KR101635141B1 - Magnetic memory device - Google Patents

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KR101635141B1 KR1020090086084A KR20090086084A KR101635141B1 KR 101635141 B1 KR101635141 B1 KR 101635141B1 KR 1020090086084 A KR1020090086084 A KR 1020090086084A KR 20090086084 A KR20090086084 A KR 20090086084A KR 101635141 B1 KR101635141 B1 KR 101635141B1
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Abstract

자기 메모리 소자가 제공된다. 이 자기 메모리 소자는 기판 및 기판 상에 차례로 적층된 하부 자성체, 터널 베리어, 및 상부 자성체를 포함할 수 있다. 하부 자성체는 기판에 인접하게 배치되고 조밀육방격자(Hexagonal Close-Packing, HCP)구조를 갖는 하부 수직 자성층을 포함할 수 있다.A magnetic memory element is provided. The magnetic memory element may include a substrate and a lower magnetic body, a tunnel barrier, and an upper magnetic body that are sequentially stacked on the substrate. The lower magnetic body may include a lower perpendicular magnetic layer disposed adjacent to the substrate and having a Hexagonal Close-Packing (HCP) structure.

자기 메모리, 자기터널접합(MTJ), 자기 이방성 Magnetic memory, magnetic tunnel junction (MTJ), magnetic anisotropy

Description

자기 메모리 소자 {MAGNETIC MEMORY DEVICE}[0001] MAGNETIC MEMORY DEVICE [0002]

본 발명의 메모리 소자 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 메모리 소자에 관한 것이다.To a memory device of the present invention, and more particularly to a magnetic memory device.

전자 기기의 고속화, 저소비전력화에 따라 이에 내장되는 메모리 소자 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족하는 기억 소자로 자기 메모리 소자가 연구되고 있다. 자기 메모리 소자는 고속동작 및/또는 비휘발성의 특성을 가질 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다.As the speed of electronic devices is increased and the power consumption is lowered, a memory device embedded therein is also required to have a fast read / write operation and a low operating voltage. A magnetic memory device has been studied as a memory device that satisfies such a demand. Magnetic memory devices can have high-speed operation and / or non-volatile characteristics, and are thus attracting attention as next-generation memories.

일반적으로 알려진 자기 메모리 소자는 자기터널접합패턴(Magnetic Tunnel Junction pattern:MTJ)을 포함할 수 있다. 자기터널접합 패턴은 두 개의 자성체와 그 사이에 개재된 절연막에 의해 형성되는 것으로, 두 자성체의 자화 방향에 따라 상기 자기터널접합 패턴의 저항값이 달라질 수 있다. 구체적으로, 두 자성체의 자화 방향이 반평행할 때 자기터널접합패턴은 큰 저항값을 갖고, 두 자성체의 자화 방향이 평행한 경우 자기터널접합패턴은 작은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값의 차이를 이용하여 데이터를 기입/판독할 수 있다. A generally known magnetic memory device may include a magnetic tunnel junction pattern (MTJ). The magnetic tunnel junction pattern is formed by two magnetic bodies and an insulating film interposed therebetween, and the resistance value of the magnetic tunnel junction pattern may be changed according to the magnetization directions of the two magnetic bodies. Specifically, when the magnetization directions of the two magnetic bodies are antiparallel, the magnetic tunnel junction pattern has a large resistance value, and when the magnetization directions of the two magnetic bodies are parallel, the magnetic tunnel junction pattern may have a small resistance value. Data can be written / read using the difference in resistance value.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 신뢰성이 향상된 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetic memory device with improved reliability.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 구동 전력이 감소된 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a magnetic memory device with reduced driving power.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 자기 메모리 소자가 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자는 기판; 및 상기 기판 상에 차례로 적층된 하부 자성체, 터널 베리어, 및 상부 자성체를 포함한다. 상기 하부 자성체는, 상기 기판에 인접하고 조밀육방격자(Hexagonal Close-Packing, HCP)구조를 갖는 하부 수직 자성층을 포함한다.A magnetic memory device for solving the above-mentioned technical problems is provided. A magnetic memory device according to embodiments of the present invention includes a substrate; And a lower magnetic body, a tunnel barrier, and an upper magnetic body that are sequentially stacked on the substrate. The lower magnetic body includes a lower perpendicular magnetic layer adjacent to the substrate and having a Hexagonal Close-Packing (HCP) structure.

일 실시예에서, 상기 조밀육방격자의 c축(c-axis)은 상기 기판 평면에 실질적으로 수직할 수 있다.In one embodiment, the c-axis of the dense hexagonal lattice may be substantially perpendicular to the substrate plane.

일 실시예에서, 상기 c축은 상기 하부 수직 자성층의 자화 용이축일 수 있다.In one embodiment, the c-axis may be an easy magnetization axis of the lower perpendicular magnetic layer.

일 실시예에서, 상기 자기 메모리 소자는 상기 기판과 상기 하부 수직 자성층 사이의 조밀육방격자를 포함하는 시드층(seed layer)을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the magnetic memory element may further include a seed layer including a dense hexagonal lattice between the substrate and the lower perpendicular magnetic layer.

일 실시예에서, 상기 상부 자성체는 조밀육방격자구조를 갖는 상부 수직 자성층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the upper magnetic body may further include an upper perpendicular magnetic layer having a dense hexagonal lattice structure.

일 실시예에서, 상기 하부 자성체는 상기 하부 수직 자성층 상에 상기 터널 베리어와 인접한 하부 자기 접합층을 포함하고, 상기 상부 자성체는 상기 상부 수직 자성층 아래에 상기 터널 베리어와 인접한 상부 자기 접합층을 포함할 수 있다.In one embodiment, the lower magnetic body includes a lower magnetic bonding layer adjacent to the tunnel barrier on the lower perpendicular magnetic layer, and the upper magnetic body includes an upper magnetic bonding layer adjacent to the tunnel barrier below the upper perpendicular magnetic layer .

일 실시예에서, 상기 자기 메모리 소자는 상기 하부 수직 자성층과 상기 하부 자기 접합층 사이 및/또는 상기 상부 수직 자성층과 상기 상부 자기 접합층 사이의 교환결합 조절층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the magnetic memory element may further include an exchange coupling control layer between the lower perpendicular magnetic layer and the lower magnetic bonding layer and / or between the upper perpendicular magnetic layer and the upper magnetic bonding layer.

일 실시예에서, 상기 상부 성체는 상기 상부 수직 자성층 상에 교대로 복수회 적층된 비자성층들 및 강자성층들을 더 포함할 수 있다. 상기 강자성층들은 원자층 두께를 가질 수 있다.In one embodiment, the upper body may further include non-magnetic layers and ferromagnetic layers stacked alternately a plurality of times on the upper perpendicular magnetic layer. The ferromagnetic layers may have an atomic layer thickness.

일 실시예에서, 상기 하부 수직 자성층은 10 내지 45at.%의 백금 함량의 무질서 코발트-백금 합금 또는 질서 합금인 Co3Pt을 포함할 수 있다.In one embodiment, the lower perpendicular magnetic layer may comprise Co 3 Pt, a disordered cobalt-platinum alloy or ordered alloy of platinum content of 10 to 45 at.%.

본 발명의 실시예들에 따르면, 기판에 수직한 자화용이축을 갖는 조밀육방구조를 갖는 자성층을 포함할 수 있다. 이에 의해, 상기 자성층을 통과하는 전자들의 스핀들의 방향이 보다 용이하게 상기 기판에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 따라서, 상기 자성층을 포함하는 자기 터널 접합의 자기저항비가 향상될 수 있다. 또한, 상기 자기 터널 접합을 포함하는 자기 메모리 소자의 스위칭 전류가 감소될 수 있다.According to embodiments of the present invention, a magnetic layer having a dense hexagonal structure having an axis of easy magnetization perpendicular to the substrate can be included. Thereby, the direction of the spindle of the electrons passing through the magnetic layer can be more easily aligned in the direction perpendicular to the substrate. Therefore, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the magnetic layer can be improved. In addition, the switching current of the magnetic memory device including the magnetic tunnel junction can be reduced.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 소자 및 그 형성방법이 설명된다. 설명되는 실시예들은 본 발명의 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 명세서에서 일 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 위치한다는 것은 일 구성요소 상에 다른 구성요소가 직접 위치한다는 의미는 물론, 상기 일 구성요소 상에 제3 의 구성요소가 더 위치할 수 있다는 의미도 포함한다. 본 명세서 각 구성요소 또는 부분 등을 제1, 제2 등의 표현을 사용하여 지칭하였으나, 이는 명확한 설명을 위해 사용된 표현으로 이에 의해 한정되지 않는다. 도면에 표현된 구성요소들의 두께 및 상대적인 두께는 본 발명의 실시예들을 명확하게 표현하기 위해 과장된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 상부 및 하부 등 위치에 관련된 표현들은 설명의 명확함을 위한 상대적인 표현들로 절대적인 구성요소들간의 위치를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, a magnetic memory device and a method of forming the same according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments are provided so that those skilled in the art can readily understand the spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto. The embodiments of the present invention may be modified in other forms within the scope and spirit of the present invention. As used herein, the term " and / or " is used to include at least one of the preceding and following elements. It is to be understood that the presence of one element on another element in this specification means that the other element is directly located on one element and that a third element may be further located on the one element It also includes meaning. Although each element or portion of the specification is referred to by using the expressions of the first and second expressions, it is not limited thereto. The thicknesses and relative thicknesses of the components shown in the figures may be exaggerated to clearly illustrate the embodiments of the present invention. Furthermore, the expressions relating to the upper and lower positions of the present specification are not intended to limit the position between absolute elements in relative expressions for clarity of explanation.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 기판(110) 상에 하부 전극(120)이 배치된다. 상기 기판(110) 반도체 원소 기판의 기판 및 금속 화합물 기반의 기판을 포함하는 다양한 기판들 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 기판(110)은 도전 영역 및/또는 절연 영역을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(120)은 상기 기판(110) 상에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이와 달리 상기 기판(110) 내에 포함될 수도 있다. 상기 하부 전극(120)은 전극 또는 전극 콘택일 수 있다. 상기 하부 전극(120)은 상기 기판(110) 내의 상기 도전 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 전극(120)은 상기 기판(100) 내에 포함된 트랜지스터 및 다이오드를 포함하는 스위칭 소자들 중 적어도 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.Hereinafter, with reference to FIG. 1, a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention will be described. A lower electrode 120 is disposed on the substrate 110. The substrate 110 may be any one selected from various substrates including a substrate of a semiconductor element substrate and a substrate of a metal compound. The substrate 110 may include a conductive region and / or an insulating region. Although the lower electrode 120 is illustrated as being disposed on the substrate 110, the lower electrode 120 may alternatively be included in the substrate 110. The lower electrode 120 may be an electrode or an electrode contact. The lower electrode 120 may be electrically connected to the conductive region in the substrate 110. For example, the lower electrode 120 may be electrically connected to at least one of the switching elements including the transistor and the diode included in the substrate 100.

