KR102300698B1 - 비대칭 자유 층들을 이용한 스핀토크메모리용 자기 접합 - Google Patents

비대칭 자유 층들을 이용한 스핀토크메모리용 자기 접합 Download PDF

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Abstract

비대칭 자유 층들을 이용한 스핀토크메모리용 자기 접합이 제공된다. 상기 자기 접합은 고정층, 비자기(nonmagnetic) 스페이서 층, 비대칭(asymmetric) 자유층 및 PMA (perpendicular magnetic anisotropy) 유도층을 포함하되, 상기 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 존재하고, 상기 비대칭 자유층은 제1 보론(boron) 함유량을 가지는 제1 강자기(ferromagnetic) 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층을 포함하고, 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작고, 상기 제1 및 제2 보론 함유량은 0 원자퍼센트(atomic percent)보다 크고, 상기 자유층은 상기 PMA 유도층 및 상기 비자기 스페이서 층 사이에 존재하고, 상기 자기 접합은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하게 하한다.

Description

비대칭 자유 층들을 이용한 스핀토크메모리용 자기 접합{MAGNETIC JUNCTIONS USING ASYMMETRIC FREE LAYERS AND SUITABLE FOR USE IN SPIN TRANSFER TORQUE MEMORIES}
본 발명은 비대칭 자유 층들을 이용한 스핀토크메모리용 자기 접합에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 랜덤 억세스 메모리들(magnetic random access memories, MRAMs)은 그들의 높은 읽기/쓰기 속도, 월등한 내구성, 비휘발성 및 동작시 낮은 전력 소모와 같은 잠재력으로 인해 급격히 증가된 관심을 가지게 되었다. MRAM은 자기 물질을 정보 저장 매체로 활용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 일 유형은 STT-MRAM(spin transfer torque random access memory)이다. STT-MRAM은 자기 접합을 통해 공급되는 전류에 의해 적어도 일부가 쓰여진 상기 자기 접합들을 활용한다. 상기 자기 접합을 통해 공급되는 스핀 분극 전류(spin polarized current)는 자기 모멘트들 상의 스핀 토크(spin torque)를 상기 자기 접합 내에서 행사한다. 결과적으로, 상기 스핀 토크에 대응하는 자기 모멘트들을 가지는 층(들)은 원하는 상태로 스위치될 수 있다.
예를 들어, 도 1은 종래의 STT-MRAM으로 사용될 수 있는 종래의 자기 터널링 접합(magnetic tunneling junction, MTJ)(10)을 도시한다. 종래의 MTJ(10)는 일반적으로 하부 컨택(11)상에 종래의 시드층(12)(들)을 사용하여 배치되고, 종래의 AFM(antiferromagnetic)층(14), 종래의 고정층(16), 종래의 터널링 배리어 층(18), 종래의 자유층(20) 및 종래의 캡핑층(22)을 포함한다. 또한, 상부 컨택(24)도 보인다. 종래의 컨택(11, 24)은 CPP(current-perpendicular-to-plane)방향 또는 도 1의 z축 방향을 따라 전류를 공급하는 데에 사용된다. 종래의 시드층(12)은 일반적으로 AFM층(14)과 같은 다음 층들의 원하는 결정 구조를 가지도록 성장하는 것을 돕는 데에 활용된다. 종래의 터널링 배리어 층(18)은 자기를 띄지 않고, 예를 들면, MgO와 같은 얇은 절연체일 수 있다.
종래의 고정층(16) 및 종래의 자유층(20)은 자기를 띈다. 종래의 고정층(16)의 자화(magnetization)(17)는 일반적으로 AFM층(14)과의 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 특정한 방향으로 정지되거나 고정된다. 다른 유형의 종래의 MTJ(10)는 추가 비자기 배리어(additional nonmagnetic barrier) 또는 전도층(도시되지 않음)에 의해 자유층(20)에서 분리된 추가 고정층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 종래의 자유층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 가진다. 비록 평 내에 도시되었지만, 종래의 자유층(20)의 자화(21)는 수직한 이방성(perpendicular anisotropy)을 가진다. 몇몇의 예에서, 고정층(16) 및 자유층(20)은 각각 층들의 평면과 수직하게 방향을 가지는 그들의 자화(17, 21)를 가질 수 있다. 예를 들어, 12Å이하 정도의 두께에서는, CoFeB을 포함하는 프리층(20)은 평면과 수직하게 방향을 가지는 자신의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 그러나, 두꺼운 두께에서는, 자유층 자기 모멘트는 일반적으로 평면 상에 존재한다.
종래의 자유층(20)의 자화(21)를 바꾸기 위해, 전류는 평면에 수직하게(z축으로) 공급된다. 충분한 전류가 상부 컨택(24)으로부터 하부 컨택(11)으로 공급될 때에, 종래의 자유층(20)의 자화(21)는 종래의 고정층(16)의 자화(17)와 평행하도록 바뀔 수 있다. 하부 컨택(11)으로부터 상부 컨택(24)으로 충분한 전류가 공급될 때, 자유층의 자화(21)는 고정층(16)의 그것과 역평행(antiparallel)하도록 바뀔 수 있다. 자기 배치에서의 차이는 자기저항(magnetoresistances)들의 차이 및 그에 따른 종래의 MTJ(10)의 서로 다른 로지컬 상태(즉, 로지컬 '0' 및 로지컬 '1')와 대응된다.
