CN116171051A

CN116171051A - 磁存储器件

Info

Publication number: CN116171051A
Application number: CN202211474372.9A
Authority: CN
Inventors: S.P.帕金; 梁时熏; 尹智湖; 皮雄焕
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-05-26
Also published as: US20230165161A1; KR20230077200A; DE102022122551A1

Abstract

本公开提供了磁存储器件。一种磁存储器件可以包括在第一方向上延伸的磁轨。磁轨可以包括在第一方向上延伸的下磁性层、在下磁性层上在第一方向上延伸的上磁性层、在下磁性层和上磁性之间在第一方向上延伸的间隔物层以及穿透上磁性层并在间隔物层上的非磁性图案。非磁性图案具有与上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与上磁性层的第二部分接触的第二结表面。下磁性层和上磁性层通过间隔物层而彼此反铁磁耦合。

Description

磁存储器件

技术领域

本公开涉及磁存储器件，更具体地，涉及利用磁畴壁的移动现象的磁存储器件。

背景技术

越来越需要高速度和低电压的存储器件以实现包括这样的存储器件的高速度和低功率的电子装置。磁存储器件已经作为可能满足这些需求的存储器件而被研究。特别地，磁存储器件已经由于其高速工作特性和/或非易失特性而作为潜在的下一代存储器件受到关注。特别地，已经研究和开发了利用磁性材料的磁畴壁的移动现象的新磁存储器件。

发明内容

本公开的发明构思的一些实施方式可以提供一种能够更稳定地控制磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨(magnetic track)中的位置的磁存储器件。

本公开的发明构思的一些实施方式还可以提供一种能够降低用于使磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨中移动所需的电流密度的磁存储器件。

在一些实施方式中，一种磁存储器件可以包括在第一方向上延伸的磁轨。磁轨可以包括在第一方向上延伸的下磁性层、在下磁性层上在第一方向上延伸的上磁性层、在下磁性层和上磁性之间在第一方向上延伸的间隔物层以及穿透上磁性层并在间隔物层上的非磁性图案。非磁性图案可以具有与上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与上磁性层的第二部分接触的第二结表面。下磁性层和上磁性层可以通过间隔物层而彼此反铁磁耦合。

在一些实施方式中，一种磁存储器件可以包括在第一方向上延伸的导电线以及在导电线上在第一方向上延伸的磁轨。磁轨可以包括在垂直于第一方向的第二方向上依次堆叠在导电线上的下磁性层、间隔物层和上磁性层以及穿透上磁性层并在间隔物层上的非磁性图案。非磁性图案可以具有与上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与上磁性层的第二部分接触的第二结表面。非磁性图案可以在第二方向上与下磁性层的一部分垂直地重叠，下磁性层和上磁性层可以通过间隔物层而彼此反铁磁耦合。

在一些实施方式中，一种磁存储器件可以包括：在第一方向上延伸的导电线；在垂直于第一方向的第二方向上依次堆叠在导电线上的下磁性层、间隔物层和上磁性层，下磁性层和上磁性层通过间隔物层而彼此反铁磁耦合；以及在上磁性层内并且在间隔物层上的非磁性图案，非磁性图案包括与上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与上磁性层的第二部分接触的第二结表面。非磁性图案可以与下磁性层中的下磁畴壁垂直地重叠。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的透视图。

图2是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图。

图3是图2的部分“A”的放大图。

图4A和图4B是对应于图2的部分“A”的放大图，以示出在根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的磁轨中通过施加电流引起的磁畴壁的移动。

图5A和图5B是对应于图2的部分“A”的放大图，以示出在根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的磁轨中通过外部磁场引起的磁畴壁的移动。

图6是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的一部分的平面图。

图7A至图7C是对应于图2的部分“A”的截面图，以示出根据本发明构思的一些实施方式的制造磁存储器件的方法。

图8是示出根据本发明构思的一些实施方式的制造磁存储器件的方法的平面图。

图9是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图。

图10是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图。

具体实施方式

现在将参照附图更充分地描述本发明构思的实施方式的一些示例。

图1是示意性地示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的透视图。

参照图1，磁存储器件可以包括导电线CL、在导电线CL上的磁轨MTR以及在磁轨MTR上的读/写单元150。导电线CL和磁轨MTR中的每个可以在第一方向D1上延伸并可以具有线形(其中在第一方向D1上的长度大于在垂直于第一方向D1的第二方向D2上的宽度)。第一方向D1和第二方向D2可以平行于一平面(例如，包括导电线CL的底表面CL_L的平面)并可以彼此垂直。磁轨MTR可以在与第一方向D1和第二方向D2垂直的第三方向D3上堆叠在导电线CL上。第三方向D3可以垂直于以上讨论的平面(例如，包括导电线CL的底表面CL_L的平面)。读/写单元150可以与磁轨MTR的一部分相邻。

导电线CL可以配置为通过从其流过的电流产生自旋轨道矩。导电线CL可以包括能够通过在导电线CL中在第一方向D1或与第一方向D1相反的方向上流动的电流产生自旋霍尔效应或拉什巴(Rashba)效应的材料。导电线CL可以包括具有30或更大的原子序数的重金属，并可以包括例如铱(Ir)、钌(Ru)、钽(Ta)、铂(Pt)、钯(Pd)、铋(Bi)、钛(Ti)或钨(W)。

