[go: up one dir, main page]

KR100369721B1 - 자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서상기 소자의 사용 - Google Patents

자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서상기 소자의 사용 Download PDF

Info

Publication number
KR100369721B1
KR100369721B1 KR10-2001-7001815A KR20017001815A KR100369721B1 KR 100369721 B1 KR100369721 B1 KR 100369721B1 KR 20017001815 A KR20017001815 A KR 20017001815A KR 100369721 B1 KR100369721 B1 KR 100369721B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ferromagnetic layer
layer element
ferromagnetic
nonmagnetic
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
KR10-2001-7001815A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010085371A (ko
Inventor
지크프리트 슈바르츨
Original Assignee
인피니언 테크놀로지스 아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인피니언 테크놀로지스 아게 filed Critical 인피니언 테크놀로지스 아게
Publication of KR20010085371A publication Critical patent/KR20010085371A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100369721B1 publication Critical patent/KR100369721B1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F13/00—Apparatus or processes for magnetising or demagnetising
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/155—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements with cylindrical configuration
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

본 발명은 제 1 강자성 층소자(11), 비자성 층소자(13) 및 제 2 강자성 층소자(12)를 포함하며, 상기 비자성 층소자(13)가 제 1 강자성 층소자(11)와 제 2 강자성 층소자(12) 사이에 배치된 자기 저항성 소자에 관한 것이다. 상기 제 1 강자성 층소자(11) 및 제 2 강자성 층소자(12)는 실제로 동일한 재료로 이루어지지만, 상기 층소자들이 적어도 한가지 크기 면에서는 상이한 치수를 가짐으로써, 비자성 층소자(13)에 대한 경계면에 평행한 상기 층소자들의 횡단면은 서로 상이하게 된다. 본 발명에 따른 자기 저항성 소자는 메모리 셀 장치내에서 센서 소자로서 뿐만 아니라 메모리 소자로서도 적합하다.