다양한 제품의 사용에 대한 그들의 잠재력 때문에 자기 메모리들의 연구는 계속 진행되고 있다. 예를 들어, STT-RAM의 성능 향상에 대한 메커니즘이 요구되고 있다. 따라서, 필요한 것은 상기 스핀 전달 토크(spin transfer torque) 기반의 메모리들의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이다. 상기 필요에 따라, 그 방법 및 시스템을 여기에서 설명한다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 성능이 향상된 자기 장치용 자기 접합을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 성능이 향상된 자기 메모리(magnetic memory)를 포함하는 자기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 성능이 향상된 자기 접합 제공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합은, 자기 장치용 자기 접합(magnetic junction)에 있어서, 고정층, 비자기(nonmagnetic) 스페이서 층, 비대칭(asymmetric) 자유층 및 PMA (perpendicular magnetic anisotropy) 유도층을 포함하되, 상기 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 존재하고, 상기 비대칭 자유층은 제1 보론(boron) 함유량을 가지는 제1 강자기(ferromagnetic) 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층을 포함하고, 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작고, 상기 제1 및 제2 보론 함유량은 0 원자퍼센트(atomic percent)보다 크고, 상기 자유층은 상기 PMA 유도층 및 상기 비자기 스페이서 층 사이에 존재하고, 상기 자기 접합은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하게 한다.
여기서, 상기 자유층은, 상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층 사이의 비자기 삽입층을 더 포함할 수 있다.
상기 비자기 삽입층은 Bi, Ta, W, V, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb 및 Zr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 보론 함유량은 20 원자퍼센트보다 크고, 50원자 퍼센트보다 작고, 상기 제2 보론 함유량은 20 원자퍼센트 이하일 수 있다.
상기 제1 보론 함유량은 25 원자퍼센트 이상, 45 원자퍼센트 이하일 수 있다.
상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층은 각각 Co 및 CoFe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 강자기 층은 상기 제1 강자기 층 및 상기 고정층 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 비자기 스페이서 층 및 상기 자유층 사이의 자기 삽입층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 보론 싱크(sink) 층을 더 포함하되, 상기 PMA 유도층은 상기 자유층 및 상기 보론 싱크층 사이에 위치할 수 있다.
상기 비자기 스페이서 층 및 상기 PMA 유도층은 각각 MgO를 포함할 수 있다.
추가 고정층을 더 포함하되, 상기 PMA 유도층은 상기 자유층 및 상기 추가 고정층 사이에 배치되고, 상기 PMA 유도층은 상기 비자기 스페이서 층과 동일할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 장치는 자기 메모리(magnetic memory)를 포함하는 자기 장치에 있어서, 상기 자기 메모리의 복수의 자기 저장 셀들(magnetic storage cells) 및 상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 복수의 비트라인을 포함하되, 상기 복수의 자기 저장 셀들은 각각 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 각각의 상기 적어도 하나의 자기 접합은, 고정층과, 비자기 스페이서 층과, 비대칭 자유층과, PMA 유도층을 포함하고, 상기 비자기 스페이서 층은 상기 자유 층 및 상기 고정층 사이에 위치하고, 상기 자유층은 상기 비자기 스페이서 층 및 상기 PMA 유도층 사이에 위치하고, 상기 비대칭 자유층은, 제1 보론 함유량을 가지는 제1 강자기 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층을 포함하고, 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량 보다 작고, 상기 제1 및 제2 보론 함유량은 0 원자퍼센트보다 크고, 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하도록 상기 자기 접합이 배치된다.
여기서, 상기 프리층은 상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층 사이의 비자기 삽입층을 더 포함할 수 있다.
상기 비자기 삽입층은 Bi, Ta, W, V, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 보론 함유량은 25 원자퍼센트보다 크고, 45 원자퍼센트보다 작고, 상기 제2 보론 함유량은 20 원자퍼센트 이하일 수 있다.
상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층은 각각 Co 및 CoFe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 강자기 층은 상기 제1 강자기 층 및 상기 고정층 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 각각의 상기 적어도 하나의 자기 접합은, 적어도 하나의 자기 삽입층과, 보론 싱크층을 더 포함하고, 상기 자기 삽입층은 상기 비자기 스페이서 층 및 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 PMA 유도층은 상기 자유층 및 상기 보론 싱크층 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 각각의 상기 적어도 하나의 자기 접합은, 추가 고정층을 더 포함하고, 상기 PMA 유도층은 상기 자유층 및 상기 추가 고정층 사이에 배치되고, 상기 PMA 유도층은 비자기 스페이서 층과 동일할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합 제공 방법은 고정층을 제공하고, 비자기 스페이서 층을 제공하고, 비대칭 자유층을 제공하되, 상기 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 배치되고, 상기 비대칭 자유층은 제1 보론 함유량을 가지는 제1 강자기 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층을 포함하고, 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작고, 상기 제1 및 제2 보론 함유량은 0 원자퍼센트보다 크고, PMA 유도층을 제공하되, 상기 자유층은 상기 PMA 유도층 및 상기 비자기 스페이서 층 사이에 위치하고, 상기 자기 접합은, 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태사이에서 스위치 가능하게 하는 자기 장치 내에 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼(dual) 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 듀얼 자기 접합을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 셀(들)의 메모리 소자(들) 내의 자기 접합을 활용하는 메모리를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리 내에서 사용되고, 비대칭 자유층을 포함하는 자기 접합 제공 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
