KR102199622B1 - 용이 콘 이방성을 가지는 자기 터널 접합 소자들을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

용이 콘 이방성을 가지는 자기 터널 접합 소자들을 제공하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 설명된다. 자기 접합은 피고정층, 비자성 스페이서층 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 피고정층과 자유층 사이에 있다. 자유층은 적어도 하나의 일부부은 이축 이방성인 자기 이방성을 가진다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통과하여 흐를 때 자유층이 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다.

Description

용이 콘 이방성을 가지는 자기 터널 접합 소자들을 제공하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING MAGNETIC TUNNELING JUNTION ELEMENTS HAVING EASY CONE ANISOTROPY}
본 발명은 자기메모리에 관한 것으로, 특히 용이 콘 이방성을 가지는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 램들(Magnetic Random Access Memories: MRAMs)은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모의 잠재력 때문에 점점 더 주목 받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 STT-RAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory)이 있다. STT-RAM은 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-RAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기터널접합(Magnetic tunneling junction: MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 하부 콘택(11) 상에 배치되고, 일반적인 씨드(seed)층(들)(12)을 이용하고, 일반적인 반강자성층(antiferromagnetic layer: AFM)(14), 일반적인 피고정층(pined layer)(16), 일반적인 터널링 장벽층(tunneling barrier layer)(18), 일반적인 자유층(free layer)(20), 및 일반적인 캡핑층(capping layer)(22)을 포함한다. 또한 상부 콘택(24)도 도시된다.
일반적인 콘택들(11, 24)은 면 수직 전류(current-perpendicular-to-plane: CPP) 방향, 또는 도 1에서 도시된 Z축으로 전류를 구동하도록 사용된다. 일반적인 씨드층(들)(12)은 일반적으로, AFM층(14)과 같은, 원하는 결정 구조를 갖는 그 다음 층들의 성장을 돕는데 활용된다. 일반적인 터널링 장벽층(18)은 비자성이며, 일 예로 MgO와 같은 얇은 절연체이다.
일반적인 피고정층(16)과 일반적인 자유층(20)은 자성을 갖는다. 일반적인 피고정층(16)의 자화(17)는 일반적으로 AFM층(14)과의 교환- 바이어스(exchange-bias) 상호작용에 의해 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝된다(pinned). 비록 단일층으로 도시되었으나, 일반적인 피고정층(16)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정층(16)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전층들을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer: SAF)일 수 있다. 루테늄(Ru) 박막이 삽입된 복수의 자성층들이 이와 같은 SAF층에 사용될 수 있다. 나아가, 일반적인 MTJ(10)의 다른 버전들은 추가적인 비자성 장벽층 또는 도전층(미도시)에 의해 자유층(20)으로부터 분리된 추가적인 피고정층(미도시)을 포함할 수 있다.
일반적인 자유층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일층으로 도시되었으나, 일반적인 자유층(20)은 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 자유층(20)은 루테늄(Ru)과 같은 도전성 박막층들을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성층일 수 있다. 비록 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 면 내(in-plane)로 도시되었지만, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 수직 이방성(perpendicular anisotropy)을 가질 수 있다.
일반적인 자유층(20)의 자화(21)를 스위치 하기 위하여, 면에 수직인 방향으로(Z 방향) 전류가 구동된다. 충분한 전류가 상부 콘택(24)으로부터 하부 콘택(11)으로 흐를 때, 일반적인 자유층(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치(switch)될 수 있다. 충분한 전류가 하부 콘택(11)으로부터 상부 콘택(24)으로 흐를 때, 자유층의 자화(21)는 피고정층(16)의 자화(17)에 반평행하게 스위치 될 수 있다. 자기적 배치(magnetic configuration)들의 차이점들은 다른 자기저항들(magnetoresistances)과 이에 따른 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 상응한다.
STT-RAM 어플리케이션들에 사용될 때, 일반적인 MTJ(10)의 자유층(20)은 비교적 상대적으로 낮은 전류에서 스위치되는 것이 요구된다. 임계 스위칭 전류(JC0)는 본래 방향(original orientation) 주위에서의 자유층 자화(21)의 극미한 세차 운동(precession)이 불안정해지는 점에서의 가장 낮은 전류이다. 상온에서의 측정을 위하여, 전류의 이러한 값은 짧은 펄스(1-20ns) 동안의 스위칭 전류에 근접한다. 일 예로, 임계 스위칭 전류(JC0)는 몇 mA 또는 그 이하의 단위(order)일 것이 요구될 수 있다. 게다가, 빠른 스위칭 시간들(switching times)이 또한 요구된다. 일 예로, 자유층(20)은 20ns 이하에서 스위치되는 것이 바람직할 수 있다. 경우에 따라서는, 10ns 이하의 스위칭 시간들이 바람직하다. 따라서, 데이터는 더 높은 스피드로 충분히 낮은 임계 전류를 사용하여 일반적인 MTJ(10)에 저장되도록 요구된다.
일반적인 MTJ(10)는 스핀 전달(spin transfer)을 사용하여 기록될 수 있고 STT-RAM에 사용될 수 있으나, 이에는 문제점들이 있다. 일 예로, 소프트 에러율(soft error rates)은 허용 가능한 임계 스위칭 전류(JC0)와 스위칭 시간을 갖는 메모리들에서 요구되는 것보다 더 높을 수 있다. 소프트 에러율은, 일반적인 스위칭 전류와 적어도 동일한 전류가 적용되는 때, 셀(즉, 일반적인 자기 접합의 자유층(20)의 자화(21))이 스위치 되지 않을 가능성이다. 소프트 에러율은 10-9 또는 그 이하일 것이 요구된다. 그러나, 일반적인 자유층(20)은 일반적으로 이 값을 초과하는 큰 소프트 에러율을 가진다. 일 예로, 소프트 에러율은 10-9 보다 10의 몇 승 정도 더 높을 수 있다. 결과적으로, 허용 가능한 소프트 에러율과 함께 충분히 낮은 임계 스위칭 전류(JC0)와 충분히 빠른 스위칭 시간은 달성되지 않을 수 있다.
소프트 에러율을 포함한 특성들을 개선시키기 위하여 다양한 일반적인 방법(mechanism)들이 소개되어 왔다. 일 예로, 복합구조 및/또는 외부 자기장 보조장치가 사용될 수 있다. 그러나, 다른 특성들을 보존하는 동시에 소프트 에러율을 감소시키기 위한 그와 같은 일반적인 구성들의 능력에는 한계가 있다. 일 예로, 집적도, 에너지 소모, 및/또는 열적 안정성은 이와 같은 일반적인 방법들에 의하여 부정적인 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 일반적인 MTJ(10)를 사용하는 메모리의 성능은 여전히 개선이 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.
