KR102176797B1 - 스핀 전달 토크 메모리에 사용되는 삽입층들을 갖는 자성층들을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

자기 장치에 사용가능한 자기 접합용 방법 및 시스템이 서술된다. 자기 접합은 고정층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 상기 비자성 스페이서층은 피고정층 및 자유층 사이에 개재된다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통과할 때, 자유층이 복수의 안정한 자기 상태 사이를 스위칭 가능하도록 구성된다. 피고정층 및 자유층 중에서 적어도 하나는 자기 부구조물을 포함한다. 자기 부구조물은 적어도 하나의 십입층이 끼워진 적어도 두 개의 자성층들을 포함한다. 적어도 하나의 삽입층의 각각은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함한다. 적어도 두 개의 자성층들은 자기적으로 결합된다.

Description

스핀 전달 토크 메모리에 사용되는 삽입층들을 갖는 자성층들을 제공하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING MAGNETIC LAYERS HAVING NSERTION LAYERS FOR USE IN SPIN TRANSFER TORQUE MEMORIES}
본 발명은 자기 접합 및 자기메모리에 관한 것으로, 특히 스핀 전달 토크 메모리에 사용되는 삽입층들을 갖는 자성층들을 제공하는 자기 접합 및 이를 이용하는 자기 메모리에 관한 것이다.
자기 메모리, 특히 자기 랜덤 억세스 메모리들(Magnetic Random Access Memories: MRAMs)은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모 등의 잠재력 때문에 점점 더 주목받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 STT-MRAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부가 기록된 자기 접합을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 따라서, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 스위칭 될 수 있다.
일 예로, 도 1은 일반적인 STT-MRAM에 사용될 수 있는 일반적인 이중 자기 터널 접합(magnetic tunneling junction: MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 하부 콘택(11) 상에 제공되며, 일반적인 시드(seed)층(들)(12)을 사용한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적인 반강자성층(antiferromagnetic layer: AFM, 14), 일반적인 피고정층(pinned layer, 16), 일반적인 터널링 배리어층(18), 일반적인 자유층(20), 및 일반적인 캐핑층(22)을 포함한다. 또한, 상부 콘택(24)이 도시된다.
일반적인 콘택들(11, 24)은 면 수직 전류(current-perpendicular-to-plane: CPP) 방향, 또는 도 1에 도시된 z축으로 전류를 구동하도록 사용된다. 일반적인 시드층(들)(12)은 일반적으로, AFM층(14)과 같은, 원하는 결정 구조를 갖는 그 다음 층들의 성장을 돕는데 활용된다. 일반적인 터널링 배리어층(18)은 비자성이며, 일 예로 MgO와 같은 얇은 절연체일 수 있다.
일반적인 피고정층(16) 및 일반적인 자유층(20)은 자성이다. 일반적인 피고정층(16)의 자화(17)는 일반적으로 AFM층(14)과의 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의하여 특정 방향으로 고정(fixed)되거나, 피닝된다(pinned). 단일층으로 도시되었으나, 일반적인 피고정층(16)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정층(16)은 루테늄(Ru) 같은 얇은 도전층을 통하여 반강자성적으로 결합된(coupled) 자성층들을 포함하는 합성 반강자성층(Sythetic AntiFerromagnetic layer: SAF층)일 수 있다. 루테늄(Ru) 박막이 삽입된 복수의 자성층들이 이와 같은 SAF층에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, Ru 막들을 가로지르는 결합은 강자성일 수 있다. 일반적인 MTJ(10)의 다른 버전(version)은 추가적인 비자성 배리어 또는 도전층(미도시)에 의해 자유층(20)으로부터 이격된 추가적인 피고정층(미도시)을 포함할 수 있다.
일반적인 자유층(20)은 변경 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일의 층으로 도시되었으나, 일반적인 자유층(20)은 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 자유층(20)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전성 층들을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성층일 수 있다. 면 내(in-plane)로 도시되었으나, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 수직 이방성(perpendicular anisotropic)을 가질 수 있다. 따라서, 피고정층(16) 및 자유층(20)은 각각 상기 층들의 면에 수직하게 방향된 자화들(17 및 21)을 가질 수 있다.
일반적인 자유층(20)의 자화(21)를 스위치(switch) 하도록, 면에 수직인 방향으로(Z 방향으로) 전류가 구동된다. 충분한 전류가 상부 콘택(24)으로부터 하부 콘택(11)으로 흐를 때, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 일반적인 고정층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치될 수 있다. 충분한 전류가 하부 콘택(11)으로부터 상부 콘택(24)으로 흐를 때, 자유층의 자화(21)는 고정층(16)의 자화(17)에 반평행하게 스위치 될 수 있다. 자기적 배치들(magnetic configurations)의 차이점들은 다른 자기저항들(magnetoresistances)과 이에 따른 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 상응한다.
STT-MRAM 어플리케이션들에 사용될 때, 일반적인 MTJ(10)의 자유층(20)은 상대적으로 낮은 전류에서 스위치 되는 것이 요구된다. 임계 스위칭 전류(critical switching current, lco)는 균형 방향 주위에서의 자유층 자화(21)의 극미한 세차(precession)가 불안정해지는 최소 전류이다. 일 예로, lco는 대략 수 mA 또는 그 이하일 것이 요구될 수 있다. 이에 더해, 높은 데이터 속도에서 일반적인 자기 장치(10)를 프로그래밍 하는데 사용하기 위하여 짧은 전류 펄스가 요구될 수 있다. 예를 들어, 대략 20-30 ns 이하의 전류 펄스들이 요구된다.
일반적인 MTJ(10)는 스핀 전달(spin transfer)을 사용하여 기록될 수 있고 STT-MRAM에 사용될 수 있으나, 이에는 문제점들이 있다. 일 예로, 쓰기 오류율(write error rates: WER)은 허용 가능한 lco 및 펄스폭(pulse width)을 갖는 메모리들에서 요구되는 것보다 높을 수 있다. 쓰기 오류율(WER)은 전형적인 스위칭 전류와 적어도 동일한 전류가 적용되는 때, 셀(즉, 일반적인 자기 접합의 자유층(20)의 자화(21))이 스위치 되지 않을 가능성이다. WER은 10-9 이하일 것이 요구된다. 그러나, 일반적인 자유층(20)은 전형적으로 이 값을 상당히 초과하는 WER을 가진다. 이에 더해, 더 짧은 쓰기 전류 펄스(write current pulse)에서, WER을 향상시키는 것은 도전적일 수 있음이 판명되어 왔다. 일 예로, 도 2는 다른 폭들의 펄스들에 대한 WER들의 경향을 도시하는 그래프(50)이다. 실제 데이터는 그래프(50)에 기입되지 않음을 주의한다. 그 대신에, 그래프(50)는 경향들을 나타내고 있다. 가장 긴 것부터 가장 짧은 것까지의 펄스 폭은 곡선들(52,54,56,58)을 그린다. 그래프(50)에서 보여진 바와 같이, 더 큰 펄스 폭들에 대해서, 쓰기 전류 대 WER은 더 큰 기울기를 가진다. 따라서, 같은 펄스 폭에서 더 큰 쓰기 전류의 인가는 WER의 상당한 감소를 가져올 수 있다. 그러나, 곡선 54, 56 및 58에서 펄스 폭들이 짧아짐에 따라, 곡선 54, 56 및 58의 기울기는 감소한다. 펄스 폭의 감소에 대하여, 전류의 증가가 WER의 감소를 가져올 가능성은 더 적다. 그 결과로서, 일반적인 MTJ(10)를 이용하는 메모리들은 쓰기 전류의 증가에 의해 치유되지 않을 수 있는, 용인될 수 없는 큰 WER을 가질 수 있다.
다양한 종래의 해결책들이 WER들과 같은 특성을 향상시키도록 제안되어 왔다. 예를 들어, 자기장 보조된 스위칭(magnetic field assisted switching) 및/또는 복잡한 구조를 갖는 자기 접합이 사용될 수 있다. 그러나, 다른 특성들을 유지시키면서 WER을 감소시키는 그러한 종래의 계획들의 능력은 제한된다. 예를 들어, 그러한 종래의 방법들에 의해 확장성(scalability), 에너지 소비, 및/또는 열적 안정성은 부정적으로 영향 받을 수 있다.