상기 기판(110) 상에 시드층(seed layer, 130)이 배치된다. 상기 시드층(130)은 조밀육방격자(Hexagonal Closed-Packing, HCP)를 구성하는 금속 원자들을 포함할 수 있다. 상기 조밀육방격자는 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 a축들과 상기 a축들과 함께 육각형 평면을 구성하는 3개의 b축들 그리고 상기 육각형 평면에 실질적으로 수직한 c축들을 포함하는 격자일 수 있다. 상기 a축들 및 b축들에 의해 구성되는 육각형 평면은 상기 기판(110)의 평면에 실질적으로 평행하고, 상기 c축들은 상기 기판(110)의 평면에 실질적으로 수직할 수 있다. 즉, 상기 시드층(130)을 구성하는 결정구조의 <0001> 결정면은 상기 기판(110) 평면에 평행할 수 있다. 상기 시드층(130)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)은 10 내지 100Å로 형성될 수 있다. 상기 시드층(130)은 루테늄(Ru) 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 시드층(130)은 면심입방격자(Face Centered Cubic, FCC)를 구성하는 금속원자들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.A seed layer 130 is disposed on the substrate 110. The seed layer 130 may include metal atoms constituting Hexagonal Closed-Packing (HCP). The dense hexagonal lattice may be a lattice including three a-axes and three b-axes forming a hexagonal plane with the a-axes and c-axes substantially perpendicular to the hexagonal plane, as shown in Fig. The hexagonal planes constituted by the a-axes and the b-axes may be substantially parallel to the plane of the substrate 110, and the c-axes may be substantially perpendicular to the plane of the substrate 110. In other words, the crystal plane of the crystal structure constituting the seed layer 130 may be parallel to the plane of the substrate 110. The seed layer 130 may be formed to have a small thickness. For example, the seed layer 130 may be formed to a thickness of 10 to 100 angstroms. The seed layer 130 may include ruthenium (Ru) or titanium (Ti). Alternatively, the seed layer 130 may include metal atoms constituting a face centered cubic (FCC). For example, the seed layer 130 may include platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al).

상기 시드층(130) 상에 자유 자성체(140)가 배치될 수 있다. 상기 자유 자성체(140)는 시드층(130)과 접하는 수직 자유 자성층(142)과 상기 수직 자유 자성 층(142) 상의 접합 자유 자성층(148)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 달리, 상기 수직 자유 자성층(142)과 상기 접합 자유 자성층(148)은 복수의 층들을 포함할 수도 있다. A free magnetic body 140 may be disposed on the seed layer 130. The free magnetic body 140 may include a vertical free magnetic layer 142 in contact with the seed layer 130 and a free magnetic coupling layer 148 on the vertical free magnetic layer 142. The vertical free magnetic layer 142 and the free magnetic coupling layer 148 may include a plurality of layers.

상기 수직 자유 자성층(142)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)에 포함되는 원자들은 조밀육방격자를 구성할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)의 상기 조밀육방격자는 도 3에 도시된 바와 같이 a축, b축 및 c축으로 구성될 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)을 구성하는 상기 조밀육방격자의 c축은 상기 기판(110) 평면에 실질적으로 수직할 수 있다. 다시 말해, 상기 수직 자유 자성층(142)을 구성하는 상기 조밀육방격자의 <0001>면은 상기 기판(110) 평면에 평행할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)의 자화용이축은 상기 c축일 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 자유 자성층(142)의 자화방향은 상기 기판(110)에 대해 수직할 수 있다. 즉, 상기 수직 자유 자성층(142)은 상기 기판(110) 평면에 수직한 방향의 자기 이방성을 가질 수 있다.The vertical free magnetic layer 142 may include a ferromagnetic material. The atoms contained in the vertical free magnetic layer 142 may constitute a dense hexagonal lattice. The dense hexagonal lattice of the vertical free magnetic layer 142 may be composed of a-axis, b-axis, and c-axis as shown in FIG. The c-axis of the dense hexagonal lattice constituting the perpendicular free magnetic layer 142 may be substantially perpendicular to the plane of the substrate 110. In other words, the <0001> plane of the dense hexagonal lattice constituting the perpendicular free magnetic layer 142 may be parallel to the plane of the substrate 110. The easy magnetization axis of the vertical free magnetic layer 142 may be the c-axis. Accordingly, the magnetization direction of the vertical free magnetic layer 142 may be perpendicular to the substrate 110. That is, the perpendicular free magnetic layer 142 may have magnetic anisotropy perpendicular to the plane of the substrate 110.

상기 수직 자유 자성층(142)의 강자성 특징과 상기 격자 구조는 상기 수직 자유 자성층(142)을 구성하는 원자들의 종류 및/또는 상기 원자들의 함량에 기인할 수 있다.The ferromagnetic characteristics and the lattice structure of the perpendicular free magnetic layer 142 may be attributed to the kind of atoms constituting the perpendicular free magnetic layer 142 and / or the contents of the atoms.

일 실시예에서, 상기 수직 자유 자성층(142)은 10 내지 45 at. %의 백금 원자의 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금(disordered alloy)을 포함할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142) 내의 상기 백금 원자의 함량은, 예를 들어, 20 내지 30 at.%일 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 자유 자성층(142)은 붕소(B), 크롬(Cr) 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the vertical free magnetic layer 142 is between 10 and 45 at. Platinum (CoPt) disordered alloy having a content of platinum atoms in the alloy. The content of the platinum atoms in the perpendicular free magnetic layer 142 may be, for example, 20 to 30 at.%. The vertical free magnetic layer 142 may further include a nonmagnetic material. For example, the vertical free magnetic layer 142 may further include at least one selected from boron (B), chromium (Cr), and copper (Cu).

다른 실시예에서, 상기 수직 자유 자성층(142)은 질서합금인 Co3Pt를 포함할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 자유 자성층(142)은 붕소(B), 크롬(Cr), 실리콘(Si) 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. In another embodiment, the perpendicular free magnetic layer 142 may comprise Co 3 Pt, which is a ordered alloy. The vertical free magnetic layer 142 may further include a nonmagnetic material. For example, the perpendicular free magnetic layer 142 may further include at least one selected from boron (B), chromium (Cr), silicon (Si), and copper (Cu).

또 다른 실시예에서, 상기 수직 자유 자성층(142)은 복층으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 수직 자유 자성층(142)은 상기 시드층(130) 상에 차례로 적층된 조밀육방격자를 갖는 제1 자유 강자성층과 상기 제1 자유 강자성층 상의 제2 자유 강자성층을 포함할 수 있다. 상기 제1 자유 강자성층은 앞서 설명된 수직 자유 자성층(142)의 실시예들 중 선택된 하나이고, 제2 자유 강자성층은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나와 희토류 금속 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 예를 들어, 상기 희토류 금속은 토오븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 가돌리늄(Gd) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 자유 강자성층은 Fe50Pt50, Fe50Pt50, Co50Pt50, Co50Pd50 및 Fe50Ni50을 포함하는 L10 의 결정구조를 갖는 강자성 물질 중 선택된 적어도 하나일 수도 있다. 이외에도, 상기 수직 자유 자성층(142)은 수직 자화 특성을 갖는 상기 제1 자유 강자성층을 포함하는 다양한 형태로 변형될 수 있다. In yet another embodiment, the perpendicular free magnetic layer 142 may be formed in a multi-layered structure. In this case, the perpendicular free magnetic layer 142 may include a first free ferromagnetic layer having a dense hexagonal lattice sequentially stacked on the seed layer 130 and a second free ferromagnetic layer on the first free ferromagnetic layer . The first free ferromagnetic layer is a selected one of the embodiments of the perpendicular free magnetic layer 142 described above and the second free ferromagnetic layer is at least one selected from among iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) Rare earth metals, and rare earth metals. For example, the rare earth metal may be at least one selected from among tobium (Tb), dysprosium (Dy), and gadolinium (Gd). Alternatively, the second free ferromagnetic layer may comprise at least one selected from among the ferromagnetic materials having a crystal structure of L1 0 comprising Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pt 50 , Co 50 Pt 50 , Co 50 Pd 50, and Fe 50 Ni 50 Lt; / RTI &gt; In addition, the perpendicular free magnetic layer 142 may be modified into various forms including the first free ferromagnetic layer having perpendicular magnetization characteristics.

상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조, 즉, 상기 수직 자유 자성층(142)의 조밀육방격자 구조에 의해 상기 수직 자유 자성층(142)은 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 본 명세서에서, 수직 자기 이방성은 상기 기판(110) 평면에 대해 수직한 방향의 자기 이방성을 뜻한다. 상기 높은 수직 자기 이방성에 의해 상기 수직 자유 자성층(142)을 포함하는 자기 메모리 소자의 신뢰성이 향상되고, 상기 자기 메모리 소자의 구동 전력이 감소될 수 있다. 구체적으로, 상기 수직 자유 자성층(142)을 통과하는 전자들 중 보다 많은 전자의 스핀 방향이 상기 수직 자유 자성층(142)에 의해 상기 기판(110) 평면에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 자유 자성층(142)을 통과하는 전자들 중 보다 많은 전자들이 자기 메모리 소자의 쓰기 동작에 실질적으로 사용될 수 있다. 따라서, 자기 메모리 소자의 신뢰성이 향상되며, 적은 스위칭 전류로도 상기 자기 메모리 소자가 동작될 수 있다.The vertical free magnetic layer 142 may have high perpendicular magnetic anisotropy due to the crystal structure of the vertical free magnetic layer 142, that is, the dense hexagonal lattice structure of the perpendicular free magnetic layer 142. In this specification, perpendicular magnetic anisotropy refers to magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the substrate 110 plane. The high perpendicular magnetic anisotropy improves the reliability of the magnetic memory element including the vertical free magnetic layer 142, and the driving power of the magnetic memory element can be reduced. More specifically, among the electrons passing through the vertical free magnetic layer 142, the spin direction of more electrons can be aligned in the direction perpendicular to the plane of the substrate 110 by the vertical free magnetic layer 142. Accordingly, more electrons among the electrons passing through the vertical free magnetic layer 142 can be substantially used for the write operation of the magnetic memory element. Therefore, the reliability of the magnetic memory element is improved, and the magnetic memory element can be operated even with a small switching current.

상기 수직 자유 자성층(142) 상에 하부 교환결합 조절층(144)이 배치될 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 교환결합상수가 큰 자성물질 또는 표면 자기 이방성을 증가시킬 수 있는 비자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 교환결합상수가 큰 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 백금(Pt)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 두께는 2 내지 20Å일 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 상기 수직 자유 자성층(142)과 후술할 접합 자유 자성층(148) 사이의 교환결합을 강화시킬 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)은 상기 기판(110) 평면에 대해 수직한 방향으로 높은 자기 이방성 을 가지므로 상기 수직 자유 자성층(142)과 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 교환결합되는 상기 접합 자유 자성층(148) 역시 상기 기판(110) 평면에 대해 수직한 방향으로 높은 자기 이방성을 가질 수 있다.The lower exchange coupling control layer 144 may be disposed on the vertical free magnetic layer 142. The lower exchange coupling control layer 144 may include a magnetic material having a high exchange coupling constant or a nonmagnetic material capable of increasing surface magnetic anisotropy. For example, the lower exchange coupling control layer 144 may include at least one of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) having a large exchange coupling constant. At this time, the lower exchange coupling control layer 144 may further include platinum (Pt). The thickness of the lower exchange coupling control layer 144 may be 2 to 20 Å. The lower exchange coupling control layer 144 may enhance the exchange coupling between the perpendicular free magnetic layer 142 and a free magnetic coupling layer 148 described later. Since the perpendicular free magnetic layer 142 has high magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the plane of the substrate 110, the perpendicular free magnetic layer 142 is highly magnetically anisotropic, The free magnetic layer 148 may also have a high magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the plane of the substrate 110.

다른 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 전이금속을 포함하는 금속원소들 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 포함하는 비자성 금속들 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 상기 인접한 자성층들의 표면의 수직 자기 이방성을 증가시킬 수 있다. In another example, the lower exchange coupling control layer 144 may include at least one selected from among the metal elements including the transition metal. The lower exchange coupling control layer 144 may be formed of one selected from the group consisting of titanium, chromium, ruthenium, rhodium, copper, magnesium, zinc, aluminum, And non-magnetic metals including tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt). Accordingly, the lower exchange coupling control layer 144 can increase the perpendicular magnetic anisotropy of the surfaces of the adjacent magnetic layers.