예시적인 실시예들은 자기 장치에서 사용 가능한 자기접합을 제공하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 자기접합은 피고정층, 비자성 스페이서층 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 피고정층과 자유층 사이에 있다. 자유층은 적어도 하나의 일부분이 이축 이방성(biaxial anisotropy)인 자기 이방성을 가진다. 자기 접합은 기록 전류가 자기접합을 통하여 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 자유층이 스위치될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능이 개선될 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 3은 다양한 자기 접합들에 대한 이방성 에너지의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 4는 일 자기 접합에 대한 이방성 에너지의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 5는 이축 이방성을 가지는 자유층의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 6은 이축 이방성을 가지는 자유층의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 7은 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 8은 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 11은 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 이축 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 13은 스토리지 셀(들)의 메모리 소자(들)에서 자기 서브구조를 이용하는 메모리의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 14는 자기 서브구조를 제조하는 방법에 대한 예시적인 일 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 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 실시예들 및 그에 대한 원리 및 형태들의 다양한 변형들은 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 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 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 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정할 의도가 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기 접합을 이용하는 자기 메모리는 물론 자기 접합을 제공하는 방법들 및 시스템들이 설명된다. 예시적인 실시예들은 자기 장치 내에서 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 자기 접합은 피고정층, 비자성 스페이스층 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이스층은 피고정층과 자유층 사이에 배치된다. 자유층은 적어도 하나의 일부분이 이축 이방성인 자기 이방성을 가진다. 자기접합은 기록 전류가 자기 접합을 통하여 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 자유층이 스위치될 수 있도록 구성된다.
예시적인 실시예들은 특정 자기 접합들과 어떤 구성들을 가지는 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. 또한, 상기 방법 및 시스템은 스핀 전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상의 이해의 맥락 내에서 설명된다. 그 결과로서, 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 구조들과 일관됨을 쉽게 알 것이다. 또한, 상기 방법과 시스템은 합성된 및/또는 단일의 어떤 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 특별한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 알 것이다. 게다가, 어떤 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 접합들과 하부 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템이 복수의 자기 접합들을 가지고 복수의 하부 구조들을 사용하는 자기 메모리들의 사용에 관련됨을 쉽게 알 것이다. 나아가, 여기서 사용된 대로, "면 내(in-plane)" 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, "수직인(perpendicular)" 자기 접합의 하나 이상의 층들에 실질적으로 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 자기 장치, 일 예로 STT-RAM과 같은 자기 메모리를 사용하는 자기 접합(100)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 2는 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(100)은 피고정층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 자유층(130)을 포함한다. 또한, 고정층(104)이 도시되는데, 이는 피고정층(110)의 자화(미도시)를 고정(fix)하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정층(104)은 교환-바이어스 상호작용력(exchange-bias interaction)에 의해 피고정층(110)의 자화(미도시)를 고정(pin)하는 반강자성층(antiferromagnetic layer: 이하 AFM) 또는 복수의 층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 고정층(104)은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 게다가, 자기 접합(100)은 선택적 씨드층(들)(102) 및/또는 선택적 캡핑층(들)(140)과 같은 다른 및/또는 추가적인 층들을 포함할 수 있다. 자기 접합(100)은 또한 기록 전류가 자기접합(100)을 통하여 흐를 때 안정된 자기 상태들 사이에서 자유층(130)이 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위칭될 수 있다.
피고정층(110)은 자성을 가지고, 따라서 Ni, Fe, 및 Co 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 특히 이들의 합금 형태를 포함할 수 있다. 비록 단일층으로 도시되었지만, 피고정층(110)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 피고정층(110)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 층을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성층들을 포함하는 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer: 이하 SAF)일 수 있다. 루테늄(Ru) 또는 다른 물질의 박막(들)이 삽입된 복수의 자성층들이 이와 같은 SAF층에 사용될 수 있다. 피고정층(110)은 또한 다른 복수의 층일 수 있다. 도 2에서 자화가 도시되지 않았지만, 자유층은 면을 벗어나는 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가진다.
스페이서층(120)은 비자성을 가진다. 일부 실시예들에서, 스페이서층(120)은 절연체(예를 들면, 터널링 장벽층)이다. 이와 같은 실시예들에서, 스페이서층(120)은 자기 접합의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: TMR)을 강화시킬 수 있는 결정성 MgO를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서층(120)은 Cu와 같은 도전체일 수 있다. 다른 대체 실시예들에서, 스페이서층(120)은 다른 구조, 예를 들면 절연성 매트릭스 내에 도전성 채널들을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수 있다.
자유층(130)은 자성을 가지며 Fe, Ni, 및/또는 Co 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자유층(130)은 스핀 전달에 의하여 스위칭될 수 있는 변화 가능한 자화(미도시)를 가진다. 자유층(130)은 단일층으로 도시된다. 다른 실시예들에서, 자유층(130)은 다른 층(들)을 포함할 수 있다. 일 예로, 자유층은 비자성층(들)이 삽입된 강자성층들을 하나 또는 그 이상을 포함하는 SAF 층일 수 있다. 다른 예로, 자유층(130)은 강자성 또는 다른 복수의 층을 포함할 수 있다.
나아가, 자유층(130)은 자기 이방성을 가진다. 자기 이방성은 적어도 하나의 이축의 구성요소(biaxial component)를 포함한다. 또한, 자기 이방성은 일축의 구성요소(uniaxial component)를 포함할 수 있다. 자기 이방성의 이축의 구성요소는 임계 스위칭 전류(Jco)와 같은 특성들에게 불리한 영향을 미치지 아니하면서 실질적으로 소프트 에러율을 개선시키는 결과를 초래할 수 있다. 전체, 일부분(즉, 하나 또는 그 이상의 층들), 또는 일부의 다른 구성요소들로서 자유층(130)은 이축 이방성을 가질 수 있음을 주의한다.
이축 이방성의 효과는 도 3 및 4에 각각 도시된 그래프 150 및 150A의 맥락에서 이해될 수 있다. 그래프 150 및 150A는 단지 설명을 위한 목적이며, 특별한 자기 접합을 나타내는 것을 의미하지 않는다. 나아가, 곡선들(160, 170, 180)은 명료함을 위해 오프셋(offset)된다. 일 예로, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 자유층(130)의 자기 이방성 에너지는 다음과 같이 특정 방향으로부터의 각도의 함수로 주어질 수 있다.