WER에 더하여, 다른 문제들이 일반적인 MTJ(10)에 존재할 수 있다. 수직 방향의 자화들(17 및 21)을 갖는 일반적인 MTJ들(10)에서, 자기저항(magnetoresistance)은 평면 내(in-plane)의 자화를 갖는 일반적인 MTJ들(10)보다 낮을 수 있다. 그 결과, 종래의 MTJ에서의 신호는 요구되는 것보다 낮을 수 있다. 그러한 수직한 일반적인 MTJ들(10)은 또한 높은 감쇄(damping)를 나타낸다. 이와 같이, 스위칭 성능이 부정적으로 영향 받는다. 따라서, 일반적인 MTJ(10)을 사용하는 메모리의 성능이 향상되는 것이 여전히 요구된다.
그러한 이유로, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 여기에서 설명된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
자기 장치에 사용가능한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 서술된다. 자기 접합은 고정층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 상기 비자성 스페이서층은 피고정층 및 자유층 사이에 개재된다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통과할 때, 자유층이 복수의 안정한 자기 상태 사이를 스위칭 가능하도록 구성된다. 피고정층 및 자유층 중에서 적어도 하나는 자기 부구조물을 포함한다. 자기 부구조물은 적어도 하나의 십입층이 끼워진 적어도 두 개의 자성층들을 포함한다. 적어도 하나의 삽입층 각각은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함한다. 적어도 두 개의 자성층들은 자기적으로 결합된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능이 개선될 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 쓰기 전류 대 쓰기 오류율의 경향을 도시한 그래프이다.
도 3a는 자기 부구조물의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3b는 자기 부구조물의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3c는 도 3b에 도시된 자기 부구조물 내의 물질 농도들의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 자기 부구조물의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 자기 부구조물의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 자기 부구조물의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 자기 부구조물을 제공하는 방법의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12는 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합을 제조하는 방법의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13은 자기 셀(들)의 자기 요소(들) 내에서 자기 접합을 사용하는 메모리의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 이하, 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며 특허 출원과 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들에 대한 다양한 변형 및 그에 일반적인 원리 및 형태들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정한 실시예에 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들로 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실시에서도 유효하게 작동할 수 있다. ''예시적인 실시예'', ''일 실시예'', 및 ''다른 실시예''와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐 아니라 동일하거나 다른 실시예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 시스템들 및/또는 일정 구성들을 갖는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖거나 예시적인 실시예들과 순서가 다른 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정할 의도가 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다. 자기 접합은 피고정층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 피고정층 및 자유층 사이에 개재된다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통과할 때, 자유층이 다수의 안정한 자기 상태 사이를 스위칭 가능하도록 구성된다. 피고정층 및 자유층 중에서 적어도 하나는 자기 부구조물을 포함한다. 자기 부구조물은 적어도 하나의 삽입층이 끼워진 적어도 두 개의 자성층들을 포함한다. 삽입층 각각은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함한다, 자성층들은 교환 결합된다.
예시적인 실시예들은 특정한 자기 접합들, 및 특정한 구성 요소들을 갖는 자기 메모리들의 맥락 내에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 발명이 다른 및/또는 추가적인 구성들 및/또는 본 발명과 모순되지 않는 다른 특징들을 가지는 자기 접합들과 자기 메모리들의 사용에 일관됨을 쉽게 알 것이다. 상기 방법 및 시스템은 또한 스핀 전달 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상의 현재 이해의 맥락 내에서 설명된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법 및 시스템의 가동에 대한 이론적 설명들이 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상의 이러한 현재의 이해를 바탕으로 이루어 짐을 쉽게 알 것이다. 그러나, 여기에서 설명된 방법과 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 상기 방법과 시스템은 기판에 특정한 관계를 가지는 구조의 맥락 내에서 설명됨을 쉽게 알 것이다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템이 다른 구조들에서도 일관됨을 쉽게 알 것이다. 또한, 상기 방법과 시스템은 합성 및/또는 단일의 특정 층들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 알 것이다. 나아가, 상기 방법과 시스템은 자기 접합들, 및/또는 특정한 층들을 가지는 다른 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 갖는 자기 접합들 및/또는 다른 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 알 것이다. 게다가, 특정 구성들은 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 여기에서 사용된 것과 같이, 자성이란 용어는 강자성, 페리자성, 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 이렇게, 여기에서 사용되는 바와 같이, 상기 ''자성'' 또는 ''강자성''이라는 용어는 강자성체들 및 페리자성체들을 포함하나, 그에 한정되지 않는다. 상기 방법과 시스템은 또한 단일 자기 접합들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템이 복수의 자기 접합들을 갖는 자기 메모리들의 사용에 일관됨을 쉽게 알 것이다. 나아가, 여기서 사용된 대로, ''면 내(in-plane)''는 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, ''수직인(perpendicular)''은 자기 접합의 하나 이상의 층들에 실질적으로 수직인 방향에 해당한다.
도 3a는 자기 장치, 예를 들어, 자기 터널 접합(MTJ), 스핀 밸브(spin valve), 탄도자기저항구조(ballistic magnetoresistance structure), 또는 이들의 조합에서 사용가능한 자기 부구조물(magnetic substructure)(100)의 일 실시예를 도시한다. 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 그에 따른 자기 부구조물은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 명확함을 위하여, 도 3은 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 부구조물(100)은 제1 강자성층(ferromagnetic layer)(110), 삽입층(insertion layer)(120), 및 제2 강자성층(120)을 포함할 수 있다. 층들(110, 120, 및 130)이 특정한 방향에서 도시되었으나, 다른 실시예들에서 이 방향은 다양할 수 있다. 예를 들어, 제1 강자성층(110)은 자기 부구조물(100)의 상부(도시되지 않았으나, 기판으로부터 가장 먼)에 있을 수 있다.
강자성층들(110 및 130)은 Ni, Fe, 및 Co 중에서 적어도 하나, 특히 합금 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 강자성층들(110 및 130)은 CoFe를 포함할 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 강자성층들(110 및 130)은 CoFeB로 구성될 수 있다. 강자성층들(110 및 130)의 하나 또는 둘 다 상온에서 안정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 강자성층들(110 및 130)의 자기 이방성 에너지(magnetic anisotropy energy)는 kbT의 최소 60배일 수 있다. 일부 실시예에서, 강자성층들(110 및 130)에 대한 자기 이방성 에너지는 상온(대략 섭씨 30도)에서 kbT의 최소 8배일 수 있다. 게다가, 층들(110 및 130)은 자기적으로 결합될(magnetically coupled) 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 층들(110 및 130)은 교환 결합될(exchange coupled) 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 교환 결합은 층들(110 및 130)의 자화(도 3에서 미도시)의 방향을 실질적으로 평행하도록 촉진할 수 있다. 다른 실시예에서, 교환 결합은 층들(110 및 130)의 자화의 방향을 실질적으로 반평행하거나 다른 상대적인 방향으로 촉진할 수 있다. 이들 실시예들의 일부에서, 층들(110 및/또는 130)은 높은 수직 이방성을 가질 수 있다. 달리 말하면, 층들(110 및/또는 130)의 수직 이방성은 면 내에 약하게 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 그러한 실시예들에서, 층들(110 및/또는 130)의 수직 이방성 에너지는 면을 벗어난 자기소거에너지(out-of-plane demagnetization energy)에 근접하거나 작을 수 있다. (가장자리들에서의 감소된 자기소거장(demagnetization field)으로 인해, 큰 셀들에서 대략 2πMs2이고, 작은 셀들에서 2πMs2보다 작음). 예를 들어, 수직 이방성 에너지는 면을 벗어난 자기소거에너지의 최소 40퍼센트일 수 있다. 일부 그러한 실시예들에서, 자기 이방성 에너지는 자기소거 에너지의 90 퍼센트보다 크지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 층들(110 및 130)의 자화들은 둘 다 수직일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 층들(110 및 130)의 자화의 하나 또는 둘 다는 면 내의 및 면에 수직인 요소들을 가질 수 있다.