Description

자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서 상기 소자의 사용 {MAGNETORESISTIVE ELEMENT AND THE USE THEREOF AS STORAGE ELEMENT IN A STORAGE CELL ARRAY}
자기 저항성 소자를 센서 소자로서 또는 메모리 셀 장치용의, 소위 MRAM용의 메모리 소자로서 사용하는 예는 점점 증가하고 있다(S. Mengel, Technologieanalyse Magnetismus 2권, XMR-Technologien, 발행인 VDI Technologiezentrum Physikalische Technologien, 1997년 8월). 상기 전문 분야에서 자기 저항성 소자는 적어도 2개의 강자성 층 및 그 사이에 배치된 하나의 비자성 층을 포함하는 구조물이다. 그 경우에는 층구조물의 구성에 따라 GMR-소자, TMR-소자 및 CMR-소자간에 차이가 있다.
전문 분야에서 GMR-소자라는 개념은, 적어도 2개의 강자성 층 및 그 사이에 배치된 하나의 비자성 전도층을 포함하고 소위 GMR(giant magnetoresistance)-효과를 가진 층구조물에 대해 사용된다. GMR-효과하에서는, 2개의 강자성 층내에서 자화가 평행하게 이루어지는지 아니면 역평행하게 이루어지는지에 GMR-소자의 전기 저항이 의존한다는 사실이 이해된다. GMR-효과는 소위 AMR(anisotropic magnetoresistance)-효과에 비해 그 효과가 크다. AMR-효과란, 자화 도체내의 저항이 자화 방향에 대해 평행하게 및 수직으로 상이하다는 것을 의미한다. AMR-효과는 강자성 단일층내에서 나타나는 체적 효과이다.
전문 분야에서 TMR-소자라는 개념은 적어도 2개의 강자성 층 및 그 사이에 배치된 하나의 비자성 절연층을 포함하는 터널링 자기 저항(Tunneling Magnetoresistance) 층구조물에 대해 사용된다. 상기 절연층은 2개의 강자성 층 사이에서 터널 전류가 발생될 정도로 얇다. 상기 층구조물도 마찬가지로 2개의 강자성 층 사이에 배치된 비자성 절연층을 통과하는 스핀 극화된 터널 전류에 의해서 야기되는 자기 저항 효과를 갖는다. 이 경우에도 역시 TMR-소자의 전기 저항은 2개의 강자성 층내에서 자화가 평행하게 진행되는지 아니면 역평행하게 진행되는지에 의존한다. 이 경우 상대적인 저항 변동은 대략 6% 내지 대략 30%이다.
효과의 크기(실온에서 상대적인 저항 변동값이 100 내지 400) 때문에 콜로썰 자기 저항-효과(Collosal Magnetoresistance-Effect, CMR-효과)로 불리는 추가의 자기 저항 효과는 그 효과의 높은 보자력 때문에 자화 상태간의 전환을 위해 높은 자기장을 필요로 한다.
US-5 477 482호에서는 CMR-소자의 강자성 층들 및 비자성 층을 링형으로 형성하는 것이 제안되어 있는데, 상기 간행물에서 링은 서로 위아래로 포개지거나 또는 동심으로 서로의 내부에 배치된다.
GMR-소자 및 TMR-소자를 메모리 셀 장치내에서 메모리 소자로 사용하는 것이 제안된다(예를 들어 S. Tehrani et al, IEDM 96-193 amd D.D. Tang et a, IEDM 95-997 참조). 상기 메모리 소자들은 판독 라인을 통해 직렬로 접속된다. 상기 판독 라인에 대해 횡으로 워드 라인이 지나가며, 상기 워드 라인은 판독 라인에 대해서 뿐만 아니라 메모리 소자에 대해서도 절연된다. 워드 라인에 인가되는 신호는 워드 라인을 통해 흐르는 전류에 의해서, 세기가 충분할 때 그 아래에 있는 메모리 소자들에 영향을 미치는 자기장을 야기한다. 메모리 셀 장치내에서는, 자화가 2개의 강자성 층내에서 평행하게 이루어지는지 아니면 서로에 대해 역평행하게 이루어지는지에 따라 상기 메모리 셀의 저항이 상이하다는 사실이 이용된다. 그렇기 때문에 정보를 기록 입력하기 위해 하나의 강자성 층의 자화 방향은 고정되는 반면, 다른 강자성 층의 자화 방향은 스위칭 된다. 이 목적을 위해, xy-라인으로도 표기되고 메모리 셀에서 서로 교차되는 교차 라인들에 신호가 제공됨으로써, 자기 반전을 위해 충분한 자기장이 교차점에서 야기된다.
하나의 강자성 층내에서 자화 방향을 고정시키는 동작은, 자화를 고정시키는 인접한 반강자성 층에 의해서(참조 D.D. Tang et al, IEDM 95-997) 또는 상기 강자성 층들의 상이한 두께에 의해서(참조 Tehrani et al, IEDM 96-193) 이루어진다. 이 경우 상기 반강자성 층은, 자화 상태가 고정된 인접한 강자성 층과 다른 재료 조성을 갖는다.