E(θ) = Kunisin2(θ) + Kbisin2(2θ)
Kunisin2(θ) 항("일축의 항")은 일축 자기 이방성에 상응한다. Kbisin2(2θ) 항("이축의 항")은 이축 이방성에 상응한다. 만일 이축 항이 0(zero)이면, 자유층(130)은 일축 이방성을 가질 수 있을 것이다. 이것은 도 3의 일축 에너지 곡선(160)에 상응한다. 에너지 곡선(160)은 자화 용이축(easy axis) 방향을 따라서 최소값들(162)을 가진다. 따라서, 일축 에너지 곡선(160)은 θ= -π, 0, π 에서 최소값들(162)을 가진다. 일반적으로, 이 방향들은 피고정층(110)의 자화(미도시)에 평행 및 반평행하다. 0(zero)도에 가까운 자유층(130)의 초기 상태들은 점들(164)에 의해 도시된다. 우연히도 이 방향들(예를 들면, θ=0)은 스핀 전달 토크 및 자기장 토크의 정체 지점들(stagnation points)에 상응한다. 스핀 전달 토크 정체 지점에서, 스핀 분극 전류는 자유층(130)의 자화에 약간의 토크를 가하거나 전혀 가하지 못한다. 일축 이방성에서, 스핀 전달 토크 정체 지점은 자유층(130)의 자화가 평형 위치에 있고 자화 용이축(θ= 0 및 π)에 정렬되는 구성에 상응한다. 여기서 사용된 바와 같이, 자화 용이축은 일축 이방성 만으로 자유층(130)의 자화가 안정한 방향들에 상응한다. 일축의 항은 정체 지점에서의 자유층(130)의 자화에 상응하기 때문에, 인가된 임계 전류에 반응하여 자유층(130)이 스위칭되지 않을 가능성이 보다 더 높아진다. 따라서, 소프트 에러율은 이와 같은 접합에서 보다 더 높아질 수 있다.
만일 일축 항이 0이라면, 상기의 예에서 자유층(130)의 이방성 에너지는 이축 항이 된다. 자유층(130)은 이축의 이방성을 가질 수 있을 것이다. 결과적으로, 에너지 최소값들(자유층(130)의 안정한 상태들)은 일축의 자화 용이축 방향(θ= 0, π/2 및 π)을 따르거나 이에 수직일 수 있을 것이다. 일반적으로, 이 방향들은 피고정층(110)의 자화(미도시)에 평행, 수직 및 반평행하다. 우연히도 이 방향들 중의 하나(예를 들면, θ=π/2)는 스핀 전달 토크의 정체 지점에서 떨어져 있다. 그러나, 나머지 두 방향들(θ= 0, π)은 스핀 전달 토크의 정체 지점에 가깝다.
만일 일축 이방성에 더하여 약간의 이축 이방성이 있다면, 일축의 에너지 곡선(160)은 이축 항(Kbisin2(2θ))에 의해 교란된다. 에너지 곡선(170)은 작은 이축 이방성에 대한 에너지 대 각도의 관계를 도시한다. 다르게 얘기하면, 이축 이방성의 절대 값(또는 크기)은 일축의 값보다 더 작다. 그러나, 이축과 일축 이방성들의 표시들은 같거나 다를 수 있다. 작은 이축 항의 도입으로 인해 곡선(170)은 -π, 0 및 π일 때의 최소값들(172) 근처에서 평평해진다. 0(zero) 근처의 자유층(130)의 안정한 상태들은 점들(174)에 의해 도시된다. 에너지 곡선(170)은 평평하기 때문에, 자화가 반대 상태로 스위치 되기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽의 변화없이 자유층(130)의 초기 상태들은 더 크게 퍼질(spread) 수 있다. 따라서, 열적 안정성은 영향을 받지 않을 수 있다. 자유층(130)의 안정한 상태들의 더 큰 퍼짐은 자유층(130)의 자화가 자화 용이축으로부터 일정 각도에서 좀 더 있을 가능성을 높게 하는 것에 상응한다. 다시 말해서, 자유층(130)의 자화는 도 3의 0(zero)도 외의 각도에 있을 가능성이 더 높다. 따라서, 자유층(130)의 자화는 스핀 전달 토크의 정체 지점으로부터 떨어져 있을 가능성이 높다. 결과적으로, 자유층(130)의 자화는 임계 스위칭 전류의 인가에 의해 더 쉽게 스위칭될 수 있다.
자기 이방성 에너지의 이축 항(Kbisin2(2θ))의 크기가 더욱 증가할 때, 일축 에너지 곡선(160)은 더욱 교란된다. 에너지 곡선(180)은 더 큰 이축 이방성에 대한 에너지와 각도의 관계를 도시한다. 곡선(180)에서의 이축 이방성은 일축 이방성보다 훨씬 더 적다. 다르게 얘기하면, 이축 이방성의 절대값은 일축 이방성의 절대값보다 훨씬 더 적다. 그러나 다양한 실시예들에서, 이축과 일축 이방성들의 표시들은 같거나 다를 수 있다. 더 큰 이축 항의 도입 때문에 곡선은 더 이상 -π, 0 및 π에서 최소값들을 갖지 않는다. 대신에, 최소값들(182)은 -π, 0 및 π로부터 일정 각도에 있다. 국부 최대값들(184)은 0, -π, π 그리고 그 근처에 있다. 자화 용이축과 최소값들(182) 사이의 상기 각도는 0(zero)보다 크고 π/2보다 작다. 일부 실시예들에서, 상기 각도는 π/18 이상이고 π/4 이하이다(10°- 45°). 이와 같은 일부 실시예들에서, 상기 각도는 π/9 이상이고 π/6 이하이다(20°- 30°). 따라서, 자유층(130) 자화의 안정한 상태들은 상기 각도에서 또는 그 근처(예를 들면, 곡선(180)의 에너지 최소값들에서)에서 있을 수 있다. 0(zero) 근처에서의 자유층(130)의 안정한 상태들은 점들(186)에 의해 도시된다. 에너지 곡선(180)은 0(zero)에서 국부 최대값(184)을 가지기 때문에, 점들(186)은 최소값(182) 또는 그 근처에 있다.