삽입층(120)은 강자성층들(110 및 130) 사이에 존재하는 비자성층이다. 이 층은 그 자체로 비자성층임에도 불구하고, 이것은 인접한 자기 물질들에 의해 유도된 작은 자기 모멘트를 가질 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, ''비자성''은 유도된 자기 모멘트의 가능성을 포함한다. 삽입층(120)은 도전체일 수 있다. 예를 들면, 삽입층(120)은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중 적어도 어느 하나와 같은 물질들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 삽입층(120)은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중 어는 하나로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 삽입층(120)은 알루미늄 산화물 및/또는 MgO와 같은 절연체일 수 있다. 삽입층(120)은 층들(110 및 130) 사이의 자기 결합(magnetic coupling)을 조정하는데 사용될 수 있다. 삽입층(120)은 또한 자기 터널링 접합의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR)을 향상시키고, 자기 구조(100)를 적용하는데 사용될 수 있다. 자기 구조(100)의 강자성층들 사이의 결합 및 자기 부구조물(100)이 적용된 자기 터널링 접합의 TMR은 강자성층들(110 및 130)의 두께들 및 조성들 뿐만 아니라 삽입층(120)의 두께 및 조성을 변경하여 조정될 수 있다.
자기 부구조물(100)의 성질들은 삽입층(120) 및 강자성층들(110 및 130)의 조합을 사용하여 조정할 수 있다. 결과적으로, 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 장치의 성능은 또한 원하는 대로 구성될 수 있다. 예를 들면, 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 장치의 TMR은 자유층의 향상된 결정화 및 터널링 접합(특히, 두 배리어들을 갖는 터널링 접합)의 격자 일치 때문에 향상될 수 있다. WER 및 전송 속도(data rate)와 같은, 스위칭 특성들은 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 장치에서 향상될 수 있다.
일부 실시예에서, 자기 부구조물(100)은 또한 수직 자기 이방성 및/또는 자기 부구조물(100)이 사용된 자기 장치의 다른 특성들을 향상시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 비자성 삽입층(120)은 자성층(들)(110 및/또는 130)에 사용되는 특정 자기 물질들, 또는 도펀트들을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 자기 부구조물(100)의 비자성 삽입층(120)은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 비자성 삽입층(120)은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr중 어느 하나로 구성될 수 있다. 하나 이상의 자성층들(110 및 130)이 B를 포함한다면, 비자성 삽입층(120)의 사용은 특히 효과적일 수 있다. 예를 들면, 자성층들(110 및/또는 130)은 CoFeB, CoFeBTa 및/또는 FeB를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, B 및/또는 Ta의 농도는 30 원자 퍼센트를 넘지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 자성층(110 및/또는 130)은 Co, Fe, 및 Ni, 그리고 Ta, B, Zr, Cr, V, Al, Be, Ti, Zn, Hf, Pd, Pt, Bi, 및 Ga 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 예를 들면, 자성층(110 및/또는 130)은 Cox1FeX2Nix3Mnx4M1y1M2y2의 형태를 취할 수 있고, 여기에서 x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 각각 적어도 0 이거나 1을 넘지 않고, x1+x2+x3+x4+y1+y2=1이며, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, Al, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi, 및 Ga로부터 선택된 있다. 그러한 실시예들에서, 비자성 삽입층(120)은 자성층들(110 및 130)이 자기적으로 결합되도록 허용하는 것이 요구된다. 여기서 사용된 대로 ''자기'' 결합은 강자성, 반강자성 및/또는 다른 타입들의 자기 결합을 포함할 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 자성층들(110 및 130)은 교환 결합된다. 그러한 실시예들에서, 비자성 삽입층(120)은 5 암스트롱 두께를 넘지 않을 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 다른 두께들이 사용될 수 있다. 게다가, 더 얇은 두께에서, 여기에 도시된 다른 삽입층들 뿐만 아니라 삽입층(120)은 불연속적일 수 있다.
이러한 자기 부구조물(100)에서, 자성층들(110 및/또는 130)은 수직 자기 이방성 및/또는 자기 부구조물(100)이 사용된 자기 접합의 터널링 자기저항을 향상시키기 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 자기 부구조물(100)이 터널링 자기저항 접합의 자유층 또는 피고정층에 사용된다면, 터널링 자기저항 접합은 자기 부구조물(100)을 사이에 둔 결정질 MgO의 층들을 포함할 수 있다. 결정질 MgO는 터널링 배리어층의 부분이고, 및/또는 시드(seed)일 수 있고, 및/또는 자기 부구조물(100)의 강자성층들(110 및/또는 130)의 수직 자기 이방성을 강화하기 위해 사용된 캐핑층들일 수 있다. 강자성층들(110 및/또는 130) 내의 CoFeB와 같은 물질들은 자기 접합의 성능을 최적화하는데 사용된 분극 강화층들일 수 있다. 그러나, 강자성층들(110 및/또는 130) 내의 B 또는 이와 같은 물질들은 MgO를 향해 확산할 수 있다. 그러한 물질들의 확산은 강자성층들(110 및/또는 130) 내에 유도된 수직 자기 이방성에 부정적인 영향을 준다. 이 효과를 대처하기 위해, 비자성 삽입층(120)은 B 및/또는 이와 같은 물질들을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 삽입층은 B를 끌어당기는 것 이외에 추가적인 이방성을 제공할 수 있다. 따라서, 비자성 삽입층(120)은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr을 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 비자성 삽입층(120)은 B 및 이와 같은 물질들을 끌어당기는 경향이 있다. 따라서, B 및 이와 같은 것들은 MgO-자성층(110, 130)의 계면을 향해 덜 확산된다. 대신에, B 및 이와 같은 물질들은 자기 부구조물의 중심을 향해 확산하려는 경향이 있을 수 있다. 이와 같이, 자기 부구조물(100)의 수직 자기 이방성은 보존될 수 있다. 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 접합의 자유층, 기준층, 또는 다른 요구되는 층의 수직 자기 이방성은 또한 강화될 수 있다. 따라서, 자기 부구조물(100)이 사용되는 자기 접합의 성능은 향상될 수 있다.
도 3b는 자기 부구조물(100A)의 또 다른 실시예를 도시한다. 자기 부구조물(100A)은 특별히 기재되지 않더라도 본 명세서에 기재된 자기 부구조물들의 일부 또는 전부에 사용될 수 있다. 자기 부구조물(100) 및 남아있는 자기 부구조물들은 강자성층들 및 비자성 삽입층들을 포함하는 것으로 여기에 기재된다. 그러나, 그러한 층들은 분리된 층들을 필요로 하지 않는다. 대신에, 도 3b에 도시된 것과 같이, ''층들''은 ''층들''(110A/130A)에서 사용된 강자성 물질들 및 층(120A)에서 사용된 비자성 물질들의 농도의 변화와 동일할 수 있다. 이것은 도 3b에 층들(110A 및 120A) 사이의 ''계면'' 및 층들(120A 및 130A) 사이의 ''계면''에 점선으로 도시된다.
예를 들면, 도 3c는 자기 접합(100A)에서 사용된 강자성 및 비자성 물질들의 농도 변화를 도시하는 그래프이다. 도 3b 및 3c를 참조하면, 곡선(120B)은 z-축으로부터 거리에 따른 비자성 삽입층(120A)에 사용되는 비자성 물질(들)의 농도 변화를 가리킨다. 유사하게, 곡선(110B)은 강자성 층들(110A 및 130A)에 사용된 자기 물질(들)의 농도 변화를 가리킨다. 곡선들(110B 및 120B)은 설명의 목적일 뿐이고 특정 실시예를 위한 데이터 또는 시뮬레이션 결과들을 도시하기 위한 것이 아니다. 곡선(120B)은 비자성 삽입층(120A) 내의 농도에서 전역 피크(global peak)를 가진다. 곡선(110B)는 층들(110A 및 130A) 내의 농도에서 피크(peak)를 가진다. 보여지는 실시예에서, 곡선들(110B 및 120B)은 층들(110A과 120A)의 계면 및 층들(120A과 130A)의 계면 근처에서 교차한다. 그러나, 이러한 변화(transition)가 이 위치에 위치할필요는 없다. 일부 실시예에서 곡선(120B)의 농도 피크는 층(120A) 내의 농도의 적어도 50%이다. 그러한 일부 실시예에서, 곡선(120B)의 농도 피크는 자기 부구조물(100)의 농도의 100% 또는 그 근처일 수 있다. 다시 말하면, 자기 부구조물(100)은 비자성 삽입층(120A) 내의 일부 위치의비자성 물질(들)만으로 구성될 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서, 곡선(120B)의 농도 최소값은 강자성층(들)(110A 및/또는 130A) 내에서 0% 또는 그 근처일 수 있다. 따라서, 자기 부구조물(100)은 강자성 층들(110A 및/또는 130A) 내의 일부 위치의 자성 물질(들)만으로 구성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 비자성 삽입층의 농도 변화는 줄어들 수 잇다.