일 실시예에서, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 표면의 산화막을 더 포함할 수 있다. 상기 산화막은 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 표면을 구성하는 물질의 산화물일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 산화막은 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 상부면 및/또는 하부면을 구성할 수 있다.In one embodiment, the lower exchange coupling control layer 144 may further include an oxide layer on the surface of the lower exchange coupling control layer 144. The oxide film may be an oxide of a material constituting the surface of the lower exchange coupling control layer 144. In one embodiment, the oxide layer may constitute the upper surface and / or the lower surface of the lower exchange coupling control layer 144.

상기 하부 교환결합 조절층(144) 상에 접합 자유 자성층(148)이 배치될 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148)은 상기 하부 교환결합 조절층(144) 및/또는 상기 수직 자유 자성층(142)에 의해 높은 수직 이방성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(148)은 높은 수직 이방성을 갖는 상기 수직 자유 자성층(142)과 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 강하게 교환결합됨으로써 높은 수직 이방성을 가질 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 비자성 금속들을 포함하는 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 상기 접합 자유 자성층(148)의 표면의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다.The free magnetic coupling layer 148 may be disposed on the lower exchange coupling control layer 144. The junction free magnetic layer 148 may have a high perpendicular anisotropy by the lower exchange coupling control layer 144 and / or the vertical free magnetic layer 142. For example, the free magnetic layer 148 may have a high perpendicular anisotropy due to strong exchange coupling between the perpendicular free magnetic layer 142 and the lower exchange coupling control layer 144 having high perpendicular anisotropy. For example, the perpendicular exchange anisotropy of the surface of the free magnetic layer 148 can be increased by the lower exchange coupling control layer 144 including the non-magnetic metals.

상기 접합 자유 자성층(148)은 연자성 물질(soft magnetic material)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 접합 자유 자성층(148)은 낮은 댐핑 상수(damping constant) 및 높은 스핀 분극률(spin polarization ratio)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(148)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 원자들을 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148) 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 접합 자유 자성층(148)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 붕소를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 접합 자유 자성층(148)의 포화 자화량을 더욱 낮추기 위해, 상기 접합 자유 자성층(148)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 포화자화량의 감소에 따라, 상기 접합 자유 자성층(148)을 포함하는 자기 메모리 셀의 스위칭 전류가 감소될 수 있다. The bonded free magnetic layer 148 may include a soft magnetic material. In addition, the free magnetic layer 148 may have a low damping constant and a high spin polarization ratio. For example, the bonded free magnetic layer 148 may include cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni) atoms. The free magnetic layer 148 may be formed of any one of boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si) ), Copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). Specifically, the bonded free magnetic layer 148 includes CoFe or NiFe, and may further include boron. In order to further reduce the saturation magnetization of the free magnetic layer 148, the free magnetic layer 148 may be formed of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum And silicon (Si). As the saturation magnetization is reduced, the switching current of the magnetic memory cell including the free magnetic layer 148 can be reduced.

도시된 바와 달리, 상기 접합 자유 자성층(148)은 복수의 자성층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(148)은 상기 하부 교환결합 자성층(144) 상에 차례로 적층된 제1 자유 강자성층, 자유 비자성층 및 제2 자유 강자성층, 즉 SAF층(Synthetic Anti-Ferromagnet layer)을 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148)은 자화방향이 변경가능한 다양한 자성층들의 형태를 포함할 수 있다. Unlike the illustrated embodiment, the free magnetic layer 148 may include a plurality of magnetic layers. For example, the free magnetic layer 148 may include a first free ferromagnetic layer, a free magnetic layer, and a second free ferromagnetic layer, that is, a Synthetic Anti-Ferromagnetic layer (SAF) layer sequentially stacked on the lower exchange coupling magnetic layer 144 ). The bonded free magnetic layer 148 may include various types of magnetic layers whose magnetization directions can be changed.

상기 자유 자성체(140)를 구성하는 복수의 층들 중 적어도 한 층의 자화방향은 변동가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(148)은 변동가능한 자화방향을 가질 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148)의 자화방향은 상기 접합 자유 자성층(148)의 외부로부터 제공되는 전기 및/또는 자기적인 요인에 의해 상기 기판(110)에 수직한 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 반평행한 제2 방향으로 변할 수 있다. The magnetization direction of at least one of the plurality of layers constituting the free magnetic body 140 may be variable. For example, the bonded free magnetic layer 148 may have a variable magnetization direction. The magnetization direction of the free magnetic layer 148 may be in a first direction perpendicular to the substrate 110 or a half direction in the first direction due to an electric and / or magnetic factor provided from the outside of the free magnetic layer 148 And can be changed in a parallel second direction.

상기 자유 자성체(140) 상에 터널 베리어(150)가 배치될 수 있다. 상기 터널 베리어(150)는 스핀 확산 길이(spin diffusion distance)보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 상기 터널 베리어(150)는 비자성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널 베리어(150)는 절연 물질막일 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(150)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO), 산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg), 또는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.A tunnel barrier 150 may be disposed on the free magnetic body 140. The tunnel barrier 150 may have a thickness smaller than a spin diffusion distance. The tunnel barrier 150 may include a nonmagnetic material. In one embodiment, the tunnel barrier 150 may be an insulating material film. For example, the tunnel barrier 150 may be formed of an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn), and magnesium- V). &Lt; / RTI &gt; For example, the tunnel barrier 150 may be a magnesium oxide (MgO) film. Alternatively, the tunnel barrier 150 may include a plurality of layers. For example, the tunnel barriers 150 may be formed of a material selected from the group consisting of magnesium (Mg), magnesium oxide (MgO), magnesium oxide (MgO), magnesium (Mg), magnesium (Mg) .

상기 터널 베리어(150) 상에 기준 자성체(160)가 형성될 수 있다. 상기 기준 자성체(160)는 상기 터널 베리어(150) 상에 차례로 적층된 접합 기준 자성층(161), 상부 교환결합 조절층(162) 및 상기 수직 기준 자성층(163)을 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163) 상에 복수의 상부 기준 비자성층(164)들 및 기준 강자성층들(165)이 교대로 적층될 수 있다.A reference magnetic body 160 may be formed on the tunnel barrier 150. The reference magnetic body 160 may include a junction reference magnetic layer 161, an upper exchange coupling control layer 162 and the vertical reference magnetic layer 163 which are sequentially stacked on the tunnel barrier 150. A plurality of upper reference nonmagnetic layers 164 and reference ferromagnetic layers 165 may be alternately stacked on the vertical reference magnetic layer 163.

상기 접합 기준 자성층(161)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 기준 자성층(161)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 원자들을 포함하되 상기 원자들의 함량들은 상기 접합 기준 자성층(161)의 포화자화량이 낮아지도록 결정될 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)은 낮은 댐핑 상수 및 높은 스핀 분극률을 가질 수 있다. 이를 위해, 상기 접합 기준 자성층(161)은 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 기준 자성층(161)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 붕소를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 접합 기준 자성층(161)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하는 비자성 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 선택된 비자성 원소의 상기 접합 기준 자성층(161) 내의 함량은 1 내지 15 at.%일 수 있다.The junction reference magnetic layer 161 may include a soft magnetic material. For example, the junction reference magnetic layer 161 includes cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni) atoms, and the contents of the atoms are determined so that the saturation magnetization of the junction reference magnetic layer 161 becomes low . The junction reference magnetic layer 161 may have a low damping constant and a high spin polarization rate. The junction reference magnetic layer 161 may include at least one of boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si) (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). For example, the junction reference magnetic layer 161 includes CoFe or NiFe, but may further include boron. In addition, the junction reference magnetic layer 161 may further include at least one selected from non-magnetic elements including titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), and tantalum . The content of the selected nonmagnetic element in the junction reference magnetic layer 161 may be 1 to 15 at.%.

상기 접합 자유 자성층(148), 상기 터널 베리어(150) 및 상기 접합 기준 자성층(161)은 자기터널접합(Magnetic tunnel junction)을 구성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 셀은 상기 자기터널접합을 구성하는 두 자성체들, 즉, 접합 자유 자성층(148) 및 상기 접합 기준 자성층(161)의 자화방향의 평행 또 는 반평행 여부에 따른 저항값들의 차이를 이용하여 데이터를 저장할 수 있다. 구체적으로, 상기 자기터널접합을 통과하는 전자들의 방향들에 따라, 상기 접합 자유 자성층(148)의 자화방향이 변화할 수 있다. The junction free magnetic layer 148, the tunnel barrier 150, and the junction reference magnetic layer 161 may constitute a magnetic tunnel junction. The magnetic memory cell according to an embodiment of the present invention may be formed in accordance with whether the magnetization directions of the two magnetic materials constituting the magnetic tunnel junction, that is, the free magnetic coupling layer 148 and the junction reference magnetic layer 161 are parallel or anti- Data can be stored using the difference in resistance values. Specifically, depending on the directions of electrons passing through the magnetic tunnel junction, the magnetization direction of the free magnetic layer 148 may change.

예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(148)에서 상기 접합 기준 자성층(161) 방향으로 전자가 이동하는 경우, 상기 접합 기준 자성층(161)과 동일한 자화방향의 제1 방향의 스핀을 갖는 전자들은 상기 접합 기준 자성층(161)을 통과(transmission)하고 상기 접합 기준 자성층(161)의 자화방향과 반대방향의 제2 방향의 스핀을 갖는 전자들은 상기 접합 기준 자성층(161)을 통과하지 못하고 반사(reflection)되어 상기 접합 자유 자성층(148)으로 다시 전달된다. 상기 제2 방향의 스핀을 갖는 전자들에 의해 상기 접합 자유 자성층(148)의 자화방향은 제2 방향이 될 수 있다. 이에 따라, 상기 접합 기준 자성층(161)과 상기 접합 자유 자성층(148)은 서로 반대 반평행한 자화방향을 갖게될 수 있다. 서로 반평행한 자화방향들을 갖는 자성체들에 의해 구성되는 자기터널접합은 상대적으로 높은 저항을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 기판(110) 평면에 실질적으로 수직한 방향들일 수 있다. For example, when electrons move from the bonded free magnetic layer 148 toward the bonded reference magnetic layer 161, electrons having a spin in the first direction of the same magnetization direction as the bonded reference magnetic layer 161, Electrons having a spin in the second direction that transmits through the reference magnetic layer 161 and is opposite to the magnetization direction of the junction reference magnetic layer 161 can not pass through the junction reference magnetic layer 161 and are reflected And then transferred to the free magnetic layer (148). By the electrons having the spin in the second direction, the magnetization direction of the free magnetic layer 148 can be the second direction. Accordingly, the junction reference magnetic layer 161 and the free magnetic bonding layer 148 may have opposite magnetization directions opposite to each other. Magnetic tunnel junctions formed by the magnetic materials having mutually antiparallel magnetization directions can have a relatively high resistance. In this embodiment, the first direction and the second direction may be directions substantially perpendicular to the substrate 110 plane.

다른 예를 들어, 상기 접합 기준 자성층(161)에서 상기 접합 자유 자성층(148)으로 전자들이 이동하는 경우, 상기 접합 기준 자성층(161)을 통과하는 제1 방향의 스핀을 갖는 전자들이 상기 접합 자유 자성층(148)에 도달할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148)에 도달한 상기 제1 방향의 스핀을 갖는 전자들에 의해 상기 접합 자유 자성층(148)의 자화방향은 제1 방향으로 변동될 수 있다. 이에 따라, 상 기 접합 기준 자성층(161) 및 접합 자유 자성층(148)은 제1 방향의 자화방향을 가질 수 있다. 서로 평행한 자화방향들을 갖는 자성체들에 의해 구성되는 자기 터널접합은 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. For example, when electrons move from the junction reference magnetic layer 161 to the junction free magnetic layer 148, electrons having a spin in the first direction passing through the junction reference magnetic layer 161 are scattered by the free magnetic layer Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 148 &lt; / RTI &gt; By the electrons having the spin in the first direction reaching the free magnetic layer 148, the magnetization direction of the free magnetic layer 148 can be changed in the first direction. Accordingly, the bonded reference magnetic layer 161 and the bonded free magnetic layer 148 can have the magnetization direction in the first direction. A magnetic tunnel junction formed by the magnetic materials having mutually parallel magnetization directions may have a relatively low resistance.