도 4는 3차원에서의 에너지 곡선(180a)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 곡선(180/180a)은 자화 용이축(각도는 0(zero)이다) 주위에서 대칭적이다. 일부 실시예들에서, 자유층(130) 자화는 일축의 자화 용이축으로부터 10도 이상 45도 이하에서 있을 수 있다. 이와 같은 일부 실시예들에서, 자유층(130)의 자화는 일축의 자화 용이축으로부터 10도 이상 45도 이하의 방향에서 안정될 수 있다. 자유층(130)의 자기 이방성은 콘 이방성(cone anisotropy)이라 일컬어질 수 있다. 또한, 자유층(130)의 자기 이방성은 일축 이방성과 이축 이방성의 결합이다. 자유층(130)의 초기 상태들에서의 더 큰 퍼짐은 자유층(130)의 자화가 자화 용이축으로부터 작은 각도(또는 기울어진)에 있을 가능성이 높다. 다르게 말하면, 자유층(130)의 자화는 도 3에서 0(zero)도 이상인 각도에 있을 가능성이 높다. 따라서, 자유층(130)의 자화는 스핀 전달 토크의 정체 지점으로부터 떨어져 있을 가능성이 높다.
자유층(130)에서 이축 이방성의 도입은 자유층(130)의 스위칭 특성들을 개선시킬 수 있다. 에너지 곡선의 최소값은 0(zero) 근처에서 평평해지거나(에너지 곡선(170)) 0(zero)으로부터 떨어질 수 있다(에너지 곡선(180)). 따라서, 자유층(130)의 자화는 자화 용이축과의 정렬로부터 기울어진 안정된 상태를 가질 수 있다. 이렇게 하여, 자유층(130)의 자화는 스핀 전달 토크 또는 장(field)에 의해 유도된 토크에 의해 좀 더 쉽게 스위치될 것으로 여겨질 수 있다. 이러한 특성은 더 낮은 소프트 에러율에 상응한다. 이는 높은 데이터 속도들(10ms 전이 시간보다는 작은)에서도 사실일 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 이러한 개선은 임계 스위칭 전류의 크기에 불리한 영향을 미치지 아니하면서 실질적으로 달성될 수 있는 것으로 판명된다. 이에 더하여, 자기 접합(100)의 열적 안정성 및 등방성은 불리한 영향을 받지 않을 수 있다. 자기 접합(100)을 스위치 시키는데 있어서 외부 자기장이 필요하지 않기 때문에, 자기 접합(100)은 보다 높은 메모리 밀도들에 더욱 집적 가능할 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)의 성능 및 유연성, 그리고 이러한 자기 접합(100)을 이용하는 메모리는 개선될 수 있다.
다른 이방성들이 앞서 설명한 일축 이방성과 이축 이방성의 결합과 유사한 용이 콘 이방성(easy cone anisotrophy)을 일으킬 수 있다. 용이 콘 이방성은 극축(polar axis)으로부터 0(zero)이 아닌 각도에서 안정한 자기 모멘트들을 갖는 자유층들에서 발생된다. 이러한 경우, 만일 자화가 이러한 콘(cone) 상에 있다면 시스템의 에너지가 같아지도록 일반적인 용이축은 콘(cone)으로 축퇴(degenerate)된다. 따라서, 자유층(130)은 극축(polar axis)으로부터 0(zero)이 아닌 각도에서 최소 에너지를 가질 수 있다. 특히, 서로 다른 각도 의존성들을 갖는 둘 이상의 이방성들의 결합은 용이 콘 이방성을 야기할 수 있다. 0(zero)이 아닌 각도에서 적어도 하나의 에너지 최소값을 갖고, 어느 두 항들의 비율이 각도 의존성을 갖는 전체 이방성 에너지는 용이 콘 이방성을 일으킬 수 있다. 달리 얘기하면, 다음의 전체 에너지는 용이 콘 이방성을 일으킬 수 있다.
Etotal(θ)=E1(θ)+E2(θ)+E3(θ)+...+En(θ), 여기서, Ei(θ)/Ej(θ)=f(θ)
Etotal(θ)는 θ≠0(zero)에서 적어도 하나의 최소값을 갖는 자유층에 대한 전체 에너지이고, 극축(polar axis)은 θ=0(zero)에 상응한다. 각각의 Ei(θ)(여기서, i=1, 2,... n)는 θ에 의존성을 갖는 에너지 항이다. 앞서 설명한 일축 및 이축 이방성은 이러한 용이 콘 이방성의 특별한 경우라고 할 수 있다. 위의 기준을 따르는 다른 에너지 항들 또한 용이 콘 이방성을 일으킬 수 있다. 일 예로, 자유층(130)의 이방성 에너지가 Etotal(θ) = K1sin2(θ) + K2sin4(θ)라고 가정하자. 이러한 수식에서, E1(θ)는 K1sin2(θ)이고, E2(θ)는 K2sin4(θ)이며, f(θ)는 K1/(K2sin2(θ))이다. 두 에너지 항들은 1보다 큰 차수(order)의 일축 항들(2θ 의존성 대신 θ 의존성을 갖는)로 간주될 수 있다. 일 예로, E1(θ)은 2차수(sin2)이고, 반면에 E2(θ)는 4차수(sin4)이다. K1 및 K2 값들에 일정한 제한들(특히, K1 < 0, K2> -K1)이 충족된다면, 이러한 결합은 0(zero)이 아닌 θ에서 에너지 최소값을 가진다. 전체 에너지는 위의 기준에 일치하고, 따라서 용이 콘 이방성을 가진다. 이와 마찬가지로, Etotal(θ) = K1 *sin2(θ) + K2 *sin6(θ)의 전체 에너지는 단지 두 항들만 있음에도 불구하고 용이 콘 이방성을 야기한다. 이러한 용이 콘 이방성의 또 다른 예는 능면체(rhombohedral) 결정 구조 및 Etotal(θ) = K1 *Sin2(θ) + K2 *Sin4(θ) + K3 *Cos(θ)*Sin3(θ)로 주어지는 전체 에너지를 갖는 자유층(130)이다. 더욱이, 특정 자유층은 일축, 이축 및/또는 고차의 일축 이방성들의 결합에 기인하는 용이 콘 이방성을 가질 수 있다. 일 예로, Etotal(θ)= K1sin2(θ) + K2sin4(θ)+ Kunisin2(θ) + Kbisin2(2θ)의 전체 이방성 에너지를 갖는 자유층(130)이 제공될 수 있다. 이와 같은 자유층은 처음 두개의 고차(higher order) 항들에 기인하는 용이 콘 이방성 뿐만 아니라, 세 번째 항에 기인하는 1차수의 일축 이방성 및 마지막 항에 기인하는 이축 이방성을 가진다. 따라서, 둘 이상의 항들을 갖는 전체 이방성 에너지를 가지는 자유층(130)은 0(zero)이 아닌 각도에서 적어도 하나의 에너지 최소값을 갖는다. 또한, 각도에 따라 두 항들의 비율이 변하는 전체 이방성 에너지를 갖는 자유층(130)은 용이 콘 이방성을 야기한다.