자기 부구조물(100A)의 그러한 실시예들에서, 자성층들(110A 및 130A)은 비자성 삽입층(120A)을 통해 자기적으로 결합될 수 있다. 게다가, 농도의 변화를 통해 형성된 층들(110A, 120A, 및 130A) 때문에, 강자성 결합은 강화될 수 잇다. Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr과 같은, 층들(120A)에 사용되는, 물질들은 확산하려는 층들(110A 및 130A) 내의 물질들을 끌어당긴다. 예를 들면, 삽입층(120A)은 자기 부구조물(100A)의 상부 및 하부 계면들로부터 B를 끌어당길 수 있다. 따라서, 자기 부구조물(100A)을 사용하는 자기 접합의 성능은 향상될 수 있다.
도 4는 예를 들면 MTJ, 스핀 밸브(spin valve), 또는 자기저항 구조, 또는 탄도 자기저항 구조, 또는 이들의 조합과 같은 자기 장치에 사용되는 자기 부구조물(100')의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 부구조물(100')을 사용하는 자기 장치는 다양한 응용들(application)에 사용될 수 있다. 예를 들면, 자기 장치, 따라서 자기 부구조물은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 도 4는 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 부구조물(100')는 자기 부구조물(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 성분들은 유사하게 표시된다. 자기 부구조물(100')은 따라서 제1 강자성층(110), 삽입층(120), 및 제2 강자성층(130)과 유사한 제1 강자성층(110'), 삽입층(120'), 및 제2 강자성층(130')을 포함한다. 비록 층들(110', 120', 및 130')이 특정 방향으로 보여지지만, 이 방향은 다른 실시예들에서 변할 수 있다. 예를 들면, 강자성층(110')은 자기 부구조물(100')의 최상층(도시되지 않은 기판으로부터 가장 먼)일 수 있다.
자기 부구조물(100')은 강자성층(110')이 약한 면내 이방성을 갖도록 구성된다. 따라서, 층(110')의 수직 이방성 에너지는 면 외 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)에 가까워지지만 더 적을 수 있다. 예를 들면, 수직 이방성 에너지는 층(100')의 면 외 자기소거 에너지의 적어도 40%일 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 수직 이방성 에너지는 자기소거 에너지의 90%보다 높을 수 있다. 따라서, 층(130')과의 상호작용 없이, 강자성층(110)의 자화는 면 내이다. 반대로, 층(130')은 높은 수직 이방성을 가진다. 따라서, 수직 이방성 에너지는 면 외 자기소거 에너지보다 더 크다. 일부 실시예에서, 수직 이방성 에너지는 면 외 자기소거 에너지보다 상당히 크다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 수직 이방성 에너지는 면 외 자기소거 에너지보다 2 내지 4 킬로에르스텟(kilooersted) 크다.
강자성층(110' 및 130')은 하나 또는 그 이상의 된 Ni, Fe, 및 Co를, 특히 합금 형태로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 강자성층들(110' 및 130')은 CoFe(CoFeB와 같은 어떤 형태로)를 포함한다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 강자성층들(110' 및/또는 130')은 단일층의 CoFeB, CoPd, CoPt, FePt, 및/또는 Co/Pd, Co/Pt, Fe/Pt, Co/Ru와 같은 다중층들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 강자성층들(110' 및 130')은 상온에서 안정하도록 구성된다. 위에서 말한 것과 같은 다른 물질들이 층들(110', 120' 및/또는 130')에 사용될 수 있다. 예를 들면, 강자성층들(110' 및/또는 130')의 하나 또는 둘 다의 자기 이방성 에너지는 적어도 kbT의 60배이다. 일부 실시예에서, 강자성층들(110' 및/또는 130')의 하나 또는 둘 다 자기 이방성 에너지는 상온(약 30℃)에서 적어도 kbT의 80배이다.
강자성층(110' 및 130')은 자기적으로 결합된다. 그러한 일부 실시예에서, 층들(110' 및 130')은 교환 결합된다. 자화의 최종 결과는 또한 도4에 보여진다. 강자성층(110')의 자화(112), 강자성층(130')의 자화(132) 및 구조(100')의 순 자화(net magnetization)(102)가 보여진다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 자화(112)는 면내에 있지 않다. 이것은 층들(110' 및 130') 사이의 자기 결합 때문이다. 높은 수직 이방성 에너지층(130')은 약한 면 내 이방성 층(110')에 자기적으로 결합되어, 층(110')의 자화(112)가 면 외로 향하도록 야기시킨다. 따라서, 자화(112)는 면 내 및 면에 수직(perpendicular-to-plane)인 구성들을 가진다. 결과적으로, 자기 구조(100')의 순 자화는 면 내 및 면에 수직인 구성들을 가진다. 층들(110' 및 130') 사이의 교환 상호작용 때문에, 자기 부구조물(100')의 자화(102)는 z-축(자기 부구조물(100')의 면에 수직)으로부터 θ 각도에 있다. 자기 부구조물(100')의 자화(102)는 z축으로부터 경사진 각도에서 안정하다. 결과적으로, 향상된 스위칭 특성들, 열적 안정성, 및 확장성이 성취될 수 있다.
이러한 초기에 0이 아닌 각도는 자기 부구조물(100')의 자화를 스핀 전달 토크를 이용하여 더 용이하게 스위치될 수 있도록 한다. 예를 들면, 자기 부구조물(100')은 MTJ 내에서 사용될 수 있다. 이러한 특성은, 그러한 자기 요소에서 더 낮은 쓰기 오류율에 대응한다. 더 낮은 WER은 심지어, 좁은 펄스폭들(높은 데이터율들)에서 성취될 수 있다. 특히, 쓰기 전류에 대한 쓰기 오류율의 기울기는 심지어 10ns 이하의 펄스 폭들에서도 충분하게 클 것이다. 몇몇 실시예들에서, 10- 9이하의 수용 가능한 쓰기 오류율이 10~30nm이하의 펄스폭들에서 성취될 수 있다. 그래서, 외부장과 같은 메커니즘을 사용하는 보조 스위칭을 대신하여, 높은 오류율의 물리적 원인이 해결된다. 결과적으로, MTJ와 같은 자기 요소에서 사용될 때, 자기 부구조물(100')은 심지어 좁은 펄스 폭들에서 개선된 쓰기 오류율을 가질 수 있다.
도 5는 예를 들면, MTJ, 스핀 밸브 또는 탄도 자기 저항 구조물 또는 이들의 조합과 같은 자기 장치에서 사용가능한 자기 부구조물(100'')의 일 실시예를 도시한다. 자기 부구조물(100'')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 자기 장치 및 자기 부구조물은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 명확하게, 도 5는 스케일에 맞지 않는다. 자기 부구조물(100'')은 자기 부구조물(100, 100')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사하게 도면 부호를 사용한다. 그래서, 자기 부구조물(100'')은, 제1 강자성층(110/110'), 삽입층(120/120') 및 제2 강자성층(130/130')과 각각 유사한 제1 강자성층(110''), 삽입층(120'') 및 제2 강자성층(130'')을 포함한다. 층들(100'', 120'', 130'')이 특정 방향으로 도시되더라도, 다른 실시예들에서 방향은 변화할 수 있다. 예를 들면, 강자성층(110'')은 자기 부구조물(100'')의 상부(도시되지는 않지만 기판으로부터 가장 먼)에 있을 수 있다.
또한, 자성부구조물(100'')은 추가 삽입층(140) 및 다른 강자성층(150)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 층들(110'', 150)은 약한 면-내 이방성(in-plane anisotropy)을 갖는다. 그래서, 더 추가적인 것 없이, 강자성층(110'', 150)의 자화는 면 내에 있다. 층(130'')은 강한 수직 이방성이다. 몇몇 실시예들에서, 층(130'')은 층들(100'', 150)보다 두껍다. 예를 들면, 층(130'')은 층들(100'', 150)의 두께의 합과 동일한 두께를 가질 수 있다. 층들(110'', 130'', 150)은 자기 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 층들(110'', 130'', 150)은 교환 결합될 수 있다. 더욱이, 층(130'')은 상온에서 자기적으로 안정하다. 몇몇 실시예들에서, 강자성층(130'')의 자기 이방성 에너지는 상온에서 적어도 6배의 kbT이다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 강자성체층(130'')의 자기 이방성 에너지들은 실온에서 적어도 8배의 kbT이다.