磁轨MTR可以包括在第三方向D3上依次堆叠在导电线CL上的下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130。下磁性层110可以在导电线CL和间隔物层120之间，间隔物层120可以在下磁性层110和上磁性层130之间。下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130中的每个可以具有在第一方向D1上延伸的线形。

导电线CL和磁轨MTR可以具有在第一方向D1上延伸的直线形状，但是本发明构思的实施方式不限于此。在一些实施方式中，导电线CL和磁轨MTR可以具有U形线形状。

下磁性层110可以包括在第一方向D1上排列的下磁畴D_L以及在下磁畴D_L之间的下磁畴壁DW_L。每个下磁畴D_L可以是下磁性层110中的其中磁矩对准在特定方向上的区域，并且每个下磁畴壁DW_L可以是其中磁矩的方向在下磁畴D_L之间改变的区域。下磁畴D_L和下磁畴壁DW_L可以在第一方向D1上交替布置。

上磁性层130可以包括在第一方向D1上排列的上磁畴D_U以及在上磁畴D_U之间的上磁畴壁DW_U。每个上磁畴D_U可以是上磁性层130中的其中磁矩对准在特定方向上的区域，每个上磁畴壁DW_U可以是其中磁矩的方向在上磁畴D_U之间改变的区域。上磁畴D_U和上磁畴壁DW_U可以在第一方向D1上交替布置。上磁畴D_U可以在第三方向D3上分别与下磁畴D_L垂直地重叠。

下磁性层110和上磁性层130可以通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合。上磁性层130的磁矩可以大于下磁性层110的磁矩。下磁性层110和上磁性层130中的每个可以包括磁性元素并且可以包括例如钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中的至少一种。间隔物层120可以包括非磁性金属并且可以包括例如钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钽(Ta)和/或其任何合金。

磁轨MTR还可以包括在上磁性层130中的至少一个非磁性图案140。非磁性图案140可以穿透上磁性层130并可以在间隔物层120上。非磁性图案140可以与间隔物层120的顶表面接触。非磁性图案140可以在上磁性层130中的上磁畴D_U中的在第一方向D1上彼此相邻的一对上磁畴D_U之间。非磁性图案140可以与下磁性层110的一部分(例如在第三方向D3上)垂直地重叠。例如，非磁性图案140可以与下磁性层110中的下磁畴壁DW_L中的对应下磁畴壁DW_L垂直地重叠。间隔物层120可以在下磁性层110和上磁性层130之间并且可以在非磁性图案140和下磁性层110之间延伸。非磁性图案140可以包括金属氧化物。非磁性图案140可以包括与上磁性层130中的磁性元素相同的磁性元素并且还可以包括氧。

至少一个非磁性图案140可以是多个非磁性图案140。所述多个非磁性图案140可以在上磁性层130中在第一方向D1上彼此间隔开。所述多个非磁性图案140中的每个可以穿透上磁性层130并可以在间隔物层120上。所述多个非磁性图案140中的每个可以与间隔物层120的顶表面接触。所述多个非磁性图案140中的每个可以在上磁性层130中的上磁畴D_U中的在第一方向D1上彼此相邻的一对上磁畴D_U之间。所述多个非磁性图案140中的每个可以与下磁性层110的对应部分(例如，在第三方向D3上)垂直地重叠，并且例如，可以与下磁性层110中的下磁畴壁DW_L中的对应下磁畴壁DW_L垂直地重叠。间隔物层120可以在下磁性层110和上磁性层130之间并且可以在所述多个非磁性图案140和下磁性层110之间延伸。

非磁性图案140可以具有在第一方向D1上彼此相反的第一表面140S1和第二表面140S2。非磁性图案140的第一表面140S1可以与上磁性层130的一部分(例如上磁性层130的第一部分)接触，非磁性图案140的第二表面140S2可以与上磁性层130的另一部分(例如上磁性层130的第二部分)接触。非磁性图案140的第一表面140S1可以被称为在非磁性图案140和上磁性层130之间的第一结表面140S1，非磁性图案140的第二表面140S2可以被称为在非磁性图案140和上磁性层130之间的第二结表面140S2。

磁轨MTR可以包括在第一方向D1上彼此相邻的合成反铁磁区SAF以及在合成反铁磁区SAF之间的铁磁区FM。合成反铁磁区SAF可以是其中下磁性层110和上磁性层130通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合的区域。铁磁区FM可以包括非磁性图案140以及下磁性层110的与非磁性图案140垂直地重叠的部分。磁轨MTR可以包括合成反铁磁体-铁磁体-合成反铁磁体(SAF-FM-SAF)双边结结构，其中合成反铁磁区SAF和在其间的铁磁区FM在第一方向D1上彼此接合。在非磁性图案140和上磁性层130之间的第一结表面140S1可以被称为在合成反铁磁区SAF中的一个和铁磁区FM之间的第一结表面140S1，在非磁性图案140和上磁性层130之间的第二结表面140S2可以被称为在合成反铁磁区SAF中的另一个和铁磁区FM之间的第二结表面140S2。在一些实施方式中，磁轨MTR可以具有其中多个合成反铁磁区SAF和多个铁磁区FM在第一方向D1上交替布置的结构。