이와 같이, 상기 자기터널접합을 흐르는 전자들의 방향에 따라 상기 자기터널접합의 저항값들이 달라질 수 있다. 상기 저항값들의 차이를 이용하여 상기 자기 메모리 셀에 데이터가 저장될 수 있다. As described above, the resistance values of the magnetic tunnel junction can be changed according to the direction of the electrons flowing in the magnetic tunnel junction. Data may be stored in the magnetic memory cell using the difference of the resistance values.

상기 접합 기준 자성층(161) 상에 상부 교환결합 조절층(162)이 배치될 수 있다. 상기 상부 교환결합 조절층(162)은 교환결합상수가 큰 물질, 예를 들어 강자성 금속을 포함하거나, 인접한 자성체의 배향성을 조절할 수 있는 물질, 예를 들어 비자성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 교환결합 조절층(162)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 상부 교환결합 조절층(164)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 교환결합 조절층(162)은 상기 상부 교환결합 조절층(162) 표면 상의 산화막을 더 포함할 수 있다. 상기 산화막은 상기 상부 교환결합 조절층(162)의 일부가 산화되어 형성된 막일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 산화막은 상기 상부 교환결합 조절층(162)의 상부면 및/또는 하부면을 구성할 수 있다. 상기 상부 교환결합 조절층(162)의 기능 및 구성은 상기 하부 교환결합 조절층(144)과 실질적으로 동일할 수 있다. The upper exchange coupling control layer 162 may be disposed on the bonding reference magnetic layer 161. The upper exchange coupling control layer 162 may include a material having a high exchange coupling constant, for example, a ferromagnetic metal, or may include a material capable of controlling the orientation of the adjacent magnetic material, for example, a non-magnetic metal. For example, the upper exchange coupling control layer 162 may include at least one selected from among iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Alternatively, the upper exchange coupling and regulating layer 164 may be formed of a material selected from the group consisting of Ti, Cr, Ru, Rh, Cu, Mg, Zn, And may include at least one selected from aluminum (Al), tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt). In one embodiment, the upper exchange coupling regulating layer 162 may further include an oxide layer on the surface of the upper exchange coupling regulating layer 162. The oxide film may be a film formed by oxidizing a part of the upper exchange coupling control layer 162. In one embodiment, the oxide layer may form the upper surface and / or the lower surface of the upper exchange coupling control layer 162. The function and configuration of the upper exchange coupling regulating layer 162 may be substantially the same as the lower exchange coupling regulating layer 144.

상기 상부 교환결합 조절층(162) 상에 수직 기준 자성층(163)이 배치될 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163)를 구성하는 원자들은 상기 기판(110) 평면에 실질적으로 수직한 방향의 자화용이축을 갖는 결정구조를 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(163)은 조밀육방격자를 갖는 코발트(Co)와 백금(Pt)의 질서 합금 또는 무질서 합금을 포함하되, 상기 조밀육방격자의 c축이 상기 기판(110) 평면에 수직할 수 있다. 이에 의해, 상기 수직 기준 자성층(163)의 수직 이방성이 크게 향상될 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163)은 붕소(B), 크롬(Cr), 실리콘(Si) 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. A vertical reference magnetic layer 163 may be disposed on the upper exchange coupling control layer 162. The vertical reference magnetic layer 163 may include a ferromagnetic material. The atoms constituting the vertical reference magnetic layer 163 may form a crystal structure having an easy magnetization axis in a direction substantially perpendicular to the plane of the substrate 110. For example, the vertical reference magnetic layer 163 includes a ordered alloy or disordered alloy of cobalt (Co) and platinum (Pt) having a dense hexagonal lattice, wherein the c-axis of the dense hexagonal lattice overlaps the plane Lt; / RTI &gt; Thus, the perpendicular anisotropy of the vertical reference magnetic layer 163 can be greatly improved. The vertical reference magnetic layer 163 may further include at least one selected from boron (B), chromium (Cr), silicon (Si), and copper (Cu).

상기 상부 교환결합 조절층(163) 상에 상부 기준 자성층(164, 165)이 배치될 수 있다. 상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 교대로 반복 적층된 기준 비자성층들(164)과 기준 강자성층들(165)을 포함할 수 있다. 상기 기준 비자성층(164)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 기준 강자성층들(165)은 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 [Co/Pb]n, [Co/Pt]n 또는 [Ni/Pt]n(n은 2 이상의 자연수)을 포함할 수 있다. 상기 기준 비자성층들(164) 및 기준 강자성층들(165)의 적층횟수는 2 내지 11번일 수 있다. 상기 기준 강자성층(165)들은 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 강자성층(165)들은 원자층 두께로 형성될 수 있다. 이에 의해 상기 기준 강자성층(165)의 자화방향은 상기 기판(110) 평면에 수직할 수 있다. The upper reference magnetic layer 164 and 165 may be disposed on the upper exchange coupling control layer 163. The upper reference magnetic layers 164 and 165 may include reference nonmagnetic layers 164 and reference ferromagnetic layers 165 which are alternately repeatedly stacked. The reference nonmagnetic layer 164 may include at least one selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and the reference ferromagnetic layers 165 may include at least one selected from the group consisting of Cr, At least one selected from palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au) and copper (Cu). For example, the upper reference magnetic layers 164 and 165 may include [Co / Pb] n, [Co / Pt] n or [Ni / Pt] n (n is a natural number of 2 or more). The number of times of stacking the reference non-magnetic layers 164 and the reference ferromagnetic layers 165 may be 2 to 11 times. The reference ferromagnetic layers 165 may be formed to have a very thin thickness. For example, the reference ferromagnetic layer 165 may be formed with an atomic layer thickness. Thus, the magnetization direction of the reference ferromagnetic layer 165 may be perpendicular to the plane of the substrate 110.

상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 다른 형태로도 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 상기 수직 기준 자성층(163) 상에 차례로 적층된 제1 기준 강자성층, 기준 비자성층 및 제2 기준 강자성층, 즉, SAF층을 포함할 수 있다.The upper reference magnetic layer 164 and 165 may be arranged in different forms. For example, the upper reference magnetic layer 164 and 165 may include a first reference ferromagnetic layer, a reference non-magnetic layer, and a second reference ferromagnetic layer, that is, a SAF layer, which are sequentially stacked on the vertical reference magnetic layer 163 have.

상기 상부 기준 자성층(164, 165) 상에 캐핑층(170)이 배치될 수 있다. 상기 캐핑층(170)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capping layer 170 may be disposed on the upper reference magnetic layer 164, 165. The capping layer 170 may be selected from tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), tantalum nitride (TaN), and titanium nitride And may include at least one.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 앞서 도 1을 참조하여 설명된 내용은 생략될 수 있다. Referring to Figs. 1 and 2, a method of forming a magnetic memory element according to an embodiment of the present invention is described. The contents described above with reference to FIG. 1 may be omitted.

도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 하부 전극(120)이 형성된다. 상기 하부 전극(120)은 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, a lower electrode 120 is formed on a substrate 110. The lower electrode 120 may include a metal or a metal compound.

상기 하부 전극(120) 상에 시드층(130)이 형성된다. 상기 시드층(130)은 조밀육방격자 또는 면심입방격자를 갖는 금속들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)은 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시드층(130)은 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)은 2 내지 20Å의 두께로 형성될 수 있다. A seed layer 130 is formed on the lower electrode 120. The seed layer 130 may include metals having a dense hexagonal lattice or face centered cubic lattice. For example, the seed layer 130 may be formed of ruthenium (Ru), titanium (Ti), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) And the like. The seed layer 130 may be formed to have a relatively small thickness. For example, the seed layer 130 may be formed to a thickness of 2 to 20 ANGSTROM.

상기 시드층(130) 상에 수직 자유 자성층(142)이 형성된다. 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조는 상기 시드층(130)의 결정구조에 의해 배향될 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 자유 자성층(142)은 상기 시드층(130)의 결정구조와 동일한 조밀육방격자로 형성될 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)은 코발트(Co) 및 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 상기 수직 자유 자성층(142)은 상기 코발트(Co) 및 상기 백금(Pt)의 질서 합금 또는 무질서 합금을 포함할 수 있다. A vertical free magnetic layer 142 is formed on the seed layer 130. The crystal structure of the perpendicular free magnetic layer 142 may be oriented by the crystal structure of the seed layer 130. For example, the perpendicular free magnetic layer 142 may be formed in the same dense hexagonal lattice as the crystal structure of the seed layer 130. The vertical free magnetic layer 142 may include cobalt (Co) and platinum (Pt). The perpendicular free magnetic layer 142 may include ordered alloys or disordered alloys of cobalt (Co) and platinum (Pt).

상기 시드층(130)을 시드로 하여 성장되는 상기 수직 자유 자성층(142)은 비교적 저온 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)을 시드로 형성되는 상기 수직 자유 자성층(142)은 상온에서 증착될 수 있다. The perpendicular free magnetic layer 142 grown using the seed layer 130 as a seed may be formed through a relatively low temperature process. For example, the perpendicular free magnetic layer 142, which is formed of the seed layer 130 as a seed, may be deposited at room temperature.

자성체들의 자화방향이 기판에 수직한 자기 메모리 소자의 경우, 수직 이방성이 큰 결정구조의 자성체, 예를 들어 L10 질서합금으로 구성된 강자성체가 사용된다. 상기 L10 질서합금의 강자성체를 형성하기 위해 면심입방격자를 갖는 크롬(Cr) 시드층과 체심입방격자를 갖는 백금(Pt) 시드층을 포함하는 복층의 시드층이 요구될 수 있다. 상기 복층의 시드층은 단일 시드층에 비해 두껍게 형성된다. 따라서, 상기 시드층을 포함하는 소자의 크기가 증가될 수 있다. 또한, 상기 시드층의 패터닝 공정시 상기 시드층의 식각 부산물에 의해 다른 자성층 및/또는 절연층들이 오염될 수 있다. 특히, 상기 시드층의 식각 부산물에 의해 후술할 터널 베리어가 오염되는 경우 상기 터널 베리어에 쇼팅 현상이 일어나 메모리의 기능이 저하될 수 있다. 이에 더하여, 상기 L10 질서합금은 400℃이상의 고온 증착 공정 또는 600℃이상의 고온의 어닐링 공정에 의해 형성된다. In the case of a magnetic memory element in which the magnetization directions of the magnetic bodies are perpendicular to the substrate, a ferromagnetic body made of a magnetic substance having a crystal structure with a large perpendicular anisotropy, for example, an L1 0 order alloy is used. A multilayer seed layer including a chromium (Cr) seed layer having a face-centered cubic lattice and a platinum (Pt) seed layer having a body-centered cubic lattice may be required to form the ferromagnetic material of the L1 0 ordered alloy. The multi-layered seed layer is formed thicker than the single seed layer. Therefore, the size of the device including the seed layer can be increased. In addition, other magnetic layers and / or insulating layers may be contaminated by etching by-products of the seed layer during the patterning of the seed layer. Particularly, when the tunnel barrier to be described later is contaminated by the etching by-product of the seed layer, a shorting phenomenon may occur in the tunnel barrier and the function of the memory may be deteriorated. In addition, the L1 0 ordered alloy is formed by a high-temperature deposition process of 400 ° C or higher or a high-temperature annealing process of 600 ° C or more.