또한, 도 5는 층들(110'', 130'', 150) 각각의 자화들(112', 132', 152)을 도시한다. 더욱이, 자기 부구조물(100'')의 순 자화(102')를 보여준다. 자화들(112', 152)은 같은 것으로 도시된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 자화들(112', 152)은 달라질 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자화들(112', 152)은 면 내에 있지 않다. 이것은 층들(110''/150 및 130'') 사이의 자기 결합 때문이다. 결과적으로, 자기 부구조물(100'')의 순 자화(102')는 면 내 요소와 면 수직요소를 갖는다. 층들(110''/150 및 130) 사이의 교환 상호작용 때문에, 자기 부구조물(100'')의 자화(102')는 z-축(자성부구조물(100'')의 면에 수직)으로부터 각도 θ'에 있다. 총 결과는 자기 부구조물(100'')의 자화(102')은 z-축으로부터 일정각도에서 안정할 수 있다. 결과적으로, 개선된 스위칭 특성들, 열적 안정성 및 확장성이 성취될 수 있다.
자기 부구조물(100'')은 자기 부구조물(100')의 효과들을 공유한다. 특히, MTJ와 같은 자기요소에서 사용될 때, MTJ는 더 낮은 WER을 가질 수 있다. 결과적으로 MTJ와 같은 자기 요소에서 사용될 때, 자기 부구조물(100'')은 심지어는 좁은 펄스폭들에서 개선된 쓰기 오류율을 가질 수 있다. 동시에, 자기 부구조물(100'')은 자기적으로 안정할 수 있다.
도 6은 예를 들면, MTJ, 스핀밸브 또는 탄도 자기저항 구조물 또는 이들의 조합과 같은 자기 장치에서 사용가능한 자기 부구조물(100''')의 일 실시예를 도시한다. 자기 부구조물(100''')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 자기 장치 및 자기 부구조물은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 명확하게, 도 6은 스케일에 맞지 않는다. 자기 부구조물(100''')은 자기 부구조물(100, 100', 100'')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성요소들은 유사하게 도면부호를 사용한다. 그래서, 자기 부구조물(100''')은, 제1 강자성층(110/110'/110''), 삽입층(120/120'/120''), 제2 강자성층(130/130'/130''), 추가 삽입층(140) 및 추가 강자성층(150)과 각각 유사한 제1 강자성층(110'''), 삽입층(120'''), 제2 강자성층(130'''), 추가 삽입층(140') 및 추가 강자성층(150')을 포함한다. 층들(100''', 120''', 130''', 140', 150')이 특정 방향으로 도시되더라도, 다른 실시예들에서 방향은 변화할 수 있다. 예를 들면, 강자성층(130''')은 자기 부구조물(100''')의 상부(도시되지는 않지만 기판으로부터 가장 먼)에 있을 수 있다.
자기 부구조물(100''')에서, 약하게 면-내 이방성을 갖는 층(110''')은 수직 이방성을 갖는 층들(130''', 150''') 사이에 있다. 더 추가적인 것 없이, 강자성층(110''')의 자화는 면 내에 있다. 몇몇 실시예들에서, 층(110''')은 층들(130''', 150')보다 두껍다. 예를 들면, 층(110''')은 층들(130''', 150') 두께의 함과 동일한 두께를 가질 수 있다. 층들(110''', 130''', 150')은 자기 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 층들(110''', 130''', 150')은 교환 자기 결합된다. 더욱이, 층들(130''', 150')은 상온에서 자기적으로 안정하다. 몇몇 실시예들에서, 강자성층(130'''및/또는 150')의 자기 이방성 에너지들은 상온에서 적어도 6배의 kbT이다. 다른 실시예들에서, 강자성층(110''', 130''' 및/또는 150')의 자기 이방성 에너지들은 실온에서 적어도 8배의 kbT이다.
또한, 도 6은 층들(110''', 130''', 150') 각각의 자화들(112'', 132'', 152')을 도시한다. 더욱이, 자기 부구조물(100''')의 순 자화(102'')를 보여준다. 자화들(132'', 152')는 동일하게 보여진다. 그러나, 다른 실시예들에서, 자화들(132'', 152')는 다를 수 있다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 자화(112'')는 면 내에 있지 않다. 이것은 층들(110''' 및 130'''/150') 사이의 자기결합 때문이다. 결과적으로 자기 부구조물의 순 자화(102'')는 면 내 요소와 면 수직 요소를 갖는다. 층들(110''' 및 130'''/150') 사이의 교환 상호작용 때문에, 자기 부구조물(100''')의 자화(102'')는 z-축(자기 부구조물(100''')의 면에 수직)으로부터 각도 θ'에 있다. 총 결과는 자기 부구조물(100''')의 자화(102'')은 z-축으로부터 일정 각도에서 안정할 수 있다. 결과적으로, 개선된 스위칭 특성들, 열적 안정성 및 확장성이 성취될 수 있다.
자기 부구조물(100''')은 자기 부구조물(100')의 효과들을 공유한다. 특히, MTJ와 같은 자기요소에서 사용될 때, MTJ는 더 낮은 WER을 가질 수 있다. 결과적으로 MTJ와 같은 자기요소에서 사용될 때, 자기 부구조물(100''')은 심지어는 좁은 펄스폭들에서 개선된 쓰기 오류율을 가질 수 있다. 동시에, 자기 부구조물(100''')은 자기적으로 안정할 수 있다.
도 7은 자기 구조물을 포함하는 자기 접합(200)의 일 실시예를 도시한다. 명확하게, 도 7은 스케일에 맞지 않는다. 자기 접합(200)은 피고정층(210), 비자성 스페이서층(220) 및 자유층(230)을 포함한다. 층들(210, 22, 230)은 특정방향을 가지고 도시되지만, 이러한 방향은 다른 실시예들에서 변화할 수 있다. 예를 들면, 피고정층(210)은 자기 접합(200)의 상부(도시되지 않지만 기판으로부터 가장 먼)에 인접할 수 있다. 또한, 추가 시드층(202), 추가 고정층(204) 및 추가 캐핑층(240)이 도시된다. 추가 고정층(204)은 피고정층(210)의 자화(도시되지 않음)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 추가 고정층(204)은 AFM층 또는 교환-바이어스 상호작용에 의해 피고정층(210)의 자화를 고정하는 다중층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 추가 고정층(204)은 생략되거나 다른 구조물이 사용될 수 있다. 또한, 쓰기 전류가 자기 접합(200)으로 흐를 때, 자기 접합(200)은 자유층(230)이 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 그래서 자유층(230)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위칭할 수 있다.
피고정층(210)이 단일층으로 도시되지만, 다중층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 피고정층(210)은 Ru와 같은 박막을 통해 반강자기적으로 또는 강자기적으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. SAF에서, Ru 또는 다른 물질의 박막(들)이 삽입된 다층 자성층들이 사용될 수 있다. 또한, 피고정층(210)은 다른 다중층일 수 있다. 도 7에는 자화가 도시되지 않으나, 피고정층(210)은 면 외 자기소거에너지(out-of plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 그래서, 피고정층(210)은 면내에 수직한 자화를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정층(210)의 자화는 면 내에 있다. 피고정층(210)의 자화의 다른 방향이 가능하다.
스페이서층(220)은 비자성이다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서층(220)은 절연체이며, 예를 들면 터널링 베리어이다. 이와 같은 실시예들에서, 스페이서층(220)은 결정성 MgO를 포함하고, 이것은 자기 접합의 TMR를 증대시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서층(220)은 Cu와 같은 도전체일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 스페이서층(220)은 예를 들면, 절연 메트릭스에서 도전채널들을 갖는 입상층(granular layer)과 같은 다른 구조를 가질 수도 있다.
자유층(230)은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 100''')을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(230)은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 100''')로 구성된다. 또한, 자유층(230)은, B 또는 Ta를 30 원자% 이하로 포함하는 CoFeB, CoFeBTa 또는 FeB와 같은 분극 강화층들을 포함할 수 있으며, 분극 강화층들은 층들(220 및/또는 240) 사이의 계면에 있을 수 있다.
자기 부구조물(100, 100', 100'', 100''')이 자유층(230)으로 사용되기 때문에, 자기 접합(200)은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 100''')의 효과들을 공유한다. 특히, 자기접합(200)은 열적으로 안정할 수 있다. 더욱이, 자유층(230)의 순 자기 자화는 z-축으로부터 90도보다 작고 0보다 큰 각도에 있을 수 있다. 다르게 말하면, 자유층(230)의 순 자화는 z-축으로부터 기울어진다. 그래서, 자유층(230)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위칭되는 것이 더 용이할 수 있다. 더욱이, 자기접합의 WER이 감소될 수 있다.