2개 강자성 층들의 두께가 서로 상이하기 때문에, 하나의 강자성 층내에서 자화 방향에 영향을 미치기 위해 필요한 자기장은 다른 강자성 층내에서보다 더 높게 된다. 정보를 기록 입력하기 위한 자기장의 크기는, 상기 자기장이 2개 강자성 층들 중에서 하나의 층에서 다만 자화 방향에만 영향을 미칠 수 있도록 결정된다. 따라서 다만 상승된 자기장에 의해서만 전환 가능한, 다른 강자성 층내에서의 자화 방향은 자기장에 의해 영향을 받지 않는다.
한편으로는 제조 기술적인 이유에서 상기 강자성 층의 두께가 대략 5nm의 최소 층두께로 축소될 수 없고, 다른 한편으로는 규정된 자화 방향이 층평면에 대해 평행하게 존재해야 한다는 사실 때문에 GMR-소자 또는 TMR-소자내에 있는 강유전성 층의 최대 층두께가 제한되기 때문에, 상기 경우에는 스위칭 자기장을 정확하게 세팅하는 것이 필요하다.
본 발명은 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자를 포함하며, 상기 비자성 층소자가 제 1 강자성 층소자와 제 2 강자성 층소자 사이에 배치된 자기 저항성 소자에 관한 것이다.
도 1a는 자화 방향에 대해 수직인 제 1 강자성 소자 및 제 2 강자성 소자의 치수가 서로 상이한 평탄한 층소자를 포함하는 자기 저항성 소자의 평면도이고,
도 1b는 도 1a에서 Ib-Ib로 표기된 절단면을 보여주는 단면도이며,
도 2a는 자화 방향에 대해 평행한 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 치수가 서로 상이한 평탄한 층소자를 포함하는 자기 저항성 소자의 평면도이고,
도 2b는 도 2a에서 IIb-IIb로 표기된 절단면을 보여주는 단면도이며,
도 3a는 외부 직경이 서로 상이하고 서로 위아래로 적층된 중공 실린더 형태의 층소자들을 포함하는 자기 저항성 소자의 평면도이고,
도 3b는 도 3a에서 IIIb-IIIb로 표기된 절단면을 보여주는 단면도이며,
도 4a는 서로 동심으로 배치되고 높이가 서로 상이한 중공 실린더 형태의 층소자들을 포함하는 자시 저항성 소자의 평면도이고,
도 4b는 도 4a에서 IVb-IVb로 표기된 절단면을 보여주는 단면도이며,
도 5는 메모리 소자로서 자기 저항성 소자를 포함하는 메모리 셀 장치의 단면도이다.
본 발명의 목적은, 반도체 프로세스 기술의 범주내에서 우수한 수득율로 제조가 가능하며 스위칭 자기장의 세팅과 관련해서 민감하지 않은 자기 저항성 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명의 청구항 1, 4 또는 청구항 7에 따른 자기 저항성 소자에 의해서 달성된다. 본 발명의 추가 실시예들은 종속항에서 기술된다.
자기 저항성 소자는 무엇보다도 메모리 셀 장치내에서 메모리 소자로 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 자기 저항성 소자는 또한 센서 소자로도 사용이 가능하다.
자기 저항성 소자는 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자를 포함하며, 상기 비자성 층소자는 제 1 강자성 층소자와 제 2 강자성 층소자사이에 배치된다. 이 경우 비자성 층소자는 제 1 강자성 층소자에 대해서 뿐만 아니라 제 2 강자성 층소자에 대해서도 각각 하나의 경계면을 갖는다. 상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 실제로 동일한 재료로 이루어진다. 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 비자성 층소자에 대한 경계면에 평행한 적어도 한가지 크기 면에서는 상이한 치수를 갖는다.
제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자를 상기와 같이 상이하게 형성함으로써, 강자성 층소자내에서 자화 방향을 전환시키기 위해 필요한 자기장이 상이하게 된다. 이와 같은 효과는 형태 이방성으로 표기된다. 각각의 층소자의 층두께에 대해 수직인 치수는 상기 층두께보다 명백하게 더 크기 때문에, 상기 자기 저항성 소자의 상기 치수는 S. Tehrani et, al, IEDM 96-193에서 제안된 소자의 층두께보다 더 큰 차이를 나타낼 수 있다. 이와 같은 치수의 큰 차이는 개별 층내에서 자화 방향을 전환시키기 위해 필요한, 명백하게 상이한 자기장 세기를 야기한다. 그럼으로써 자기 저항성 소자는 스위칭 자기장의 정확한 세팅과 관련해서 덜 민감하게 된다.
