pinned layer maintaining a predetermined magnetization direction;
insulating layer;
a free layer having a variable magnetization direction; and
An antiferromagnetic oxide layer is sequentially stacked,
wherein the free layer and the antiferromagnetic oxide layer are in direct contact with each other,
Magnetic tunnel junction structure. 제1항에 있어서,
상기 자유층의 자기 이방성이 적층면에 대해 수직 방향인 자기 터널 접합 구조.According to claim 1,
A magnetic tunnel junction structure in which the magnetic anisotropy of the free layer is perpendicular to the lamination plane. 제1항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층으로부터 발생하는 바이어스 자계의 방향이 적층면 내에 평행 방향인 자기 터널 접합 구조.According to claim 1,
A magnetic tunnel junction structure in which the direction of the bias magnetic field generated from the antiferromagnetic oxide layer is parallel to the lamination plane. 제1항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층의 전기 저항이 상기 절연층의 전기 저항보다 작은 자기 터널 접합 구조.According to claim 1,
A magnetic tunnel junction structure in which an electrical resistance of the antiferromagnetic oxide layer is smaller than an electrical resistance of the insulating layer. 제1항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층의 두께가 0.5㎚ 이상이고 2㎚ 이하인 자기 터널 접합 구조.According to claim 1,
A magnetic tunnel junction structure wherein the antiferromagnetic oxide layer has a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less. 소정의 자화 방향을 유지하는 고정층, 절연층, 자화 방향이 가변인 자유층, 및 반강자성 산화물층을 차례로 적층하고, 상기 자유층과 상기 반강자성 산화물층이 직접 접촉하는 자기 터널 접합 구조; 및
상기 자기 터널 접합 구조에 전압을 인가하는 전극;을 포함하는,
자기 저항 메모리 소자.a magnetic tunnel junction structure in which a pinned layer maintaining a predetermined magnetization direction, an insulating layer, a free layer having a variable magnetization direction, and an antiferromagnetic oxide layer are sequentially stacked, and the free layer and the antiferromagnetic oxide layer are in direct contact; and
including; an electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction structure;
Magnetoresistive memory element. 제6항에 있어서,
상기 자유층의 자기 이방성이 적층면에 대해 수직 방향인 자기 저항 메모리 소자.7. The method of claim 6,
A magnetoresistive memory device in which the magnetic anisotropy of the free layer is perpendicular to the stacking plane. 제6항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층으로부터 발생하는 바이어스 자계의 방향이 적층면 내에 평행 방향인 자기 저항 메모리 소자.7. The method of claim 6,
A magnetoresistive memory device in which the direction of the bias magnetic field generated from the antiferromagnetic oxide layer is parallel to the stacking plane. 제6항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층의 전기 저항이 상기 절연층의 전기 저항보다 작은 자기 저항 메모리 소자.7. The method of claim 6,
A magnetoresistive memory device in which an electrical resistance of the antiferromagnetic oxide layer is smaller than an electrical resistance of the insulating layer. 제6항에 있어서,
상기 반강자성 산화물층의 두께가 0.5㎚ 이상이고 2㎚ 이하인 자기 저항 메모리 소자.
7. The method of claim 6,
A magnetoresistive memory device, wherein the antiferromagnetic oxide layer has a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less.
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