자기 접합(200)의 일부 실시예에서, 선택적인 캐핑층(240) 및 비자성 스페이서층(220)은 각각 MgO로 형성될 수 있다. 자기 접합(200)의 자기저항을 증가시키도록 결정질 MgO가 비자성 스페이서층(220)에 사용될 수 있다. 선택적인 캐핑층(240)은 자유층(230)의 수직 자기 이방성을 증가시키도록 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 자유층(230)의 자기 부구조물, 예를 들어 자기 부구조물(100)은 MgO층들 사이에 개재될 수 있다. 자유층(230)에 사용되는 자기 부구조물에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120''. 120''', 140 및/또는 140')은 B와 같은 특정 물질을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120'', 140 및/또는 140')은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, 및/또는 Zr을 포함할 수 있다. 만일 자성층들(110/130, 110'/130', 110''/130''/150, 및/또는 110'''/130'''/150)이 B와 같은 물질을 포함한다면, 이것은 특히 사실이다. 예를 들어, 자기 접합 구조(100, 100A, 100' 100'', and/or 100')의 하나 이상의 자성층들은 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2 의 형태를 취할 수 있으며, 여기에서 x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, 여기에서, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된다.
도 3a-3c에 관한 설명에서, 자유층(230)의 자기 부구조물 내에 이와 같은 물질들의 사용은, 자유층(230) 및 층들(220 및/또는 240) 사이의 계면에서 B와 같은 물질의 확산을 줄이거나 방지할 수 있다. 대신하여, B 및 이와 유사한 것들은 자유층(230)의 중심을 향해 이동하려는 경향이 있다. 그 결과, 자기 접합(200)의 수직 자기 이방성 및/또는 자기 저항의 저하(degradation)가 감소되거나 방지될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)의 성능이 향상될 수 있다.
도 8은 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합(200')의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 명확하게, 도 8은 실제 스케일이 아니다. 자기 접합(200')은 자기 접합(200)과 유사할 수 있다. 이에 따라, 유사한 층들은 비슷하게 참조번호를 붙이기로 한다. 자기 접합(200')은 층들(210, 220, 및 230)과 각각 유사한 피고정층(210'), 비자성 스페이서층(220'), 및 자유층(230')을 포함할 수 있다. 비록 층들(210', 220', 및 230')이 수직한 방향으로 도시되었으나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 고정층(210')은 자기 접합(200')의 상면(도시되지 않았으나, 기판으로부터 가장 먼)에 근접할 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(202'), 선택적인 고정층(204'), 및 선택적인 캐핑층(240')이 선택적인 시드층(202), 선택적인 고정층(204), 및 선택적인 캐핑층(240)과 유사하게 도시된다. 자기 접합(200')은 쓰기 전류가 자기 접합(200')을 통과할 때, 자유층(230')이 안정한 자기 상태들 사이들 스위칭하도록 구성될 수 있다. 따라서, 자유층(230')은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위칭 가능하다.
스페이서층(220')은 비자성이다. 일부 실시예들에서, 스페이서층(220')은 절연체, 예를 들어, 터널링 배리어일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 스페이서층(220')은 결정질 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR)을 향상시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 스페이서층은 Cu와 같은 도전체일 수 있다. 대체 실시예에서, 스페이서층(220')은 다른 구조, 예를 들어, 절연 매트릭스에서 도전성 채널들을 포함하는 입상층(granular layer)를 가질 수 있다.
자유층(230')은 단일층일 수 있고, 다중층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유층(230')은 Ru와 같은 박막들을 통하여 반강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 그러한 SAF에서, Ru 또는 다른 물질의 박막(들)이 끼워진 다중 자성층들이 이 사용될 수 있다. 자유층(230')은 또한 다른 다중층들일 수 있다. 도 8에 자화가 도시되지 않았으나, 자유층은 면외 자기소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.
피고정층(210')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피고정층(210')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')로 구성될 수 있다. 또한 피고정층(210')은 층들(220' 및/또는 204)의 계면들에서 30 원자 퍼센트보다 크지 않은 B 및/또는 Ta을 갖는 CoFeB, CoFeBTa 또는 FeB와 같은 분극 강화층들(polarization enhancement layers)을 포함할 수 있다.
자기 접합(200')의 일부 실시예에서, 선택적인 시드층(202') 및 비자성 스페이서층(220')이 각각 MgO로 형성될 수 있다. 접합(200)의 자기저항을 증가시키도록 결정질 MgO가 비자성 스페이서층(220')에 사용될 수 있다. 선택적인 고정층(204')이 생략된다면, 선택적 시드층(202')은 피고정층(210')의 수직 자기 이방성을 특히 증가시키도록 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 피고정층(210')의 자기 부구조물(자기 부구조물(100)과 같은)은 MgO층들 사이에 개재될 수 있다. 피고정층(210')에 사용되는 자기 부구조물에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120''. 120''', 140 및/또는 140')은 B와 같은 특정 물질을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120'', 140 및/또는 140')은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, 및/또는 Zr을 포함하도록 요구될 수 있다. 만일 자성층들(110/130, 110'/130', 110''/130''/150, 및/또는 110'''/130'''/150)이 B와 같은 물질을 포함한다면, 이것은 특히 사실이다. 예를 들어, 자기 접합 구조(100, 100A, 100' 100'', and/or 100')의 하나 이상의 자기 층들은 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2 의 형태를 취할 수 있으며, 여기에서 x1, x2, x3, y1, y2 및 y3은 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, 여기에서, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된다.
도 3a-3c에서 설명된 것과 같이, 피고정층(210')의 자기 부구조물 내에 이와 같은 물질들의 사용은, 피고정층(210') 및 층들(220' 및/또는 204') 사이의 계면에서 B와 같은 물질의 확산을 줄이거나 방지할 수 있다. 대신하여, B 및 이와 유사한 것들은 피고정층(210')의 중심을 향해 이동하려는 경향이 있다. 그 결과, 자기 접합(200')의 수직 자기 이방성 및/또는 자기 저항의 저하(degradation)가 감소되거나 방지될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200')의 성능이 향상될 수 있다.
도 9는 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합(200'')의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 분명하게, 도 9는 실제 스케일이 아니다. 자기 접합(200'')은 자기 접합들(200 및 200')과 유사할 수 있다. 이에 따라, 유사한 층들은 비슷하게 참조번호를 붙이기로 한다. 자기 접합(200'')은 층들(210/210', 220/220', 및 230/230')과 각각 유사한 피고정층(210''), 비자성 스페이서층(220''), 및 자유층(230'')을 포함할 수 있다. 층들(210'', 220'', 및 230'')이 수직한 방향으로 도시되었으나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 고정층(210'')은 자기 접합(200'')의 상면(도시되지 않았으나, 기판으로부터 가장 먼)에 근접할 수 있다. 또한, 선택적인 시드층(202''), 선택적인 고정층(204''), 및 선택적인 캐핑층(240'')이 선택적인 시드층(202/202'), 선택적인 고정층(204/204'), 및 선택적인 캐핑층(240/204')과 유사하게 도시된다. 쓰기 전류가 자기 접합(200'')을 통과할 때, 자유층(230')이 안정한 자기 상태들 사이들 스위칭하도록 자기 접합(200'')이 구성될 수 있다. 따라서, 자유층(230'')은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위칭 가능하다.
피고정층(210')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 10''')을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피고정층(210')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100''')로 구성될 수 있다. 또한 피고정층(210')은 층(들)(220'' 및/또는 204'')의 계면들에서 30 원자 퍼센트보다 크지 않은 B 및/또는 Ta을 갖는 CoFeB, CoFeBTa 또는 FeB와 같은 분극 강화층들(polarization enhancement layers)을 포함할 수 있다.
스페이서층(220'')은 비자성이다. 일부 실시예들에서, 스페이서층(220'')은 절연체, 예를 들어, 터널링 배리어일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 스페이서층(220'')은 결정질 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 TMR을 향상시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 스페이서층(220'')은 Cu와 같은 도전체일 수 있다. 대체 실시예에서, 스페이서층(220'')은 다른 구조, 예를 들어, 절연 매트릭스에서 도전성 채널들을 포함하는 입상층(granular layer)를 가질 수 있다.