读/写单元150可以在磁轨MTR的合成反铁磁区SAF中的至少一个合成反铁磁区SAF上。读/写单元150可以包括利用巨磁阻效应的GMR传感器或利用隧道磁阻效应的TMR传感器。例如，读/写单元150可以包括在上磁性层130上的磁性图案154、在上磁性层130和磁性图案154之间的隧道势垒图案152以及在磁性图案154上的电极图案156。磁性图案154可以在隧道势垒图案152和电极图案156之间。磁性图案154可以包括钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中的至少一种。隧道势垒图案152可以包括镁(Mg)氧化物、钛(Ti)氧化物、铝(Al)氧化物、镁锌(Mg-Zn)氧化物和镁硼(Mg-B)氧化物中的至少一种。电极图案156可以包括导电材料并且可以包括例如金属(例如铜、钨或铝)和/或金属氮化物(例如钽氮化物、钛氮化物或钨氮化物)。

读/写单元150可以与上磁性层130中的上磁畴D_U中的对应上磁畴D_U和下磁性层110中的下磁畴D_L中的对应下磁畴D_L(例如在第三方向D3上)垂直地重叠。

图2是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图，图3是图2的部分“A”的放大图。在下文，为了说明的容易和方便，对与参照图1提及的相同特征的描述将被省略。

参照图2和图3，下磁性层110中的下磁畴D_L和上磁性层130中的上磁畴D_U可以具有垂直磁各向异性(PMA)。下磁性层110中的每个下磁畴D_L可以具有基本上垂直于在下磁性层110和间隔物层120之间的界面的磁化方向110M，并且彼此直接相邻的下磁畴D_L的磁化方向110M可以彼此相反。每个下磁畴壁DW_L可以限定在具有彼此相反的磁化方向110M的相邻下磁畴D_L之间的边界。上磁性层130中的每个上磁畴D_U可以具有基本上垂直于在上磁性层130和间隔物层120之间的界面的磁化方向130M，并且彼此直接相邻的上磁畴D_U的磁化方向130M可以彼此相反。每个上磁畴壁DW_U可以限定在具有彼此相反的磁化方向130M的相邻上磁畴D_U之间的边界。

上磁畴D_U可以在第三方向D3上分别与下磁畴D_L垂直地重叠，并且上磁畴D_U和下磁畴D_L可以通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合。每个上磁畴D_U的磁化方向130M可以与下磁畴D_L中的对应下磁畴D_L的磁化方向110M反平行。在磁轨MTR的合成反铁磁区SAF中，上磁畴D_U和下磁畴D_L可以通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合。

非磁性图案140可以在第三方向D3上与下磁性层110的一部分垂直地重叠。非磁性图案140和下磁性层110的所述部分可以构成磁轨MTR的铁磁区FM。下磁畴壁DW_L中的至少一个下磁畴壁DW_L可以在下磁性层110的所述部分中并可以在第三方向D3上与非磁性图案140垂直地重叠。

非磁性图案140可以在第一方向D1上具有宽度140W。非磁性图案140的宽度140W可以等于或大于每个下磁畴壁DW_L在第一方向D1上的宽度。在一些实施方式中，非磁性图案140的宽度140W可以基本上等于每个下磁畴壁DW_L在第一方向D1上的宽度。在这种情况下，下磁畴壁DW_L中的一个下磁畴壁DW_L可以在下磁性层110的所述部分中并可以在第三方向D3上与非磁性图案140垂直地重叠。例如，非磁性图案140的宽度140W可以在从约10nm至约20nm的范围内。

当提供多个非磁性图案140时，所述多个非磁性图案140中的每个可以与下磁性层110的对应部分垂直地重叠。所述多个非磁性图案140中的每个和下磁性层110的对应部分可以构成磁轨MTR的铁磁区FM。下磁畴壁DW_L中的至少一个下磁畴壁DW_L可以在下磁性层110的对应部分中并可以在第三方向D3上与所述多个非磁性图案140中的对应一个垂直地重叠。所述多个非磁性图案140中的每个的宽度140W可以等于或大于下磁畴壁DW_L中的每个在第一方向D1上的宽度。在一些实施方式中，所述多个非磁性图案140中的每个的宽度140W可以基本上等于每个下磁畴壁DW_L在第一方向D1上的宽度。在这种情况下，下磁畴壁DW_L中的一个下磁畴壁DW_L可以在下磁性层110的对应部分中并可以在第三方向D3上与所述多个非磁性图案140中的对应一个垂直地重叠。

当电流在导电线CL中在第一方向D1或与第一方向D1相反的方向上流动时，下磁性层110中的下磁畴壁DW_L可以在第一方向D1上移动。下磁畴壁DW_L的移动可以是由于自旋轨道矩和在导电线CL和下磁性层110之间的界面处产生的季亚罗辛斯基-莫里亚(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用(DMI)。下磁畴壁DW_L的移动方向可以取决于下磁畴壁DW_L的手性。由于下磁性层110中的下磁畴壁DW_L在第一方向D1上移动，所以上磁性层130中的上磁畴壁DW_U也可以在第一方向D1上移动。上磁畴壁DW_U的移动可以是由于在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合。

读/写单元150的磁性图案154可以具有垂直磁各向异性(PMA)。磁性图案154可以具有基本上垂直于在磁性图案154和隧道势垒图案152之间的界面的磁化方向154M，并且磁性图案154的磁化方向154M可以被固定在一个方向上。上磁性层130中的上磁畴D_U的磁化方向130M和下磁性层110中的下磁畴D_L的磁化方向110M可以是可改变的以平行于或反平行于磁性图案154的磁化方向154M。