일부 실시예들에서, 전체 에너지 Etotal의 이방성 항들의 주요 근원은 자유층(130)의 자기결정(magnetocrystalline) 이방성이다. 서로 다른 자기결정 이방성들은 서로 다른 결정학적 구조들로부터 유래될 수 있고, 서로 다른 각도 의존성들을 가질 수 있다. 마찬가지로, 용이 콘 이방성은 적어도 부분적으로는 정자기적으로(magnetostatically) 유도된 것으로 간주될 수 있다. 자유층(130)의 반자화 에너지(Kdemagsin2θ)는 음의 에너지 상수(Kdemag)을 갖고 및 포화 자화(Ms)에 대한 의존성을 갖는 일축 이방성으로 간주될 수 있다. 반자화 에너지에 대한 Kdemag의 크기는 Ms를 콘트롤 하는 것에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 에너지 Etotal(θ)에서 일부 항들에 대한 상수들의 비율의 크기는 Ms를 콘트롤 하는 것에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 원하는 용이 콘 이방성이 달성될 수 있다. 마찬가지로, 용이 콘 이방성은 자유층에 인접한 층들에 의해 유도될 수 있다. 일 예로, 상기 전체 에너지의 에너지 항들 중의 적어도 하나는 기준층(110) 또는 캡핑층(140)으로부터 자유층(130)을 분리하는 인접한 스페이서층(120)에 의해 유도될 수 있다. 일 예로, MgO와 같은 물질은 상기의 전체 에너지에 기여하고, θ에 의존하는 수직 이방성을 유도할 수 있고, 따라서 용이 콘 이방성에 기여할 수 있다. 나아가, 다른 이방성들은 전체 이방성 에너지에 기여할 수 있다.
용이 콘 이방성의 도입은 스핀 토크 스위칭을 개선하는데 있어서 이점들을 가질 수 있다. 일 예로, 자유층(130)은 개선된 스위칭 특성들을 보인다. 도 3 및 도 4에 도시된 곡선들(170, 180)과 유사하게, 에너지 곡선의 최소값은 0(zero) 근처에서 평평해지거나, 0(zero)으로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 자유층(130)의 자화는 스핀 전달 토크 또는 장(field)에 의해 유도된 토크에 의해 더욱 쉽게 스위칭되는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 특성은 더 낮은 소프트 에러율에 상응한다. 이는 높은 데이터 속도들(10ms 전이 시간보다는 작은)에서도 들어맞을 수 있다. 이러한 개선은 임계 스위칭 전류의 크기에 불리한 영향을 미치지 아니하면서 실질적으로 달성될 수 있다. 이에 더하여, 자기 접합(100)의 열적 안정성 및 등방성은 불리한 영향을 받지 않을 수 있다. 자기 접합(100)을 스위치 시키는데 있어서 외부 자기장이 필요하지 않기 때문에, 자기 접합(100)은 보다 높은 메모리 밀도들에 더욱 집적 가능할 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)의 성능 및 유연성, 그리고 이러한 자기 접합(100)을 이용하는 메모리는 개선될 수 있다.
용이 콘 이방성 및/또는 이축 이방성의 도입은 자유층(130)의 특성들을 개선시킬 수 있다. 이러한 이방성을 얻기 위한 방법들은 다양하다. 도 5는 이축 이방성을 가지는 자유층(130a)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에 있어서, 자유층(130a) 또한 앞서 논의한 용이 콘 이방성을 가질 수 있다. 또한, 비자성 스페이서층(120a)이 도시된다. 도시된 실시예에서, 자유층(130a)은 구조적으로 유도된, 텍스쳐(texture)에 의해 유도된 및/또는 자기 변형(magnetostriction)에 의해 유도된 용이 콘 이방성 및/또는 이축 이방성을 가질 수 있다. 이축 이방성에 더하여, 자유층(130)은 일축 이방성을 가질 수 있다. 일 예로, 자유층(130a)이 구조적으로 유도된 이축 이방성을 가지려고 한다면, 결정성 에너지 계수(K1=Kbi)는 제 1 방향으로 증가하고, 반면에 포화 자화(saturation magnetization: Ms)는 제 1 방향에 반대인 제 2 방향으로 증가한다. 이를 달성하기 위한 일 메커니즘이 도 6에 도시된다.
도 6은 이축 이방성을 가지는 자유층(130b)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 자유층(130b)은 또한 일축 이방성을 가질 수 있다. 자유층(130b)은 복수의 층들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 4개의 층들(132, 134, 136 및 138)이 도시된다. 다른 실시예들에서, 다른 다수의 층들이 사용될 수 있다. 층들(132, 134, 136 및 138)은 각각의 포화 자화들(Ms1, Ms2, Ms3 및 Ms4)을 가진다. 마찬가지로, 층들(132, 134, 136 및 138)은 각각의 이축의 결정성 에너지 계수들(Kbi1, Kbi2, Kbi3 및 Kbi4)을 가진다. 도 6에 도시된 바와 같이, Ms는 비자성 스페이서층(도 6에서 미도시)에 가까울수록 증가한다. 마찬가지로, Kbi는 비자성 스페이층에 가까울수록 감소한다. 이와 같은 복수의 층은 이축 이방성을 가질 수 있다. 상기의 메커니즘에 대신하거나 또는 이에 더하여, 이축 이방성은 다른 방식에 의해 구조적으로 유도될 수 있다. 다른 실시예들에서, 특정 물질들의 농도의 구배들이 유사한 효과를 달성하는데 사용될 수도 있다. 일 예로, 음의 Kbi는 이축 이방성을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 나아가, 일부 물질들은 이축 이방성을 제공할 가능성이 높을 수 있다. 일 예로, 자유층은 LaSrMnO3, GaAs, MnAs, MnAl, Nd2Fe14B, Ho2Fe14B, NdFeB, Fe, FeCo, YCo5, Ni, 페라이트들(Co를 적게 함유하는 또는 전혀 포함하지 않은), CoOFe2O3, FeO-FeO3, MnO-Fe2O3, NiO-Fe2O3 및 MgO-Fe2O3 중 하나 이상 포함할 수 있을 것이다. 이렇게 하여, 자유층(130a/130b)의 구조는 원하는 이축 이방성을 얻기 위해 조정될 수 있다.