이와 달리, 본 발명의 실시예들에 따라 조밀육방격자의 수직 자유 자성층(142)을 형성하는 경우, 상기 시드층(130)은 단일층으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 시드층(130)의 두께가 복층의 시드층에 비해 얇을 수 있다. 또한, 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조는 상기 시드층(130)에 대한 의존성이 클 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 수직 자유 자성층(142)은 낮은 공정 온도에서도 상기 시드층(130)의 결정구조에 따라 배향될 수 있다. 즉, 고온의 증착공정 또는 고온의 어닐링 공정이 필수적이지 않을 수 있다. Alternatively, when forming the perpendicular free magnetic layer 142 of the dense hexagonal lattice according to the embodiments of the present invention, the seed layer 130 may be formed as a single layer. Accordingly, the thickness of the seed layer 130 may be thinner than that of the multi-layered seed layer. In addition, the crystal structure of the perpendicular free magnetic layer 142 may be highly dependent on the seed layer 130. Accordingly, the perpendicular free magnetic layer 142 according to the embodiments of the present invention can be oriented according to the crystal structure of the seed layer 130 even at a low process temperature. That is, a high-temperature deposition process or a high-temperature annealing process may not be necessary.

상기 수직 자유 자성층(142) 상에 하부 교환결합 조절층(144)이 형성될 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 교환 결합 상수가 큰 강자성 금속, 예를 들어, 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)을 포함하는 금속들 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 인접한 자성체의 표면 자기 이방성을 증가시키거나 상기 하부 교환결합 조절층(144) 상에 형성되는 자성체의 결정 배향성을 조절할 수 있는 비자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(144)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 표면은 산화될 수 있다. 상기 산화를 위한 공정은 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 형성 이전, 상기 수직 자유 자성층(142)이 형성된 결과물이 로딩된 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하거나 상기 하부 교환결합 조절층(144)을 원자층 두께로 성막한 후 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하여 산화막을 형성한 후에 나머지 하부 교환결합 조절층(144)을 성막하는 것을 포함할 수 있다. A lower exchange coupling control layer 144 may be formed on the vertical free magnetic layer 142. The lower exchange coupling control layer 144 may include at least one selected from among metals including a ferromagnetic metal having a high exchange coupling constant, for example, iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) . Alternatively, the lower exchange coupling control layer 144 may include a nonmagnetic material capable of increasing the surface magnetic anisotropy of the adjacent magnetic material or adjusting the crystal orientation of the magnetic material formed on the lower exchange coupling control layer 144 . For example, the lower exchange coupling and regulating layer 144 may be formed of at least one material selected from the group consisting of Ti, Cr, Ru, Rh, Cu, Mg, Zn, (Al), tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt). In one embodiment, the surface of the lower exchange coupling control layer 144 may be oxidized. The process for oxidizing may include injecting a very small amount of oxygen into the loaded chamber of the resultant product in which the vertical free magnetic layer 142 is formed before the formation of the lower exchange coupling control layer 144, Forming an oxide layer by implanting a very small amount of oxygen into the chamber after forming the oxide layer, and then depositing the remaining lower exchange coupling control layer 144.

상기 하부 교환결합 조절층(144) 상에 접합 자유 자성층(148)이 형성될 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(148)의 수직 이방성은 상기 수직 자유 자성층(142) 및/또는 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 교환결합 조절층(144)의 결정구조에 의해 상기 접합 자유 자성층(148)이 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조를 따라 결정화되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(144)이 생략되는 경우, 비정질 상태로 형성된 상기 접합 자유 자성층(148)이 열공정에 의해 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조를 따라 결정화될 수 있다. 이 경우, 상기 접합 자유 자성층(148)의 결정구조는 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조, 즉 체심입방구조의 <001> 결정면이 아닌 <011> 결정면에 의해 배향되어 상기 접합 자유 자성층(148)을 포함하는 자기터널접합의 자기저항비가 감소될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 상기 수직 자유 자성층(142)과 상기 접합 자유 자성층(148)이 이격되므로, 상기 접합 자유 자성층(148)의 결정구조가 상기 수직 자유 자성층(142)의 결정구조에 따라 배향되지 않을 수 있다. 이에 따라, 자기터널접합의 자기 저항비가 향상될 수 있다. A free junction magnetic layer 148 may be formed on the lower exchange coupling control layer 144. The perpendicular anisotropy of the free magnetic layer 148 can be improved by the vertical free magnetic layer 142 and / or the lower exchange coupling control layer 144. Specifically, the free magnetic coupling layer 148 can be prevented from crystallizing along the crystal structure of the vertical free magnetic layer 142 by the crystal structure of the lower exchange coupling control layer 144. For example, when the lower exchange coupling control layer 144 is omitted, the free magnetic layer 148 formed in an amorphous state can be crystallized along the crystal structure of the perpendicular free magnetic layer 142 by a thermal process . In this case, the crystal structure of the free magnetic layer 148 is oriented by the crystal plane of the vertical free magnetic layer 142, that is, the crystal plane other than the <001> crystal plane of the body-centered cubic structure, The magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the magnetoresistive element can be reduced. However, according to embodiments of the present invention, since the vertical free magnetic layer 142 and the free magnetic bonding layer 148 are spaced apart from each other by the lower exchange coupling control layer 144, The structure may not be oriented in accordance with the crystal structure of the vertical free magnetic layer 142. Thus, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction can be improved.

다시 도 1을 참조하면, 상기 접합 자유 자성층(148) 상에 터널 베리어(150)가 형성될 수 있다. 상기 터널 베리어(150)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터 널 베리어(150)는 산화마그네슘(MgO)막일 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(150)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO), 산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg), 또는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다. 상기 터널 베리어(150)는 상기 접합 자유 자성층(148) 상에 상기 금속산화물 또는 금속질화물을 증착하거나, 상기 접합 자유 자성층(148) 상에 금속막을 형성 후, 상기 금속막을 산화시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널 베리어(150)는 소정의 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)는 NaCl 결정구조(면심입방격자구조)를 가질 수 있다. Referring again to FIG. 1, a tunnel barrier 150 may be formed on the free magnetic layer 148. The tunnel barrier 150 is formed of an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and a nitride of titanium (Ti) And the like. For example, the tunnel barrier 150 may be a magnesium oxide (MgO) film. Alternatively, the tunnel barrier 150 may include a plurality of layers. For example, the tunnel barriers 150 may be formed of a material selected from the group consisting of magnesium (Mg), magnesium oxide (MgO), magnesium oxide (MgO), magnesium (Mg), magnesium (Mg) . The tunnel barrier 150 may be formed by depositing the metal oxide or metal nitride on the free magnetic layer 148 or by forming a metal film on the free magnetic layer 148 and then oxidizing the metal film have. In one embodiment, the tunnel barrier 150 may have a predetermined crystal structure. For example, the tunnel barrier 150 may have a NaCl crystal structure (a face-centered cubic lattice structure).

상기 터널 베리어(150) 상에 접합 기준 자성층(161)이 형성될 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)은 상대적으로 낮은 포화 자화량을 가질 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)은 상기 접합 자유 자성층(148)과 동일한 자기적 성질을 가질 수 있다. 이와 달리 상기 접합 기준 자성층(161)은 상기 접합 자유 자성층(148)과 상이한 자기적 성질을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 접합 기준 자성층(161)의 두께 및 상기 접합 기준 자성층(161)의 포화자화량의 곱은, 상기 접합 자유 자성층(148)의 두께 및 상기 접합 자유 자성층(148)의 포화자화량의 곱보다 클 수 있다. A junction reference magnetic layer 161 may be formed on the tunnel barrier 150. The junction reference magnetic layer 161 may have a relatively low saturation magnetization. The junction reference magnetic layer 161 may include a soft magnetic material. The junction reference magnetic layer 161 may further include a nonmagnetic material. The junction reference magnetic layer 161 may have the same magnetic properties as the free magnetic layer 148. Alternatively, the bonding reference magnetic layer 161 may have a magnetic property different from that of the bonding free magnetic layer 148. For example, the product of the thickness of the junction reference magnetic layer 161 and the saturation magnetization of the junction reference magnetic layer 161 is a product of the thickness of the free magnetic layer 148 and the saturation magnetization of the free magnetic layer 148 Can be greater than the product.

상기 접합 기준 자성층(161)의 결정구조는 상기 터널 베리어(150)를 따라 배향될 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(150)가 <001> 결정면이 상기 기 판(110) 평면에 평행한 NaCl 결정구조(면심입방격자)를 갖는 산화마그네슘(MgO)으로 형성되는 경우, 상기 접합 기준 자성층(161)은 상기 터널 베리어(150)의 결정구조를 따라 배향될 수 있다. 이에 따라, 상기 접합 기준 자성층(161)의 수직 자기 이방성이 향상될 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(161)의 결정화는 열 공정에 의해 수행될 수 있다. The crystal structure of the junction reference magnetic layer 161 may be oriented along the tunnel barrier 150. For example, when the tunnel barrier 150 is formed of magnesium oxide (MgO) having a NaCl crystal structure (face-centered cubic lattice) parallel to the plane of the substrate 110, (161) may be oriented along the crystal structure of the tunnel barrier (150). Thus, the perpendicular magnetic anisotropy of the junction reference magnetic layer 161 can be improved. The crystallization of the junction reference magnetic layer 161 can be performed by a thermal process.

상기 접합 기준 자성층(161) 상에 상부 교환결합 조절층(162)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 교환결합 조절층(162)은 교환결합상수가 큰 자성물질을 포함할 수 있다. 이에 의해, 상기 수직 기준 자성층(163)과 상기 자기 접합 기준 자성층(161) 사이의 교환 결합이 증가되어 상기 접합 기준 자성층(161)의 수직 자기 이방성이 증가될 수 있다. 또한, 상기 상부 교환결합 조절층(162)이 시드층으로 작용하여 후술할 상기 수직 기준 자성층(163)의 자화용이축이 상기 기판(110) 평면에 수직하도록 배향될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 교환결합 조절층(162)의 표면은 산화될 수 있다. 상기 산화를 위한 공정은 상기 상부 교환결합 조절층(162)의 형성 이전, 상기 상부 접합 기준 자성층(161)이 형성된 결과물이 로딩된 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하거나 상기 상부 교환결합 조절층(162)을 원자층 두께로 성막한 후 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하여 산화막을 형성한 후에 나머지 교환결합조절층(162)을 성막하는 것을 포함할 수 있다. An upper exchange coupling control layer 162 may be formed on the bonding reference magnetic layer 161. In one embodiment, the upper exchange coupling control layer 162 may comprise a magnetic material having a high exchange coupling constant. Thus, the exchange coupling between the vertical reference magnetic layer 163 and the magnetic junction reference layer 161 is increased, and the perpendicular magnetic anisotropy of the junction reference layer 161 can be increased. In addition, the upper exchange coupling control layer 162 functions as a seed layer, and the easy axis of magnetization of the perpendicular reference magnetic layer 163, which will be described later, may be oriented perpendicular to the plane of the substrate 110. In one embodiment, the surface of the upper exchange coupling regulating layer 162 may be oxidized. The process for the oxidation may be performed by injecting a very small amount of oxygen into the loaded chamber of the resultant formed with the upper junction reference magnetic layer 161 before the formation of the upper exchange coupling control layer 162, And then depositing the remaining exchange coupling control layer 162 after forming an oxide film by injecting a very small amount of oxygen into the chamber.