磁性图案154可以与上磁畴D_U中的对应上磁畴D_U和下磁畴D_L中的对应下磁畴D_L(例如在第三方向D3上)垂直地重叠。彼此垂直地重叠的磁性图案154、对应上磁畴D_U和对应下磁畴D_L可以构成磁隧道结MTJ。磁性图案154可以是具有被固定在一个方向上的磁化方向154M的被钉扎层，并且对应上磁畴D_U和对应下磁畴D_L可以彼此反铁磁耦合以构成具有合成反铁磁结构的自由层。

在读操作中，读电流Iread可以流过磁隧道结MTJ。磁隧道结MTJ的电阻状态可以通过读电流Iread来检测。磁隧道结MTJ是处于高阻态还是低阻态可以通过读电流Iread来检测。存储在自由层中的数据(0或1)可以从磁隧道结MTJ的电阻状态检测。在写操作中，写电流Isw可以流过磁隧道结MTJ。写电流Isw的大小可以大于读电流Iread的大小。对应上磁畴D_U的磁化方向130M可以通过由写电流Isw产生的自旋转移矩来切换。对应上磁畴D_U的磁化方向130M可以通过由写电流Isw产生的自旋转移矩切换为平行于或反平行于磁性图案154的磁化方向154M。通过在对应上磁畴D_U和对应下磁畴D_L之间的反铁磁耦合，对应下磁畴D_L的磁化方向110M可以被切换为与对应上磁畴D_U的磁化方向130M反平行。

在一些实施方式中，下磁性层110、上磁性层130和磁性图案154中的每个可以包括钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)中的至少一种并且还可以包括至少一种非磁性材料(诸如硼(B)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钌(Ru)、钽(Ta)、硅(Si)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、碳(C)和/或氮(N))。例如，下磁性层110、上磁性层130和磁性图案154中的每个可以包括垂直磁性材料(例如CoFeTb、CoFeGd或CoFeDy)、具有L1₀结构的垂直磁性材料、具有六方密堆积(HCP)晶格结构的CoPt合金以及垂直磁性结构中的至少一种。具有L1₀结构的垂直磁性材料可以包括具有L1₀结构的FePt、具有L1₀结构的FePd、具有L1₀结构的CoPd以及具有L1₀结构的CoPt中的至少一种。垂直磁性结构可以包括交替且重复堆叠的磁性层和非磁性层。例如，垂直磁性结构可以包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(Co/Pd)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n以及(CoCr/Pd)n中的至少一种，其中“n”表示双层的数量。在一些实施方式中，下磁性层110、上磁性层130和磁性图案154中的每个可以包括CoFeB或基于Co的哈斯勒合金。

参照图3，磁轨MTR可以包括在第一方向D1上彼此相邻的合成反铁磁区SAF以及在合成反铁磁区SAF之间的铁磁区FM。合成反铁磁区SAF中的一个可以被称为第一合成反铁磁区SAF1，合成反铁磁区SAF中的另一个可以被称为第二合成反铁磁区SAF2。铁磁区FM可以在第一合成反铁磁区SAF1和第二合成反铁磁区SAF2之间。在非磁性图案140和上磁性层130之间的第一结表面140S1可以被称为在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1，在非磁性图案140和上磁性层130之间的第二结表面140S2可以被称为在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2。

下磁性层110中的下磁畴壁DW_L中的至少一个下磁畴壁DW_L可以在铁磁区FM中并可以与非磁性图案140垂直地重叠。下磁性层110中的下磁畴D_L中的在第一方向D1上彼此相邻的下磁畴D_L可以分别在合成反铁磁区SAF中。相邻的下磁畴D_L可以包括在第一合成反铁磁区SAF1中的第一下磁畴D_L1和在第二合成反铁磁区SAF2中的第二下磁畴D_L2。第一下磁畴D_L1和第二下磁畴D_L2可以在第一方向D1上直接彼此相邻并且所述至少一个下磁畴壁DW_L插置在其间。第一下磁畴D_L1的磁化方向110M和第二下磁畴D_L2的磁化方向110M可以彼此相反。例如，第一下磁畴D_L1的磁化方向110M可以是向上方向，第二下磁畴D_L2的磁化方向110M可以是向下方向。

在上磁性层130中的在第一方向D1上彼此相邻的上磁畴D_U可以在合成反铁磁区SAF中。相邻的上磁畴D_U可以包括在第一合成反铁磁区SAF1中的第一上磁畴D_U1和在第二合成反铁磁区SAF2中的第二上磁畴D_U2。第一上磁畴D_U1和第二上磁畴D_U2可以在第一方向D1上彼此直接相邻并且非磁性图案140插置在其间。第一上磁畴D_U1和第二上磁畴D_U2可以分别与第一下磁畴D_L1和第二下磁畴D_L2(例如在第三方向D3上)垂直地重叠。第一上磁畴D_U1的磁化方向130M和第二上磁畴D_U2的磁化方向130M可以彼此相反。例如，第一上磁畴D_U1的磁化方向130M可以是向下方向，第二上磁畴D_U2的磁化方向130M可以是向上方向。在合成反铁磁区SAF中，第一上磁畴D_U1和第二上磁畴D_U2可以通过间隔物层120分别反铁磁耦合到第一下磁畴D_L1和第二下磁畴D_L2。

