KR20130137531A - Magnetic tunneling junction seed, capping, and spacer layer materials - Google Patents

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Abstract

A magnetic device for a semiconductor device includes a reference film, a free film, and a nonmagnetic spacer film which is arranged between the reference film and the free film. The nonmagnetic spacer film includes binary, ternary, or multiple alloy oxide. The binary, ternary, or multiple alloy oxide includes MgO which includes one or more additional elements selected among a group of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. [Reference numerals] (110) Film to be fixed;(120) Spacer film;(130) Free film;(140) Vertical anisotropy capping film

Description

자기 터널링 접합 시드, 캡핑 및 스페이서 막 물질들{MAGNETIC TUNNELING JUNCTION SEED, CAPPING, and SPACER LAYER MATERIALS}MAGNETIC TUNNELING JUNCTION SEED, CAPPING, and SPACER LAYER MATERIALS}

본 발명은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에서 사용 가능한 자기 소자들과, 상기 자기 소자들을 사용하는 장치들과 관련된다.The present invention relates to magnetic elements usable in magnetic devices, such as magnetic memories, and to devices using the magnetic elements.

자기 메모리들, 특히 자성 랜덤 엑세스 메모리들(magnetic random access memories, MRAMs)은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비-휘발성 및 작동 중 낮은 전력 소모의 잠재성으로 증가하는 관심을 끌고 있다. MRAM은 자성 물질을 저장-기록 매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 일 형태는 스핀 전달 토크 랜덤 엑세스 메모리(spin transfer torque random access memory, STT-RAM)이다. STT-RAM은 자기 소자를 통해 인가되는 전류에 의해 적어도 일부에 쓰기가 되는 자기 소자들을 이용한다.Magnetic memories, especially magnetic random access memories (MRAMs), are of increasing interest with the potential for high read / write speeds, excellent durability, non-volatility and low power consumption during operation. MRAM can store information by using a magnetic material as a storage-recording medium. One type of MRAM is a spin transfer torque random access memory (STT-RAM). STT-RAM uses magnetic elements that are written at least in part by the current applied through the magnetic elements.

예를 들면, 도 1은, 일반적인 STT-RAM에서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 자기 터널링 접합(magnetic tunneling junction, MTJ, 10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 하부 콘택(11) 상에 형성되고, 일반적인 시드막(12)을 사용하며, 고정막(pinning layer, 14), 예를 들어 일반적인 반강자성(antiferromagnetic, AFM), 일반적인 피고정막(또는 기준막, 16), 일반적인 터널링 배리어막(18), 일반적인 자유막(20) 및 일반적인 캡핑막(22)을 포함한다. 또한, 상부 콘택(24)이 도시된다.For example, FIG. 1 shows one exemplary magnetic tunneling junction (MTJ) 10 that can be used in a typical STT-RAM. The general MTJ 10 is generally formed on the lower contact 11 and uses a common seed film 12, a pinning layer 14, for example general antiferromagnetic (AFM), general A pinned layer (or reference layer) 16, a general tunneling barrier layer 18, a general free layer 20, and a general capping layer 22 may be included. Also shown is an upper contact 24.

일반적인 콘택들(11, 24)은 면에 대하여 수직한 전류(current-perpendicular-to-plane, CPP)에서, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 z축을 따라, 전류를 인가하는 것으로 사용된다. 일반적인 터널링 배리어막(18)은 비자성이며, 예컨대, MgO와 같은 얇은 절연체이다. 일반적인 시드막(12)은 일반적으로, 목적하는 결정 구조를 갖는 후속되는 막들, 예를 들면, AFM 막(14)과 같은 막들의 성장을 돕기 위하여 사용된다. 상부 콘택(24)에 대한 일반적인 자유막(20)의 직접적 노출은 불규칙한 계면, 자성을 상실한 영역들(dead magnetic regions) 및 증가된 댐핑(damping)을 야기시킬 수 있다. 결과적으로, 일반적인 캡핑막(22)은 상부 콘택(24)의 적층 전에, 자유막(20) 상에 직접적으로 제공된다. 이러한 일반적인 캡은 확산 방지로서 기능하며, 일반적인 자유막(20)의 표면 질을 향상시킨다. 일반적인 피고정막(16) 및 일반적인 자유막(20)은 자성체이다. 일반적인 피고정막(16)의 자화(17)는 특별한 방향에서, 일반적으로 AFM 막(14)과 교환-바이어스 작용(exchange-bias interaction)에 의해 정해지거나 고정된다. 단순한(단일) 막으로 도시되더라도, 일반적인 피고정막(16)은 다중막들을 포함할 수 있다. 예컨대, 일반적인 피고정막(16)은, Ru과 같은 얇은 도전막들을 통해 반강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성막들을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnetic, SAF)일 수 있다. SAF과 같은 경우, Ru박막이 삽입된 다중 자성막들이 사용될 수 있다.Typical contacts 11 and 24 are used to apply a current in a current-perpendicular-to-plane (CPP) or along the z-axis as shown in FIG. 1. The general tunneling barrier film 18 is nonmagnetic and is, for example, a thin insulator such as MgO. The general seed film 12 is generally used to aid the growth of subsequent films having the desired crystal structure, for example, films such as the AFM film 14. Direct exposure of the general free layer 20 to the upper contact 24 can cause irregular interfaces, dead magnetic regions and increased damping. As a result, the general capping film 22 is provided directly on the free film 20, before the upper contact 24 is laminated. This general cap functions as a diffusion barrier and improves the surface quality of the general free film 20. The general pinned film 16 and the general free film 20 are magnetic materials. The magnetization 17 of the general pinned film 16 is defined or fixed in a particular direction, generally by an exchange-bias interaction with the AFM film 14. Although shown as a simple (single) film, the general pinned film 16 may include multiple films. For example, the general pinned film 16 may be a synthetic antiferromagnetic (SAF) including magnetic films that are antiferromagnetically or ferromagnetically coupled through thin conductive films such as Ru. In the case of SAF, multiple magnetic films in which Ru thin films are inserted can be used.

일반적인 자유막(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 단일막으로 도시되지만, 일반적인 자유막(20)은 또한 다중 막들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일반적인 자유막(20)은, Ru과 같은 얇은 도전막들을 통해 반강자성적으로 또는 강자성적으로 연결된 자성막들을 포함하는 합성막일 수 있다.The general free layer 20 has a changeable magnetization 21. Although shown as a single film, the general free film 20 may also include multiple films. For example, the general free film 20 may be a synthetic film including magnetic films that are antiferromagnetically or ferromagnetically connected through thin conductive films such as Ru.

스핀 전달 토크(Spin transfer torque)는 일반적인 MTJ(10)에 쓰기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 스핀-전환 토크는 자화 용이 축(easy axis)에 따른 두 개의 방향 중 하나로 일반적인 자유막(20)의 자화를 회전시킨다. 쓰기 전류가 상기 층들의 면에 수직한 방향으로 일반적인 MTJ(10)를 통과할 때, 전자들은 일반적인 피고정막(16)을 통한 투과 또는 일반적인 피고정막으로부터의 반사에 의해 스핀 분극될 수 있다. 충분한 전류가 일반적인 MTJ(10)를 통해 인가된다면, 일반적인 자유막(20)의 자화(21)에 대한 스핀 전달 토크는 일반적인 자유막(20)을 스위칭시키기에 적절할 수 있다. 그러므로, 일반적인 자유막(20)은 원하는 상태로 쓰여질 수 있다. 그래서, 일반적인 MTJ(10)는 STT-RAM에서 정보 저장을 위하여 사용될 수 있다.Spin transfer torque can be used to write to the general MTJ 10. In particular, the spin-switching torque rotates the magnetization of the general free film 20 in one of two directions along the easy axis. When a write current passes through a typical MTJ 10 in a direction perpendicular to the plane of the layers, electrons can be spin polarized by transmission through the general pinned film 16 or reflection from the general pinned film. If sufficient current is applied through the general MTJ 10, the spin transfer torque for the magnetization 21 of the general free layer 20 may be suitable for switching the general free layer 20. Therefore, the general free film 20 can be written in a desired state. Thus, the general MTJ 10 can be used for information storage in the STT-RAM.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 낮은 밴드 갭을 갖는 터널링 물질을 제공하는데 있다.One technical problem to be achieved by the present invention is to provide a tunneling material having a low band gap.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 제1 기준막; 자유막; 및 상기 제1 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 제1 비자성 스페이서막을 포함하되, 상기 제1 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은, Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함한다.One embodiment according to the inventive concept provides a magnetic device. The magnetic element may include a first reference layer; Free membrane; And a first nonmagnetic spacer layer disposed between the first reference layer and the free layer, wherein the first nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary, or polymembered alloy oxide. MgO having at least one additional element selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh Include.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 비자성 스페이서막은 절연 터널링 배리어막일 수 있다.In example embodiments, the first nonmagnetic spacer layer may be an insulating tunneling barrier layer.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 비자성 스페이서막은 스핀 밸브(spin valve)로서 기능하는 도전 물질을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first nonmagnetic spacer layer may include a conductive material functioning as a spin valve.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는 상기 제1 기준막 상에 배치된 캡핑막을 더 포함하되, 상기 캡핑막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며, 상기 캡핑막의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the invention, the magnetic element further comprises a capping film disposed on the first reference film, the capping film comprises a binary, ternary or poly-element oxide, the binary, ternary of the capping film Or the multi-element alloy oxide is at least one additional element selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh It may include MgO having a.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는, 상기 제1 기준막 아래에 배치된 시드막을 더 포함하되, 상기 시드막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며, 상기 시드막의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further comprises a seed film disposed under the first reference film, wherein the seed film comprises a binary, ternary or poly-element oxide, wherein the binary of the seed film, The ternary or polymembered alloy oxide is at least one additional selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh It may include MgO having an element.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 비자성 스페이서막은 (001) 결정 구조를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first nonmagnetic spacer layer may include a (001) crystal structure.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는 상기 자유막의 마주보는 면 상에 배치된 제2 기준막; 및 상기 제2 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치되는 제2 비자성 스페이서막을 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic element may include a second reference layer disposed on an opposite surface of the free layer; And a second nonmagnetic spacer layer disposed between the second reference layer and the free layer.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 비자성 스페이서막은 MgO를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the second nonmagnetic spacer layer may include MgO.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며, 상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the free layer and the second reference layer may have an in-plane magnetization direction, and the first reference layer may have a vertical magnetization direction.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 수직 자화 방향을 가지며, 상기 제1 기준막은 면 내 자화 방향을 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the free layer and the second reference layer may have a vertical magnetization direction, and the first reference layer may have an in-plane magnetization direction.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는, 상기 제1 기준막을 덮는 캡핑막을 더 포함하되, 상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며, 상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping layer covering the first reference layer, wherein the free layer and the second reference layer have an in-plane magnetization direction, and the first reference layer has a vertical magnetization. Direction.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는, 상기 제1 기준막을 덮는 캡핑막을 더 포함하되, 상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며, 상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic element further includes a capping layer covering the first reference layer, wherein the free layer and the second reference layer have an in-plane magnetization direction, and the first reference layer has a vertical magnetization. Direction.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 소자는, 상기 제1 기준막 상에 배치된 캡핑막; 및 상기 제2 기준막 아래에 배치된 시드막을 더 포함하되, 상기 캡핑막, 상기 시드막, 또는 이들의 모두는, 상기 제1 및 제2 기준막들 중 인접한 하나와 밀접하게 정합(closely match)되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물로 형성되며, 상기 캡핑막, 상기 시드막, 또는 이들의 모두의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic element may include a capping film disposed on the first reference film; And a seed film disposed under the second reference film, wherein the capping film, the seed film, or both thereof are closely matched with an adjacent one of the first and second reference films. And a binary, ternary or polymembered alloy oxide having a crystal structure, wherein the capping film, the seed film, or both of the binary, ternary or polymembered alloy oxides are selected from Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, MgO with one or more additional elements selected from the group consisting of Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 기준막; 자유막; 상기 기준막 및 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막; 상기 기준막 상에 배치된 캡핑막; 및 상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막, 상기 캡핑막 또는 상기 시드막 중의 적어도 하나는, MgAl2O4, (Mg, Ca, Sr, Ba, Mg)SnO3, Mg2SnO4, 또는 NiMn2O4을 포함한다.Another embodiment according to the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a reference film; Free membrane; A nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer; A capping film disposed on the reference film; And a seed film disposed below the reference film, wherein at least one of the nonmagnetic spacer film, the capping film, or the seed film is MgAl 2 O 4 , (Mg, Ca, Sr, Ba, Mg) SnO 3 , Mg 2 SnO 4 , or NiMn 2 O 4 .

본 발명의 개념에 따른 또 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz을 포함하며, 여기에서, x+y>1 이고, z<1이다.Yet another embodiment in accordance with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, wherein the nonmagnetic spacer film comprises a binary, ternary or polymembered alloy oxide, wherein the binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises at least one additional element A. MgO having, wherein A is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh Wherein the binary alloy oxide comprises Mg x A y O z , wherein x + y> 1 and z <1.

본 발명의 개념에 따른 또 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 일 방향에서 반대 방향으로 스위칭되는 자화 방향을 갖는 자유막; 기준막; 상기 자유막 및 상기 기준막 사이에 배치되는 스페이서막; 및 상기 기준막 또는 상기 자유막에 인접하게 배치되는 시드막 또는 캡핑막을 포함하되, 상기 시드막 또는 캡핑막은, 하나 이상의 추가 원소를 갖고, 인접한 기준막 또는 자유막의 결정 구조에 밀접하게 정합되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며, 상기 하나 이상의 추가 원소는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.Yet another embodiment in accordance with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a free layer having a magnetization direction switched from one direction to the opposite direction; Reference membrane; A spacer layer disposed between the free layer and the reference layer; And a seed film or a capping film disposed adjacent to the reference film or the free film, wherein the seed film or capping film has one or more additional elements and is closely matched to the crystal structure of an adjacent reference film or free film. And binary, tertiary or polymembered alloy oxides having at least one additional element, wherein Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr , Mo, and Rh.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Mg, O, 및 하나 이상의 추가 원소를 포함하고, 상기 하나 이상의 추가 원소는 MgO에 비하여 상기 산화물의 저항을 감소시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the binary, ternary or polymembered alloy oxide may include Mg, O, and one or more additional elements, and the one or more additional elements may reduce the resistance of the oxide compared to MgO.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 스페이서막은 터널링 배리어막일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the spacer layer may be a tunneling barrier layer.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 터널링 배리어막은, 인접한 자유막 및 기준막의 결정 구조에 밀접하게 정합되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원, 또는 다원 합급 산화물을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the tunneling barrier layer may include a binary, ternary, or multi-membered oxide having a crystal structure that closely matches the crystal structures of adjacent free and reference layers.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 자기 메모리 저장 소자는 스핀 밸브 구조를 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnetic memory storage element may provide a spin valve structure.

본 발명의 개념에 따른 또 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막; 상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막 또는 상기 시드막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 삼원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 다원 합금 산화물은 MgxA1y1A2y2...AnynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1이다.Yet another embodiment in accordance with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer. A seed film disposed below the reference film, wherein at least one of the nonmagnetic spacer film or the seed film comprises a binary, ternary, or polymembered alloy material, wherein the binary, ternary, or polymembered alloy oxide comprises one or more additional elements A; MgO having, wherein A is from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh Wherein the binary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, and the tertiary alloy oxide is MgxAyOz, Wherein x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, wherein the polyalloy oxide is MgxA1y1A2y2 ... AnynOz and x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 <x, or y1, or y2, ..., or yn, or z <1.