상기 접합 기준 자성층(161) 상에 수직 기준 자성층(163)이 형성될 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163)은 비정질 상태의 강자성막일 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(163)은 코발트(Co) 및 백금(Pt)의 합금의 비정질 상태일 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(163)은 붕소(B), 크롬(Cr), 실리콘(Si) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The vertical reference magnetic layer 163 may be formed on the junction reference magnetic layer 161. The vertical reference magnetic layer 163 may be a ferromagnetic film in an amorphous state. For example, the vertical reference magnetic layer 163 may be an amorphous state of an alloy of cobalt (Co) and platinum (Pt). The vertical reference magnetic layer 163 may include at least one selected from the group consisting of boron (B), chromium (Cr), silicon (Si), and copper (Cu).

상기 수직 기준 자성층(163) 상에 상부 기준 자성층(164, 165)이 형성될 수 있다. 상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 기준 비자성층들(164)과 기준 강자성층들(165)을 교대로 복수회 적층하여 형성될 수 있다. 상기 기준 강자성층들(165)은 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 강자성층들(165)은 원자층 두께로 형성될 수 있다. The upper reference magnetic layer 164 and 165 may be formed on the vertical reference magnetic layer 163. The upper reference magnetic layers 164 and 165 may be formed by alternately laminating the reference nonmagnetic layers 164 and the reference ferromagnetic layers 165 a plurality of times. The reference ferromagnetic layers 165 may be formed to have a very thin thickness. For example, the reference ferromagnetic layers 165 may be formed with an atomic layer thickness.

상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 다른 형태로도 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 기준 자성층(164, 165)은 상기 수직 기준 자성층(163) 상에 차례로 적층된 제1 기준 강자성층, 기준 비자성층 및 제2 기준 강자성층, 즉, SAF층을 포함할 수 있다.The upper reference magnetic layers 164 and 165 may be formed in different shapes. For example, the upper reference magnetic layer 164 and 165 may include a first reference ferromagnetic layer, a reference non-magnetic layer, and a second reference ferromagnetic layer, that is, a SAF layer, which are sequentially stacked on the vertical reference magnetic layer 163 have.

상기 기준 비자성층(164)과 상기 접합 기준 자성층(161) 사이에 상기 수직 기준 자성층(163) 및/또는 상기 상부 교환 결합 조절층(162)이 개재됨에 따라 상기 접합 기준 자성층(161)을 포함하는 자기터널접합의 자기저항비가 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 접합 기준 자성층(161) 상에 상기 기준 비자성층(164)을 직접 형성하는 경우, 이후 열공정에 의해 상기 기준 비자성층(164)을 구성하는 금속과 상기 기준 자성층(161)을 구성하는 물질이 반응하여 자기 특성을 갖지 않는 막이 형성될 수 있다. 상기 자기 특성을 갖지 않는 막에 의해 자기터널접합의 자기저항비가 현저히 감소될 수 있다. 이에 반해 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 접합 기준 자성층(161)과 상기 기준 비자성층(164) 사이에 상기 수직 기준 자성층(163) 및/또 는 상기 상부 교환결합 조절층(162)이 형성되므로, 상기 자기 특성을 갖지 않는 막이 형성되지 않는다. 이에 따라, 상기 접합 기준 자성층(161) 역시 불필요하게 소모되지 않는다. 따라서, 상기 접합 기준 자성층(161)을 포함하는 자기터널접합의 자기저항비가 향상될 수 있다. The vertical reference magnetic layer 163 and / or the upper exchange coupling control layer 162 are interposed between the reference non-magnetic layer 164 and the junction reference magnetic layer 161, The magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction can be improved. Specifically, when the reference nonmagnetic layer 164 is directly formed on the junction reference magnetic layer 161, the metal constituting the reference nonmagnetic layer 164 and the reference magnetic layer 161 are formed A film which does not have magnetic properties can be formed. The magnetoresistive ratio of the magnetic tunnel junction can be remarkably reduced by the film having no magnetic property. In contrast, according to the embodiment of the present invention, the vertical reference magnetic layer 163 and / or the upper exchange coupling control layer 162 are formed between the junction reference magnetic layer 161 and the reference nonmagnetic layer 164 , A film not having the above magnetic properties is not formed. Accordingly, the junction reference magnetic layer 161 is not unnecessarily consumed. Therefore, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the junction reference magnetic layer 161 can be improved.

상기 상부 기준 자성층(164, 165) 상에 캐핑층(170)이 형성될 수 있다. 상기 캐핑층(170)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The capping layer 170 may be formed on the upper reference magnetic layers 164 and 165. The capping layer 170 may be selected from tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), tantalum nitride (TaN), and titanium nitride And may include at least one.

상기 기판(110) 상에 적층된 층들은 패터닝될 수 있다. 상기 패터닝은 상기 하부전극(110)부터 상기 캐핑층(170)까지의 모든 층들이 적층된 후 수행되거나, 일부 층들에 대한 패터닝이 다른 층들의 적층에 앞서 수행될 수 있다. 상기 패터닝은 이온 빔 공정 또는 포토 리소그라피 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 패터닝은 이방성 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. Layers deposited on the substrate 110 may be patterned. The patterning may be performed after all the layers from the lower electrode 110 to the capping layer 170 are laminated, or patterning for some layers may be performed prior to stacking the other layers. The patterning may be performed by an ion beam process or a photolithography process. The patterning may include performing an anisotropic etching process.

도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자가 설명된다. 기판(210) 상에 하부 전극(220)이 배치된다. 상기 기판(210)은 도전 영역 및/또는 절연 영역을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(220)은 상기 기판(210) 내의 도전 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 4, a magnetic memory device according to another embodiment of the present invention is described. A lower electrode 220 is disposed on the substrate 210. The substrate 210 may include a conductive region and / or an insulating region. The lower electrode 220 may be electrically connected to a conductive region in the substrate 210.

상기 하부 전극(220) 상에 시드층(230)이 배치된다. 상기 시드층(230)은 조밀육방격자를 구성하는 금속 원자들을 포함할 수 있다. 상기 조밀육방격자 c축들은 상기 기판(210)의 평면에 실질적으로 수직할 수 있다. A seed layer 230 is disposed on the lower electrode 220. The seed layer 230 may include metal atoms constituting the dense hexagonal lattice. The c-axes of the dense hexagonal gratings may be substantially perpendicular to the plane of the substrate 210.

상기 시드층(230) 상에 기준 자성체(240)가 배치될 수 있다. 상기 기준 자성체(240)는 상기 시드층(230) 상에 차례로 적층된 수직 기준 자성층(242), 하부 교환결합 조절층(244), 및 접합 기준 자성층(248)을 포함할 수 있다.The reference magnetic body 240 may be disposed on the seed layer 230. The reference magnetic body 240 may include a vertical reference magnetic layer 242, a lower exchange coupling control layer 244, and a junction reference magnetic layer 248 which are sequentially stacked on the seed layer 230.

상기 수직 기준 자성층(242)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)은 상기 기판(210)에 수직한 방향의 자화용이축을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)은 조밀육방격자(HCP)를 가질 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)의 상기 조밀육방격자는 도 3에 도시된 바와 같이 a축, b축 및 c축으로 구성될 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)을 구성하는 조밀육방격자의 c축은 상기 시드층(230)을 구성하는 c축에 실질적으로 평행할 수 있다. 즉, 상기 조밀육방격자구조의 <0001> 결정면은 상기 기판(210) 평면에 평행할 수 있다. 따라서, 상기 수직 기준 자성층(242)을 구성하는 상기 조밀육방격자의 c축은 상기 기판(210) 평면에 실질적으로 수직할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)의 자화용이축은 상기 c축일 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 기준 자성층(242)의 자화방향은 상기 기판(210)에 대해 수직할 수 있다. The vertical reference magnetic layer 242 may include a ferromagnetic material. The vertical reference magnetic layer 242 may have an axis of easy magnetization in a direction perpendicular to the substrate 210. For example, the vertical reference magnetic layer 242 may have a dense hexagonal lattice (HCP). The dense hexagonal lattice of the vertical reference magnetic layer 242 may be composed of a-axis, b-axis, and c-axis as shown in FIG. The c-axis of the dense hexagonal lattice constituting the vertical reference magnetic layer 242 may be substantially parallel to the c-axis constituting the seed layer 230. That is, the <0001> crystal plane of the dense hexagonal lattice structure may be parallel to the plane of the substrate 210. Therefore, the c-axis of the dense hexagonal lattice constituting the vertical reference magnetic layer 242 may be substantially perpendicular to the plane of the substrate 210. The axis of easy magnetization of the vertical reference magnetic layer 242 may be the c-axis. Accordingly, the magnetization direction of the vertical reference magnetic layer 242 may be perpendicular to the substrate 210.

일 실시예에서, 상기 수직 기준 자성층(242)은 10 내지 45 at. %의 백금 원자의 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금을 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242) 내의 상기 백금 원자의 함량은, 예를 들어, 20 내지 30 at.%일 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)은 붕소(B), 크롬(Cr) 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the vertical reference magnetic layer 242 is between 10 and 45 at. Platinum (CoPt) disordered alloys having a content of platinum atoms in the range of 1 to 100%. The content of the platinum atoms in the vertical reference magnetic layer 242 may be, for example, 20 to 30 at.%. The vertical reference magnetic layer 242 may further include a nonmagnetic material. For example, the vertical reference magnetic layer 242 may further include at least one selected from boron (B), chromium (Cr), and copper (Cu).

다른 실시예에서, 상기 수직 기준 자성층(242)은 질서합금인 Co3Pt를 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)은 붕소(B), 크롬(Cr), 실리콘(Si) 및 구리(Cu) 중 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. In another embodiment, the vertical reference magnetic layer 242 may comprise Co 3 Pt, which is a ordered alloy. The vertical reference magnetic layer 242 may further include a nonmagnetic material. For example, the vertical reference magnetic layer 242 may further include at least one selected from boron (B), chromium (Cr), silicon (Si), and copper (Cu).

또 다른 실시예에서, 상기 수직 기준 자성층(242)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 수직 기준 자성층(242)은 상기 시드층(230) 상에 차례로 적층된 조밀육방격자를 갖는 제1 기준 강자성층과 상기 제1 기준 강자성층 상의 제2 기준 강자성층을 포함할 수 있다. 상기 제1 기준 강자성층은 앞서 설명된 수직 기준 자성층(242)의 다양한 실시예중 선택된 하나이고, 제2 기준 강자성층은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나와 희토류 금속 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 예를 들어, 상기 희토류 금속은 토오븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 가돌리늄(Gd) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 기준 강자성층은 Fe50Pt50, Fe50Pt50, Co50Pt50, Co50Pd50 및 Fe50Ni50을 포함하는 L10 의 결정구조를 갖는 강자성 물질 중 선택된 적어도 하나일 수도 있다.In yet another embodiment, the vertical reference magnetic layer 242 may comprise a plurality of layers. In this case, the vertical reference magnetic layer 242 may include a first reference ferromagnetic layer having a dense hexagonal lattice sequentially stacked on the seed layer 230 and a second reference ferromagnetic layer on the first reference ferromagnetic layer . The first reference ferromagnetic layer is a selected one of various embodiments of the perpendicular reference magnetic layer 242 described above and the second reference ferromagnetic layer is at least one selected from among iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) Or an alloy containing at least one selected from the metals. For example, the rare earth metal may be at least one selected from among tobium (Tb), dysprosium (Dy), and gadolinium (Gd). Alternatively, the second reference ferromagnetic layer may comprise at least one selected from among the ferromagnetic materials having a crystal structure of L1 0 comprising Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pt 50 , Co 50 Pt 50 , Co 50 Pd 50, and Fe 50 Ni 50 Lt; / RTI &gt;

상기 수직 기준 자성층(242)의 상기 조밀육방구조에 의해, 상기 수직 기준 자성층(242)은 높은 수직 이방성을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 기준 자성층(242)을 포함하는 자기 메모리 소자의 저항산포 및 스위칭 전류 특성이 개선될 수 있다.By the dense hexagonal structure of the vertical reference magnetic layer 242, the vertical reference magnetic layer 242 can have high perpendicular anisotropy. Accordingly, resistance dispersion and switching current characteristics of the magnetic memory device including the vertical reference magnetic layer 242 can be improved.