다른 실시예들에서, 용이 콘 이방성 및/또는 이축 이방성은 텍스쳐(texture)에 의해 유도될 수 있다. 일 예로, 입방체의 이방성을 가지는 자성층(들)이 제공된다고 가정하자. 이에 더해, 자유층(130a)은 면 내(in-plane) 이방성을 가지는 박막일 수 있다. 그 결합은 Asin2(θ) + Bsin22θ + Csin2θ (여기서, A, B 및 C는 계수들이다)에 의해 주어진 에너지를 가질 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 자유층(130b)은 일축 이방성과 결합된 이축 이방성을 가진다. 게다가, 이축 이방성은 자유층(130a)의 자기변형(magnetostriction)을 통해서 유도될 수 있다. 따라서, 자유층들(130a/130b)은 이축 이방성을 가진다. 결과적으로, 자유층들(130/130a)은, 자기 접합에 포함될 때에, 여기에서 설명한 이익들을 하나 이상 제공할 수 있다.
도 7은 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(200)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 자유층은 용이 콘 이방성을 가질 수 있다. 도 7은 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(200)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(200)은 자기 접합(100)과 유사하고, 그래서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(200)은 선택적 씨드층(들)(102), 선택적 고정층(104), 피고정층(110), 비자성 스페이서층(120), 자유층(130) 및 선택적 캡핑층(들)(140)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(202), 선택적 고정층(204), 피고정층(210), 비자성 스페이서층(220), 자유층(230) 및 선택적 캡핑층(들)(240)을 포함한다. 층들(210, 220, 230 및 240)은 층들(110, 120, 130 및 140)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 앞서 논의한 바와 같이, 자유층(230)은 이축 이방성을 가진다. 그 결과, 앞서 설명된 이익들이 달성될 수 있다.
이에 더해, 자유층(230)은 실질적으로 면 내에 있는 자화 용이축(232)을 가진다. 따라서, 수직 이방성 에너지는 자유층(230)의 면을 벗어나는 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하지 않는다. 이축 이방성 때문에, 자유층 자화(234)의 안정한 상태는 자화 용이축(232)으로부터 일정 각도(θ)에 있다. 각도(θ)는 에너지 곡선(180)의 에너지 최소값들에 상응한다. 피고정층(210)은 또한 면 내에 고정된 자화(212)를 가지는 것으로 도시된다. 따라서, 수직 이방성 에너지는 피고정층(210)의 면을 벗어나는 반자화 에너지를 초과하지 않는다. 그러나, 다른 실시예에서, 자화(212)는 다른 방향일 수 있다.
도 8은 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(200A)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 8은 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(200A)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(200A)은 자기 접합들(100 및 200)과 유사하고, 따라서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(200A)은 선택적 씨드층(들)(102/202), 선택적 고정층(104/204), 피고정층(110/210), 비자성 스페이서층(120/220), 자유층(130/230) 및 선택적 캡핑층(들)(140/240)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(202a), 선택적 고정층(204a), 피고정층(210a), 비자성 스페이서층(220a), 자유층(230a) 및 선택적 캡핑층(들)(240a)을 포함한다. 층들(210a, 220a, 230a 및 240a)은 층들(110/210, 120/220, 130/230 및 140/240)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 게다가, 적어도 하나의 일부 실시예들에서, 고정층(204a)은 생략될 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 자유층(230a)은 이축 이방성을 가진다. 그 결과, 앞서 설명된 이익들이 달성될 수 있다.
이에 더해, 자유층(230a)은 실질적으로 면에 수직으로 있는 자화 용이축(232a)을 가진다. 따라서, 자유층(230a)의 면을 벗어나는 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)는 수직 이방성 에너지보다 작다. 이축 이방성 때문에, 자유층 자화(234a)의 안정한 상태는 자화 용이축(232a)으로부터 일정 각도(θa)에 있다. 각도(θa)는 에너지 곡선(180)의 에너지 최소값들에 상응한다. 피고정층(210a)은 또한 면에 수직으로 고정된 자화를 가지는 것으로 도시된다. 따라서, 피고정층(210a)의 면을 벗어나는 반자화 에너지는 수직 이방성 에너지보다 작다. 그러나, 다른 실시예에서, 자화(212a)는 다른 방향일 수 있다.
도 9은 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(200B)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 9은 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(200B)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(200B)은 자기 접합(100/200/200A)과 유사하고, 따라서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(200B)은 선택적 씨드층(들)(102/202/202a), 선택적 고정층(104/204/204a), 피고정층(110/210/210a), 비자성 스페이서층(120/220/220a), 자유층(130/230/230a) 및 선택적 캡핑층(들)(140/240/240a)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(202b), 선택적 고정층(204b), 피고정층(210b), 비자성 스페이서층(220b), 자유층(230b) 및 선택적 캡핑층(들)(240b)을 포함한다. 층들(210b, 220b, 230b 및 240b)은 층들(110/210/210a, 120/220/220a, 130/230/230a 및 140/240/240a)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 앞서 논의한 바와 같이, 자유층(230b)은 이축 이방성을 가진다. 그 결과, 앞서 설명된 이익들이 달성될 수 있다. 자유층(230b)의 자화 용이축은 도시되지 않았고, 그래서 면에 수직인 또는 면 내인 방향을 포함하는 원하는 방향이 될 수 있다.
이에 더해, 피고정층(210b)은 강자성층들(212, 216) 및 비자성 스페이서층(214)을 포함하는 SAF이다. 다른 실시예들에서, 피고정층(210b)은 추가적인 층들 및/또는 다른 층들을 포함할 수 있다. 강자성층(212)은 고정층(204b)과의 교환 결합 또는 다른 메커니즘을 통해서 고정된 자화를 가진다. 기준층(216)은 고정된 자화층(212)에 자기적으로 결합된다.
도 10은 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(200C)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 10은 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(200C)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(200C)은 자기 접합(100/200/200A/200B)과 유사하고, 따라서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(200C)은 선택적 씨드층(들)(102/202/202a/202b), 선택적 고정층(104/204/204a/204b), 피고정층(110/210/210a/210b), 비자성 스페이서층(120/220/220a/220b), 자유층(130/230/230a/230b) 및 선택적 캡핑층(들)(140/240/240a/240b)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(202c), 선택적 고정층(204c), 피고정층(210c), 비자성 스페이서층(220c), 자유층(230c) 및 선택적 캡핑층(들)(240c)을 포함한다. 층들(210c, 220c, 230c 및 240c)은 층들(110/210/210a/201b, 120/220/220a/220b, 130/230/230a/230b 및 140/240/240a/240b)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 앞서 논의한 바와 같이, 자유층(230c)은 이축 이방성을 가진다. 그 결과, 앞서 설명된 이익들이 달성될 수 있다. 자유층(230c)의 자화 용이축은 도시되지 않았고, 그래서 면에 수직인 또는 면 내인 방향을 포함하는 원하는 방향이 될 수 있다.