본 발명의 개념에 따른 또 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막; 상기 기준막 아래에 배치된 캡핑막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막 또는 상기 캡핑막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 삼원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2Oz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 다원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2...An ynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1이다.Yet another embodiment in accordance with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer. A capping film disposed below the reference film, wherein at least one of the nonmagnetic spacer film or the capping film comprises a binary, ternary, or polymembered alloy material, wherein the binary, ternary, or polymembered alloy oxide comprises one or more additional elements A; MgO having, wherein A is from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh Wherein the binary alloy oxide is MgxAyOz, where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, wherein the tertiary alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, wherein the multi-alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... A n yn O z and x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 <x, or y1, or y2, ..., or yn, or z <1 to be.

본 발명의 개념에 따른 또 다른 실시예는 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는, 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막; 상기 자유막을 덮는 캡핑막; 및 상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막, 상기 캡핑막 및 상기 시드막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 삼원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2Oz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며, 상기 다원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2...An ynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 r y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1이다.Yet another embodiment in accordance with the inventive concept provides a magnetic element. The magnetic element may include a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer. A capping layer covering the free layer; And a seed layer disposed below the reference layer, wherein at least one of the nonmagnetic spacer layer, the capping layer, and the seed layer includes a binary, ternary, or polyvalent alloy material. MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Selected from the group consisting of Rh, wherein the binary alloy oxide is MgxAyOz, wherein x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, wherein the tertiary alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z , wherein x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1, wherein the multi-alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 .. . a n yn O z a, x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn , and 0 <x, or r y1, or y2, ..., or yn or z <1.

본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 자기 메모리 프로그램하는 방법을 제공한다. 상기 자기 메모리를 프로그램하는 방법에 있어서, 상기 자기 메모리는 다수의 자기 저장 셀들을 포함하며, 상기 다수의 자기 저장 셀들 각각은, 적어도 하나의 자기 소자 및 적어도 하나의 선택 소자를 포함하며, 상기 적어도 하나의 자기 소자는 상기 자기 소자를 통해 쓰기 전류를 흘려주거나, 상기 적어도 하나의 자기 소자에 전압을 인가함으로써 프로그램할 수 있고, 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통해 쌍극 또는 단극 전류를 인가하거나 상기 적어도 하나의 자기 소자로 전압을 인가하는 것을 포함하되, 상기 쌍극 또는 단극 전류 또는 전압은 상기 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분하고, 상기 적어도 하나의 메모리 소자는: 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고, 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.One embodiment according to the inventive concept provides a method of magnetic memory programming. A method of programming the magnetic memory, the magnetic memory comprising a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage cells comprising at least one magnetic element and at least one selection element, wherein the at least one The magnetic element of may be programmed by flowing a write current through the magnetic element or by applying a voltage to the at least one magnetic element, and applying a dipole or unipolar current through the at least one magnetic element or the at least one Applying a voltage to a magnetic element, wherein the dipole or unipolar current or voltage is sufficient to program the at least one magnetic element, the at least one memory element comprising: a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film, wherein the nonmagnetic spacer film comprises a binary, ternary or polymembered alloy oxide, wherein the binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises at least one additional element A. MgO having, wherein A is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh do.

본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 자기 메모리 프로그램하는 방법을 제공한다. 자기 메모리를 프로그램하는 방법에 있어서, 상기 자기 메모리는 다수의 자기 저장 셀들을 포함하며, 상기 다수의 자기 저장 메모리 셀들 각각은 적어도 하나의 자기 소자 및 적어도 하나의 선택 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 소자는 상기 자기 소자를 통해 쓰기 전류를 흘려주거나, 상기 적어도 하나의 자기 소자에 전압을 인가함으로써 프로그램할 수 있고, 상기 다수의 자기 저장 셀들의 일부의 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통하지 않고 인접하게 제1 전류를 인가하되, 상기 제1 전류는 자기장 또는 추가적인 스핀 토크를 발생시키는 것; 및 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통하여 제2 전류를 인가하거나 전압을 인가하는 것을 포함하되, 상기 제2 전류 또는 전압과; 상기 자기장 또는 상기 추가적인 스핀 토크는 상기 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분하며, 상기 적어도 하나의 메모리 소자는, 기준막; 자유막; 및 상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고, 상기 이원, 삼원, 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함한다.Another embodiment in accordance with the inventive concept provides a method of magnetic memory programming. A method of programming a magnetic memory, the magnetic memory comprising a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage memory cells comprising at least one magnetic element and at least one selection element, wherein the at least one A magnetic element may be programmed by flowing a write current through the magnetic element or by applying a voltage to the at least one magnetic element and adjacent to the at least one magnetic element of some of the plurality of magnetic storage cells. Applying a first current, wherein the first current generates a magnetic field or additional spin torque; And applying a second current or applying a voltage through the at least one magnetic element, wherein the second current or voltage; The magnetic field or the additional spin torque is sufficient to program the at least one magnetic element, the at least one memory element comprising: a reference film; Free membrane; And a nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer, wherein the nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary, or polymembered alloy oxide, wherein the binary, ternary, or polymembered alloy oxide is Ru, Al, Ta. MgO having at least one additional element selected from the group consisting of Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 전류는 쌍극 또는 단극 전류일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the second current may be a dipole or a unipolar current.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전류를 인가하는 것은, 상기 적어도 하나의 자기 소자에 인접한 도전 배선에 교류 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, applying the first current may include applying an alternating current to the conductive wiring adjacent to the at least one magnetic element.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 교류 전류는, 스핀 홀 효과, 또는 라쉬바 효과의 물리적 효과로부터 상기 적어도 하나의 자기 소자에 스핀 전류 또는 스핀 토크를 야기시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the alternating current may cause spin current or spin torque in the at least one magnetic element from a physical effect of spin hole effect or lash bar effect.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 교류 전류는 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통해 흐르는 상기 제1 전류를 리드(lead)하고/또는 오버랩할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the alternating current may lead and / or overlap the first current flowing through the at least one magnetic element.

일 실시예들에서, 어닐링 후 MgO와 동일한 기본 결정 방향 (001)을 갖는 이원 합금 산화물(binary alloy oxide), 삼원 합금 산화물(ternary alloy oxide), 또는 다른 다원 합금 산화물(multi-nary alloy oxide )은, MgO의 배리어 높이를 낮추도록 제공될 수 있어, 증가된 두께에서 더 작은 저항을 갖는다. 예를 들면, 새로운 산화물들은 산화물(예컨대, MgO)에 추가적 원소들을 제공하여 형성될 수 있다. 추가적 원소들은 상기 산화물의 저항을 감소시킨다. 추가적 원소들은 예를 들면, 하기의 원소들의 하나 이상을 포함할 수 있다: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh. 상기 새로운 산화물들이 시드, 캡핑 또는 스페이서/배리어막들로서 사용되어, 자기 메모리 장치와 같은 자기 장치의 터널 자기 저항(tunnel magnetoresistance, TMR) 비율(ratio)을 증가시키고 RA를 감소시킬 수 있다.In one embodiment, after annealing a binary alloy oxide, ternary alloy oxide, or other multi-nary alloy oxide having the same basic crystal orientation (001) as MgO is , MgO can be provided to lower the barrier height, thus having a smaller resistance at increased thickness. For example, new oxides can be formed by providing additional elements to the oxide (eg, MgO). Additional elements reduce the resistance of the oxide. Additional elements may include, for example, one or more of the following elements: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr , Mo, and Rh. The new oxides may be used as seed, capping or spacer / barrier films to increase the tunnel magnetoresistance (MRR) ratio of the magnetic device, such as a magnetic memory device, and reduce the RA.

그러므로 MgO막의 특성들이, 첨가제들 또는 추가적 원소들의 사용을 통해 향상될 수 있다. 첨가제들은 예컨대, 격자 상수를 맞추도록 결정 구조를 늘리거나 줄이기 위하여 사용될 수 있다. 또는, 첨가체들은 격자 불일치로 인한 스트레인(strain)의 영향을 증가시키도록 사용될 수 있다.Therefore the properties of the MgO film can be improved through the use of additives or additional elements. Additives can be used, for example, to increase or decrease the crystal structure to match the lattice constant. Alternatively, additives can be used to increase the effect of strain due to lattice mismatch.

새로운 산화물들은 더 낮은 밴드 갭, 또는 몇몇의 예시에서 도전성을 갖기 때문에, 더 낮은 RA 값을 제공한다. 더 낮은 밴드 갭은 터널링을 위한 물질의 전기 저항을 감소시킨다. 도전성 산화물들은 예를 들면, 감소된 저항을 갖는 시드 또는 캡핑 막들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 그리고, 도전성은 스핀 전달 토크 MTJ 구조들에서의 배리어막들에서 일반적으로 회피되어야 하지만, 도전성 스페이서(삽입) 막들은 스핀 밸브 구조들에서 유용하게 사용될 수 있다. 시드, 캡핑 및 배리어/스페이서 막들에서 감소된 RA 값들을 갖는 새로운 산화물을 이용함에 의해, 메모리 쓰기 전류와 전력은 감소될 수 있으며, 읽기 신호 및 속도는 증가될 수 있으며, 쓰기 및 읽기 오류들의 가능성은 크게 감소될 수 있다.The new oxides have lower band gaps, or in some instances they are conductive, thus providing lower RA values. Lower band gaps reduce the electrical resistance of the material for tunneling. Conductive oxides can be used, for example, to provide seed or capping films with reduced resistance. And while conductivity should generally be avoided in barrier films in spin transfer torque MTJ structures, conductive spacer (insert) films can be usefully used in spin valve structures. By using a new oxide with reduced RA values in the seed, capping and barrier / spacer films, the memory write current and power can be reduced, the read signal and speed can be increased, and the possibility of write and read errors Can be greatly reduced.

도 1은 일반적인 자기 소자를 도시한다.
도 2는 일 실시예의 자기 소자를 도시한다.
도 3 및 4는 두 개의 스위칭 방향들에서 도 2에 도시된 자기 메모리 구조들에 대하여 다양한 전압에서의 스위칭 속도(switching speed)를 도시한 그래프들이다.
도 5는 도 2에 도시된 구조들에서, MTJ 메모리 비트들의 수와 두 개의 스위칭 방향들(P→AP, AP→P)에 대한 쓰기 전류를 도시한 그래프들이다.
도 6은 DMTJ 구조의 이점들과, 두 개의 배리어들 중 하나가 본 발명 개념의 원리를 따라 배치된 DMTJ 구조의 이점들을 도시한 그래프들의 세트를 제공한다.
도 7은 본 발명의 개념의 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 배리어막을 갖도록 형성된 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 8은 면 내 자화된 및 수직 자화된 기준막들 둘 다를 가지며, 면 내 자화된 자유막을 더 포함하고, 본 발명의 개념의 원리에 따른 하나 이상의 새로운 물질들로 형성된 배리어막을 포함하는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 9는 도 8과 유사하되, 본 발명 개념의 추가적인 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 캡핑막을 더 포함하는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 10은 수직(자화된) 및 면 내(자화된) 기준막들 둘 다와, 수직 자화된 자유막을 가지며, 본 발명의 개념의 또 다른 실시예에 다른 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 배리어막을 더 갖는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 11은 수직(자화된) 및 면 내(자화된) 기준막들 둘 다와, 수직으로 자화된 자유막을 포함하며, 본 발명의 개념의 추가적인 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 배리어막을 더 갖는 또 다른 실시예의 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 12는 본 발명 개념의 또 다른 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 시드막을 갖는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 13은 본 발명의 개념의 추가적인 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 캡핑막을 갖는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 14는 본 발명의 개념의 또 다른 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물의 하나 이상으로 형성된 캡핑막 및 시드막을 갖는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 15는 실질적인 수직으로 자화된 자유막 및 기준막을 가지며, 본 발명의 개념의 원리에 따른 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 배리어막을 더 갖는 자기 메모리 소자의 개략적 대표도이다.
도 16은 실질적으로 수직으로 자화된 기준막 및 자유막을 갖는 자기 메모리 소자의 계략적인 대표도로서, 본 발명의 개념의 추가적인 원리에 따른 캡핑막, 배리어막 및/또는 시드막으로서 하나 이상의 새로운 산화물의 사용을 추가적으로 도시한다.
도 17은 본 명세서의 몇몇 실시예들에 따른 자기 소자를 사용한 자기 메모리의 일 실시예를 도시한다.
도 18은 본 명세서의 원리에 따라 형성된 MTJ 소자를 포함하는 자기 장치의 개략적 단면도이다.
도 19는 상술한 본 발명의 개념의 몇몇 실시예에 따른 자기 장치가 사용된 전자 시스템의 개략적 도면이다.1 shows a typical magnetic element.
2 illustrates a magnetic element of one embodiment.
3 and 4 are graphs showing switching speeds at various voltages for the magnetic memory structures shown in FIG. 2 in two switching directions.
FIG. 5 is a graph showing the number of MTJ memory bits and write currents for two switching directions P → AP and AP → P in the structures shown in FIG.
6 provides a set of graphs illustrating the advantages of the DMTJ structure and the advantages of the DMTJ structure in which one of the two barriers is arranged in accordance with the principles of the present invention.
7 is a schematic representation of a magnetic memory device formed to have a barrier film formed of one or more new oxides in accordance with the principles of the inventive concept.
8 is a magnetic memory device having both in-plane magnetized and vertically magnetized reference films, further comprising an in-plane magnetized free film, and comprising a barrier film formed of one or more new materials in accordance with the principles of the inventive concept. A schematic representation of the.
FIG. 9 is a schematic representation of a magnetic memory device similar to FIG. 8 but further including a capping film formed of one or more new oxides in accordance with additional principles of the inventive concept.
10 further shows a barrier film formed of one or more new oxides in another embodiment of the inventive concept, having both a vertical (magnetized) and an in-plane (magnetized) reference film and a vertical magnetized free film. It is a schematic representation of the magnetic memory element having.
11 further includes both vertical (magnetized) and in-plane (magnetized) reference films, and a vertically magnetized free film, further comprising a barrier film formed of one or more new oxides in accordance with additional principles of the inventive concept. Is a schematic representation of a magnetic memory device of yet another embodiment.
12 is a schematic representation of a magnetic memory device having a seed film formed of one or more new oxides in accordance with another principle of the inventive concept.
13 is a schematic representation of a magnetic memory device having a capping film formed of one or more new oxides in accordance with additional principles of the inventive concept.
14 is a schematic representation of a magnetic memory device having a capping film and a seed film formed of one or more of one or more new oxides in accordance with another principle of the inventive concept.
15 is a schematic representation of a magnetic memory device having a substantially vertically magnetized free film and a reference film, and further having a barrier film formed of one or more new oxides in accordance with the principles of the inventive concept.
16 is a schematic representation of a magnetic memory device having a substantially perpendicularly magnetized reference film and a free film, wherein one or more new oxides as capping, barrier, and / or seed films in accordance with additional principles of the inventive concept. Further use is shown.
17 illustrates one embodiment of a magnetic memory using a magnetic element in accordance with some embodiments of the present disclosure.
18 is a schematic cross-sectional view of a magnetic device including an MTJ element formed in accordance with the principles herein.
19 is a schematic diagram of an electronic system employing a magnetic device in accordance with some embodiments of the inventive concepts described above.