자유층(230'')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 자유층(230'')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')로 구성될 수 있다. 또한 자유층(230'')은 층들(220' 및/또는 204)의 계면들에서 30 원자 퍼센트보다 크지 않은 B 및/또는 Ta을 갖는 CoFeB, CoFeBTa 또는 FeB와 같은 분극 강화층들(polarization enhancement layers)을 포함할 수 있다.
자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')이 자유층(230'')에 사용되기 때문에, 자기 접합(200'')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')의 이득을 공유할 수 있다. 특히, 자기 접합(200'')은 열적으로 안정할 수 있다. 게다가, 자유층(230'')의 순 자기 자화(net magnetic magnetization)는 z축으로부터 90도 미만이나 0도 초과의 각(angle)에 있을 수 있다. 달리 말하면, 자유층(230')의 순 자화는 z축으로부터 경사질 수 있다. 따라서, 자유층(230')은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위칭되기 더 쉬울 수 있다. 게다가, 자기 접합의 WER은 감소될 수 있다.
자기 접합(200'')의 일부 실시예에서, 선택적인 시드층(202''), 비자성 스페이서층(220'') 및/또는 선택적인 캐핑층(240'')은 각각 MgO로 구성될 수 있다. 자기 접합(200'')의 자기저항을 증가시키도록 결정 MgO가 비자성 스페이서층(220'')에 사용될 수 있다. 선택적인 피고정층(204'')이 생략된다면, 선택적인 시드층(202'') 및 선택적인 캐핑층(240'')은 자유층(230'') 및 피고정층(210'')의 수직 자기 이방성을 특히 증가시키도록 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 자유층(230'') 및 피고정층(210'')의 자기 부구조물(자기 부구조물(100')과 같은)은 MgO층들 사이에 개재될 수 있다. 피고정층(210'') 자유층(230'')에 사용되는 자기 부구조물에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120''. 120''', 140 및/또는 140')은 B와 같은 특정 물질을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120'', 140 및/또는 140')은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, 및/또는 Zr을 포함하도록 요구될 수 있다. 만일 자성층들(110/130, 110'/130', 110''/130''/150, 및/또는 110'''/130'''/150)이 B와 같은 물질을 포함한다면, 이것은 특히 사실이다. 예를 들어, 자기 부구조물(100, 100A, 100' 100'', and/or 100')의 하나 이상의 자성층들은 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2의 형태를 취할 수 있으며, 여기에서 x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, 여기에서, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된다.
도 3a-3c을 참조하여 설명한 바와 같이, 피고정층(210'') 및/또는 자유층(230'')의 자기 부구조물 내에 이와 같은 물질들의 사용은, 피고정층(210') 및 층들(204''와 210'', 210''와 220'', 220''와 230'', 및 230''와 240'') 사이의 계면에서 B와 같은 물질의 확산을 줄이거나 방지할 수 있다. 대신하여, B 및 이와 유사한 물질들은 층들(210'' 및/또는 230'')의 중심을 향해 이동하려는 경향이 있다. 그 결과, 자기 접합(200')의 수직 자기 이방성 및/또는 자기 저항의 저하(degradation)가 감소되거나 방지될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200')의 성능이 향상될 수 있다.
도 10은 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합(200''')의 예시적인 실시예를 도시한다. 분명하게, 도 10은 실제 스케일에 맞지 않는다. 자기 접합(200''')은 자기 접합들(200, 200' 및 200'')과 유사할 수 있다. 이에 따라, 유사한 층들은 비슷하게 참조번호를 붙이기로 한다. 자기 접합(200''')은 층들(210/210'/210'', 220/220'/220'', 및 230/230'/230'')과 각각 유사한 피고정층(210'''), 비자성 스페이서층(220'''), 및 자유층(230''')을 포함할 수 있다. 자기 접합(200''')은 층들(202/202'/202'', 204/204'/204''', 및 240''''')과 각각 유사한 선택적인 층들(202''', 204''', 및 240''')을 포함하도록 도시된다. 또한, 추가 비자성 스페이서층(additional nonmagnetic spacer layer)(250), 추가 선택적인 피고정층(250), 추가 선택적인 고정층(additional optional pinning layer)(260), 및 추가 선택적인 고정층(270)이 도시된다. 층들(250, 260, 및 270)은 층들(220/220'/220''/220''', 210/210'/210''/210''', 및 204/204'/204''/204'')에 각각 유사하다. 이에 따라, 자기 접합(200''')은 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)일 수 있다. 층들(210''', 220''', 230''', 250, 및 260)이 특정한 방향으로 도시되었으나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양할 수 있다. 쓰기 전류가 자기 접합(200''')을 통과할 때, 자유층(230''')이 안정한 자기 상태들 사이들 스위칭하도록 자기 접합(200''')이 구성될 수 있다. 따라서, 자유층(230''')은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위칭 가능하다.
피고정층(210'''), 자유층(230'''), 및/또는 피고정층(260)은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 10''')을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피고정층(210'''), 자유층(230'''), 및/또는 피고정층(260)은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100''')로 구성될 수 있다. 또한 피고정층(210'''), 자유층(230'''), 및/또는 피고정층(260)은 각각 층(들)(204'''과 220''', 220'''과 250, 및/또는 250과 270''')의 계면들에서 30 원자 퍼센트보다 크지 않은 B 및/또는 Ta을 갖는 CoFeB, CoFeBTa 또는 FeB와 같은 분극 강화층들(polarization enhancement layers)을 포함할 수 있다.
자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')이 자유층(230''')에 사용되기 때문에, 자기 접합(200''')은 자기 부구조물(100, 100', 100'', 및/또는 100'')의 이득을 공유할 수 있다. 특히, 자기 접합(200''')은 열적으로 안정할 수 있다. 게다가, 자유층(230''')의 순 자기 자화(net magnetic magnetization)는 z축으로부터 90도 미만이나 0도 초과의 각(angle)에 있을 수 있다. 달리 말하면, 자유층(230'')의 순 자화는 z축으로부터 경사질 수 있다. 따라서, 자유층(230')은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위칭되기 더 쉬울 수 있다. 게다가, 자기 접합의 WER은 감소될 수 있다.
자기 접합(200''')의 일부 실시예에서, 선택적인 시드층(202'''), 비자성 스페이서층(220''') 및/또는 선택적인 캐핑층(240''')은 각각 MgO로 구성될 수 있다. 자기 접합(200'')의 자기저항을 증가시키도록 결정성 MgO가 비자성 스페이서층(250) 및/또는 선택적인 캐핑층(240''')에 사용될 수 있다. 선택적인 피고정층(204''' 및 270)이 생략된다면, 선택적인 시드층(202'') 및 선택적인 캐핑층(240''')은 자유층(230'''), 피고정층(210'''), 및 피고정층(260)의 수직 자기 이방성을 특히 증가시키도록 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 자유층(230'''), 피고정층(210'''), 및 피고정층(260)의 자기 부구조물(자기 부구조물(100)과 같은)은 MgO층들 사이에 개재될 수 있다. 피고정층(210'') 및/또는 자유층(230'')에 사용되는 자기 부구조물에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120''. 120''', 140 및/또는 140')은 B와 같은 특정 물질을 끌어당기도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 비자성 삽입층(120, 120', 120'', 140 및/또는 140')은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, 및/또는 Zr을 포함하도록 요구될 수 있다. 만일 자성층들(110/130, 110'/130', 110''/130''/150, 및/또는 110'''/130'''/150)이 B와 같은 물질들을 포함한다면, 이것은 특히 사실이다. 예를 들어, 자기 부구조물(100, 100A, 100' 100'', and/or 100')의 하나 이상의 자성층들은 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2 의 형태를 취할 수 있으며, 여기에서 x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, 여기에서, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된다.
도 3a-3c을 참조하여 설명한 바와 같이, 피고정층(210''), 자유층(230'') 및/또는 피고정층(250)의 자기 부구조물 내에 이와 같은 물질들의 사용은, 층들(204'''과 210''', 210'''과 220''', 220'''과 230''', 230'''과 204'' 250, 250과 260, 및/또는 260과 270'') 사이의 계면에서 B와 같은 물질의 확산을 줄이거나 방지할 수 있다. 대신, B 및 이와 유사한 물질(들)은 층들(210''', 230''' 및/또는 260)의 중심을 향해 이동하려는 경향이 있다. 그 결과, 자기 접합(200''')의 수직 자기 이방성 및/또는 자기 저항의 저하(degradation)가 감소되거나 방지될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200')의 성능이 향상될 수 있다.