参照图3和图4A，当电流I在第一方向D1上在导电线CL中流动时，铁磁区FM中的至少一个下磁畴壁DW_L可以在第一方向D1上移动到第二合成反铁磁区SAF2中。由于所述至少一个下磁畴壁DW_L移动，所以铁磁区FM中的下磁性层110的磁化方向110M可以在向上方向上对准，并且第二合成反铁磁区SAF2中的第二下磁畴D_L2的磁化方向110M可以被反转为向上方向。此外，第二合成反铁磁区SAF2中的第二上磁畴D_U2的磁化方向130M可以通过在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合而被反转为向下方向。由于第二上磁畴D_U2的磁化方向130M反转，所以上磁畴壁DW_U可以形成在第二合成反铁磁区SAF2中的上磁性层130中。通过在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合，上磁畴壁DW_U可以与所述至少一个下磁畴壁DW_L一起在第一方向D1上移动。

参照图3和图4B，当电流I在与第一方向D1相反的方向上在导电线CL中流动时，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以在与第一方向D1相反的方向上移动到第一合成反铁磁区SAF1中。由于所述至少一个下磁畴壁DW_L移动，所以铁磁区FM中的下磁性层110的磁化方向110M可以在向下方向上对准，并且第一合成反铁磁区SAF1中的第一下磁畴D_L1的磁化方向110M可以被反转为向下方向。此外，第一合成反铁磁区SAF1中的第一上磁畴D_U1的磁化方向130M可以通过在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合而被反转为向上方向。由于第一上磁畴D_U1的磁化方向130M被反转，所以上磁畴壁DW_U可以形成在第一合成反铁磁区SAF1中的上磁性层130中。通过在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合，上磁畴壁DW_U可以与所述至少一个下磁畴壁DW_L一起在与第一方向D1相反的方向上移动。

图5A和图5B是对应于图2的部分“A”的放大图，以示出在根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的磁轨中通过外部磁场引起的磁畴壁(DW)的移动。

参照图3和图5A，当施加到磁轨MTR的外部磁场H的方向是向下方向时，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以在与第一方向D1相反的方向上移动。所述至少一个下磁畴壁DW_L可以远离在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2并可以靠近在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1。

所述至少一个下磁畴壁DW_L可以不被注入到第一合成反铁磁区SAF1中。例如，合成反铁磁区SAF的矫顽力(Hc)可以大于铁磁区FM的矫顽力(Hc)。由于合成反铁磁区SAF具有相对大的矫顽力(Hc)，所以合成反铁磁区SAF中的下磁性层110(例如第一下磁畴D_L1和第二下磁畴D_L2)和上磁性层130(例如第一上磁畴D_U1和第二上磁畴D_U2)的磁化方向110M和130M可以不被外部磁场H反转。此外，上磁性层130的磁矩可以大于下磁性层130的磁矩。由于外部磁场H的方向是与第一合成反铁磁区SAF1中的第一上磁畴D_U1的磁化方向130M相同的方向(例如向下方向)，所以在第一合成反铁磁区SAF1中的第一上磁畴D_U1和第一下磁畴D_L1之间的反铁磁耦合可以相对于外部磁场H是稳定的。因此，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以不被注入到第一合成反铁磁区SAF1中，而是可以被困在铁磁区FM中的下磁性层110中。

参照图3和图5B，当施加到磁轨MTR的外部磁场H的方向是向上方向时，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以在第一方向D1上移动。所述至少一个下磁畴壁DW_L可以远离在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1并可以靠近在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2。

所述至少一个下磁畴壁DW_L可以不被注入到第二合成反铁磁区SAF2中。例如，由于合成反铁磁区SAF具有相对大的矫顽力(Hc)，所以合成反铁磁区SAF中的下磁性层110(例如第一下磁畴D_L1和第二下磁畴D_L2)和上磁性层130(例如第一上磁畴D_U1和第二上磁畴D_U2)的磁化方向110M和130M可以不被外部磁场H反转。此外，上磁性层130的磁矩可以大于下磁性层110的磁矩。由于外部磁场H的方向是与第二合成反铁磁区SAF2中的第二上磁畴D_U2的磁化方向130M相同的方向(例如向上方向)，所以在第二合成反铁磁区SAF2中的第二上磁畴D_U2和第二下磁畴D_L2之间的反铁磁耦合可以相对于外部磁场H是稳定的。因此，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以不被注入到第二合成反铁磁区SAF2中，而是可以被困在铁磁区FM的下磁性层110中。

如参照图3、图4A和图4B所述，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以通过施加到导电线CL的电流I而移动到合成反铁磁区SAF中。然而，如参照图3、图5A和图5B所述，当外部磁场H施加到磁轨MTR时，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以不移动到合成反铁磁区SAF中，而是可以被困在铁磁区FM中。

根据本发明构思，磁轨MTR可以包括合成反铁磁体-铁磁体-合成反铁磁体(SAF-FM-SAF)双边结结构，其中合成反铁磁区SAF和在其间的铁磁区FM在第一方向D1上彼此接合。铁磁区FM可以包括非磁性图案140和下磁性层110的与非磁性图案140垂直地重叠的部分，并且至少一个下磁畴壁DW_L可以在下磁性层110的所述部分中(即在铁磁区FM中)。在这种情况下，铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L可以通过施加到导电线CL的电流I而移动到合成反铁磁区SAF中，但是不会通过施加到磁轨MTR的外部磁场H移动到合成反铁磁区SAF中。换言之，当外部磁场H施加到磁轨MTR时，铁磁区FM中的所述至少一下磁畴壁DW_L可以被困在铁磁区FM中。因此，可以最小化外部因素(例如外部磁场H)对下磁畴壁DW_L在下磁性层110中的位置的影响，并且下磁畴壁DW_L在下磁性层110中的位置可以通过施加到导电线CL的电流I而被更稳定地控制。此外，由于可以更稳定地控制下磁畴壁DW_L在下磁性层110中的位置，所以由于在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合，也可以更稳定地控制上磁畴壁DW_U在上磁性层130中的位置。