예시적 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에서 사용 가능한 자기 소자들과, 상기 자기 소자들을 사용하는 장치들과 관련된다. 하기의 기술은 당해 기술에서 숙련된 자가 만들거나 사용하도록 기술되며, 특허 명세서 및 그것의 자격 요건이 본 명세서 내에서 제공된다. 예시적 실시예들에 대한 다양한 변경들과 일반적인 개념들과 본 명세서에서 기술된 특징들은 매우 명백할 것이다. 예시적 실시예들은 주로, 특별한 실행 내에서 제공되는 특별한 방법들 및 시스템들의 용어들 내에서 기술된다. 그러나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실행들 내에서 효율적으로 작동할 것이다. "예시적 실시예(exemplary embodiment)", "일 실시예(one embodiment)" 및 "다른 실시예(another embodiment)"와 같은 구문은 다수의 실시예들뿐만 아니라 동일하거나 상이한 실시예들로 간주될 수 있다. 상기 실시예들은 특정 요소들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 관련하여 기술될 것이다. 그러나, 상기 시스템 및/또는 장치들은 도시된 것보다 많거나 적은 요소들이 포함될 수 있으며, 상기 요소들의 배열 및 형태에 대한 다양성들은 발명의 범위로부터 벗어나지 않도록 만들어질 수 있다. 예시적 실시예들은 또한, 특정 단계들을 갖는 특별한 방법들이 문맥 내에서 기술될 수 있다. 그러나, 상기 방법 및 시스템은 상이하고/또는 추가한 단계들 및 예시적 실시예들과는 불일치하는 다른 순서의 단계들을 갖는 다른 방법에 대하여 효율적으로 작동한다. 그래서, 본 발명은 도시된 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않지만, 본 명세서 내 기술된 원리들 및 특징들을 가지고 일관된 가장 넓은 범위에 부합된다.Exemplary embodiments relate to magnetic elements usable in magnetic devices, such as magnetic memories, and to devices using the magnetic elements. The following description is described to be made or used by those skilled in the art, and a patent specification and its qualifications are provided herein. Various modifications to the exemplary embodiments and general concepts and features described herein will be very apparent. Example embodiments are primarily described in terms of particular methods and systems provided within a particular implementation. However, the methods and systems will operate efficiently in other implementations. Syntax such as "exemplary embodiment", "one embodiment" and "another embodiment" may be considered the same or different embodiments as well as multiple embodiments. Can be. The embodiments will be described with reference to systems and / or devices having particular elements. However, the system and / or apparatus may include more or fewer elements than those shown, and variations on the arrangement and form of the elements may be made without departing from the scope of the invention. The exemplary embodiments may also be described within the context of particular methods having particular steps. However, the method and system operate efficiently for different methods with different and / or additional steps and different ordering steps that are inconsistent with the exemplary embodiments. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and features described herein.

예시적 실시예들은, 특정 요소들을 갖는 특정 자기 소자들 및 자기 메모리들이 문맥 내에서 기술된다. 본 발명이, 본 발명에 모순되지 않은 다른 요소 및/또는 추가 요소들 및/또는 다른 특성들을 갖는 상기 자기 소자들 및 자기 메모리들의 사용에 일관된다라는 것을 당해 기술에서 숙련된 자는 용이하게 인식할 것이다. 상기 방법 및 시스템은 또한, 스핀 전달 현상을 이해하도록 문맥 내에서 기술된다. 결과적으로, 당업자는 상기 방법 및 시스템의 행동의 이론적 설명들은 스핀 전달의 이해를 기반으로 만들어진다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 당업자는 또한, 상기 방법 및 시스템이 기판과의 특별한 관계를 갖는 구조의 문맥 내에 기술된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템이 다른 구조들에서도 일관된다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 추가적으로, 상기 방법 및 시스템은 합성 및/또는 단순한 특정 막들을 갖는 어떤 층들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 막들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 더욱이, 상기 방법 및 시스템은 특정 막들을 갖는 자기 소자들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템에 모순되지 않은 추가적/또는 상이한 막들을 갖는 자성 소자들이 또한 사용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 요소들은 자성, 강자성, 및 페리 자성인 것으로서 기술된다. 본 명세서 내에서 사용된 것처럼, 상기 자성이라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 그와 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 그래서, 본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, "자성(magnetic)" 또는 "강자성(ferromagnetic)"은 강자성체(ferromagnets) 및 페리자성체(ferrimagnets) 를 포함하되, 이에 한정되지는 않는다. 상기 방법 및 시스템은 또한, 단일 요소들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템이 다수의 요소들을 갖는 자기 메모리들의 사용에 일관된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 게다가, 본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, "면 내(in-plane)"는 자기 소자의 하나 이상의 막들의 실질적으로 면 내에 또는 면에 대하여 평행하다. 반대로, "수직(perpendicular)"은 자기 소자의 하나 이상의 막들에 대하여 실질적으로 수직인 방향에 대응된다.Exemplary embodiments describe specific magnetic elements and magnetic memories having specific elements within the context. Those skilled in the art will readily recognize that the present invention is consistent with the use of such magnetic elements and magnetic memories having other and / or additional elements and / or other characteristics that are not inconsistent with the present invention. . The method and system are also described within the context to understand spin transfer phenomena. As a result, those skilled in the art will readily appreciate that theoretical explanations of the behavior of the methods and systems are made based on an understanding of spin transfer. Those skilled in the art will also readily recognize that the method and system are described in the context of a structure having a particular relationship with the substrate. However, those skilled in the art will readily recognize that the method and system are consistent with other structures. Additionally, the methods and systems are described within the context of certain layers having specific and / or simple specific membranes. However, those skilled in the art will readily recognize that the membranes may have other structures. Moreover, the method and system are described within the context of magnetic elements with specific films. However, one skilled in the art will readily recognize that magnetic elements having additional and / or different films that are not inconsistent with the method and system may also be used. In addition, certain elements are described as being magnetic, ferromagnetic, and ferrimagnetic. As used herein, the term magnetism may include ferromagnetic, ferrimagnetic, or similar structures. Thus, as used herein, "magnetic" or "ferromagnetic" includes, but is not limited to, ferromagnets and ferrimagnets. The method and system are also described within the context of single elements. However, one skilled in the art will readily recognize that the method and system are consistent with the use of magnetic memories having multiple elements. In addition, as used herein, "in-plane" is substantially in plane or parallel to the plane of one or more films of the magnetic element. In contrast, "perpendicular" corresponds to a direction that is substantially perpendicular to one or more films of the magnetic element.

상기 논의된 바와 같이, 도 1의 MTJ(10)와 같은 MTJ 소자는 MgO 터널링 배리어막을 포함할 수 있다. 일반적으로 MgO는 어닐링 후, bcc (001) CoFe, 또는 CoFeB와의 우수한 결정 구조 정합(match)를 제공하는 (001) ("암염") 결정 구조를 갖는다. 이러한 우수한 결정 구조 정합(match)은, 예를 들면, 메모리 소자 응용들에 적합한 더 높은 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 비율을 제공한다. 다른 것들 중에서, 높은 TMR 비율(예를 들면, 100% 이상)은 더 빠른 읽기 작동을 가능케 한다. 그리고 대칭 필터링 강화된 스핀 분극(symmetry filtering enhanced spin polarization)은, 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT) 임계 스위칭 전류 밀도의 감소를 야기시킨다.As discussed above, an MTJ device such as MTJ 10 of FIG. 1 may include an MgO tunneling barrier film. MgO generally has a (001) (“rock salt”) crystal structure that, after annealing, provides a good crystal structure match with bcc (001) CoFe, or CoFeB. This good crystal structure match provides a higher tunneling magnetoresistance (TMR) ratio, for example, suitable for memory device applications. Among other things, high TMR rates (eg, over 100%) allow for faster read operations. And symmetry filtering enhanced spin polarization causes a reduction in spin transfer torque (STT) critical switching current density.

그러나, 더 작은 소자들로의 경향은, MTJ의 RA를 감소시키기에 바람직하게 한다. 그렇게 하기 위하여, 하나의 접근은 MgO 배리어막의 두께를 감소시키고 있다. 불행하게도, 그러나, 상기 MgO막이 너무 얇은 경우, 이러한 효과를 잃을 수 있다. 특히, 약 5-10Ω㎛2 RA 값 이하에서, 상기 배리어의 질(qualitity)은 급속하게 떨어지고 TMR 비율이 감소한다. MTJ 셀의 지름이 20nm일 때, 10Ω㎛2 의 RA 값은 MTJ 비트가 약 32kΩ저항을 갖도록 할 것이다. 높은 MRJ 비트 저항은 쓰기 전압(Vw) 및 쓰기 에너지(Ew)가 매우 높아지도록 할 것이다.However, the trend towards smaller devices makes it desirable to reduce the RA of the MTJ. To do so, one approach is reducing the thickness of the MgO barrier film. Unfortunately, however, if the MgO film is too thin, this effect can be lost. In particular, below about 5 −10 μm 2 RA value, the barrier quality drops rapidly and the TMR ratio decreases. When the diameter of the MTJ cell is 20 nm, an RA value of 10 μm 2 will cause the MTJ bit to have a resistance of about 32 kΩ. The high MRJ bit resistance will cause the write voltage (V w ) and write energy (E w ) to be very high.

따라서, MgO와 동일하거나 유사한 효과를 갖지만, 박막 품질이 저하될 정도의 너무 얇은 배리어막의 형성 없이 낮은 RA를 제공하도록 더 낮은 배리어 높이를 갖는, 개선된 터널링 배리어막을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, PMTJ(perpendicular MTJ)을 기반을 하는 20nm 노드 이하의 STT-RAM의 크기를 조정하도록, 더 낮은 RA이 바람직하다.Therefore, it is desirable to have an improved tunneling barrier film, which has the same or similar effect as MgO, but has a lower barrier height to provide a lower RA without the formation of too thin barrier film to the extent that the film quality is degraded. For example, a lower RA is desirable to scale the size of the STT-RAM of 20 nm or less nodes based on a perpendicular MTJ (PMTJ).

추가적으로, 가장 높은 TMR 비율과 가장 낮은 스핀 전달 토크 스위칭 전류 밀도를 얻기에 바람직한, 최상의 결정 구조 정합(matching)을 위하여, 얇은 MgO막은 시드막, 캡핑막, 또는 스페이서(삽입)막으로 사용될 수 있다. 이러한 막들은 다양한 바람직한 기능들을 갖는다. 예를 들면, 이러한 막들은 스위칭 동안 MTJ에서 전압 강하를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 일반적인 캡핑막은, 반응하여 자성을 잃은 막(magnetic dead layer)을 형성할 수 있는 자성 물질(예컨대, Ta)의 산화 방지를 도울 수 있다. MgO 캡핑막을 가지고, 자성을 잃은 막의 형성은 방지될 수 있으며, 강한 수직 계면 이방성 (perpendicular interfacial anisotropy) 이 성취될 수 있다. 그러나, 불행하게도, 추가적인 MgO막의 제공은, 너무 큰 저항을 제공함으로써 TMR 비율을 궁극적으로 더 낮출 수 있는 직렬 저항을 추가할 수 있다.In addition, a thin MgO film may be used as the seed film, capping film, or spacer (insert) film for the best crystal structure matching, which is desirable for obtaining the highest TMR ratio and the lowest spin transfer torque switching current density. Such membranes have various desirable functions. For example, these films can help to reduce the voltage drop in the MTJ during switching. For example, a general capping film can help prevent oxidation of a magnetic material (eg, Ta) that can react to form a magnetic dead layer. With the MgO capping film, formation of a film that has lost its magnetism can be prevented, and strong vertical interfacial anisotropy can be achieved. Unfortunately, however, the provision of additional MgO films can add series resistance that can ultimately lower the TMR ratio by providing too large a resistance.

따라서, 더 많이 낮은 RA값을 갖는 우수한 결정 구조 정합을 갖는 시드, 캡핑 및/또는 스페이서(삽입) 막을 갖는 것이 또한 바람직하다. 이로써, 그렇지 않으면 발생될 수 있는 성능 저하를 감소시킬 수 있다.Thus, it is also desirable to have seed, capping and / or spacer (insert) films with good crystal structure matching with much lower RA values. This can reduce performance degradation that can otherwise occur.

더욱이, 예를 들면, 도 2에 도시된 몇몇 메모리 구조들에서, MgO가 터널링 배리어막, 시드막(들), 및 캡핑막(들)으로만 사용될 때, 상기 최종 메모리(100)은 아래에서 기술되는 몇몇의 쓰기 및 읽기 수행 문제를 겪을 수 있다.Furthermore, for example, in some memory structures shown in FIG. 2, when MgO is used only as tunneling barrier film, seed film (s), and capping film (s), the final memory 100 is described below. You may experience some write and read performance problems.

도 2에서, 메모리(100)은 수직 이방성 캡핑막(140), 변화 가능한 자화(131)를 갖는 자유막(130), 스페이서막(120, 예를 들면 터널링 배리어), 및 피고정막(pinned layer, 110)을 포함한다. 자기 소자(100)는 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용되며, 전류는 자기 소자(100)를 통해 인가될 수 있다. 결국, 이러한 장치는 콘택들(도 2에 도시되지 않음)을 포함하되, 콘택을 통해 전류가 자기 소자(100)로부터 제공되고 빠져나갈 수 있다. 또한, 이와 같은 콘택들은 예를 들면, 도 7 내지 16와 관련되고, 도시되지 않더라도 아래에서 논의되는 장치들의 몇 개 또는 전체에서 포함될 수 있다. 본 명세서의 자기 소자들은 또한 도 2에서 도시되지 않은 다른 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 시드막들에 추가하여, 자기 소자들은, 피고정막(110)에 인접하며 피고정막(110)의 자화(111)를 고정하기 위한 AFM막(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.2, the memory 100 includes a vertical anisotropic capping layer 140, a free layer 130 having a variable magnetization 131, a spacer layer 120 (eg, a tunneling barrier), and a pinned layer, 110). The magnetic element 100 is used in a magnetic device such as a magnetic memory, and a current may be applied through the magnetic element 100. As a result, such a device may include contacts (not shown in FIG. 2), through which a current may be provided and withdrawn from the magnetic element 100. Such contacts may also be included in some or all of the devices discussed below, for example, in connection with FIGS. 7-16 and not shown. Magnetic elements herein may also include other elements not shown in FIG. 2. For example, in addition to the seed films, the magnetic elements may include an AFM film (not shown) adjacent to the pinned film 110 and for fixing the magnetization 111 of the pinned film 110.