이에 더해, 자유층(230c)은 강자성층들(232, 236) 및 비자성 스페이서층(234)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(232, 236)은 자기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 층들(232, 236)은 반강자성적으로 정렬된다. 다른 실시예들에서, 층들(232, 236)은 강자성적으로 정렬된다. 자유층(230c)은 또한 추가적인 층들 및/또는 다른 층들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 강자성층들(232, 236)의 하나 또는 모두는 이축 이방성을 포함한다. 따라서, 여기에서 논의된 이익들이 달성될 수 있다.
도 11은 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(200D)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 11은 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(200C)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(200D)은 자기 접합(100/200/200A/200B/200C)과 유사하고, 그래서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(200D)은 선택적 씨드층(들)(102/202/202a/202b/202c), 선택적 고정층(104/204/204a/204b/204c), 피고정층(110/210/210a/210b/210c), 비자성 스페이서층(120/220/220a/220b/220c), 자유층(130/230/230a/230b/230c) 및 선택적 캡핑층(들)(140/240/240a/240b/240c)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(202d), 선택적 고정층(204d), 피고정층(210d), 비자성 스페이서층(220d), 자유층(230d) 및 선택적 캡핑층(들)(240d)을 포함한다. 층들(210d, 220d, 230d 및 240d)은 층들(110/210/210a/201b/210c, 120/220/220a/220b/220c, 130/230/230a/230b/230c 및 140/240/240a/240b/240c)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 앞서 논의한 바와 같이, 자유층(230d)은 이축 이방성을 가진다. 그 결과, 앞서 설명된 이익들이 달성될 수 있다. 자유층(230d)의 자화 용이축은 도시되지 않았고, 그래서 면에 수직인 또는 면 내인 방향을 포함하는 원하는 방향이 될 수 있다.
도시된 실시예에서, 자유층(230d) 및 피고정층(210d)은 각각 SAF이다. 피고정층(210d)은 강자성층들(212a, 216a) 및 비자성 스페이서층(214a)을 포함한다. 강자성층(212a)은 고정층(204d)과의 교환 결합 또는 다른 메커니즘을 통해서 고정된 자화를 가진다. 기준층(216a)은 고정된 자화층(214a)에 자기적으로 결합된다. 이와 같이 자유층(230d)은 강자성층들(232a, 236a) 및 비자성 스페이서층(234a)을 포함한다. 강자성층들(232a, 236a)은 자기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 층들(232a, 236a)은 반강자성적으로 정렬된다. 다른 실시예들에서, 층들(232a, 236a)은 강자성적으로 정렬된다. 다양한 실시예들에서, 강자성층들(232a 및 236a)의 하나 또는 모두는 이축 이방성을 포함한다. 따라서, 여기에서 논의된 이익들이 달성될 수 있다.
도 12는 이축 이방성 및/또는 용이 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 자기 접합(300)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 도 12는 실제 크기의 비율이 아니며, 이해를 돕기 위함이다. 자기 접합(300)은 STT-RAM과 같은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 자기 접합(300)은 자기 접합(100/200/200A/200B/200C/200D)과 유사하고, 따라서 비슷한 구조들을 포함한다. 자기 접합(300)은 선택적 씨드층(들)(102/202/202a/202b/202c/202d), 선택적 고정층(104/204/204a/204b/204c/204d), 피고정층(110/210/210a/210b/210c/210d), 비자성 스페이서층(120/220/220a/220b/220c/220d), 자유층(130/230/230a/230b/230c/230d) 및 선택적 캡핑층(들)(140/240/240a/240b/240c/240d)과 각각 유사한 선택적 씨드층(들)(302), 선택적 고정층(304), 피고정층(310), 비자성 스페이서층(320), 자유층(330) 및 선택적 캡핑층(들)(370)을 포함한다. 층들(310, 320, 330 및 370)은 층들(110/210/210a/201b/210c/210d, 120/220/220a/220b/220c/220d, 130/230/230a/230b/230c/230d 및 140/240/240a/240b/240c/240d)의 것들과 각각 유사한 구조 및 기능을 가진다. 자유층(330)의 자화 용이축은 도시되지 않았고, 그래서 면에 수직인 또는 면 내인 방향을 포함하는 원하는 방향이 될 수 있다.
자기 접합(300)은 또한 추가적인 비자성 스페이서층(340), 추가적인 피고정층(350) 및 선택적인 추가적 고정층(360)을 포함한다. 비자성 스페이서층(340)은 비자성 스페이서층(320)과 유사하다. 추가적인 피고정층(350) 및 선택적인 추가적 고정층(360)은 층들(310, 304)과 각각 유사하다. 따라서, 자기 접합(300)은 이중 접합이다. 일 예로, 만일 비자성 스페이서층들(320, 340)이 결정성 MgO와 같은 절연성 터널링 장벽층들이라면, 자기 접합(300)은 이중 MTJ이다. 만일 비자성 스페이서층들(320, 340)이 도전성이라면, 자기 접합(300)은 이중 스핀 밸브이다. 다른 구조들이 또한 비자성 스페이서층들(320, 340)에 가능하다. 나아가, 비자성 스페이서층들(320, 340)은 서로 같은 필요가 없다.
자유층(330)은 이축 이방성을 가진다. 게다가, 자유층(330)은 자유층들(130, 230, 230a, 230b, 230c 및/또는 230d)중 어느 것과도 유사할 수 있다. 그 결과, 앞서 설명한 이익들이 이중 자기 터널 접합에서 달성될 수 있다. 일 예로, 자기 접합(300)은 열적 안정성, 집적도 또는 낮은 임계 스위칭 전류의 희생없이 보다 낮은 소프트 에러율을 가질 수 있다.
다양한 자기 접합들(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및 300)이 소개되었다. 자기 접합들(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및 300)의 다양한 특징들이 결합될 수 있음을 주의한다. 따라서, 감소된 소프트 에러율, 수직 이방성, 열적 안정성 및/또는 집적도와 같은 자기 접합들(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및 300)의 이익들 중 하나 이상이 달성될 수 있다.