상기 수직 기준 자성층(242) 상에 하부 교환결합 조절층(244)이 배치될 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 교환결합상수가 큰 자성물질 또는 표면 자기 이방성을 증가시킬 수 있는 비자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 교환결합상수가 큰 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 백금(Pt)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 두께는 2 내지 20Å일 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 상기 수직 기준 자성층(242)과 후술할 접합 기준 자성층(248) 사이의 교환결합을 강화시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 수직 기준 자성층(242)은 높은 수직 이방성을 가지므로 상기 수직 기준 자성층(242)과 상기 하부 교환결합 조절층(244)에 의해 교환결합되는 상기 접합 기준 자성층(248) 역시 높은 수직 이방성을 가질 수 있다. The lower exchange coupling control layer 244 may be disposed on the vertical reference magnetic layer 242. The lower exchange coupling control layer 244 may include a magnetic material having a high exchange coupling constant or a nonmagnetic material capable of increasing surface magnetic anisotropy. For example, the lower exchange coupling control layer 244 may include at least one of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) having a large exchange coupling constant. At this time, the lower exchange coupling control layer 244 may further include platinum (Pt). The thickness of the lower exchange coupling adjusting layer 244 may be 2 to 20 Å. The lower exchange coupling control layer 244 may enhance exchange coupling between the vertical reference magnetic layer 242 and a junction reference magnetic layer 248 to be described later. As described above, since the vertical reference magnetic layer 242 has high perpendicular anisotropy, the junction reference magnetic layer 248, which is exchange-coupled by the vertical reference magnetic layer 242 and the lower exchange coupling control layer 244, It may have anisotropy.

다른 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 포함하는 비자성 금속들 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 비자성 금속들은 인접한 자성층들의 결정구조들의 배향성을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 표면 상의 산화막을 더 포함할 수 있다. 상기 산화막은 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 표면이 산화된 막일 수 있다. 상기 산화막은 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 상부면 및/또는 하부면의 일부를 구성할 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(244)에 의해 상기 인접한 자성층들의 표면 자기 이방성이 증가될 수 있다. Alternatively, the lower exchange coupling control layer 244 may be formed of a material selected from the group consisting of Ti, Cr, Ru, Rh, Cu, Mg, Zn, And non-magnetic metals including aluminum (Al), tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt). The nonmagnetic metals can control the orientation of the crystal structures of adjacent magnetic layers. In one embodiment, the lower exchange coupling regulating layer 244 may further include an oxide layer on the surface of the lower exchange coupling regulating layer 244. The oxide film may be a film on which the surface of the lower exchange coupling control layer 244 is oxidized. The oxide layer may form a part of the upper surface and / or the lower surface of the lower exchange coupling control layer 244. The surface anisotropy of the adjacent magnetic layers can be increased by the lower exchange coupling control layer 244. [

상기 접합 기준 자성층(248) 상에 터널 베리어(250)가 형성될 수 있다. 상기 터널 베리어(250)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(Mg-Zn) 및 마그네슘-붕소(Mg-B)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 터널 베리어(250)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(250)는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO), 산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg), 또는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다. A tunnel barrier 250 may be formed on the junction reference magnetic layer 248. The tunnel barrier 250 is formed of an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (Mg-Zn) and magnesium- V). &Lt; / RTI &gt; The tunnel barrier 250 may include a plurality of layers. For example, the tunnel barriers 250 may be made of magnesium, magnesium oxide, magnesium oxide, magnesium, or magnesium oxide, .

상기 터널 베리어(250) 상에 자유 자성체(260)가 배치될 수 있다. 상기 자유 자성체(260)는 상기 터널 베리어(250)와 접하는 접합 자유 자성층(261), 상기 접합 자유 자성층(261) 상의 상부 교환결합 조절층(263) 및 상기 상부 교환결합 조절층(263) 상의 상부 자유 자성층(266)을 포함할 수 있다. A free magnetic body 260 may be disposed on the tunnel barrier 250. The free magnetic material 260 has a free magnetic layer 261 in contact with the tunnel barrier 250 and an upper exchange coupling control layer 263 on the free magnetic coupling layer 261 and a free magnetic layer on the upper exchange coupling control layer 263. A free magnetic layer 266 may be included.

상기 접합 자유 자성층(261)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 낮은 포화자화량을 가질 수 있다. 또한, 상기 접합 자유 자성층(261)은 낮은 댐핑 상수 및 높은 스핀 분극률을 가질 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 붕소(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The bonded free magnetic layer 261 may include a soft magnetic material. The bonded free magnetic layer 261 may have a low saturation magnetization. In addition, the free magnetic layer 261 may have a low damping constant and a high spin polarizability. The bonded free magnetic layer 261 may include at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). The free magnetic layer 261 may be formed of any one of boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si) (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N).

예를 들어, 상기 접합 자유 자성층(261)은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 붕소를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여 상기 접합 자유 자성층(261)은 티타늄(Ti), 알 루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하는 비자성 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 선택된 비자성 원소의 상기 접합 자유 자성층(261) 내의 함량은 1 내지 15 at.%일 수 있다.For example, the bonded free magnetic layer 261 may include CoFe or NiFe, but may further include boron. In addition, the bonded free magnetic layer 261 may further include at least one selected from non-magnetic elements including titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), and tantalum have. The content of the selected nonmagnetic element in the bonded free magnetic layer 261 may be 1 to 15 at.%.

상기 접합 자유 자성층(261) 상에 상부 교환결합 조절층(263)이 배치될 수 있다. 상기 상부 교환결합 조절층(263)은 교환결합상수가 큰 물질, 예를 들어 강자성 금속을 포함하거나, 인접한 자성체의 배향성 및 수직 이방성을 증가시킬 수 있는 물질, 예를 들어 비자성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 교환결합 조절층(263)은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 상부 교환결합 조절층(263)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 교환결합 조절층(263)은 상기 상부 교환결합 조절층(263)과 접하는 산화막을 더 포함할 수 있다. 상기 산화막은 상기 상부 교환결합 조절층(264)의 일부의 산화물일 수 있다. 상기 산화막은 상기 상부 교환결합 조절층(264)의 상부면 및/또는 하부면의 일부를 구성할 수 있다. The upper exchange coupling control layer 263 may be disposed on the free magnetic layer 261. The upper exchange coupling control layer 263 may comprise a material having a high exchange coupling constant, such as a ferromagnetic metal, or may include a material capable of increasing the orientation and perpendicular anisotropy of adjacent magnetic materials, such as a non-magnetic metal have. For example, the upper exchange coupling control layer 263 may include at least one selected from among iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Alternatively, the upper exchange coupling and regulating layer 263 may be formed of a material selected from the group consisting of Ti, Cr, Ru, Cu, Mg, Zn, And may include at least one selected from tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt). In one embodiment, the upper exchange coupling regulating layer 263 may further include an oxide layer in contact with the upper exchange coupling regulating layer 263. The oxide layer may be an oxide of a part of the upper exchange coupling control layer 264. The oxide layer may form a part of the upper surface and / or the lower surface of the upper exchange coupling control layer 264. [

상기 상부 자유 자성층(266)은 단일 자성층 또는 복수의 자성층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 자유 자성층(266)은 상기 상부 교환결합 조절층(263) 상에 차례로 적층된 제1 자유 강자성층, 자유 비자성층 및 제2 자유 강자성층, 즉 SAF층(Synthetic Anti-Ferromagnet layer)을 포함할 수 있다. 상기 상부 자유 자성층(266)은 자화방향이 변경가능한 다양한 자성층들의 형태를 포함할 수 있다. The upper free magnetic layer 266 may include a single magnetic layer or a plurality of magnetic layers. For example, the upper free magnetic layer 266 may include a first free ferromagnetic layer, a free magnetic layer and a second free ferromagnetic layer, that is, a SAF layer (Synthetic Anti-Ferromagnet layer. The upper free magnetic layer 266 may include various types of magnetic layers whose magnetization directions can be changed.

상기 상부 자유 자성층(266) 상에 캐핑층(270)이 배치된다. 상기 캐핑층은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capping layer 270 is disposed on the upper free magnetic layer 266. Wherein the capping layer comprises at least one selected from tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), tantalum nitride (TaN), and titanium nitride .

도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법이 설명된다. 앞서 설명된 내용은 생략될 수 있다. Referring to FIG. 4, a method of forming a magnetic memory element according to another embodiment of the present invention is described. The foregoing description may be omitted.

다시 도 4를 참조하면, 기판(210) 상에 하부 전극(220) 및 시드층(230)이 형성된다. 상기 시드층(230)은 상기 시드층(230)은 조밀육방격자 또는 면심입방격자를 갖는 금속들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(230)은 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시드층(230)은 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(230)은 10 내지 100Å의 두께로 형성될 수 있다. Referring again to FIG. 4, a lower electrode 220 and a seed layer 230 are formed on a substrate 210. The seed layer 230 may include the seed layer 230 with metals having a dense hexagonal lattice or face centered cubic lattice. For example, the seed layer 230 may be formed of ruthenium (Ru), titanium (Ti), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) And the like. The seed layer 230 may be formed to have a relatively small thickness. For example, the seed layer 230 may be formed to a thickness of 10 to 100 ANGSTROM.

상기 시드층(230) 상에 수직 기준 자성층(242)이 형성된다. 상기 수직 기준 자성층(242)은 상기 시드층(230)에 대한 의존도가 큰 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)의 결정구조는 상기 시드층(230)의 결정구조를 따라 배향될 수 있다. 예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)은 상기 시드층(230)의 c축을 따라 성장될 수 있다. 이에 따라, 상기 시드층(230)을 시드로 하여 성장되는 상기 수직 기준 자성층(242)은 비교적 저온 공정을 통해 형성될 수 있다. A vertical reference magnetic layer 242 is formed on the seed layer 230. The vertical reference magnetic layer 242 may include a material highly dependent on the seed layer 230. For example, the crystal structure of the vertical reference magnetic layer 242 may be oriented along the crystal structure of the seed layer 230. For example, the vertical reference magnetic layer 242 may be grown along the c axis of the seed layer 230. Accordingly, the vertical reference magnetic layer 242 grown using the seed layer 230 as a seed may be formed through a relatively low-temperature process.

예를 들어, 상기 수직 기준 자성층(242)은 코발트(Co) 및 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 상기 수직 기준 자성층(242)은 상기 코발트(Co) 및 백금(Pt)의 함량에 따라 질서 합금 또는 무질서 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 시드층(130)을 시드로 형성되는 상기 수직 기준 자성층(242)은 상온에서 증착될 수 있다. For example, the vertical reference magnetic layer 242 may include cobalt (Co) and platinum (Pt). The vertical reference magnetic layer 242 may include an ordered alloy or disordered alloy depending on the content of cobalt (Co) and platinum (Pt). For example, the vertical reference magnetic layer 242 formed by seeding the seed layer 130 may be deposited at room temperature.

상기 수직 자성층(242) 상에 하부 교환결합 조절층(244)이 형성될 수 있다.상기 하부 교환결합 조절층(244)은 교환 결합 상수가 큰 강자성 금속, 예를 들어, 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)을 포함하는 금속들 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 인접한 자성체의 표면 자기 이방성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 교환결합 조절층(244) 비자성 물질, 예를 들어 비자성 금속원소 또는 전이 금속을 포함할 수 있다. 상기 하부 교환결합 조절층(244)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. A lower exchange coupling control layer 244 may be formed on the perpendicular magnetic layer 242. The lower exchange coupling control layer 244 may be formed of a ferromagnetic metal having a large exchange coupling constant such as Fe, (Co), and nickel (Ni). Alternatively, the lower exchange coupling control layer 244 may increase the surface magnetic anisotropy of adjacent magnetic bodies. For example, the lower exchange coupling control layer 244 may include a non-magnetic material, such as a non-magnetic metal element or a transition metal. The lower exchange coupling control layer 244 may be formed of at least one material selected from the group consisting of Ti, Cr, Ru, Rh, Cu, Mg, Zn, And may include at least one of tantalum (Ta), palladium (Pd), and platinum (Pt).