도 2에 도시된 실시예에서, 스핀 전달 토크는, 피고정막(110)의 자화(111)에 대하여 평행하게(P) 또는 비평행(AP)하게 자유막(130)의 자화(131)를 스위치하는데 사용될 수 있다. 요구된 중간 스위칭 전류값은, 방향을 스위치하기 어려운 경우(예를 들면, A→AP)에서, 방향을 스위치하기 쉬운 경우(예를 들면, AP→A)의 약 두 배이다. 게다가, 동일한 기술 노드에서 셀 사이즈가 DRAM 셀 사이즈에 필적할 때, 셀 트랜지스터(예를 들면, 도 17의 414)로부터 공급 전류 제한 때문에, 모든 MTJ 비트들이 스위치되는 스위칭 시간의 자릿수가 늘어날 수 있어, 느린 쓰기 동작을 야기시키며, 그것은 다른 메모리 기술들에 경쟁되지 않는다. 방향을 스위치하기 용이할 경우에서 조차도, 메모리(100)는 수천 내지 수만 번의 쓰기를 할 때, MTJ 비트들은 더욱 더 나빠져, 몇몇의 쓰기 사이클 동안 스위치되지 않고, 그러고 나서 다시 좋아진다. 이것은, 스핀 토크에 의해 스위치될 때 MTJ 비트가 시간에 따라 변화되는 잠복기를 갖기 때문이다. MTJ비트는 스핀 토크가 적용될 때 그것의 정확한 자화 방향에 의존한다. MgO가 시드막 및 캡핑막으로 사용될 때, 상기 MgO는 직렬 저항을 추가하고, 읽기 신호를 낮추며, 따라서 메모리 읽기 속도를 감소시킨다. 이에 대한 것은 하기에서 더 설명한다.In the embodiment shown in FIG. 2, the spin transfer torque switches the magnetization 131 of the free layer 130 in parallel (P) or non-parallel (AP) with respect to the magnetization 111 of the pinned layer 110. It can be used to The required intermediate switching current value is about twice that of the case where the direction is easy to switch (e.g., AP-> A) when the direction is difficult to switch (e.g., A-AP). In addition, when the cell size at the same technology node is comparable to the DRAM cell size, due to the supply current limit from the cell transistor (e.g., 414 in FIG. 17), the number of digits of the switching time at which all the MTJ bits are switched can be increased, It causes slow write operations, which do not compete with other memory technologies. Even in cases where the direction is easy to switch, when the memory 100 writes thousands to tens of thousands of times, the MTJ bits become even worse, not switched for several write cycles, and then better again. This is because the MTJ bit has a latency that changes with time when switched by spin torque. The MTJ bit depends on its exact magnetization direction when spin torque is applied. When MgO is used as the seed film and the capping film, the MgO adds series resistance, lowers the read signal, and thus reduces the memory read speed. This is further described below.

도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 장치 구조에서와 같이, MTJ(100)가 메모리 셀 구조에서 단일 터널링 배리어, 및 하나 이상의 시드막 및 캡핑막으로 MgO을 형성할 때, 메모리(100)으로부터의 쓰기 동작 수행 데이터를 제공한다.3 through 5 show that when the MTJ 100 forms MgO with a single tunneling barrier, and one or more seed and capping films in the memory cell structure, as in the device structure shown in FIG. Provides data to perform write operation.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 단지 MgO만으로 형성된 시드, 캡핑 및 배리어막을 갖는 메모리 구조에서 쓰기 동작에서의 문제점이 논의될 것이다. 도 3은 셀 트랜지스터로 인가된 다양한 게이트 전압들(Vpp)에서, 단일의 쓰기 동작을 통과한 MTJ 셀 수와, 쓰기 펄스 폭을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 방향의 스위치가 용이할 때(예를 들면, AP→A), 상기 쓰기 속도(모든 우수한 MTJ 셀들, 또는 메모리 어레이에서 스위치되는 비트들에 대한)는 20ns으로 빠를 수 있다. 그러나, 도 4에서 도시된 바와 같이, 방향의 스위치가 어려운 경우(예를 들면, A→AP), 단일 쓰기 동작 속도는 모든 MTJ 셀들 또는 스위치하는 비트들에 대하여 500ns로 느릴 수 있다. 그러므로 전체적인 쓰기 속도는 상당히 감소될 것이다.Referring to FIGS. 3 to 5, problems in the write operation in a memory structure having a seed, capping and barrier film formed only of MgO will be discussed. FIG. 3 shows the number of MTJ cells that passed a single write operation, and the write pulse width, at various gate voltages Vpp applied to the cell transistor. As shown in Fig. 3, when the switch in the direction is easy (e.g. AP → A), the write speed (for all good MTJ cells, or bits switched in the memory array) can be as fast as 20ns. have. However, as shown in FIG. 4, when switching in the direction is difficult (eg, A → AP), the single write operation speed may be slow to 500 ns for all MTJ cells or for the switching bits. Therefore, the overall write speed will be significantly reduced.

도 5는, 쓰기 펄스가 5ns으로 고정될 때, 방향의 스위치가 용이한 경우 및 스위치가 어려운 경우 모두에 있어서, 쓰기 동작을 위한 쓰기 전류 분포를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 방향의 스위치가 어려운 경우의 셀을 프로그램 하기에 요구되는 쓰기 전류는 또한 방향의 스위치가 용이한 경우의 셀을 프로그램 하기에 요구되는 쓰기 전류보다 많이 높을 수 있다. 도시된 바와 같이, 방향의 스위치가 어려운 경우의 평균 쓰기 전류는, 표준편차 약 47 ㎂에서, 약 113 ㎂이다. 그러나, 방향의 스위치가 용이한 경우의 평균 쓰기 전류는, 표준편차 9 ㎂에서, 약 86 ㎂밖에 안 된다. 방향의 스위치가 어려운 경우의 쓰기 전류들의 넓은 분포 때문에, 이러한 방식으로 형성된 장치는 효율적으로 기능하기 어려울 수 있다.Fig. 5 shows the write current distribution for the write operation in both the case where the switch in the direction is easy and when the write pulse is fixed at 5 ns, and the switch is difficult. As shown in Fig. 5, the write current required to program the cell in the case where the switch in the direction is difficult may also be much higher than the write current required to program the cell in the case where the switch in the direction is easy. As shown, the average write current when the switch in the direction is difficult is about 113 kW with a standard deviation of about 47 kW. However, the average write current when the switch in the direction is easy is only about 86 kW with a standard deviation of 9 kW. Because of the wide distribution of write currents when the switch in the direction is difficult, devices formed in this way can be difficult to function efficiently.

도 6은 단일 배리어막 MTJ 구조(MTJ 구조 내 자유막이 아래에 배치되는 구조와 같은), 및 논의된 문제점들을 극복하는 본 발명의 개념의 몇몇 원리에 따라 형성된 DMTJ 구조(예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이)에서 스위칭 전류를 비교하는 그래프적인 도시이다.FIG. 6 illustrates a single barrier film MTJ structure (such as a structure disposed below a free layer in the MTJ structure), and a DMTJ structure formed according to some principles of the inventive concept that overcomes the problems discussed (eg, FIG. Is a graphical illustration comparing the switching currents (as shown).

도 6을 참조하면, 단일 터널링 배리어막은 방향의 스위치가 용이한 경우 집중된 스위칭 전류 분포를 갖지만, 방향의 스위치가 어려운 경우 넓은 분포를 갖는다. 본 발명의 개념의 몇몇 원리를 따라 형성된 DMTJ 구조를 사용함으로써, 방향의 스위치가 어려운 경우에서 스위칭 전류의 분포를 상당히 줄일 수 있다.Referring to FIG. 6, the single tunneling barrier film has a concentrated switching current distribution when the switch in the direction is easy, but has a wide distribution when the switch in the direction is difficult. By using a DMTJ structure formed in accordance with some principles of the inventive concept, it is possible to significantly reduce the distribution of switching currents in the case of difficult switching of directions.

추가적으로, 다중 MgO 배리어막들을 사용한 DMTJ 구조는 두 개의 방향 모두에서 빠른 스위칭 속도(예를 들면, 50ns 이하)를 획득할 수 있음에도 불구하고, MgO 배리어들 모두의 자화 상태들의 총합(cancellation from both MgO barriers)에 의해 낮은 TMR 비율이 가능할 수 있다. 이것은 50% 내지 80%의 TMR 비율과 20 Ωm2보다 큰 RA를 야기시킬 수 있으며, 20nm노드보다 작은 응용제품에 부적합하다.Additionally, the DMTJ structure using multiple MgO barrier films can achieve a fast switching speed (eg, 50 ns or less) in both directions, but cancellation from both MgO barriers Low TMR ratio may be possible. This can result in a TMR ratio of 50% to 80% and an RA greater than 20 mm 2, which is unsuitable for applications smaller than 20 nm nodes.

그러므로, 두 개의 MgO 배리어들을 제공하는 것 대신하여, 본 발명 개념의 원리들에 따라 배리어들의 하나(또는 두 개다)를 본 명세서에 개시된 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 것으로 대체하면, 더욱 낮은 RA의 새로운 산화물 배리어는 더욱 개선된 TMR 비율을 제공함으로써 이러한 문제를 해소할 것이다.Therefore, instead of providing two MgO barriers, replacing one (or both) of the barriers with one or more new oxides disclosed herein, in accordance with the principles of the inventive concept, a new oxide of lower RA The barrier will solve this problem by providing a further improved TMR ratio.

특히 도 7을 참조하면, 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 DMTJ 구조가 개시된다. 본 실시예의 DMTJ 구조에서, 두 개의 배리어들 중 하나는 MgO보다는 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성될 수 있다.In particular, referring to FIG. 7, a DMTJ structure according to an embodiment of the inventive concept is disclosed. In the DMTJ structure of this embodiment, one of the two barriers may be formed of one or more new oxides rather than MgO.

특히, 도 7에서, 자기 메모리와 같은 자기 장치에서 사용되는 자기 소자(70)는 피고정막(또는 하부 기준막, 72), MgO 스페이서막(74), 자유막(76), 새로운 산화물로 형성된 비자성 스페이서막(78), 및 또 다른 피고정막(또는 상부 기준막, 79)을 포함할 수 있다. 새로운 산화물은 예컨대, 어닐링 후의 MgO와 같은 기본 결정 방향 (001)을 보유하고 그것의 저항을 감소시키기 위하여 제공되는 추가한 원소를 갖는 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물일 수 있다. 다양한 자성 막들의 자화 방향은 면 내 또는 수직일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 다양한 자성 막들의 자화 방향은 면 내 및 수직 자화 방향의 조합들일 수 있다.In particular, in FIG. 7, a magnetic element 70 used in a magnetic device such as a magnetic memory includes a pinned film (or lower reference film 72), an MgO spacer film 74, a free film 76, and a non-magnetic oxide. The spacer film 78 and another pinned layer (or upper reference layer 79) may be included. The new oxide may be a binary, ternary or polymembered alloy oxide with additional elements, for example, to retain the basic crystal direction (001) such as MgO after annealing and to reduce its resistance. The magnetization direction of the various magnetic films can be in-plane or vertical. In some embodiments, the magnetization direction of the various magnetic films can be combinations of in-plane and vertical magnetization directions.

더욱 특이하게, 이원 합금 산화물은 예를 들면, 화학식 MgxAyOz로 표현되며, 예컨대, x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y 또는 z>1이다. "A"는 MgO에 첨가된 추가 원소를 표현한다. 이러한 원소는 예컨대, 하기의 원소들 중 하나일 수 있다: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh. MgO의 일반적인 배리어 높이는 약 2~3eV인데, 추가 원자 A를 갖는 배리어 높이는 2eV보다 아래로 낮출 수 있으며, 더 낮은 RA 값을 제공한다. 이원 합금 산화물 MgxAyOz은 여전히 MgO의 (001) 결정 구조를 가질 수 있다.More specifically, binary alloy oxides are represented, for example, by the formula Mg x A y O z , for example x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y or z> 1. "A" represents an additional element added to MgO. Such an element may be, for example, one of the following elements: Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. Typical barrier heights for MgO are about 2 to 3 eV, while barrier heights with additional atoms A can be lowered below 2 eV, giving lower RA values. The binary alloy oxide Mg x A y O z can still have a (001) crystal structure of MgO.

유사하게, 삼원 합금 산화물은 예컨대, 화학식 MgxA1 y1A2 y2Oz 으로 표현될 수 있으며, 예를 들면, x+y1+y2+z=1, x>y1+y2, 및 0<x, y1, y2, 또는 z<1이다. A1 및 A2는 MgO에 추가된 원소들로서, 배리어 높이를 약 2eV이하로 낮출 수 있으며, 이로 인하여 더 낮은 RA 값을 제공한다.Similarly, ternary alloy oxides can be represented, for example, by the formula Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z , for example x + y1 + y2 + z = 1, x> y1 + y2, and 0 <x. , y1, y2, or z <1. A 1 and A 2 are elements added to MgO, which can lower the barrier height below about 2 eV, thereby providing a lower RA value.

다원 합금 산화물은 예를 들면, 화학식 MgxA1 y1A2 y2 ...An ynOz으로 표현되고, 예컨대, x+y1+y2+...+yn+z=1, 이고 0<x, y1, y2, ... , yn, 또는 z<1이다. A1, A2, ..., An은 MgO에 추가된 원소들로서 배리어 높이를 약 2eV이하로 낮출 수 있으며, 더 낮은 RA 값을 제공한다.Multi-alloy-oxide is, for example, the general formula Mg x A 1 A 2 y1 y2 ... yn O z is represented as A n, for example, x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, and 0 <x , y1, y2, ..., yn, or z <1. A 1 , A 2 , ..., A n are elements added to MgO, which can lower the barrier height below about 2 eV and provide lower RA values.

그러나, 몇몇 실시예들에서, x+y 또는 x+y1+...+yn > 1일 수 있으며, z >1일 수 있다는 점을 확인한다. 예컨대, MgAl2O4, (Mg, Ca, Sr, Ba)SnO3, Mg2SnO4, 또는 NiMn2O4 물질 중 하나 이상은 새로운 산화물로 사용될 수 있다.However, it is noted that in some embodiments, it may be x + y or x + y1 + ... + yn> 1 and z> 1. For example, one or more of MgAl 2 O 4 , (Mg, Ca, Sr, Ba) SnO 3 , Mg 2 SnO 4 , or NiMn 2 O 4 materials may be used as the new oxide.

새로운 산화물들은 예컨대, 목적하는 추가 원자(들)을 갖는 마그네슘 타겟을 스퍼터링하여 형성되고 스퍼터된 필름을 산소에 노출시킴으로써, 형성될 수 있다. 선택적으로 둘, 셋 또는 그 이상의 타겟들이 이원, 삼원, 또는 다원 합금 산화물을 위해 함께 스퍼터될 수 있다. 미리 혼합된 타겟이 또한 제공될 수 있으며, 이 경우 목적하는 금속들이 스퍼터링 되기 전에 미리 혼합되고 산소에 노출된다. 또는, 메모리 장치에서 파티클 수가 너무 많음에도 불구하고, 상기 금속들 및 산소는 스퍼터링 전에 하나의 단일 타겟으로 미리 혼합될 수 있다. 새로운 산화물이 배리어막으로서 사용될 때 도전성이 없더라도, 시드 또는 캡핑막으로 사용될 때나 스핀 밸브 구조에서 스페이서 막으로 사용될 때 상기 새로운 산화물은 도전성일 수 있다.New oxides can be formed, for example, by sputtering a magnesium target with additional atom (s) of interest and by exposing the sputtered film to oxygen. Optionally two, three or more targets can be sputtered together for binary, ternary, or multi-membered alloy oxides. Premixed targets may also be provided, in which case the desired metals are premixed and exposed to oxygen before sputtering. Alternatively, even with too many particles in the memory device, the metals and oxygen may be premixed into one single target before sputtering. Although the new oxide is not conductive when used as a barrier film, the new oxide may be conductive when used as a seed or capping film or when used as a spacer film in a spin valve structure.