结果，本发明构思的实施方式可以提供能够稳定地控制磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨MTR中的位置的磁存储器件。

图6是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的一部分的平面图。图6可以是对应于图3的平面图。

参照图3和图6，在非磁性图案140和上磁性层130之间的第一结表面140S1可以被称为在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1，在非磁性图案140和上磁性层130之间的第二结表面140S2可以被称为在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2。

在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1可以相对于垂直于第一方向D1的参考表面SS以第一角度θ_j1倾斜，在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2可以相对于参考表面SS以第二角度θ_j2倾斜。第一角度θ_j1和第二角度θ_j2中的每个可以大于30度并可以例如大于30度且小于90度。因此，在一些实施方式中并且如参照图4A和图4B所述，可以降低施加到导电线CL以使铁磁区FM中的所述至少一个下磁畴壁DW_L移动到第一合成反铁磁区SAF1或第二合成反铁磁区SAF2中的电流密度。

根据本实施方式，可以提供能够降低用于使磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨MTR中移动所需的电流密度的磁存储器件。

图7A至图7C是对应于图2的部分“A”的截面图，以示出根据本发明构思的一些实施方式的制造磁存储器件的方法的各方面。在下文，为了说明的容易和方便，对与参照图1和图2提及的相同特征的描述将被省略。

参照图7A，导电线CL、下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130可以形成为在第一方向D1上延伸。下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130可以在第三方向D3上依次堆叠在导电线CL上。

例如，导电线CL、下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130的形成可以包括：依次沉积导电层、第一磁性层、非磁性层和第二磁性层；在第二磁性层上形成第一掩模图案M1；以及通过使用第一掩模图案M1作为蚀刻掩模依次蚀刻第二磁性层、非磁性层、第一磁性层和导电层。导电层、第一磁性层、非磁性层和第二磁性层可以使用化学气相沉积(CVD)方法和/或物理气相沉积(PVD)方法形成，并可以使用例如溅射沉积法形成。第一掩模图案M1可以具有在第一方向D1上延伸的线形并可以是光致抗蚀剂图案或硬掩模图案。第二磁性层、非磁性层、第一磁性层和导电层可以通过例如离子束蚀刻工艺被依次蚀刻。上磁性层130、间隔物层120、下磁性层110和导电线CL可以通过分别蚀刻第二磁性层、非磁性层、第一磁性层和导电层来形成。下磁性层110和上磁性层130可以通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合。

在形成导电线CL、下磁性层110、间隔物层120和上磁性层130之后，可以去除第一掩模图案M1。第一掩模图案M1可以通过例如灰化工艺和/或剥离工艺去除。

参照图7B，可以在上磁性层130上形成第二掩模图案M2。第二掩模图案M2可以包括暴露上磁性层130的一部分的开口OP。第二掩模图案M2可以是光致抗蚀剂图案或硬掩模图案。第二掩模图案M2可以包括金属氮化物并可以包括例如TaN。

可以对上磁性层130执行氧化工艺。第二掩模图案M2可以用作氧化工艺的掩模。氧化工艺可以包括例如氧等离子体处理。

参照图7C，上磁性层130的被第二掩模图案M2的开口OP暴露的部分可以通过氧化工艺被氧化。因此，非磁性图案140可以形成在上磁性层130中。非磁性图案140可以包括金属氧化物。非磁性图案140可以包括与上磁性层130中的磁性元素相同的磁性元素并且还可以包括氧。

间隔物层120可以用作氧化工艺的氧化停止层。因此，下磁性层110的与非磁性图案140(例如在第三方向D3上)垂直地重叠的部分110P可以不被氧化工艺氧化，而是可以保持铁磁特性。非磁性图案140可以穿透上磁性层130从而与间隔物层120接触。

在通过氧化工艺形成非磁性图案140之后，可以去除第二掩模图案M2。第二掩模图案M2可以通过例如灰化工艺和/或剥离工艺去除。

下磁性层110、间隔物层120、上磁性层130和非磁性图案140可以构成磁轨MTR。导电线CL和磁轨MTR可以具有在第一方向D1上延伸的线形。

磁轨MTR可以包括合成反铁磁区SAF和在合成反铁磁区SAF之间的铁磁区FM。合成反铁磁区SAF可以是其中下磁性层110和上磁性层130通过间隔物层120而彼此反铁磁耦合的区域。铁磁区FM可以包括非磁性图案140以及下磁性层110的与非磁性图案140垂直地重叠的部分110P。磁轨MTR可以包括合成反铁磁体-铁磁体-合成反铁磁体(SAF-FM-SAF)双边结结构，其中合成反铁磁区SAF和在其间的铁磁区FM在第一方向D1上彼此接合。