나아가, 자기 접합들(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및 300)은 자기 메모리에 사용될 수 있다. 도 13은 이러한 메모리(400)의 한 예시적인 일 실시예를 도시한다. 자기 메모리(400)는 워드 라인 셀렉트 드라이버(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 컬럼 셀렉트 드라이버들(402, 406)을 포함한다. 그 밖의 및/또는 다른 구성요소들이 제공될 수 있음을 주의한다. 메모리(400)의 저장 영역은 자기 저장 셀들(410)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(412)과 적어도 하나의 셀렉션 디바이스(414)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 셀렉션 디바이스(414)는 트랜지스터이다. 자기 접합들(412)은 자기 접합들(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및 300) 중의 하나일 수 있다. 비록 셀당(410) 하나의 자기 접합(412)이 도시되지만, 다른 실시예들에서, 셀당(410) 다른 다수의 자기 접합들(412)이 제공될 수 있다. 그런 만큼, 자기 메모리(400)는 보다 낮은 소프트 에러율 및 낮은 임계 스위칭 전류와 같은 앞서 설명한 이익들을 향유할 수 있다.
도 14는 자기 서브구조를 제조하는 방법(500)에 관한 예시적인 일 실시예를 도시한다. 단순화를 위해, 일부 단계들은 생략되거나 결합될 수 있다. 방법(500)은 자기 접합(100)의 맥락에서 설명된다. 그러나 방법(500)은 접합들(200, 200A, 200B, 200C, 200D 및/또는 300)과 같은 다른 접합들에 사용될 수 있다. 게다가, 방법(500)은 자기 메모리(400)와 같은 자기 메모리들의 제조에 포함될 수 있다. 따라서, 방법(500)은 STT-RAM 또는 다른 자기 메모리를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 방법(500)은 씨드층(들)(102) 및 선택적 고정층(104)이 제공된 후에 개시될 수 있다.
피고정층(110)은 단계(502)에 의하여 제공된다. 단계(502)는 피고정층(110)의 원하는 두께를 원하는 물질들로 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 단계(502)는 SAF를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 비자성층(120)은 단계(504)에 의하여 제공된다. 단계(504)는 원하는 비자성 물질들(결정성 MgO를 포함하나 이로 한정하지 않는)을 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 이에 더해, 물질의 원하는 두께는 단계(502)에서 증착될 수 있다.
이축 이방성을 가지는 자유층(130)은 단계(506)에 의하여 제공된다. 일부 실시예들에서, 단계(506)는 복수층, SAF 및/또는 다른 구조를 증착하는 것에 의해 완료될 수 있다. 그리고 나서, 단계(508)에 의해서 제조는 완료된다. 일 예로, 캡핑층(140)이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 추가적 스페이서층(340), 추가적 피고정층(350) 및 선택적인 추가적 고정층(360)이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 접합의 층들이 적층으로 증착되고, 그 이후에 단계(508)는 자기 접합(100)을 구분하는 것, 어닐링을 실행하는 것 또는 이와는 다르게 자기 접합(100)의 제조를 완료하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 만일 자기 접합(100)이 STT-RAM과 같은 메모리에 포함된다면, 단계(508)는 콘택들, 바이어스 구조들 및 메모리(400)의 다른 부분들을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
이렇게 하여, 자기 접합(100, 200, 200A, 200B, 200C, 200D 및/또는 300)이 형성된다. 그 결과, 자기 접합의 이익들이 달성될 수 있다.
자기 메모리 및 자기 메모리 소자/자기 서브 구조를 이용하여 제조된 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 상기 방법과 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 부합되게 설명되었고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형들이 있을 수 있고, 어떤 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그런 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 만들어 질 수 있다.

Claims (24)

  1. 자기 장치에 사용하기 위한 자기 접합에 있어서,
    피고정층;
    비자성 스페이서층; 및
    자기 이방성 에너지를 가지는 자유층을 포함하고,
    상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자기 이방성 에너지의 적어도 일부분은 용이 콘(easy cone) 이방성 에너지이고,
    상기 용이 콘 이방성 에너지는 복수의 에너지 항들을 가지되, 상기 복수의 에너지 항들은 상기 복수의 에너지 항들 중 어느 두 항의 비율이 각도 의존성을 가지도록 서로 다른 각도 의존성을 갖고,
    상기 용이 콘 이방성 에너지는 0(zero)이 아닌 각도에서 적어도 하나의 에너지 최소값을 가지며,
    쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과하여 흐를 때 상기 자유층이 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되고,
    상기 피고정층은 피고정층의 수직 이방성 에너지 및 피고정층의 면을 벗어나는 반자화 에너지를 포함하고, 상기 피고정층의 면을 벗어나는 반자화 에너지는 상기 피고정층의 수직 이방성 에너지보다 작은 자기 접합.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 항들은 1차수보다 큰 차수를 가지는 항들을 포함하는 적어도 하나의 일축 이방성을 포함하되,
    상기 일축 이방성은 자화 용이축에 상응하고,
    상기 자기 이방성 에너지는 상기 자화 용이축으로부터 0(zero)이 아닌 각도에서 적어도 하나의 최소값을 가지는 자기 접합.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용이 콘 이방성을 야기하는 상기 이방성 항들 중 적어도 일부는 결정성에 의해 유도된 자기 접합.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용이 콘 이방성을 야기하는 상기 이방성 항들 중 적어도 일부는 정자기적으로(magnetostalically) 유도된 자기 접합.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 항들 중 적어도 하나는 기준층으로부터 상기 자유층을 분리시키는 인접한 스페이서층에 의해 유도되는 자기 접합.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서층은 터널링 장벽층인 자기 접합.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서층은 도전성 스페이서층인 자기 접합.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 피고정층은 기준층, 스페이서층 및 고정된 자화층을 포함하고,
    상기 스페이서층은 상기 기준층과 상기 고정된 자화층 사이에 배치되는 자기 접합.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유층은 수직 이방성 에너지 및 면을 벗어나는 반자화 에너지를 포함하고,
    상기 면을 벗어나는 반자화 에너지는 상기 수직 이방성 에너지보다 크거나 같은 자기 접합.
  13. 제 1항에 있어서,
    추가적인 피고정층; 및
    추가적인 비자성 스페이서층을 더 포함하고,
    상기 추가적인 비자성 스페이서층은 상기 자유층과 상기 추가적인 피고정층 사이에 배치되는 자기 접합.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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