하나 이상의 MgO 배리어막들에 새로운 산화물을 사용하지 않으면, TMR 비율은 MgO 막들의 직렬 저항 때문에 더 낮을 수 있다. 새로운 산화물들 중 하나의 사용으로, 더 높은 TMR 비율과 향상된 스핀 분극이 획득될 수 있다.If no new oxide is used in one or more MgO barrier films, the TMR ratio may be lower due to the series resistance of the MgO films. With the use of one of the new oxides, higher TMR ratios and improved spin polarization can be obtained.

도 8 내지 도 16은 본 발명 개념의 원리에 따라 형성된 메모리 소자들을 위한 자기 스택 구조의 또 다른 실시예들을 도시한다. 이러한 실시예들 각각에서, 기준막들은 예컨대, 자유막에 대한 바이어스 자기장 효과를 감소시키거나 없애는 SAF 구조일 수 있다. 또한, 상기 자유막은 SAF 구조일 수 있다.8-16 illustrate further embodiments of magnetic stack structures for memory elements formed in accordance with the principles of the inventive concepts. In each of these embodiments, the reference films can be, for example, SAF structures that reduce or eliminate the bias magnetic field effect on the free film. In addition, the free layer may have a SAF structure.

도 8에 따르면, 자기 소자 또는 자기 스택 구조(80)은, 면 내 자화 방향(면 내 자화)을 갖는 자유막(86) 상에 배열된 수직 자화 방향(수직 자화)을 갖는 피고정막(또는 상부 기준막, 89)을 포함할 수 있으며, 자유막(86) 및 상부 기준막(89) 사이에 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 비자성 스페이서막(또는 터널링 배리어막, 88)을 갖는다. 또 다른 피고정막(또는 하부 기준막, 82)이, 면 내 자화 방향을 갖도록, 제공될 수 있다. 하부 기준막(82) 및 자유막(86) 사이에 MgO 터널링 배리어막이 형성된다. 본 실시예는 하부의 면 내(자화의) 기준막 및 상부의 수직(자화의) 기준막들로부터의 두 개의 스핀 토크들의 조합으로 매우 빠른 스위칭을 제공할 수 있다. MgO는 더 높은 RA 값을 제공하도록 주터널링 배리어막으로서 본 실시예에서 사용될 수 있다. 그래서, 읽기 신호들은, 더 큰 읽기 신호 및 더 빠른 읽기 작동을 위한 더 높은 TMR 비율을 갖는 주MgO 배리어에 의해 개선될 수 있다. 쓰기 전류가 도 8에 도시된 MTJ구조를 통과될 때, 상부 수직(자화의) 기준막은, 자유막(86)에 대하여 큰 수직 스핀 토크를 제공하며, 자유막 자화를 면에 대하여 바로 기울여지도록 한다. 또한, 하부 기준막(82)으로부터의 스핀 토크는 자유막 자화에 영향을 주어, 자유막(86) 자화가 하부 기준막(82)에 대하여 평행하거나 비평행하도록 할 것이다. 또한, 자유막이 필름 면에 대하여 기울여질 때, 자유막 자화의 세차 회전 효과(precessional rotational effect)가 있을 것이다. 그래서, 자유막 자화의 스위칭을 매우 빠르게 한다(예를 들면, 수십 내지 수백 피코 초).According to FIG. 8, the magnetic element or magnetic stack structure 80 has a pinned film (or upper portion) having a vertical magnetization direction (vertical magnetization) arranged on a free layer 86 having an in-plane magnetization direction (in-plane magnetization). The reference layer 89 may be formed, and a nonmagnetic spacer layer (or tunneling barrier layer 88) may be formed between the free layer 86 and the upper reference layer 89. Another pinned film (or lower reference film) 82 may be provided to have an in-plane magnetization direction. An MgO tunneling barrier layer is formed between the lower reference layer 82 and the free layer 86. This embodiment can provide very fast switching with a combination of two spin torques from the lower in-plane (magnetized) reference film and the upper vertical (magnetized) reference films. MgO can be used in this embodiment as the main tunneling barrier film to provide a higher RA value. Thus, the read signals can be improved by the main MgO barrier with a larger read signal and a higher TMR ratio for faster read operation. When the write current is passed through the MTJ structure shown in Fig. 8, the upper vertical (magnetized) reference film provides a large vertical spin torque with respect to the free film 86 and causes the free film magnetization to tilt directly with respect to the plane. . In addition, the spin torque from the lower reference layer 82 will affect the free layer magnetization, causing the free layer 86 magnetization to be parallel or nonparallel to the lower reference layer 82. In addition, there will be a precessional rotational effect of free membrane magnetization when the free membrane is tilted with respect to the film plane. Thus, the switching of free film magnetization is made very fast (for example tens to hundreds of picoseconds).

도 9에 도시된 실시예는 피고정막(또는 상부 기준막, 98) 상에 정렬된 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 캡핑막(99)을 제외하고, 도 8에 도시된 것과 유사하다. 새로운 산화물 캡핑막(99)은, 상부 기준막(98)에서 추가적인 계면 수직 이방성을 야기시키도록 한다. 전술한 실시예들과 후속하여 기술될 실시예들의 각각에서, 상기 구조들은 본 명세서에서 기술된 발명 원리로부터 벗어나지 않으면 그 순서는 바뀔 수 있다는 것을 확인한다. 자기 소자(90)은 또한, 면 내의 자유막(96), 하부 기준막(92), 및 그들 사이의 MgO 막(94)을 포함할 수 있다. 비자성 스페이서막(또는 터널링 배리어막, 97)은 자유막(96) 및 상부 기준막(98) 사이에 배치되고 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된다.The embodiment shown in FIG. 9 is similar to that shown in FIG. 8 except for a capping film 99 formed of one or more new oxides aligned on the pinned film (or upper reference film 98). The new oxide capping film 99 causes additional interfacial perpendicular anisotropy in the upper reference film 98. In each of the foregoing embodiments and the embodiments to be described subsequently, it is confirmed that the structures may be reversed without departing from the principles of the invention described herein. The magnetic element 90 may also include an in-plane free film 96, a lower reference film 92, and an MgO film 94 therebetween. A nonmagnetic spacer film (or tunneling barrier film 97) is disposed between the free film 96 and the upper reference film 98 and formed of one or more new oxides.

도 10은 자기 소자(또는 자기 스택 구조 또는 MTJ 100)을 도시한다. 상기 자기 소자 내의 상부 기준막(109)는 면 내 자화 방향을 가지는 반면, 자유막(106) 및 하부 기준막(102)은 수직 자화 방향을 갖는다. 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 비자성 스페이서막 또는 터널링 배리어막(108)은 상부 기준막(109) 및 자유막(106) 사이에 배치될 수 있으며, MgO터널링 배리어막(104)은 자유막(106) 및 하부 기준막(102) 사이에 배치될 수 있다. 수직 자화 물질은 면 내 자화 물질보다 더 큰 자기 이방성을 갖기 때문에, 수직 자화 방향들은 상기 자기 장치의 크기를 20nm로 감소하도록 할 수 있다. 쓰기 전류가 도 10에 도시된 MTJ를 통해 인가될 때, 면 내 자화된 상부 기준막(109)은 상기 자유막에 최대 스핀 토크를 제공하여, 상기 자유막이 면 내 방향으로 자화되도록 한다. 그리고, 하부 수직 자화된 기준막(102)으로부터의 스핀 토크에 의해, 상기 자유막은 짧은 기간에 하부 기준막(102)과 평행 또는 비평행하게 스위치될 것이다. 그러나, 면 내 자화된 상부 기준막(109)이 없으면, 초기 스핀 토크는 0이거나 0에 가깝고, 스위칭되기에 원하지 않게 긴 시간이 걸릴 것이다.10 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ 100). The upper reference layer 109 in the magnetic element has an in-plane magnetization direction, while the free layer 106 and the lower reference layer 102 have a vertical magnetization direction. A nonmagnetic spacer layer or tunneling barrier layer 108 formed of one or more new oxides may be disposed between the upper reference layer 109 and the free layer 106, and the MgO tunneling barrier layer 104 may be formed of the free layer 106. And the lower reference layer 102. Since the perpendicular magnetization material has greater magnetic anisotropy than the in-plane magnetization material, the perpendicular magnetization directions can cause the size of the magnetic device to be reduced to 20 nm. When a write current is applied through the MTJ shown in FIG. 10, the in-plane magnetized upper reference layer 109 provides the maximum spin torque to the free layer, allowing the free layer to magnetize in the in-plane direction. And, by the spin torque from the lower vertical magnetized reference layer 102, the free layer will be switched in parallel or non-parallel with the lower reference layer 102 in a short period of time. However, without the in-plane magnetized upper reference layer 109, the initial spin torque is zero or close to zero, and it will take an undesirably long time to switch.

도 11은 자기 소자(또는 자기 스택 구조 또는 MTJ, 110)을 도시한다. 상부 기준막(119) 및 자유막(116)은 수직 자화 방향을 가지며, 하부 기준막(112)는 면 내 자화 방향을 갖는다. MgO 터널링 배리어막(118)은 상부 기준막(119) 및 자유막(116) 사이에 배치되며, 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 비자성 스페이서막(또는 터널링 배리어막, 114)은 자유막(116) 및 하부 기준막(112) 사이에 배치될 수 있다. 도 10에 도시된 실시예의 면 내 자화된 상부 기준막(109)와 같이, 본 실시예의 면 내 자화된 하부 기준막(112)은 스위칭 작동을 초기화하도록 하여, 더 빠른 스위칭 속도를 제공하도록 할 수 있다.11 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ, 110). The upper reference layer 119 and the free layer 116 have a vertical magnetization direction, and the lower reference layer 112 has an in-plane magnetization direction. The MgO tunneling barrier layer 118 is disposed between the upper reference layer 119 and the free layer 116, and the nonmagnetic spacer layer (or tunneling barrier layer 114) formed of one or more new oxides is the free layer 116. And the lower reference layer 112. Like the in-plane magnetized upper reference film 109 of the embodiment shown in FIG. 10, the in-plane magnetized lower reference film 112 of the present embodiment can initiate a switching operation to provide a faster switching speed. have.

도 7 내지 도 11의 각각은 본 발명의 개념의 원리들을 따라 형성된 DMTJ 구조를 도시한다. 다양한 단일 배리어막 MTJ 구조들은 또한, 본 발명의 원리의 범위 내에서 고려되며, 몇몇 실시예들은 도 12 내지 도 14를 참조하여 기술될 것이다.Each of Figures 7-11 illustrate a DMTJ structure formed in accordance with the principles of the present invention. Various single barrier film MTJ structures are also contemplated within the scope of the present principles, and some embodiments will be described with reference to FIGS. 12-14.

도 12는 자기 소자(또는 자기 스택 구조, 120)를 도시한다. 하나 이상의 새로운 산화물이 시드막(122)으로 사용되며, 자유막(124)이 시드막 상에 형성된다. MgO 터널링 배리어막(126)은 피고정막(또는 상부 기준막, 128)으로부터 자유막(124)을 분리시킨다. 이러한 특별한 실시예에서, 자유막(124) 및 상부 기준막(128) 둘 다는 수직 자화 방향을 갖는다. 전술한 바와 같이, 수직 자화 방향은 더 작은 장치 구조를 가능하게 할 수 있다. Applied Physics Letters, Vol. 99, 042501 (2001), 및 IEEE Magnetics Letters, Vol. 2, 3000204 (2011)에서 상세하게 논의된 바와 같이, 자유막의 활성 부피(activation volume)가 전체 부피보다 작은 경우, 수직 단일 터널링 배리어막 구조들에서, 스위칭은 도메인들의 빠른 핵생성(nucleation)을 통해 성취될 수 있다.12 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure) 120. One or more new oxides are used as the seed film 122, and a free film 124 is formed on the seed film. The MgO tunneling barrier layer 126 separates the free layer 124 from the pinned layer (or the upper reference layer 128). In this particular embodiment, both the free film 124 and the upper reference film 128 have a vertical magnetization direction. As mentioned above, the vertical magnetization direction may enable smaller device structures. Applied Physics Letters, Vol. 99, 042501 (2001), and IEEE Magnetics Letters, Vol. As discussed in detail in 2, 3000204 (2011), when the activation volume of the free membrane is less than the total volume, in vertical single tunneling barrier membrane structures, switching is achieved through rapid nucleation of domains. Can be achieved.

도 13은 자기 소자(또는 자기 스택 구조 또는 MTJ, 130)를 도시한다. 하나 이상의 새로운 산화물로 형성된 캡핑막(138)이 제공될 수 있다. 캡핑막(138)은 자유막(136) 상에 배치될 수 있으며, 자유막(136)은 MgO터널링 배리어막(134)에 의해 피고정막(또는 하부 기준막, 132)과 분리될 수 있다. 본 실시예에서, 자유막(136) 및 하부 기준막(132) 모두는 수직 자화 방향을 가질 수 있다.13 illustrates a magnetic element (or magnetic stack structure or MTJ, 130). A capping film 138 formed of one or more new oxides may be provided. The capping layer 138 may be disposed on the free layer 136, and the free layer 136 may be separated from the pinned layer (or lower reference layer 132) by the MgO tunneling barrier layer 134. In the present embodiment, both the free layer 136 and the lower reference layer 132 may have a vertical magnetization direction.

도 14는 본 발명의 개념의 원리들에 따라 형성된 또 다른 자기 소자(또는 자기 스택 구조, 140)를 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 시드막(142)은 본 명세서 개시된 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성될 수 있다. 피고정막(또는 하부 기준막, 144)은 시드막(142) 상에 형성될 수 있다. 자유막(148)은 MgO 터널링 배리어막(146)에 의해 하부 기준막(144)으로부터 분리되어 제공될 수 있다. 마지막으로, 캡핑막(149)는 하나의 새로운 산화물들로 형성될 수 있으며, 자유막(148) 상에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 자유막(148) 및 하부 기준막(144) 모두는 수직 자화 방향을 가질 수 있다.14 illustrates another magnetic element (or magnetic stack structure) 140 formed in accordance with the principles of the inventive concept. As shown in FIG. 14, the seed film 142 may be formed of one or more new oxides disclosed herein. The pinned layer (or lower reference layer 144) may be formed on the seed layer 142. The free layer 148 may be provided separately from the lower reference layer 144 by the MgO tunneling barrier layer 146. Finally, the capping layer 149 may be formed of one new oxide and may be disposed on the free layer 148. In the present embodiment, both the free layer 148 and the lower reference layer 144 may have a vertical magnetization direction.