도 11은 자기 부구조물을 제조하는 방법(300)의 일 실시예를 도시한다. 간략하게, 몇몇 단계들은 생략되거나 결합될 수 있다. 방법(300)은 자기 구조물(100)의 내용 내에서 기술된다. 그러나 방법(300)은 부구조물들(100', 100'', 100''')과 같은 다른 자기 부구조물에서 사용될 수 있다. 더욱이, 방법(300)은 자기 메모리들의 제조 내에 통합될 수 있다. 그래서, 방법(300)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리의 제조방법에서 사용될 수 있다.
단계 302를 통해, 강자성층(110)이 제공된다. 단계 302는 강자성층(110)의 목적하는 두께로 목적하는 물질들을 증착할 수 있다. 단계 304를 통해, 삽입층(120)이 제공된다. 단계 304는 목적하는 비자성 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 단계 304에서, 목적하는 두께로 물질이 증착될 수 있다. 단계 306을 통해, 제2 강자성층(130)이 제공된다. 단계들(302, 304, 306)이 비자성 물질 및 강자성 물질을 동시 증착하는(co-depositing) 동안, 비자성 물질 및 강자성 물질의 농도가 다양하다는 것을 포함할 수 있다. 결과적으로 방법(300)은 층들(110A, 120A, 130A)를 제공할 수 있으며, 계면들이 확실하게 정의된 층들 대신하여 농도에서 변동이 있다. 단계 308을 통해, 삽입층 및 다른 강자성층을 제공하는 단계들은 선택적으로 반복된다. 그래서, 강자성층 및 삽입층들의 원하는 개수를 갖는 자기 부구조물이 제공될 수 있다. 그래서, 자기 부구조물(100, 100A, 100', 100'', 100''')이 형성된다. 결과적으로 자기 부구조물의 효과들이 성취될 수 있다.
도 12는 자기 부구조물을 제조하기 위한 방법(310)의 일 실시예가 도시된다. 간략하게, 몇몇 단계들은 생략되거나 결합될 수 있다. 방법(310)은 자기접합(200)의 내용에서 기술된다. 그러나, 방법(310)은 접합들(200', 200'', 200''')과 같은 다른 자기접합들에서 사용될 수 있다. 더욱이, 방법(310)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리의 제조방법 내에서 사용될 수 있다. 방법(310)은 시드층들(202) 및 선택적인 고정층(204)이 제공된 후, 시작할 수 있다.
단계 312를 통해, 피고정층(210)이 제공된다. 단계 312는 피고정층(210)의 목적하는 두께로 목적하는 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 단계 312는 SAF을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 부구조물(100, 100A, 100', 100'', 100''')을 제공할 수 있다. 단계 314를 통해, 비자성층(220)이 제공된다. 단계 314는, 결정성 MgO로 한정되지는 않지만, 결정성 MgO를 포함하는 목적하는 비자성 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 단계 314에서, 물질의 목적하는 두께로 증착될 수 있다.
단계 316을 통해, 자기 부구조물(100, 100A, 100', 100'', 100''')을 포함하는 자유층(320)이 선택적으로 제공된다. 단계 318를 통해, 층(250)과 같은 추가 비자성 스페이서층이 제공될 수 있다. 단계 320을 통해, 층(260)과 같은 추가 피고정층이 추가적으로 제공될 수 있다. 단계 322을 통해 제조가 완료될 수 있다. 예를 들면, 캐핑층(240)이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 추가 선택적인 고정층(204)이 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합 내 층들은 스택으로서 증착되고 그러고 나서 자기 접합이 정의되는데, 단계 322는 자기 접합을 정의하는 것, 어닐을 수행하는 것 또는 자기 접합(200/200')의 제조 완료를 위한 다른 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 자기접합(200/200')은 STT-MRAM과 같은 메모리 내에서 통합될 수 있다면, 단계 322는 콘택들, 바이어스 구조물들 및 메모리의 다른 부분들을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 결과적으로, 자기 접합의 효과들이 성취될 수 있다.
더욱이, 자기 접합들(200, 200', 200'', 200''')은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 13은 이와 같은 메모리(400)의 일 실시예를 도시한다. 자기 메모리(400)는 워드라인 선택 드라이버(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 컬럼 선택 드라이버들(402, 406)을 포함한다. 또 다른 요소들이 제공될 수 있다. 메모리(400)의 저장 영역은 자기 저장 셀들(410)을 포함한다. 자기 저장 셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합(412) 및 적어도 하나의 선택 장치(414)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 선택장치(414)은 트랜지스터이다. 자기 접합들(412)은 자기 접합들(200, 200', 200'', 200''') 중 하나일 수 있다. 하나의 자기 접합(412)이 각 셀(410)마다 도시되나, 다른 실시예들에서, 자기 접합들(412)의 다른 개수들이 셀마다 제공될 수 있다. 이와 같이, 자기 접합(400)은, 낮은 소프트 오류율 및 낮은 임계 스위칭 전류와 같은 상술한 효과들을 공유할 수 있다.
자기접합들(200, 200', 200'', 200''')뿐만 아니라 다양한 자기 부구조물들(100, 100', 100', 100''')이 개시된다. 자기 부구조물들(100, 100', 100', 100''') 및 자기 접합들(200, 200', 200'', 200''')의 다양한 특성들은 결합될 수 있다. 그래서, 쓰기 오류율, 수직 이방성, 열적 안정성 및/또는 확장성과 같은 자기 부구조물들(100, 100', 100', 100''') 및 자기 접합들(200, 200', 200'', 200''')의 효과들의 하나 이상이 성취될 수 있다.
자기 부구조물, 자기 접합 및 자기 접합을 이용하여 제조된 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 기술된다. 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들과 함께 기술되고, 당해 기술에서 통상의 기술자는 실시예들에 대한 다양한 변형들을 용이하게 인식하며, 변형들은 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에 있다. 따라서, 많은 변형들은 당업자에 의해 첨부된 청구항들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면 만들어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 자기 장치용 자기 접합에 있어서,
    피고정층;
    비자성 스페이서층; 및
    자유층을 포함하되, 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 배치되고,
    상기 자기 접합은 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태 사이를 스위칭 가능하도록 구성되고,
    상기 피고정층 및 상기 자유층 중에서 적어도 하나는 자기 부구조물을 포함하되, 상기 자기 부구조물은 적어도 하나의 삽입층이 끼워진 적어도 두 개의 자성층들을 포함하고, 상기 삽입층은 W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 자성층들은 자기적으로 결합되고,
    상기 적어도 두 개의 자성층들은 제1 자성층 및 제2 자성층을 포함하고,
    상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 중의 적어도 하나는 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2를 포함하되, x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된 자기 접합.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 삽입층은 5 옴스트롱보다 더 두껍지 않은 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    제1 절연 스페이서층 및 제2 절연 스페이서층을 더 포함하되, 상기 자기 부구조물은 상기 제1 절연 스페이서층 및 상기 제2 절연 스페이서층 사이에 개재되는 자기 접합.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 자기 부구조물을 포함하는 자기 접합.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자성층들 및 상기 적어도 하나의 삽입층은 다수의 구성 요소들의 가변 농도를 갖는 단일층이고, 상기 삽입층은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나의 적어도 하나의 농도를 갖고, 상기 적어도 하나의 농도는 상기 삽입층에서 적어도 하나의 전역 피크(global peak)을 갖는 자기 접합.
  15. 삭제
  16. 복수의 자기 저장 셀들,; 및
    복수의 비트라인들을 포함하고,
    상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 피고정층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 개재되며, 상기 자기 접합은 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이를 스위칭 가능하도록 구성되며, 상기 피고정층 및 상기 자유층 중의 적어도 하나는 자기 부구조물을 포함하고, 상기 자기 부구조물은 적어도 하나의 삽입층이 끼워진 적어도 두 개의 자성층들을 포함하되, 상기 적어도 하나의 삽입층은 Bi, W, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 자성층들은 자기적으로 결합되고,
    상기 적어도 두 개의 자성층들은 제1 자성층 및 제2 자성층을 포함하고, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 중에서 적어도 하나는 COX1FeX2Nix3MnX4M1y1M2y2를 포함하되, x1, x2, x3, x4, y1, 및 y2는 최소 0이고, 1을 초과하지 않으며, x1 + x2 + x3 + x4 + y1 + y2 =1이고, M1 및 M2는 Ta, B, Zr, Cr, V, AI, Be, Ti, Au, Hf, Pd, Pt, Bi 및 Ga에서 선택된 자기 메모리.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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