제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 실제로 동일한 재료로 이루어지기 때문에, 자기 저항성 소자가 반도체 프로세스 기술, 특히 실리콘 프로세스 기술의 범주내에서는 그곳에서 나타난 약 450℃의 온도 부하로 제조될 수 있다. 상기 온도 범위에서는 자기 저항성 층구조물에 함유된 원소, 특히 Fe, Co, Ni, Cu 등의 확산 운동 때문에 상기 강자성 층소자의 특성을 변경시키는 확산을 고려해야만 한다. 염려되는 확산으로 인해, 상기 원소내에서의 자기 저항 효과의 원인이 되는스핀 의존성 전자 이동에 악영향을 미치는, 경계면 구역에서의 재료 조성의 변경이 야기된다. 따라서, 1nm 내지 5nm 범위의 유효 거리로 상기 경계면을 거쳐 이루어지는, 확산으로부터 기인되는 적은 재료 이동이 자기적 및 전기적 특성의 현저한 변경을 야기할 것이라고 예상된다. 그럼으로써 강자성 층내에서 자화 방향을 고정시키기 위해 반강자성 층을 사용하는 것도 역시 문제가 되는데, 그 이유는 반강자성 층이 재료 조성 면에서 강자성 층과 상이할 수밖에 없고, 인접한 층들 사이에서의 확산 과정으로 인한 재료 조성의 변경을 고려해야 하기 때문이다.
상기 문제점은 본 발명에 따른 자기 저항성 소자에서, 2개의 강자성 층소자가 실제로 동일한 재료로 이루어지고, 2개의 강자성 층소자 사이에서 농도 변화가 나타나지 않음으로써 달성된다. 2개의 강자성 층소자 사이에서 농도 변화가 나타나지 않음으로써, 비자성 층소자를 거쳐 이루어지는, 확산으로부터 기인되는 재료 이동을 위한 동기력(motive force)이 소멸된다.
상기 강자성 층소자들은 비자성 층소자에 대한 경계면에 평행한 임의의 횡단면을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 스택층으로 결합된 평탄한 층소자로 형성된다. 상기 실시예에서 연속층의 방향에 대해 수직인 적어도 한가지 크기 면에서는 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 치수가 상이하다. 상기 실시예에서 제 1 강자성 층 및 제 2 강자성 층이 연속층에 대해 수직인 한가지 크기 면에서 실제로 동일한 치수를 갖는 것은 본 발명의 범주에 속한다.
바람직한 강자성 층소자의 두께는 2nm 내지 20nm이다. 층두께에 대해 수직인 제 1 강자성 층소자의 치수는 50nm x 80nm 내지 250nm x 400nm이고, 제 2 강자성 층소자의 치수는 65nm x 80nm 내지 350nm x 400nm이며, 이 때 한가지 크기 면에서는 적어도 20% 내지 30%의 차이가 나타난다. 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 횡단면은 바람직하게 실제로 직사각형이다. 그러나 상기 횡단면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수도 있다.
본 발명의 추가의 일 실시예에서 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 각각 링 형태로 형성되며, 이 경우 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 링 폭은 서로 상이하다. 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 중공 실린더의 형태를 가지며, 상기 중공 실린더의 주축의 방향으로 적층된다. 상기 실시예에서 자성 스위치 보드 섹션의 형태 이방성은 상이한 링 폭에 의해서, 즉 개별 중공 실린더, 제 1 강자성 소자층 및 제 2 강자성 층소자의 외부 직경 및 내부 직경의 절반 차에 의해서 실현된다. 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 두께는 각각 2nm 내지 20nm이다. 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 외부 직경은 50nm 내지 400nm 범위에 있으며, 이 때 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 외부 직경 및/또는 내부 직경은 20% 내지 50% 만큼 서로 상이하다. 일 실시예에서는 제 1 강자성 층소자의 외부 직경이 75nm 내지 300nm이고, 제 2 강자성 층소자의 외부 직경이 100nm 내지 400nm이다.