再次参照图2，可以在磁轨MTR的合成反铁磁区SAF中的对应合成反铁磁区SAF上形成读/写单元150。例如，读/写单元150的形成可以包括在磁轨MTR上依次形成隧道绝缘层、磁性层和电极层以及蚀刻隧道绝缘层、磁性层和电极层。隧道势垒图案152、磁性图案154和电极图案156可以通过分别蚀刻隧道绝缘层、磁性层和电极层来形成。

图8是示出根据本发明构思的一些实施方式的制造磁存储器件的方法的平面图。图8可以是对应于图7B的平面图。

参照图7B和图8，第二掩模图案M2可以包括可由开口OP暴露的第一内侧壁M2_S1和第二内侧壁M2_S2。第一内侧壁M2_S1和第二内侧壁M2_S2可以在第一方向D1上彼此面对。在一些实施方式中，第一内侧壁M2_S1可以相对于垂直于第一方向D1的参考表面SS以第一角度θ_j1倾斜，第二内侧壁M2_S2可以相对于参考表面SS以第二角度θ_j2倾斜。第一角度θ_j1和第二角度θ_j2中的每个可以大于30度并可以例如大于30度且小于90度。第二掩模图案M2可以用作氧化工艺的掩模，因此非磁性图案140的侧表面可以形成为相对于参考表面SS倾斜。结果，如参照图3和图6所述，在第一合成反铁磁区SAF1和铁磁区FM之间的第一结表面140S1可以形成为相对于参考表面SS以第一角度θ_j1倾斜，在第二合成反铁磁区SAF2和铁磁区FM之间的第二结表面140S2可以形成为相对于参考表面SS以第二角度θ_j2倾斜。

图9是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图。在下文，为了说明的容易和方便，将主要描述本实施方式与图1和图2的上述实施方式之间的差异。

参照图9，磁轨MTR可以包括在上磁性层130中的多个非磁性图案140。所述多个非磁性图案140可以在上磁性层130中在第一方向D1上彼此间隔开。在一些实施方式中，上磁性层130中的上磁畴D_U和非磁性图案140可以在第一方向D1上交替布置。所述多个非磁性图案140中的每个可以具有在第一方向D1上的宽度140W，并且所述多个非磁性图案140中的每个的宽度140W可以基本上等于上磁性层130中的每个上磁畴壁DW_U在第一方向D1上的宽度。所述多个非磁性图案140中的每个可以在第三方向D3上与下磁性层110的对应部分垂直地重叠，并且例如，可以与下磁性层110中的下磁畴壁DW_L中的对应下磁畴壁DW_L(例如在第三方向D3上)垂直地重叠。

当电流在导电线CL中在第一方向D1或与第一方向D1相反的方向上流动时，下磁性层110中的下磁畴壁DW_L可以在第一方向D1上移动。因此，下磁性层110中的下磁畴D_L的磁化方向110M可以被反转。通过在下磁性层110和上磁性层130之间的反铁磁耦合，上磁性层130中的上磁畴D_U的磁化方向130M可以被反转以反铁磁耦合到下磁畴D_L的磁化方向110M。

图10是示出根据本发明构思的一些实施方式的磁存储器件的截面图。在下文，为了说明的容易和方便，将主要描述本实施方式与图1和图2的上述实施方式之间的差异。

参照图10，下磁性层110中的下磁畴D_L和上磁性层130中的上磁畴D_U可以具有面内磁各向异性(IMA)。下磁性层110中的每个下磁畴D_L可以具有平行于在下磁性层110和间隔物层120之间的界面的磁化方向110M，并且彼此直接相邻的下磁畴D_L的磁化方向110M可以彼此相反。每个下磁畴壁DW_L可以限定在具有彼此相反的磁化方向110M的相邻下磁畴D_L之间的边界。上磁性层130中的每个上磁畴D_U可以具有平行于在上磁性层130和间隔物层120之间的界面的磁化方向130M，并且彼此直接相邻的上磁畴D_U的磁化方向130M可以彼此相反。每个上磁畴壁DW_U可以限定在具有彼此相反的磁化方向130M的相邻上磁畴D_U之间的边界。

读/写单元150的磁性图案154可以具有面内磁各向异性(IMA)。磁性图案154可以具有平行于在磁性图案154和隧道势垒图案152之间的界面的磁化方向154M，并且磁性图案154的磁化方向154M可以被固定在一个方向上。上磁性层130中的上磁畴D_U的磁化方向130M和下磁性层110中的下磁畴D_L的磁化方向110M可以是可改变的以平行于或反平行于磁性图案154的磁化方向154M。

在一些实施方式中，下磁性层110、上磁性层130和磁性图案154中的每个可以包括铁磁材料，并且磁性图案154还可以包括用于钉扎或固定铁磁材料的磁化方向的反铁磁材料。

根据本发明构思，磁轨可以包括合成反铁磁体-铁磁体-合成反铁磁体(SAF-FM-SAF)双边结结构，其中合成反铁磁区和在其间的铁磁区在第一方向上彼此接合。铁磁区可以包括非磁性图案和下磁性层的与非磁性图案垂直地重叠的部分，并且至少一个下磁畴壁可以布置在下磁性层的所述部分中(例如在铁磁区中)。当外部磁场被施加到磁轨时，铁磁区中的所述至少一个下磁畴壁可以被困在铁磁区中。因此，可以最小化外部因素(例如外部磁场)对磁畴壁在磁轨中的位置的影响，并且磁畴壁在磁轨中的位置可以通过施加到导电线的电流而被稳定地控制。结果，可以提供能够更稳定地控制磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨中的位置的磁存储器件。