도 15는, 자성막들의 각각이 수직 자화 방향을 갖는 것을 제외하면, 도 8에 도시된 것과 유사한 자기 소자 또는 DMTJ 자기 스택 구조(150)를 도시한다. 더욱 상세하게, 도 15에 도시한 바와 같이, 피고정막(또는 상부 기준막, 159)은 자유막(156) 상에 배치될 수 있다. 비자성 스페이서막 또는 터널링 배리어막(158)이 피고정막 및 자유막 사이에 배치된다. 스페이서막(158)은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 새로운 산화물로 형성될 수 있다. 다른 피고정막(또는 하부 기준막, 152)은 자유막(156) 아래에 배치될 수 있다., MgO 터널링 배리어막(154)이 자유막(156) 및 하부 기준막(152) 사이에 배치된다. 도면부호 152, 159 각각과 자유막(156)은 수직 자화 방향을 가질 수 있으며, 상부 기준막(159)의 자화 방향은 하부 기준막(152)의 자화 방향과 반대로 배열된다. 전술한 바와 같이, 수직 자화 방향은 더 작은 장치 구조들을 가능하게 할 수 있으며, 활성 부피가 자유막의 전체 부피보다 작은 경우 빠른 스위칭이 가능할 수 있다.FIG. 15 shows a magnetic element or DMTJ magnetic stack structure 150 similar to that shown in FIG. 8 except that each of the magnetic films has a vertical magnetization direction. In more detail, as shown in FIG. 15, the pinned film (or the upper reference film 159) may be disposed on the free film 156. A nonmagnetic spacer film or tunneling barrier film 158 is disposed between the pinned film and the free film. Spacer film 158 may be formed of one or more new oxides disclosed herein. The other pinned layer (or lower reference layer 152) may be disposed under the free layer 156. An MgO tunneling barrier layer 154 is disposed between the free layer 156 and the lower reference layer 152. Each of the reference layers 152 and 159 and the free layer 156 may have a vertical magnetization direction, and the magnetization direction of the upper reference layer 159 is arranged opposite to the magnetization direction of the lower reference layer 152. As mentioned above, the vertical magnetization direction may enable smaller device structures, and may allow for fast switching when the active volume is less than the total volume of the free membrane.

도 16을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 자기 소자(또는 자기 스택 구조 또는 MTJ, 160)는 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성된 시드막(161), 시드막(161) 상에 형성된 피고정막(또는 하부 기준막, 163), 하부 기준막(163) 및 자유막(165) 사이에 배치된 MgO 터널링 배리어막(164), 하나 이상의 새로운 산화물들로 형성되며 자유막(165) 및 다른 피고정막(또는 상부 기준막, 168) 사이에 배치된 비자성 스페이서막 또는 터널링 배리어막(167), 및 하나 이상의 산화물들로 형성되며 상부 기준막 상에 배치되는 캡핑막(165)을 포함할 수 있다. 자유막 및 기준막 각각은 수직 자화 방향을 가질 수 있으되, 상부 및 하부 기준막들(163, 168)은 서로 반대 방향의 자화 방향을 갖는다.Referring to FIG. 16, a magnetic device (or a magnetic stack structure or MTJ, 160) according to another embodiment may include a seed film 161 formed of one or more new oxides, or a pinned film formed on the seed film 161. The MgO tunneling barrier layer 164 disposed between the lower reference layer 163, the lower reference layer 163, and the free layer 165, one or more new oxides, and the free layer 165 and the other pinned layer (or A nonmagnetic spacer layer or tunneling barrier layer 167 disposed between the upper reference layer, 168, and a capping layer 165 formed of one or more oxides and disposed on the upper reference layer may be included. Each of the free layer and the reference layer may have a vertical magnetization direction, and the upper and lower reference layers 163 and 168 may have magnetization directions opposite to each other.

도 17은 전술한 자기 소자를 이용하는 자기 메모리(400)의 일부의 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 자기 메모리는 STT-RAM(400)일 수 있다. STT-RAM(400)은, 워드 라인 셀럭터/드라이버(word line selector/driver, 404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 컬럼 셀렉터/드라이버(reading/writing column selector/drivers, 402, 406)을 포함한다. SST-RAM(400)은 또한, 자기 소자(412) 및 선택/분리 소자(414)를 포함하는 메모리 셀(410)을 포함한다. 자기 소자(412)는 도 7내지 도 16에 도시된 어떤 자기 소자일 수 있다. 읽기/쓰기 컬럼 셀렉터/드라이버(402, 406)는 비트 라인들(403) 및 셀들(410)로 선택적으로 전류를 인가하는데 상용될 수 있다. 워드 라인 셀렉터/드라이버(404)는, 선택된 워드 라인(405)에 결합된 선택/분리 소자(selection/isolation device, 414)를 인에이블함으로써, STT-RAM(400)의 열(들)을 선택할 수 있다. 도시된 실시예에서, 쓰기에서 사용된 추가적 자기장은 비트 라인들(403)에 의해 제공될 수 있다.17 illustrates an embodiment of a portion of a magnetic memory 400 utilizing the foregoing magnetic elements. In this embodiment, the magnetic memory may be an STT-RAM 400. The STT-RAM 400 includes word line selectors / drivers 404 as well as read / write column selectors / drivers 402 and 406. The SST-RAM 400 also includes a memory cell 410 that includes a magnetic element 412 and a select / isolate element 414. The magnetic element 412 can be any magnetic element shown in FIGS. 7-16. Read / write column selectors / drivers 402 and 406 can be used to selectively apply current to bit lines 403 and cells 410. The word line selector / driver 404 can select the column (s) of the STT-RAM 400 by enabling a selection / isolation device 414 coupled to the selected word line 405. have. In the embodiment shown, the additional magnetic field used in writing may be provided by the bit lines 403.

도 17을 참조하면, 본 발명의 개념의 다른 원리들에 따라, 도 17에 도시된 바와 같은 회로 구조는, 시드, 캡핑 또는 배리어막들로서 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하는 자기 메모리 소자들을 이용하여 형성될 수 있으므로, 작아진 메모리 셀 크기에서의 실행 특성들, 더 빠른 쓰기 및 읽기 속도, 및 감소된 읽기/쓰기 무작위 에러들을 개선시킬 수 있다.Referring to FIG. 17, in accordance with other principles of the inventive concept, a circuit structure as shown in FIG. 17 employs magnetic memory elements comprising binary, ternary or multi-membered alloy oxides as seed, capping or barrier films. Can be formed to improve execution characteristics at smaller memory cell sizes, faster write and read speeds, and reduced read / write random errors.

도 18를 참조하면, 엑세스 장치들은 기판(10)의 지정된 영역 내 배치된다.Referring to FIG. 18, access devices are disposed within a designated area of the substrate 10.

기판(10)은 실리콘 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판일 수 있으며, SOI(Silicon On Insulator)일 수 있다. 본 경우에서, 엑세스 장치들은 MOS 트랜지스터들일 수 있다. 본 경우에서, 엑세스 트랜지스터들은, 기판(10)의 지정된 영역 내에 형성된 소자 분리막(11)에 의해 한정된 액티브 영역 내에 배치된다. 특히, 엑세스 트랜지스터는 액티브 영역 내에 배치되며, 서로 이격된 소스 영역(13) 및 드레인 영역(12)과, 소스 영역(13) 및 드레인 영역(12) 사이의 채널 영역 상부 영역 상에 형성된 게이트 전극(12)을 포함할 수 있다. 게이트 전극(22)은 워드 라인으로 기능하도록 액티브 영역의 상부를 가로질러 연장할 수 있다. 게이트 전극(22)은 게이트 절연막(21)에 의해 액티브 영역으로부터 절연된다.The substrate 10 may be a silicon substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for a display, and may be a silicon on insulator (SOI). In this case, the access devices may be MOS transistors. In this case, the access transistors are disposed in an active region defined by the device isolation film 11 formed in the designated region of the substrate 10. In particular, the access transistor is disposed in the active region, and has a source electrode 13 and a drain region 12 spaced apart from each other, and a gate electrode formed on an upper region of the channel region between the source region 13 and the drain region 12. 12). The gate electrode 22 may extend across the top of the active region to function as a word line. The gate electrode 22 is insulated from the active region by the gate insulating film 21.

제1 층간 절연막(20)은 엑세스 트랜지스터들을 갖는 기판(10)의 상부 상에 형성되며, 소스 라인(32)은 소스 영역(13)에 대응되는 제1 층간 절연막(20)의 지정된 영역 상에 배치될 수 있다. 소스 라인(32)은 게이트 전극(22)과 동일한 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다. 소스 라인 콘택(24) 및 랜딩 콘택(landing contact, 23)은 제1 층간 절연막(20) 내에 형성된다. 소스 라인 콘택(24)은 소스 라인(32)과 소스 영역(13)을 전기적으로 연결하며, 랜딩 콘택(23)은 드레인 영역(12) 상에 형성되어 MTJ 소자를 엑세스 트랜지스터들의 드레인 영역(12)에 전기적으로 연결시킬 수 있다.The first interlayer insulating film 20 is formed on the top of the substrate 10 having access transistors, and the source line 32 is disposed on the designated area of the first interlayer insulating film 20 corresponding to the source region 13. Can be. The source line 32 may be formed to extend in the same direction as the gate electrode 22. The source line contact 24 and the landing contact 23 are formed in the first interlayer insulating film 20. The source line contact 24 electrically connects the source line 32 and the source region 13, and the landing contact 23 is formed on the drain region 12 to form the MTJ element in the drain region 12 of the access transistors. Can be electrically connected to the

제2 층간 절연막(30)은 제1 층간 절연막(20) 상에 형성될 수 있다. 소스 라인(32)은 제1 층간 절연막(20) 상에 배치된다. 제2 층간 절연막(30) 내에, 랜딩 콘택(24)과 전기적으로 연결되는 하부 전극 콘택(31)이 형성될 수 있다.The second interlayer insulating film 30 may be formed on the first interlayer insulating film 20. The source line 32 is disposed on the first interlayer insulating film 20. In the second interlayer insulating layer 30, a lower electrode contact 31 electrically connected to the landing contact 24 may be formed.

예를 들면, 도 7 내지 도 16에 관련하여 전술한 본 명세서의 몇몇 실시예들에 따른 MTJ 소자(10)는 전극 콘택(31) 및/또는 제2 층간 절연막(30) 상에 배치될 수 있다. 자기 터널 접합 소자(magnetic tunnel junction element. 10)는 상술되었기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.For example, the MTJ element 10 according to some embodiments of the present disclosure described above with reference to FIGS. 7 through 16 may be disposed on the electrode contact 31 and / or the second interlayer insulating layer 30. . Since the magnetic tunnel junction element 10 has been described above, a detailed description thereof will be omitted.

자기 터널 접합 소자(10) 및 드레인 영역(12)은 랜딩 콘택(23) 및 하부 전극 콘택(31)을 통해 전기적으로 연결된다.The magnetic tunnel junction element 10 and the drain region 12 are electrically connected through the landing contact 23 and the lower electrode contact 31.

제3 층간 절연막(40)은 MTJ 소자(10) 상에 형성될 수 있다. 제3 층간 절연막(40) 상에, 비트 라인(50)이 게이트 전극(22)을 가로지르며 배열될 수 있다. 비트 라인(50) 및 자기 터널 접합 소자(10)는 상부 전극 콘?(41)에 의해 전기적으로 연결된다. 선택적인 공정에서, 상부 전극 콘택(41)은 생략될 수 있다.The third interlayer insulating film 40 may be formed on the MTJ element 10. On the third interlayer insulating film 40, bit lines 50 may be arranged to cross the gate electrode 22. The bit line 50 and the magnetic tunnel junction element 10 are electrically connected by the upper electrode cone 41. In an optional process, the top electrode contact 41 can be omitted.

제1, 제2 및 제3 층간 절연막들(20, 30, 40)은 예컨대, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질산화막으로 형성될 수 있다. 랜딩 콘택(23), 소스 라인 콘택(24), 소스 라인(32), 하부 전극 콘택(31), 상부 전극 콘택(41), 및 비트 라인(50)은 예컨대, W, Ru, Ta, Cu, Al, 또는 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다.The first, second and third interlayer insulating films 20, 30, and 40 may be formed of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride oxide film. Landing contact 23, source line contact 24, source line 32, lower electrode contact 31, upper electrode contact 41, and bit line 50 are, for example, W, Ru, Ta, Cu, Al, or impurities may be formed using doped polysilicon.

비트 라인(50) 상에, 주변 회로 영역(도시되지 않음)의 회로들과 전기적인 접촉을 위한 도전 배선들이 더 형성될 수 있다.On the bit line 50, conductive wires for electrical contact with circuits in a peripheral circuit region (not shown) may be further formed.

도 19는 전술된 본 발명의 개념의 몇몇 실시예들에 따른 자기 소자가 사용된 전기 시스템(900)의 계략적 도면이다. 전기 시스템(900)은 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 울트라 모바일 PC(UMPC), 태블릿 PC, 서버, 워크스테이션, 모바일 텔레커뮤니케이션 장치, 위성, 세트 톱 박스, TV등과 같은 다양한 전기 장치들에 사용될 수 있으나, 상기의 것으로 한정하지는 않는다. 예를 들면, 전기 스시템(900)은 메모리 시스템(912), 프로세서(914), RAM(916), 및 유저 인터페이스(918)를 포함할 수 있으며, 버스(920)를 사용하여 정보 교환을 실행할 수 있다. 메모리 시스템(912)은 전술한 본 명세서의 몇몇 실시예들에 따른 자기 소자를 포함할 수 있다. 프로세서(914)는 마이크로 프로세서 또는 모바일 프로세스(AP)일 수 있다. 프로세서(914)는, 플로팅 포인트 유닛(floating point unit, FPU), 산술 논리 유닛(arithmetic logic unit, ALU), 그래픽 프로세싱 유닛(graphics processing unit, GPU), 및 디지털 신호 프로세싱 코어(digital signal processing core, DSP Core) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 프로세서 코어(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 프로세서(914)는 전기 시스템(900)을 프로그램 및 제어를 실행할 수 있다. RAM(916)은 프로세서(914)의 동작 메모리로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 프로세서(914) 또는 RAM(916)은 전술한 실시예들에 따른 자기 메모리를 포함할 수 있다. 선택적으로, 프로세서(914) 및 RAM(916)은 전기 시스템으로/으로부터의 인풋팅/아웃팅 데이터에서 사용될 수 있다. 메모리 시스템(912)은 프로세서(914)의 동작을 위한 코드, 프로세서(914)에 의해 진행된 데이터, 또는 외부 인풋 데이터를 저장할 수 있다. 메모리 시스템(912)은 컨트롤러 및 메모리를 포함할 수 있다.19 is a schematic diagram of an electrical system 900 in which a magnetic element is used in accordance with some embodiments of the inventive concepts described above. The electrical system 900 may be used in a variety of electrical devices such as computers, notebook computers, ultra mobile PCs (UMPCs), tablet PCs, servers, workstations, mobile telecommunications devices, satellites, set top boxes, TVs, and the like. It is not limited to that. For example, the electrical system 900 can include a memory system 912, a processor 914, a RAM 916, and a user interface 918, and use the bus 920 to perform information exchange. Can be. The memory system 912 may include a magnetic element according to some embodiments of the present disclosure described above. The processor 914 may be a microprocessor or a mobile process (AP). The processor 914 includes a floating point unit (FPU), an arithmetic logic unit (ALU), a graphics processing unit (GPU), and a digital signal processing core, DSP Core) or a combination thereof may have a processor core (not shown). The processor 914 may program and control the electrical system 900. The RAM 916 can be used as the operating memory of the processor 914. For example, processor 914 or RAM 916 may include magnetic memory in accordance with the embodiments described above. Optionally, processor 914 and RAM 916 may be used in input / out data to / from the electrical system. The memory system 912 may store code for operating the processor 914, data processed by the processor 914, or external input data. The memory system 912 may include a controller and a memory.

전기 시스템(900)은 다양한 전기 장치들을 위한 전기적 컨트롤러들에서 사용될 수 있다.Electrical system 900 can be used in electrical controllers for various electrical devices.