본 발명의 추가 실시예에 따라 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자는 각각 중공 실린더로 형성되고 서로 동심으로 배치되며, 비자성 층소자는 제 1 강자성 층소자와 제 2 강자성 층소자 사이에 배치된다. 상기 경우에 실린더 축에 대해 평행한 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 높이는 서로 상이하다.상기 제 1 강자성 층소자의 높이는 바람직하게 50nm 내지 250nm이고, 제 2 강자성 층소자의 높이는 80nm 내지 400nm이며, 이 경우 높이의 차는 30nm 내지 150nm이고, 적어도 20% 내지 30%이어야 한다. 다른 실시예에서 제 1 강자성 층소자의 외부 직경은 70nm 내지 400nm이고, 내부 직경은 60nm 내지 390nm이고, 실린더의 주축에 평행한 높이는 35nm 내지 180nm이며, 제 2 강자성 층소자의 외부 직경은 60nm 내지 390nm이고, 내부 직경은 50nm 내지 380nm이고, 실린더의 주축에 평행한 높이는 50nm 내지 400nm이다.
상기 강자성 층소자들은 각각 바람직하게는 Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Gd, Dy 원소 중에서 적어도 하나의 원소를 함유한다. 비자성 층소자는 전도성뿐만 아니라 비전도성일 수도 있다. 바람직하게는 비자성 층소자가 비전도성인 것이 제안되며, Al2O3, NiO, HfO2, TiO2, NbO 및/또는 SiO2중에서 적어도 하나의 재료를 함유하고, 1nm 내지 4nm 범위에서 상기 강자성 층소자들에 대한 경계면에 수직인 치수를 갖는다. 이 경우 자기 저항성 소자는 GMR-소자에 비해서 터널층에 수직인 높은 전기 저항을 갖는 TMR-소자이다.
대안적으로는 상기 비자성 층소자가 예컨대 Cu, Au 또는 Ag과 같은 전도성 재료로 실현될 수 있고, 강자성 층소자들에 대한 경계면에 수직으로 2nm 내지 4nm의 치수를 갖는다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.
제 1 강자성 층소자(11), 비자성 층소자(13) 및 제 2 강자성 층소자(12)는 스택의 형태로 서로 위아래로 배치된다(도 1a, 도 1b 참조). 제 1 강자성 층소자(11)는 실제로 치수가 130nm x 250nm인 직사각형의 형상을 갖는다. 상기 제 1 강자성 층소자(11)는 층들이 연속되는 방향으로 10nm의 두께를 갖는다. 비자성 층소자(13)도 마찬가지로 실제로 치수가 130nm x 250nm인 직사각형의 횡단면을 갖는다. 상기 비자성 층소자(13)는 층들이 연속되는 방향으로 2nm의 두께를 갖는다. 제 2 강자성 층소자(12)는 실제로 치수가 200nm x 250nm인 직사각형의 횡단면을 갖는다. 상기 제 2 강자성 층소자(12)는 층들이 연속되는 방향으로 10nm의 두께를 갖는다.
상기 제 1 강자성 층소자(11) 및 비자성 층소자(13)는 제 2 강자성 층소자(12)와 동일한 길이를 갖지만, 폭은 제 2 강자성 층소자(12)보다 약간 더 작다. 제 1 강자성 층소자(11) 및 비자성 층소자(13)의 폭은 제 2 강자성 층소자(12) 위의 중앙에 배치된다. 제 1 강자성 층소자(1)내에 뿐만 아니라 제 2 강자성 층소자(12)내에도 개별 층소자들(11, 12)의 길이에 대해 평행한 바람직한 자화 방향들이 존재한다. 이 자화 방향들은 도 1a에서 이중 화살표로 표기되어 있다.
상기 제 1 강자성 층소자(11) 및 제 2 강자성 층소자(12)는 동일한 재료 조성을 갖는다. 상기 층소자들은 Co로 이루어진다. 비자성 층소자(13)는 Al2O3로 이루어진다.
상기 제 1 강자성 층소자(11)는 제 2 강자성 층소자(12)보다 더 높은 스위칭 임계값을 갖는다.
제 2 실시예에서는 Co로 이루어진 제 1 강자성 층소자(21), Al2O3로 이루어진 비자성 층소자(23) 및 Co로 이루어진 제 2 강자성 층소자(22)가 서로 위아래로 배치된다(도 2a, 도 2b). 제 1 강자성 층소자(21)는 실제로 길이가 250nm, 폭이 130nm이고 층들이 연속되는 방향으로 두께가 10nm인 직사각형의 형상을 갖는다. 제 2 강자성 층소자(22)도 마찬가지로 실제로 길이가 200nm, 폭이 130nm이고 층들이 연속되는 방향으로 두께가 10nm인 직사각형의 횡단면을 갖는다. 비자성 층소자(23)는 제 2 강자성 층소자(22)와 동일한 횡단면을 가지며, 연속층에 대해평행하게 2nm의 두께를 갖는다.