일 실시예에서, 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 표면은 산화될 수 있다. 상기 산화를 위한 공정은 상기 하부 교환결합 조절층(244)의 형성 이전에 상기 수직 자성층(242)이 형성된 결과물이 로딩된 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하거나 상기 하부 교환결합 조절층(244)을 원자층 두께로 성막한 후 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하여 산화막을 형성한 후에 나머지 하부 교환결합 조절층(244)을 성막하는 것을 포함할 수 있다. In one embodiment, the surface of the lower exchange coupling regulating layer 244 may be oxidized. The oxidation process may be performed by injecting a very small amount of oxygen into the chamber where the resultant product of the perpendicular magnetic layer 242 is formed before the formation of the lower exchange coupling control layer 244 or by injecting the lower exchange coupling control layer 244 with atoms Depositing a layer with a small thickness and then injecting a very small amount of oxygen into the chamber to form an oxide film and then depositing the remaining lower exchange coupling control layer 244. [

상기 하부 교환결합 조절층(144) 상에 접합 기준 자성층(248)이 형성될 수 있다. 상기 접합 기준 자성층(248)의 수직 이방성은 상기 수직 기준 자성층(242) 및/또는 상기 하부 교환결합 조절층(144)에 의해 향상될 수 있다. A junction reference magnetic layer 248 may be formed on the lower exchange coupling control layer 144. The perpendicular anisotropy of the junction reference magnetic layer 248 may be enhanced by the vertical reference magnetic layer 242 and / or the lower exchange coupling control layer 144.

상기 접합 기준 자성층(248) 상에 터널 베리어(250)가 형성된다. 상기 터널 베리어(250)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn) 및 마그네슘-붕소(MgB)의 산화물, 및 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 질화물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 터널 베리어(250)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(250)는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO), 산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg), 또는 마그네슘(Mg)/산화마그네슘(MgO)/마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널 베리어(250)는 NaCl 구조(체심입방격자구조)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 터널 베리어(250)는 산화마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다. A tunnel barrier 250 is formed on the junction reference magnetic layer 248. The tunnel barrier 250 is formed of an oxide of magnesium (Mg), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) and magnesium-boron (MgB), and a nitride of titanium (Ti) And the like. Alternatively, the tunnel barrier 250 may include a plurality of layers. For example, the tunnel barriers 250 may be made of magnesium, magnesium oxide, magnesium oxide, magnesium, or magnesium oxide, . In one embodiment, the tunnel barrier 250 may have a NaCl structure (body-centered cubic structure). For example, the tunnel barrier 250 may include magnesium oxide (MgO).

상기 터널 베리어(250) 상에 접합 자유 자성층(261)이 형성된다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 상대적으로 낮은 포화 자화량을 가질 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 연자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 비자성 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)은 비정질 상태로 형성될 수 있다. A free magnetic coupling layer 261 is formed on the tunnel barrier 250. The bonded free magnetic layer 261 may have a relatively low saturation magnetization. The bonded free magnetic layer 261 may include a soft magnetic material. The bonded free magnetic layer 261 may further include a nonmagnetic material. The junction free magnetic layer 261 may be formed in an amorphous state.

상기 접합 자유 자성층(261) 상에 상부 교환결합 조절층(263)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 접합 자유 자성층(261)은 교환결합상수가 큰 자성 물질을 포함할 수 있다. 이에 의해, 상기 접합 자유 자성층(261)과 후술할 상부 기준 자성층(266)사이의 교환 결합이 증가되어 상기 접합 자유 자성층(261)의 수직 이방성이 증가될 수 있다. 구체적으로, 상기 접합 자유 자성층(261) 상에 상기 상부 교 환결합 조절층(263)이 형성되는 경우, 상기 접합 자유 자성층(261)의 결정구조는 후술할 상부 자유 자성층(266)의 결정구조를 따라 결정화되지 않고 상기 터널 베리어(250)의 결정구조를 따라 배향될 수 있다. 상기 접합 자유 자성층(261)이 상기 터널 베리어(250)의 결정구조에 배향됨에 따라, 상기 접합 자유 자성층(261)을 포함하는 자기터널접합의 자기저항비가 향상될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 교환결합 조절층(263)은 상부 접합 자유 자성층(261)과의 계면은 산화될 수 있다. 상기 산화를 위한 공정은 상기 상부 접합 자유 자성층(261) 형성 이후, 상기 상부 접합 자유 자성층(261)이 형성된 상기 기판(210)이 로딩된 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하거나 혹은 교환결합조절층(263)을 원자층으로 성막한 후 챔버 내에 극소량의 산소를 주입하여 산화물을 형성 후 나머지 교환결합 조절층(263)을 성막하는 것에 의해 수행될 수 있다.An upper exchange coupling control layer 263 may be formed on the free magnetic layer 261. In one embodiment, the bonded free magnetic layer 261 may include a magnetic material having a large exchange coupling constant. Thus, the exchange coupling between the free magnetic layer 261 and the upper reference magnetic layer 266 to be described later is increased, so that the perpendicular anisotropy of the free magnetic layer 261 can be increased. Specifically, when the upper exchange coupling control layer 263 is formed on the free magnetic layer 261, the crystal structure of the free magnetic layer 261 may be a crystal structure of the upper free magnetic layer 266 And can be oriented along the crystal structure of the tunnel barrier 250 without being crystallized. As the free magnetic layer 261 is oriented in the crystal structure of the tunnel barrier 250, the magnetoresistance ratio of the magnetic tunnel junction including the free magnetic layer 261 can be improved. In one embodiment, the interface with the upper junction free magnetic layer 261 may be oxidized in the upper exchange coupling control layer 263. After the formation of the upper bonding free magnetic layer 261, the process for oxidizing may include injecting a very small amount of oxygen into the chamber in which the substrate 210 on which the upper bonding free magnetic layer 261 is formed is loaded or the exchange coupling control layer 263 ) Is formed into an atomic layer, and then a very small amount of oxygen is injected into the chamber to form an oxide, and then the remaining exchange coupling control layer 263 is formed.

상기 상부 교환결합 조절층(263) 상에 상부 자유 자성층(266)이 형성될 수 있다. 상기 상부 자유 자성층(266)은 강자성 물질을 포함하는 단일의 층 또는 상기 단일의 층을 포함하는 복수의 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부 자유 자성층(266)은 강자성층-반강자성층-강자성층을 포함할 수 있다. An upper free magnetic layer 266 may be formed on the upper exchange coupling control layer 263. The upper free magnetic layer 266 may comprise a single layer comprising a ferromagnetic material or a plurality of layers comprising the single layer. In one embodiment, the top free magnetic layer 266 may comprise a ferromagnetic layer-an antiferromagnetic layer-a ferromagnetic layer.

상기 상부 교환결합 조절층(263) 상에 캐핑층(270)이 형성될 수 있다. 상기 캐핑층(270)은 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 질화탄탈륨(TaN) 및 질화티타늄(TiN) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The capping layer 270 may be formed on the upper exchange coupling control layer 263. The capping layer 270 may be selected from among tantalum (Ta), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), tantalum nitride (TaN), and titanium nitride And may include at least one.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 결정구조를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining a crystal structure of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a magnetic memory device according to another embodiment of the present invention.

Claims (10)

기판;Board; 상기 기판 상에 차례로 적층된 하부 자성체, 터널 베리어, 및 상부 자성체; 및A lower magnetic body, a tunnel barrier, and an upper magnetic body sequentially stacked on the substrate; And 상기 기판과 상기 하부 자성체 사이에 제공되고 조밀육방격자(Hexagonal Close-Packing, HCP)구조를 갖는 시드층을 포함하되, And a seed layer provided between the substrate and the lower magnetic body and having a Hexagonal Close-Packing (HCP) structure, 상기 하부 자성체는:The lower magnetic body includes: 상기 시드층에 인접하고, 조밀육방격자 구조를 가지고 Co3Pt을 포함하는 하부 수직 자성층;A lower perpendicular magnetic layer adjacent to the seed layer, the lower perpendicular magnetic layer having a dense hexagonal lattice structure and containing Co 3 Pt; 상기 터널 베리어에 인접하고 CoFeB를 포함하는 하부 자기 접합층; 및A lower magnetic bonding layer adjacent to the tunnel barrier and including CoFeB; And 상기 하부 수직 자성층과 상기 하부 자기 접합층 사이의 하부 교환결합 조절층을 포함하는 자기 메모리 소자. And a lower exchange coupling control layer between the lower perpendicular magnetic layer and the lower magnetic bonding layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 조밀육방격자의 c축(c-axis)은 상기 기판 평면에 실질적으로 수직한 자기 메모리 소자. And a c-axis of the dense hexagonal lattice is substantially perpendicular to the substrate plane. 청구항 2에 있어서, The method of claim 2, 상기 c축은 상기 하부 수직 자성층의 자화 용이축인 자기 메모리 소자. And the c-axis is an easy magnetization axis of the lower perpendicular magnetic layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 하부 교환결합 조절층은 Fe, Co, 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the lower exchange coupling control layer comprises at least one of Fe, Co, and Ni. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 상부 자성체는 조밀육방격자구조를 갖는 상부 수직 자성층을 더 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the upper magnetic body further comprises an upper perpendicular magnetic layer having a dense hexagonal lattice structure. 청구항 5에 있어서, The method of claim 5, 상기 상부 자성체는 상기 상부 수직 자성층과 상기 터널 베리어 사이에 제공되고, CoFeB를 포함하는 상부 자기 접합층을 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the upper magnetic body is provided between the upper perpendicular magnetic layer and the tunnel barrier, and includes an upper magnetic junction layer including CoFeB. 청구항 6에 있어서,The method of claim 6, 상기 상부 자성체는 상기 상부 수직 자성층과 상기 상부 자기 접합층 사이의 상부 교환결합 조절층을 더 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the upper magnetic body further comprises an upper exchange coupling control layer between the upper perpendicular magnetic layer and the upper magnetic bonding layer. 청구항 7에 있어서, The method of claim 7, 상기 상부 및 하부 교환결합 조절층들은 자성 물질 또는 비자성 물질을 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the upper and lower exchange coupling control layers comprise a magnetic material or a non-magnetic material. 청구항 6에 있어서, The method of claim 6, 상기 상부 자성체는 상기 상부 수직 자성층 상에 교대로 복수회 적층된 비자성층들 및 강자성층들을 더 포함하되, Wherein the upper magnetic body further comprises non-magnetic layers and ferromagnetic layers stacked alternately a plurality of times on the upper perpendicular magnetic layer, 상기 비자성층들 및 상기 강자성층들은 상기 상부 수직 자성층을 사이에 두고 상기 터널 베리어로부터 이격되는 자기 메모리 소자. Wherein the nonmagnetic layers and the ferromagnetic layers are spaced apart from the tunnel barrier via the upper perpendicular magnetic layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 하부 수직 자성층은 10 내지 45at.%의 백금 함량의 무질서 코발트-백금 합금 또는 질서합금인 Co3Pt을 포함하는 자기 메모리 소자. Wherein the lower perpendicular magnetic layer comprises a disordered cobalt-platinum alloy or a ordered alloy of Co 3 Pt with a platinum content of 10 to 45 at.%.
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