시드막, 캡핑막, 및/또는 배리어 또는 스페이서막으로 하나 이상의 새로운 산화물을 갖는 자기 스택 구조를 형성함으로써, 더 낮은 RA 값 및 더 낮은 STT 쓰기 전류 밀도와 전압과 함께 더 높은 TMR 비율이 제공될 수 있다. 추가적으로, 더 높은 계면 수직 이방성은 이러한 개선된 시드, 캡핑 및 삽입 물질들의 사용으로 성취될 수 있다. 개선된 물질들은 또한, 스위칭을 위한 잘 설정된 방향과 우수한 선택 특징과 함께 읽기 및 쓰기 오류의 대단히 감소된 가능성을 제공한다.By forming a magnetic stack structure with one or more new oxides as seed film, capping film, and / or barrier or spacer film, higher TMR ratios can be provided with lower RA values and lower STT write current density and voltage. have. Additionally, higher interfacial perpendicular anisotropy can be achieved with the use of such improved seed, capping and insertion materials. Improved materials also offer a greatly reduced likelihood of read and write errors, with well-set orientation and good selection features for switching.

예를 들면, 새로운 MgxAyOz 이원 산화물로서 MgTbyO을 사용한 배리어막들 중 하나를 형성함으로써, 높은 코히어런트 터널링(coherent tunneling)이 성취될 수 있으며, 높은 TMR 비율이 가능하다. 추가적으로, 배리어막 및 자성 피고정막 또는 자유막 사이에서의 우수한 결정 정합이 획득될 수 있다. 유사하게, MgTbyO(또는 새로운 산화물들 중 하나)는 시드 또는 캡핑막을 형성하기 위하여 사용되며, 결정 구조들 사이에서의 우수한 격자 정합이 획득되고, 더 낮은 RA값이 성취될 수 있다. 즉, 바람직하게 Tb이 O와 겹합하기 때문에 그래서 더 적은 산소 원자들이 Mg와 반응하여 결과적으로 더 낮은 배리어 높이 및 더 낮은 RA 값이 야기된다.For example, by forming one of the barrier films using MgTb y O as a new Mg x A y O z binary oxide, high coherent tunneling can be achieved and a high TMR ratio is possible. In addition, good crystal matching between the barrier film and the magnetic pinned film or free film can be obtained. Similarly, MgTb y O (or one of the new oxides) is used to form the seed or capping film, good lattice matching between the crystal structures can be obtained, and lower RA values can be achieved. That is, preferably because Tb overlaps with O so fewer oxygen atoms react with Mg resulting in lower barrier heights and lower RA values.

도시된 몇몇 실시예에서, MgO는 일반적으로 배리어막들 중 하나로서 사용되며, 새로운 산화물들이 제2 배리어막, 캡핑막, 또는 시드막으로서 사용된다. 그러나, 본 명세서의 원리들은, MgO와 다른 배리어 물질들이 사용될 때 또한 적용될 수 있다. 새로운 산화물들이 두 개 이상의 배리어막들을 제공하기 위하여 사용된다면, 새로운 산화물막들 중 하나는 바람직하게, 다른 새로운 산화물 배리어막보다 적어도 한 자릿수 높은 RA 값을 가질 수 있다. 자화 상태들의 총합은 RA 값들에 의존하기 때문에, RA 값들이 너무 작으면, 장치의 효율적인 읽기가 어려울 수 있다. 그러므로, 다른 실시예들에서, 주터널링 배리어는 하나 이상의 새로운 산화물 계로부터 형성될 수 있다.In some embodiments shown, MgO is generally used as one of the barrier films, and new oxides are used as the second barrier film, capping film, or seed film. However, the principles herein can also be applied when MgO and other barrier materials are used. If new oxides are used to provide two or more barrier films, one of the new oxide films may preferably have an RA value at least one order of magnitude higher than the other new oxide barrier film. Since the sum of the magnetization states depends on the RA values, if the RA values are too small, efficient reading of the device may be difficult. Therefore, in other embodiments, the main tunneling barrier can be formed from one or more new oxide systems.

몇몇 실시예들에서, 상기 장치들에서의 쓰기 방법들은, 스위칭을 야기하도록 MTJ 장치들을 통해 흐르는 쌍극(bipolar) 또는 단극(unipolar) 전류(또는 전압)을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 선택적으로, 쓰기 방법은 MTJ 장치들에 인접하여 보조적인 펄스 전류와 함께MTJ 장치들을 통해 흐르는 쌍극 또는 단극 전류(또는 전압)을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 보조적인 펄스 전류는 자기장을 통해 MTJ와 결합시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 보조적인 펄스 전류는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect) 또는 라쉬바 효과(Rashba effect)와 같은 물리적 효과로부터 MTJ로 스핀 전류 또는 스핀 토크를 야기시킬 수 있다. 보조적인 펄스 전류는 MTJ를 통해 흐르는 전류(또는 전압)을 리드하고/또는 중첩할 수 있다. 상기 방법들은 더 낮은 쓰기 에러율과 함께 더 빠른 스위칭하도록 할 수 있다.In some embodiments, the write methods in the devices may include using a bipolar or unipolar current (or voltage) flowing through the MTJ devices to cause switching. Optionally, the write method may include using a dipole or unipolar current (or voltage) flowing through the MTJ devices with an auxiliary pulse current adjacent the MTJ devices. In one embodiment, the auxiliary pulse current can be coupled with the MTJ through a magnetic field. In another embodiment, the auxiliary pulse current may cause spin current or spin torque from the physical effects such as the Spin Hall Effect or the Rashba Effect to the MTJ. The auxiliary pulse current may lead and / or overlap the current (or voltage) flowing through the MTJ. The methods can allow for faster switching with lower write error rates.

특히, 일 실시예에 따르면, 도 17에 도시된 바와 같이 다수의 자기 저장 셀들(각각은 전술한 적어도 하나의 자기 소자를 포함)을 포함하는 자기 메모리는 적어도 하나의 자기 소자를 통해 쌍극 또는 단극 전류를 인가하거나, 적어도 하나의 자기 소자로 전압을 인가함으로써 프로그램될 수 있다. 쌍극 또는 단극 전류 또는 전압은 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분할 수 있다. 또한 다수의 자기 저장 셀들 각각은 적어도 하나의 선택 소자를 포함할 수 있다. 그래서, 적어도 하나의 자기 소자는 적어도 하나의 자기 소자를 통해 쓰기 전류를 흘려주거나 적어도 하나의 자기 소자로 전압을 인가함으로써, 프로그램할 수 있다.In particular, according to one embodiment, a magnetic memory comprising a plurality of magnetic storage cells (each comprising at least one magnetic element as described above) as shown in FIG. 17 may have a bipolar or unipolar current through at least one magnetic element. Or by applying a voltage to at least one magnetic element. The dipole or unipolar current or voltage may be sufficient to program the at least one magnetic element. In addition, each of the plurality of magnetic storage cells may include at least one selection device. Thus, the at least one magnetic element can be programmed by flowing a write current through the at least one magnetic element or by applying a voltage to the at least one magnetic element.

다른 실시예에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 다수의 자기 저장 셀들(전술한 적어도 하나의 자기 소자를 포함)을 포함하는 자기 메모리는, 다수의 자기 저장 셀들의 일부의 적어도 하나의 자기 소자를 통해서가 아니라 자기 소자에 인접하게 제1 전류를 인가하고(예를 들면, 적어도 하나의 자기 소자에 인접한 도전 배선으로 교류 전류를 인가하고), 그리고 적어도 하나의 자기 소자를 통해 제2 전류를 인가하거나 또는 전압을 인가함으로써, 프로그램될 수 있다. 제1 전류는 자기장 또는 추가적인 스핀 토크를 형성할 수 있다. 제2 전류 또는 전압; 및 자기장 또는 추가적인 스핀 코트는 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분할 수 있다. 본 발명의 개념의 전술한 실시예들을 따르면, 자기 메모리들의 동작에서 더 낮은 오류율을 가지며 더 빠른 스위칭이 실현될 수 있다. 즉, 본 발명 개념의 새로운 산화물들에서, 전술한 보조 쓰기를 더하여, 심지어 가장 작은 메모리 셀 사이즈-예를 들면, 20nm 노드 하에서-가장 빠른 스위칭이 실현될 수 있다.In another embodiment, as shown in FIG. 17, a magnetic memory including a plurality of magnetic storage cells (including at least one magnetic element described above) may include at least one magnetic element of a portion of the plurality of magnetic storage cells. Applying a first current adjacent to the magnetic element rather than through (eg, applying an alternating current to a conductive wire adjacent to at least one magnetic element), and applying a second current through the at least one magnetic element Or by applying a voltage. The first current may form a magnetic field or additional spin torque. Second current or voltage; And a magnetic field or additional spin coat may be sufficient to program the at least one magnetic element. According to the above-described embodiments of the inventive concept, a lower error rate and faster switching can be realized in the operation of the magnetic memories. That is, in the new oxides of the inventive concept, in addition to the above-described auxiliary writes, even the smallest memory cell size-for example under a 20 nm node-the fastest switching can be realized.

일반적으로 본 명세서에 사용된 용어와 특히 첨부된 청구항들(예를 들면, 첨부된 청구항들의 본문)은 "열린" 용어들(예를 들면, 용어 "including, 포함하는"은 " including but not limited to, 포함하나 이에 한정되지 않는"이라고 해석되어야 하며, 용어 "having가지는"은 "having at least, 적어도 가지는"으로 해석되어야 하며, 용어 "includes, 포함한다"는 "includes but is not limited to 포함하나 이에 한정되지 않는다"로 해석되어야 하는 것 등.)로 사용되게 의도된 것이라는 것은 당업자에게 이해될 것이다. 만약 개시된 청구항의 상술의 특정한 숫자가 의도된 것이라면, 그러한 의도는 청구항에 명백히 이야기될 것이고, 그러한 상술이 존재하지 않으면 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것은 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위한 의도로, 다음 첨부된 청구항들은 도입구 "at least one, 적어도 하나"와 "one or more, 하나 이상"을 청구항 상술을 도입하기 위하여 포함하고 있다. 그러나 심지어 동일한 청구항이 도입 구절 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 그리고 "a" "an" 같은 불명확한 구절들을 포함할 때, 그러한 구절들의 사용은 불명확한 문구 "a" 또는 "an"에 의한 청구항 상술의 도입이, 단지 하나의 그러한 상술을 포함하는 그러한 발명에 도입된 청구항 상술을 포함하는, 어떤 특정 청구항을 한정한다는 것을 내포하는 것을 막을 수 없다(예를 들어, "하나의" 및/또는 "한"은 통상 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다); 동일한 것은 청구항 상술을 도입하기 위하여 사용된 불명확한 구절들의 사용을 위하여 유효하다. 더욱이, "A, B 및 C 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 및 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않음). "A, B 또는 C 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 또는 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않음). 또한 당업자라면, 실질적으로 어떠한 이접 접속어(disjunctive word) 및/또는 두 개 이상의 대안적인 용어들을 나타내는 구절은, 그것이 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에 있는 지와 상관없이, 그 용어들 중의 하나, 그 용어들 중의 어느 하나, 또는 그 용어들 두 개 모두를 포함하는 가 능성을 고려했음을 이해할 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 구절은 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.Generally, the terms used herein and particularly the appended claims (eg, the body of the appended claims) are used to refer to "open" terms (e.g., the term "including, including" means "including but not limited to The term "having" shall be interpreted as "having at least," and the term "includes" is "includes but is not limited to," It is to be understood by those skilled in the art that the present invention is intended to be used in the context of the disclosure. If a particular number of the foregoing description of the disclosed claims is intended, it will be apparent to those skilled in the art that such intent will be expressly stated in the claims, and that such intention will not be present if such details do not exist. For example, for the purpose of understanding, the following appended claims include introductory phrases “at least one,” and “one or more, one or more” to introduce claim recitations. However, even when the same claim includes indefinite phrases such as the introductory phrases "one or more" or "at least one" and "a" "an", the use of such phrases is claimed by the indefinite phrase "a" or "an". The incorporation of the above should not be construed to imply that it limits any particular claim, including any claim description introduced in such invention that includes only one such statement (eg, "one" and / or " One "should generally be interpreted to mean" at least one "or" one or more "; The same is valid for the use of unclear phrases used to introduce claim recitations. Moreover, where rules similar to “at least one of A, B, and C” are used, it is generally intended that such interpretations will be understood by those skilled in the art (eg, “in A, B and C”). A system having at least one "has only A, only B, only C, having A and B together, having A and C together, having B and C together, A, B Including, but not limited to, systems with, and C). If a rule similar to "at least one of A, B, or C" is used, then generally such interpretation is intended to assume that a person skilled in the art will understand the rule (e.g., A " and " B " together, A and C together, B and C together, or A, B, C together). Those skilled in the art will also recognize that substantially any disjunctive word and / or a phrase indicating two or more alternative terms is one of those terms, regardless of whether it is in the description, claims or drawings. It will be appreciated that consideration has been given to the possibility of including either or both of these terms. For example, the phrase "A or B" will be understood to include the possibility of "A" or "B" or "A and B".

본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"에 대한 참조는, 실시예와 관련하여 기술된 특별한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명에 포함되는 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 구문 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예에서"는 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 또한, 특별 특징, 구조 또는 특성은 도시된 특정 실시예를 제외한 다른 적절한 형태로 형성될 수 있고, 이러한 모든 형태들은 본 출원의 특허청구범위 내에 포함된다. 다양한 자기 메모리 소자 구조들, 그리고 상기 자기 메모리 소자를 사용하여 제조된 자기 메모리 소자 및 메모리를 제공하는 방법들 및 시스템들이 기술된다. 상기 구조들, 방법 및 시스템들이 실시예들에 따라 기술되지만, 본 실시예들에 대한 다양한 변형들이 가능하고, 그러므로 변형들은 본 명세서에 개시된 장치, 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에서 고려된다는 것을 당업자는 쉽게 인식한다. 따라서, 많은 변형들은 당업자에 의해 첨부된 청구항들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면 만들어질 수 있다.Reference throughout this specification to “one embodiment” or “an embodiment” means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment included in the present invention. it means. Thus, the phrase "one embodiment" or "in one embodiment" does not necessarily refer to the same embodiment. In addition, special features, structures, or characteristics may be formed in other suitable forms except as shown in the specific embodiments, and all such forms are included within the claims of the present application. Various magnetic memory device structures, and methods and systems for providing a magnetic memory device and memory fabricated using the magnetic memory device, are described. Although the above structures, methods and systems are described in accordance with embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications are possible to the embodiments, and therefore variations are contemplated within the spirit and scope of the devices, methods and systems disclosed herein. Is easy to recognize. Accordingly, many modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the appended claims.