此外，在每个合成反铁磁区和铁磁区之间的结表面可以相对于垂直于第一方向的参考表面以一角度倾斜，并且该角度可以大于30度。在这种情况下，可以降低施加到导电线以使铁磁区中的所述至少一个下磁畴壁移动到合成反铁磁区中的电流密度。结果，可以提供能够降低用于使磁畴壁在包括合成反铁磁结构的磁轨中移动所需的电流密度的磁存储器件。

尽管已经具体示出和描述了本发明构思的一些示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的变化。

本申请要求于2021年11月25日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0164209号的优先权，上述申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims

1.一种磁存储器件，包括：

在第一方向上延伸的磁轨，

其中所述磁轨包括：

下磁性层，在所述第一方向上延伸；

上磁性层，在所述第一方向上延伸并在所述下磁性层上；

间隔物层，在所述第一方向上延伸并在所述下磁性层和所述上磁性层之间；以及

非磁性图案，穿透所述上磁性层并在所述间隔物层上，所述非磁性图案包括与所述上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与所述上磁性层的第二部分接触的第二结表面，

其中所述下磁性层和所述上磁性层通过所述间隔物层而彼此反铁磁耦合。

2.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案的所述第一结表面和所述第二结表面在所述非磁性图案的在所述第一方向上彼此相反的两侧。

3.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中所述下磁性层、所述间隔物层和所述上磁性层在垂直于所述第一方向的第二方向上依次堆叠，以及

其中所述非磁性图案在所述第二方向上与所述下磁性层的一部分垂直地重叠。

4.根据权利要求3所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案包括金属氧化物。

5.根据权利要求3所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案包括第一磁性元素和氧，以及其中所述上磁性层包括所述第一磁性元素。

6.根据权利要求3所述的磁存储器件，其中所述下磁性层包括在所述第一方向上交替布置的下磁畴和下磁畴壁，

其中所述上磁性层包括在所述第一方向上交替布置的上磁畴和上磁畴壁，以及

其中每个上磁畴在所述第二方向上与相应的下磁畴垂直地重叠。

7.根据权利要求6所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案在所述第二方向上与所述下磁畴壁中的对应下磁畴壁垂直地重叠。

8.根据权利要求3所述的磁存储器件，其中所述磁轨包括：在所述第一方向上彼此相邻的合成反铁磁区；以及在所述合成反铁磁区之间的铁磁区，

其中所述合成反铁磁区是其中所述下磁性层和所述上磁性层通过所述间隔物层而彼此反铁磁耦合的区域，以及

其中所述铁磁区包括所述非磁性图案和所述下磁性层的与所述非磁性图案垂直地重叠的所述部分。

9.根据权利要求8所述的磁存储器件，其中所述磁轨包括合成反铁磁体-铁磁体-合成反铁磁体(SAF-FM-SAF)双边结结构，在其中所述合成反铁磁区和所述铁磁区在所述第一方向上彼此接合。

10.根据权利要求1所述的磁存储器件，还包括：

导电线，在所述磁轨下面并在所述第一方向上延伸，

其中所述下磁性层在所述导电线和所述间隔物层之间。

11.根据权利要求10所述的磁存储器件，其中所述导电线配置为通过在其中流动的电流产生自旋轨道矩。

12.根据权利要求10所述的磁存储器件，其中所述导电线包括重金属元素。

13.根据权利要求10所述的磁存储器件，还包括：

在所述磁轨上的读/写单元，

其中所述读/写单元与所述磁轨的所述上磁性层相邻。

14.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中所述上磁性层的磁矩大于所述下磁性层的磁矩。

15.一种磁存储器件，包括：

导电线，在第一方向上延伸；和

磁轨，在所述导电线上在所述第一方向上延伸，

其中所述磁轨包括：

下磁性层、间隔物层和上磁性层，在垂直于所述第一方向的第二方向上依次堆叠在所述导电线上；和

非磁性图案，穿透所述上磁性层并在所述间隔物层上，

其中所述非磁性图案包括与所述上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与所述上磁性层的第二部分接触的第二结表面，

其中所述非磁性图案在所述第二方向上与所述下磁性层的一部分垂直地重叠，以及

16.根据权利要求15所述的磁存储器件，其中所述下磁性层包括在所述第一方向上交替布置的下磁畴和下磁畴壁，

其中所述非磁性图案在沿所述第一方向彼此相邻的一对上磁畴之间。

17.根据权利要求16所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案与沿所述第一方向彼此相邻的所述一对上磁畴接触。

18.根据权利要求16所述的磁存储器件，其中所述非磁性图案在所述第二方向上与所述下磁畴壁中的对应下磁畴壁垂直地重叠。

19.根据权利要求15所述的磁存储器件，其中所述上磁性层的磁矩大于所述下磁性层的磁矩。

20.一种磁存储器件，包括：

导电线，在第一方向上延伸；

下磁性层、间隔物层和上磁性层，在垂直于所述第一方向的第二方向上依次堆叠在所述导电线上，所述下磁性层和所述上磁性层通过所述间隔物层而彼此反铁磁耦合；以及

非磁性图案，在所述上磁性层内并且在所述间隔物层上，所述非磁性图案包括与所述上磁性层的第一部分接触的第一结表面以及与所述上磁性层的第二部分接触的第二结表面，

其中所述非磁性图案与所述下磁性层中的下磁畴壁垂直地重叠。