상기 제 1 강자성 층소자(21)내에서 및 제 2 강자성 층소자(22)내에서는 자화 방향을 갖는 자화 상태들이 각각 개별 층소자들(21, 22)의 길이에 대해 평행한 상태를 취한다. 자화 방향들은 도 2a에서 이중 화살표로 표기되어 있다.
상기 제 2 강자성 층소자(22) 및 비자성 층소자(23)는 길이 방향으로 제 1 강자성 층소자(21) 위의 중앙에 배치된다. 이와 같은 배치 상태에서는 제 1 강자성 층소자가 제 2 강자성 층소자(22)보다 더 높은 스위칭 임계값을 갖는다.
제 3 실시예에서는 자기 저항성 소자가 NiFe로 이루어진 제 1 강자성 층소자(31), NiFe로 이루어진 제 2 강자성 층소자(32) 및 Al2O3로 이루어진 비자성 층소자(33)를 포함하며, 상기 층소자들은 각각 실린더형의 횡단면을 갖는다(도 3a, 도 3b 참조). 제 1 강자성 층소자(31), 비자성 층소자(33) 및 제 2 강자성 층소자(32)는 중공 실린더의 주축의 방향으로 하나의 스택을 형성하도록 배치되며, 이와 같은 배치 상태에서 상기 비자성 층소자(33)는 제 1 강자성 층소자(31)와 제 2 강자성 층소자(32) 사이에 배치되고, 실린더의 축은 서로 같다.
상기 제 1 강자성 층소자(31) 및 제 2 강자성 층소자(32)는 각각 주축에 대해 평행하게 10nm의 두께를 갖는다. 제 1 강자성 층소자(31) 및 제 2 강자성 층소자(32)내에서는 링 형태의 자화 상태들이 세팅되며, 이 상태들은 시계 바늘 방향으로 또는 시계 바늘과 반대 방향으로 방향 설정될 수 있다.
상기 비자성 층소자(33)는 주축에 대해 평행하게 2nm의 두께를 갖는다. 제1 강자성 층소자(31)의 외부 직경은 200nm이고, 제 2 강자성 층소자(32)의 외부 직경은 250nm이며, 층소자들의 내부 직경은 모두 130nm이다.
상기와 같은 배치 상태에서는 제 1 강자성 층소자(31)가 제 2 강자성 층소자(32)보다 더 큰 스위칭 임계값을 갖는다.
유사하게, 서로 위아래로 적층된 중공 실린더 형태의 층소자들은 내부 직경 면에서 또는 내부/외부 직경 면에서 서로 상이할 수 있다.
제 4 실시예에서는 NiFe로 이루어진 제 1 강자성 층소자(41), Al2O3로 이루어진 비자성 층소자(43) 및 NiFe로 이루어진 제 2 강자성 층소자(42)가 제공되며, 상기 층소자들은 각각 중공 실린더의 형상을 가지고 서로 동심으로 배치된다. 본 실시예에서 비자성 층소자(43)는 제 1 강자성 층소자(41)와 제 2 강자성 층소자(42) 사이에 배치된다(도 4a, 도 4b 참조).
상기 제 1 강자성 층소자(41)는 대략 270nm의 외부 직경, 대략 260nm의 내부 직경 및 중공 실린더의 주축에 대해 평행하게 180nm의 높이를 갖는다. 비자성 층소자(43)는 대략 260nm의 외부 직경, 2nm의 두께 및 중공 실린더의 주축에 대해 평행하게 적어도 180nm의 높이를 갖는다. 제 2 강자성 층소자(42)는 대략 258nm의 외부 직경, 대략 250nm의 내부 직경 및 중공 실린더의 주축에 대해 평행하게 250nm의 높이를 갖는다. 제 1 강자성 층소자(41) 및 비자성 층소자(43)는 높이와 관련해서 제 2 강자성 층소자(42) 위의 중앙에 배치된다.
상기 제 1 강자성 층소자(41)내에서 및 제 2 강자성 층소자(42)내에서 자화는 링 형태이고, 시계 바늘 방향으로 또는 시계 바늘과 반대 방향으로 방향 설정될 수 있다. 이 자화 방향은 도 4a에서 이중 화살표로 표기되어 있다.
상기와 같은 배치 상태에서는 제 1 강자성 층소자(41)가 제 2 강자성 층소자(42)보다 더 높은 스위칭 임계값을 갖는다.
도 1a 내지 도 4b를 참조하여 전술한 바와 같이 형성된 자기 저항성 소자를 메모리 셀(S)로서 포함하는 메모리 셀 장치를 구성하기 위해, 상기 메모리 소자(S)는 래스터(raster) 형태로 배치된다(도 5 참조). 이 경우 각각의 메모리 소자(S)는 제 1 라인(L)과 제 2 라인(L2) 사이에 접속된다. 제 1 라인(L1)은 서로 평행하게 뻗고, 마찬가지로 서로 평행하게 뻗는 제 2 라인(L2)과 교차된다. 하나의 메모리 소자(S)를 기록하기 위해, 상기 메모리 소자(S)가 배치된 제 1 라인(L1)과 제 2 라인(L2)의 교차점에서 제 2 강자성 층소자의 자화 방향을 전환시키기에 충분한 자기장을 형성하는 전류가 관련 제 1 라인(L1) 및 관련 제 2 라인(L2)에 각각 인가된다. 이 때 개별 교차점에서 작용하는 자기장은 제 1 라인(L1)내에서 흐르는 전류에 의해 유도된 자기장 및 제 2 라인(L2)내에서 흐르는 전류에 의해 유도된 자기장의 오버랩으로부터 형성된다.