110: 피고정막
120: 스페이서막
130: 자유막
140: 수직 이방성 캡핑막110: pinned membrane
120: spacer film
130: free membrane
140: vertical anisotropic capping film

Claims (29)

제1 기준막;
자유막; 및
상기 제1 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 제1 비자성 스페이서막을 포함하되,
상기 제1 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은, Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함하는 반도체 장치를 위한 자기 소자.A first reference film;
Free membrane; And
A first nonmagnetic spacer layer disposed between the first reference layer and the free layer,
The first nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. A magnetic element for a semiconductor device comprising MgO having one or more additional elements selected. 제1항에 있어서,
상기 제1 비자성 스페이서막은 절연 터널링 배리어막인 자기 소자.The method of claim 1,
The first nonmagnetic spacer layer is an insulating tunneling barrier layer. 제1항에 있어서,
상기 제1 비자성 스페이서막은 스핀 밸브(spin valve)로서 기능하는 도전 물질을 포함하는 자기 소자.The method of claim 1,
And the first nonmagnetic spacer layer comprises a conductive material functioning as a spin valve. 제1항에 있어서,
상기 제1 기준막 상에 배치된 캡핑막을 더 포함하되,
상기 캡핑막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며,
상기 캡핑막의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함하는 자기 소자.The method of claim 1,
Further comprising a capping film disposed on the first reference film,
The capping film includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide of the capping film is composed of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. A magnetic element comprising MgO having one or more additional elements selected from the group. 제1항에 있어서,
상기 제1 기준막 아래에 배치된 시드막을 더 포함하되,
상기 시드막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며,
상기 시드막의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함하는 자기 소자.The method of claim 1,
Further comprising a seed film disposed under the first reference film,
The seed film includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide of the seed film is composed of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. A magnetic element comprising MgO having one or more additional elements selected from the group. 제1항에 있어서,
상기 제1 비자성 스페이서막은 (001) 결정 구조를 포함하는 자기 소자.The method of claim 1,
The first nonmagnetic spacer layer includes a (001) crystal structure. 제1항에 있어서,
상기 자유막의 마주보는 면 상에 배치된 제2 기준막; 및
상기 제2 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치되는 제2 비자성 스페이서막을 더 포함하는 자기 소자.The method of claim 1,
A second reference layer disposed on an opposite surface of the free layer; And
And a second nonmagnetic spacer layer disposed between the second reference layer and the free layer. 제7항에 있어서,
상기 제2 비자성 스페이서막은 MgO를 포함하는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
The second nonmagnetic spacer layer includes MgO. 제7항에 있어서,
상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며,
상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 갖는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
The free layer and the second reference layer have an in-plane magnetization direction,
And the first reference layer has a vertical magnetization direction. 제7항에 있어서,
상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 수직 자화 방향을 가지며,
상기 제1 기준막은 면 내 자화 방향을 갖는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
The free layer and the second reference layer have a vertical magnetization direction,
And the first reference layer has an in-plane magnetization direction. 제7항에 있어서,
상기 제1 기준막을 덮는 캡핑막을 더 포함하되,
상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며,
상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 갖는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
Further comprising a capping film covering the first reference film,
The free layer and the second reference layer have an in-plane magnetization direction,
And the first reference layer has a vertical magnetization direction. 제7항에 있어서,
상기 제1 기준막을 덮는 캡핑막을 더 포함하되,
상기 자유막 및 상기 제2 기준막은 면 내 자화 방향을 가지며,
상기 제1 기준막은 수직 자화 방향을 갖는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
Further comprising a capping film covering the first reference film,
The free layer and the second reference layer have an in-plane magnetization direction,
And the first reference layer has a vertical magnetization direction. 제7항에 있어서,
상기 제1 기준막 상에 배치된 캡핑막; 및
상기 제2 기준막 아래에 배치된 시드막을 더 포함하되,
상기 캡핑막, 상기 시드막, 또는 이들의 모두는, 상기 제1 및 제2 기준막들 중 인접한 하나와 밀접하게 정합(closely match)되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물로 형성되며,
상기 캡핑막, 상기 시드막, 또는 이들의 모두의 상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함하는 자기 소자.The method of claim 7, wherein
A capping film disposed on the first reference film; And
Further comprising a seed film disposed under the second reference film,
The capping film, the seed film, or both thereof is formed of a binary, ternary or polymembered alloy oxide having a crystal structure that is closely matched with an adjacent one of the first and second reference films.
The binary, ternary or polymembered alloy oxide of the capping film, the seed film, or both thereof is selected from Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, A magnetic device comprising MgO having one or more additional elements selected from the group consisting of Nb, Cr, Mo, and Rh. 기준막;
자유막;
상기 기준막 및 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막;
상기 기준막 상에 배치된 캡핑막; 및
상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막, 상기 캡핑막 또는 상기 시드막 중의 적어도 하나는, MgAl2O4, (Mg, Ca, Sr, Ba, Mg)SnO3, Mg2SnO4, 또는 NiMn2O4을 포함하는 자기 소자.A reference membrane;
Free membrane;
A nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer;
A capping film disposed on the reference film; And
It includes a seed film disposed below the reference film,
At least one of the nonmagnetic spacer layer, the capping layer and the seed layer may include MgAl 2 O 4 , (Mg, Ca, Sr, Ba, Mg) SnO 3 , Mg 2 SnO 4 , or NiMn 2 O 4 . Magnetic elements. 기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz을 포함하며, 여기에서, x+y>1 이고, z<1인 반도체 장치를 위한 자기 소자.A reference membrane;
Free membrane; And
It includes a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film,
The nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Selected from the group consisting of Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh,
The binary alloy oxide includes Mg x A y O z , wherein x + y> 1 and z <1. 일 방향에서 반대 방향으로 스위칭되는 자화 방향을 갖는 자유막;
기준막;
상기 자유막 및 상기 기준막 사이에 배치되는 스페이서막; 및
상기 기준막 또는 상기 자유막에 인접하게 배치되는 시드막 또는 캡핑막을 포함하되,
상기 시드막 또는 캡핑막은, 하나 이상의 추가 원소를 갖고, 인접한 기준막 또는 자유막의 결정 구조에 밀접하게 정합되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하며,
상기 하나 이상의 추가 원소는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 자기 소자.A free film having a magnetization direction switched from one direction to the opposite direction;
A reference membrane;
A spacer layer disposed between the free layer and the reference layer; And
A seed film or a capping film disposed adjacent to the reference film or the free film,
The seed film or the capping film comprises a binary, ternary or polymembered alloy oxide having one or more additional elements and having a crystal structure that closely matches the crystal structure of an adjacent reference film or free film,
The at least one additional element is a magnetic element selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh . 제16항에 있어서,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 Mg, O, 및 하나 이상의 추가 원소를 포함하고, 상기 하나 이상의 추가 원소는 MgO에 비하여 상기 산화물의 저항을 감소시키는 자기 소자.17. The method of claim 16,
Wherein said binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises Mg, O, and one or more additional elements, said one or more additional elements reducing the resistance of said oxide relative to MgO. 제16항에 있어서,
상기 스페이서막은 터널링 배리어막인 자기 소자.17. The method of claim 16,
And the spacer layer is a tunneling barrier layer. 제18항에 있어서,
상기 터널링 배리어막은, 인접한 자유막 및 기준막의 결정 구조에 밀접하게 정합되는 결정 구조를 갖는 이원, 삼원, 또는 다원 합급 산화물을 포함하는 자기 소자.19. The method of claim 18,
The tunneling barrier layer includes a binary, ternary, or polymembered oxide having a crystal structure that closely matches the crystal structures of adjacent free and reference layers. 제16항에 있어서,
상기 자기 메모리 저장 소자는 스핀 밸브 구조를 제공하는 자기 소자.17. The method of claim 16,
And the magnetic memory storage element provides a spin valve structure. 기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막;
상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막 또는 상기 시드막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 삼원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 다원 합금 산화물은 MgxA1y1A2y2...AnynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1인 반도체 장치를 위한 자기 소자.A reference membrane;
Free membrane; And
A nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer;
It includes a seed film disposed below the reference film,
At least one of the nonmagnetic spacer layer or the seed layer includes a binary, ternary, or polymembered alloy material,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Selected from the group consisting of Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh,
The binary alloy oxide is Mg x A y O z , where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
The ternary alloy oxide is MgxAyOz, where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
The poly-alloy oxide is MgxA1y1A2y2 ... AnynOz, x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 <x, or y1, or y2, .. Or yn, or a magnetic element for a semiconductor device with z <1. 기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막;
상기 기준막 아래에 배치된 캡핑막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막 또는 상기 캡핑막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 삼원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2Oz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 다원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2...An ynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1인 반도체 장치를 위한 자기 소자.A reference membrane;
Free membrane; And
A nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer;
Including a capping film disposed below the reference film,
At least one of the nonmagnetic spacer layer or the capping layer includes a binary, ternary or multi-membered alloy material,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Selected from the group consisting of Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh,
The binary alloy oxide is MgxAyOz, where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
It said ternary alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z, and wherein x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
The poly-alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... A n yn O z , x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 A magnetic element for a semiconductor device with <x, or y1, or y2, ..., or yn, or z <1. 기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막;
상기 자유막을 덮는 캡핑막; 및
상기 기준막 아래에 배치된 시드막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막, 상기 캡핑막 및 상기 시드막 중 적어도 하나는 이원, 삼원 또는 다원 합금 물질을 포함하며,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
상기 이원 합금 산화물은 MgxAyOz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 삼원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2Oz 이며, 여기서 x+y+z=1, x>y 및 0<x, 또는 y, 또는 z<1이며,
상기 다원 합금 산화물은 MgxA1 y1A2 y2...An ynOz 이고, x+y1+y2+...+yn+z=1, x>y1+y2+...+yn 및 0<x, 또는 r y1, 또는 y2,..., 또는 yn, 또는 z<1인 자기 소자.A reference membrane;
Free membrane; And
A nonmagnetic spacer layer disposed between the reference layer and the free layer;
A capping layer covering the free layer; And
It includes a seed film disposed below the reference film,
At least one of the nonmagnetic spacer layer, the capping layer, and the seed layer includes a binary, ternary, or polymembered alloy material,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Selected from the group consisting of Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh,
The binary alloy oxide is MgxAyOz, where x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
It said ternary alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 O z, and wherein x + y + z = 1, x> y and 0 <x, or y, or z <1,
The poly-alloy oxide is Mg x A 1 y1 A 2 y2 ... A n yn O z , x + y1 + y2 + ... + yn + z = 1, x> y1 + y2 + ... + yn and 0 A magnetic element with <x, or r y1, or y2, ..., or yn, or z <1. 자기 메모리를 프로그램하는 방법에 있어서,
상기 자기 메모리는 다수의 자기 저장 셀들을 포함하며, 상기 다수의 자기 저장 셀들 각각은, 적어도 하나의 자기 소자 및 적어도 하나의 선택 소자를 포함하며, 상기 적어도 하나의 자기 소자는 상기 자기 소자를 통해 쓰기 전류를 흘려주거나, 상기 적어도 하나의 자기 소자에 전압을 인가함으로써 프로그램할 수 있고,
상기 적어도 하나의 자기 소자를 통해 쌍극 또는 단극 전류를 인가하거나 상기 적어도 하나의 자기 소자로 전압을 인가하는 것을 포함하되, 상기 쌍극 또는 단극 전류 또는 전압은 상기 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분하고,
상기 적어도 하나의 메모리 소자는:
기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고,
상기 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물은 하나 이상의 추가 원소 A를 갖는 MgO를 포함하며, 상기 A는 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 자기 메모리 프로그램 방법.In the method of programming the magnetic memory,
The magnetic memory includes a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage cells comprising at least one magnetic element and at least one selection element, wherein the at least one magnetic element writes through the magnetic element. Can be programmed by flowing a current or by applying a voltage to the at least one magnetic element,
Applying a dipole or unipolar current through the at least one magnetic element or applying a voltage to the at least one magnetic element, wherein the dipole or unipolar current or voltage is sufficient to program the at least one magnetic element and ,
The at least one memory element is:
A reference membrane;
Free membrane; And
It includes a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film,
The nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary or polymembered alloy oxide comprises MgO with at least one additional element A, wherein A is Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, A magnetic memory program method selected from the group consisting of Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. 자기 메모리를 프로그램하는 방법에 있어서,
상기 자기 메모리는 다수의 자기 저장 셀들을 포함하며, 상기 다수의 자기 저장 메모리 셀들 각각은 적어도 하나의 자기 소자 및 적어도 하나의 선택 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 소자는 상기 자기 소자를 통해 쓰기 전류를 흘려주거나, 상기 적어도 하나의 자기 소자에 전압을 인가함으로써 프로그램할 수 있고,
상기 다수의 자기 저장 셀들의 일부의 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통하지 않고 인접하게 제1 전류를 인가하되, 상기 제1 전류는 자기장 또는 추가적인 스핀 토크를 발생시키는 것; 및
상기 적어도 하나의 자기 소자를 통하여 제2 전류를 인가하거나 전압을 인가하는 것을 포함하되,
상기 제2 전류 또는 전압과; 상기 자기장 또는 상기 추가적인 스핀 토크는 상기 적어도 하나의 자기 소자를 프로그램하기에 충분하며,
상기 적어도 하나의 메모리 소자는,
기준막;
자유막; 및
상기 기준막 및 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하되,
상기 비자성 스페이서막은 이원, 삼원 또는 다원 합금 산화물을 포함하고,
상기 이원, 삼원, 또는 다원 합금 산화물은 Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, 및 Rh으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소를 갖는 MgO를 포함하는 자기 메모리 프로그램 방법.In the method of programming the magnetic memory,
The magnetic memory includes a plurality of magnetic storage cells, each of the plurality of magnetic storage memory cells including at least one magnetic element and at least one selection element, wherein the at least one magnetic element writes through the magnetic element. Can be programmed by flowing a current or by applying a voltage to the at least one magnetic element,
Applying a first current adjacent without passing through said at least one magnetic element of a portion of said plurality of magnetic storage cells, said first current generating a magnetic field or additional spin torque; And
Applying a second current or applying a voltage through the at least one magnetic element,
The second current or voltage; The magnetic field or the additional spin torque is sufficient to program the at least one magnetic element,
The at least one memory device,
A reference membrane;
Free membrane; And
It includes a nonmagnetic spacer film disposed between the reference film and the free film,
The nonmagnetic spacer layer includes a binary, ternary or polymembered alloy oxide,
The binary, ternary, or polymembered alloy oxide is selected from the group consisting of Ru, Al, Ta, Tb, Cu, V, Hf, Zr, W, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Nb, Cr, Mo, and Rh. A magnetic memory program method comprising MgO having one or more additional elements selected. 제25항에 있어서,
상기 제2 전류는 쌍극 또는 단극 전류인 자기 메모리 프로그램 방법.26. The method of claim 25,
And the second current is a dipole or unipolar current. 제25항에 있어서,
상기 제1 전류를 인가하는 것은,
상기 적어도 하나의 자기 소자에 인접한 도전 배선에 교류 전류를 인가하는 것을 포함하는 자기 메모리 프로그램 방법.26. The method of claim 25,
Applying the first current,
And applying an alternating current to conductive wiring adjacent to said at least one magnetic element. 제27항에 있어서,
상기 교류 전류는, 스핀 홀 효과, 또는 라쉬바 효과의 물리적 효과로부터 상기 적어도 하나의 자기 소자에 스핀 전류 또는 스핀 토크를 야기시키는 자기 메모리 프로그램 방법.28. The method of claim 27,
And the alternating current causes spin current or spin torque in the at least one magnetic element from a physical effect of spin hole effect or lash bar effect. 제27항에 있어서,
상기 교류 전류는 상기 적어도 하나의 자기 소자를 통해 흐르는 상기 제1 전류를 리드(lead)하고/또는 오버랩할 수 있는 자기 메모리 프로그램 방법.28. The method of claim 27,
And the alternating current may lead to and / or overlap the first current flowing through the at least one magnetic element.
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