Claims (11)

  1. - 비자성 층소자(13, 23)가 제 1 강자성 층소자(11, 21)와 제 2 강자성 층소자(12, 22) 사이에 배치되도록 스택의 형태로 서로 위아래로 배치되고 각각 평탄한 층소자로 형성된 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 제공되며, 상기 비자성 층소자가 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자에 대해 각각 하나의 경계면을 가지며,
    - 상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 실제로 동일한 재료로 이루어지며,
    - 상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 스택의 형태로 된 연속층에 대해 수직인 한가지 크기 면에서는 실제로 동일한 치수를 갖도록 구성된 자기 저항성 소자에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(11, 21) 및 제 2 강자성 층소자(12, 22)의 치수가 연속층에 대해 수직인 한가지 크기 면에서는 적어도 20% 만큼 상이한 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(11, 21) 및 제 2 강자성 층소자(12, 22)의 치수가 연속층에 대해 수직인 한가지 크기 면에서는 적어도 30% 만큼 상이한 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    - 상기 제 1 강자성 층소자(11, 21)가 연속층에 대해 수직으로는 50nm x 80nm 내지 250nm x 400nm의 치수를 갖고, 연속층에 대해 평행하게는 2nm 내지 20nm의 두께를 가지며,
    - 상기 제 2 강자성 층소자(12, 22)가 연속층에 대해 수직으로는 65nm x 80nm 내지 350nm x 400nm의 치수를 갖고, 연속층에 대해 평행하게는 2nm 내지 20nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  4. - 비자성 층소자(33)가 제 1 강자성 층소자(31)와 제 2 강자성 층소자(32) 사이에 배치되도록 스택의 형태로 서로 위아래로 배열된 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 제공되며, 상기 비자성 층소자가 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자에 대해 각각 하나의 경계면을 가지며,
    - 상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 실제로 동일한 재료로 이루어진 자기 저항성 소자에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(31), 비자성 층소자(33) 및 제 2 강자성 층소자(32)가 각각 중공 실린더 형태로 형성되며,
    상기 제 1 강자성 층소자(31)의 외부 직경 및/또는 내부 직경은 상기 제 2 강자성 층소자(32)의 외부 직경 또는 내부 직경과 서로 상이하며,
    상기 제 1 강자성 층소자(31), 비자성 층소자(33) 및 제 2 강자성 층소자(32)가 중공 실린더의 주축의 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(31) 및 제 2 강자성 층소자(32)의 두께가 각각 2 nm 내지 20nm이고,
    상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 외부 직경은 50nm 내지 400nm 범위에 놓이며,
    상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자의 외부 직경 및/또는 내부 직경이 20% 내지 50% 만큼 서로 상이한 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(31)의 외부 직경은 75nm 내지 300nm이고, 실린더의 주축에 대해 평행한 제 1 강자성 층소자(31)의 두께는 2nm 내지 20nm이며,
    상기 제 2 강자성 층소자(32)의 외부 직경은 100nm 내지 400nm이고, 실린더의 주축에 대해 평행한 제 2 강자성 층소자(32)의 두께는 2nm 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  7. - 비자성 층소자(43)가 제 1 강자성 층소자(41)와 제 2 강자성 층소자(42) 사이에 배치되도록 배열된 제 1 강자성 층소자, 비자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 제공되며, 상기 비자성 층소자가 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자에 대해 각각 하나의 경계면을 가지며,
    - 상기 제 1 강자성 층소자 및 제 2 강자성 층소자가 실제로 동일한 재료로 이루어진 자기 저항성 소자에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(41), 비자성 층소자(43) 및 제 2 강자성 층소자(42)가 각각 중공 실린더로 형성되며,
    상기 제 1 강자성 층소자(41), 비자성 층소자(43) 및 제 2 강자성 층소자(42)가 서로 동심으로 배치되며,
    상기 비자성 층소자(43)가 중공 실린더의 방사 방향과 관련하여 제 1 강자성 층소자(41)와 제 2 강자성 층소자(42) 사이에 배치되며,
    실린더의 주축에 대해 평행한 제 1 강자성 층소자(41) 및 제 2 강자성 층소자(42)의 높이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(41)의 높이는 50nm 내지 250nm이고,
    상기 제 2 강자성 층소자(42)의 높이는 80nm 내지 400nm이며,
    상기 층소자들의 높이의 차가 30nm 내지 150nm인 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(41)의 외부 직경은 70nm 내지 400nm이고, 내부 직경은 60nm 내지 390nm이며, 실린더의 주축에 대해 평행한 높이는 35nm 내지 180nm이며,
    상기 제 2 강자성 층소자(42)의 외부 직경은 60nm 내지 390nm이고, 내부 직경은 50nm 내지 380nm이며, 실린더의 주축에 대해 평행한 높이는 50nm 내지 400nm인 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  10. 제 1항, 2항, 4항, 5항, 6항, 7항, 8항 또는 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비자성 층소자(13, 23, 33, 43)가 NiO, HfO2, TiO2, NbO, SiO2중에서 적어도 하나의 재료를 함유하고, 1nm 내지 4nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
  11. 제 1항, 2항, 4항, 5항, 6항, 7항, 8항 또는 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 층소자(11, 21, 31, 41) 및 제 2 강자성 층소자(12, 22, 32, 42)가 각각 Cr, Mn, Gd, Dy 원소 중에서 적어도 하나의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 저항성 소자.
KR10-2001-7001815A 1998-08-12 1999-08-02 자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서상기 소자의 사용 Expired - Fee Related KR100369721B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19836568 1998-08-12
DE19836568.3 1998-08-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010085371A KR20010085371A (ko) 2001-09-07
KR100369721B1 true KR100369721B1 (ko) 2003-01-30

Family

ID=7877320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-7001815A Expired - Fee Related KR100369721B1 (ko) 1998-08-12 1999-08-02 자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서상기 소자의 사용

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6577526B1 (ko)
EP (1) EP1105890B1 (ko)
JP (1) JP3650735B2 (ko)
KR (1) KR100369721B1 (ko)
CN (1) CN1182552C (ko)
DE (1) DE59903851D1 (ko)
TW (1) TW455880B (ko)
WO (1) WO2000010178A1 (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100427183B1 (ko) * 2000-12-16 2004-04-17 한국전기연구원 고감도 자기 저항 소자 및 그 제조 방법
JP3661652B2 (ja) * 2002-02-15 2005-06-15 ソニー株式会社 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
JP4016101B2 (ja) * 2002-08-22 2007-12-05 国立大学法人大阪大学 磁性メモリ、磁性メモリアレイ、磁性メモリの記録方法、及び磁性メモリの読み出し方法
JP3788964B2 (ja) 2002-09-10 2006-06-21 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ
JP3893456B2 (ja) * 2002-10-18 2007-03-14 国立大学法人大阪大学 磁性メモリ及び磁性メモリアレイ
US6956257B2 (en) * 2002-11-18 2005-10-18 Carnegie Mellon University Magnetic memory element and memory device including same
JP3866649B2 (ja) * 2002-11-28 2007-01-10 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ
JP3987924B2 (ja) * 2002-12-13 2007-10-10 国立大学法人大阪大学 磁性メモリアレイ、磁性メモリアレイの書き込み方法及び磁性メモリアレイの読み出し方法
US7027321B2 (en) * 2004-01-10 2006-04-11 Honeywell International Inc. Tunneling anisotropic magnetoresistive device and method of operation
US7120048B2 (en) * 2004-06-21 2006-10-10 Honeywell International Inc. Nonvolatile memory vertical ring bit and write-read structure
KR100707170B1 (ko) 2004-08-23 2007-04-13 삼성전자주식회사 균일한 스위칭 특성을 가지며 저 전류 스위칭이 가능한자기 메모리 소자 및 그 동작방법
US7116575B1 (en) * 2005-03-23 2006-10-03 Honeywell International Inc. Architectures for CPP ring shaped (RS) devices
KR100647334B1 (ko) * 2005-09-01 2006-11-23 삼성전자주식회사 강유전성 정보 저장 장치 및 정보 저장/재생방법
US7868404B2 (en) * 2007-11-01 2011-01-11 Nve Corporation Vortex spin momentum transfer magnetoresistive device
DE102010055754A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Sensitec Gmbh Magnetoresistives Sensorelement
JP5592909B2 (ja) * 2012-03-06 2014-09-17 株式会社東芝 磁気メモリ
JP5664706B2 (ja) * 2012-07-05 2015-02-04 株式会社デンソー 磁気センサ
CN111108617B (zh) * 2019-12-24 2021-02-02 长江存储科技有限责任公司 磁阻随机存取存储器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5012444A (en) * 1990-04-04 1991-04-30 Honeywell Inc. Opposed field magnetoresistive memory sensing
US5477482A (en) 1993-10-01 1995-12-19 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Ultra high density, non-volatile ferromagnetic random access memory
DE69412649T2 (de) * 1994-11-21 1999-04-15 International Business Machines Corp., Armonk, N.Y. Magnetoresistiver fühler
US5541868A (en) 1995-02-21 1996-07-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Annular GMR-based memory element
US6111784A (en) * 1997-09-18 2000-08-29 Canon Kabushiki Kaisha Magnetic thin film memory element utilizing GMR effect, and recording/reproduction method using such memory element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002522917A (ja) 2002-07-23
KR20010085371A (ko) 2001-09-07
CN1182552C (zh) 2004-12-29
DE59903851D1 (de) 2003-01-30
CN1323442A (zh) 2001-11-21
TW455880B (en) 2001-09-21
JP3650735B2 (ja) 2005-05-25
EP1105890B1 (de) 2002-12-18
US6577526B1 (en) 2003-06-10
EP1105890A1 (de) 2001-06-13
WO2000010178A1 (de) 2000-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100369721B1 (ko) 자기 저항성 소자 및 메모리 셀 장치내에 메모리 소자로서상기 소자의 사용
US8422278B2 (en) Memory with separate read and write paths
US6462980B2 (en) MRAM memory with drive logic arrangement
US6381171B1 (en) Magnetic element, magnetic read head, magnetic storage device, magnetic memory device
US7940551B2 (en) STRAM with electronically reflective insulative spacer
US9041083B2 (en) Flux-closed STRAM with electronically reflective insulative spacer
US8023316B2 (en) Magnetic tunnel junction with compensation element
KR101468745B1 (ko) 자기 메모리 셀 및 랜덤 액세스 메모리
US20080299680A1 (en) Methods of forming magnetic memory devices
US8537607B2 (en) Staggered magnetic tunnel junction
KR100576927B1 (ko) 자기저항 소자

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0105 International application

Patent event date: 20010212

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20010212

Comment text: Request for Examination of Application

PG1501 Laying open of application
E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20021024

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20030114

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20030115

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20051230

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20061228

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20080103

Start annual number: 6

End annual number: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20090105

Start annual number: 7

End annual number: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20100106

Start annual number: 8

End annual number: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20110107

Start annual number: 9

End annual number: 9

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20120106

Start annual number: 10

End annual number: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130104

Year of fee payment: 11

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20130104

Start annual number: 11

End annual number: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140102

Year of fee payment: 12

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20140102

Start annual number: 12

End annual number: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141231

Year of fee payment: 13

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20141231

Start annual number: 13

End annual number: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151217

Year of fee payment: 14

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20151217

Start annual number: 14

End annual number: 14

LAPS Lapse due to unpaid annual fee
PC1903 Unpaid annual fee

Termination category: Default of registration fee

Termination date: 20171025