여기에서 설명되는 자기 접합(들)은 자기 장치(들) 내에 사용된다. 예를 들어, 상기 자기 접합(들)은 스핀전달토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리의 자기 저장 셀들 내에 위치할 수 있다. 비휘발성 저장 장치를 이용하는 상기 자기 메모리들은 전자 장치들 내에서 사용될 수 있다. 이와 같은 전자 장치들은 휴대폰(cellular phones), 태블릿 및 다른 모바일 장치들을 포함하되 이에 제한되지는 않는다. 상기 자기 접합은 고정층, 비자기 스페이서 층, 비대칭 자유층 및 PMA 유도층을 포함한다. 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 자유층 사이에 위치한다. 상기 자유층은 비자기 스페이서 층 및 PMA 유도층 사이에 위치한다. 상기 비대칭 자유층은 제1 보론 함유량을 가지는 제1 강자기 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층을 포함한다. 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작다. 상기 제1 및 제2 보론 함유량은 각각 0 원자퍼센트보다 크다. 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유층이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하도록 자기 접합은 배치된다.
상기 실시예들은 특정한 자기 접합들 및 특정한 구성요소를 가지는 자기 메모리들에 대하여 서술된다. 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 본 발명은 본 발명과 관계 없는 다른 추가적인 구성요소 및/또는 다른 특징을 가지는, 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용과 일관된다는 것이 쉽게 이해될 수 있다. 상기 방법 및 시스템은 또한 스핀 전달 현상, 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및 다른 물리 현상의 현재의 이해와 연관되어 설명된다. 결과적으로, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 상기 방법 및 시스템의 동작의 이론상의 설명들은 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리 현상에 대한 현재의 이해에 기초를 두고 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 상기 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 제한되는 것은 아니다. 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 상기 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 가지는 구조에 대하여 설명되는 것으로 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 상기 방법 및 시스템이 다른 구조들에 적용되는 것으로도 쉽게 이해될 수 있다. 추가적으로, 상기 방법 및 시스템은 종합적으로 또는 간결하게 특정한 층들에 대하여 설명된다. 그러나. 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 상기 층들이 다른 구조를 포함하는 것으로도 쉽게 이해될 수 있다. 나아가, 상기 방법 및 시스템은 특정한 층들을 포함하는 자기 접합들에 대하여 설명된다. 그러나, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 추가적으로 상기 방법 및 시스템과 관계없는 다른 층들을 포함하는 자기 접합들 또한 사용될 수 있는 것으로 쉽게 이해될 수 있다. 더욱이, 특정한 구성 요소들은 자기, 강자기 및 준강자기(ferrimagnetic)로 설명된다. 여기에 사용되는, "자기"의 용어는 강자기, 준강자기 또는 그와 같은 구조들을 포함할 수 있다. 따라서, 여기서 사용된 바와 같이 용어 "자기" 또는 "강자기"는 강자성체들(ferromagnets) 및 준강자성체들(ferrimagnets)을 포함하되 제한되지 않는다. 상기 방법 및 시스템은 또한 단일 자기 접합들에 대하여 설명된다. 그러나, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 상기 방법 및 시스템은 복수의 자기 접합들을 가지는 자기 메모리들의 사용과 관련된 것으로 쉽게 이해될 수 있다. 또한, 여기서 사용된 바와 같이, "평면 상(in-plane)"은 실질적으로 자기 접합의 하나 또는 그 이상의 층들의 평면 내 또는 그 평면과 평행한 것을 의미한다. 역으로, "수직(perpendicular)”은 상기 자기 접합의 하나 또는 그 이상의 층들과 실질적으로 수직한 방향과 대응된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합(100)을 주변의 구조들과 같이 도시한 도면이다. 명확하게는, 도 2는 실제 비율로 도시된 것은 아니다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합(100)을 주변의 구조들을 제외하고 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 자기 접합은 STT-RAM(spin transfer torque random access memory)과 같은 자기 장치 및 이에 따른 다양한 전자 장치들 내에서 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 고정층(110), 비자기 스페이서 층(120), 비대칭 자유층(130) 및 PMA 유도층(140)을 포함한다. 또한, 도 2는 트랜지스터(단, 이에 제한되지 않음.)를 포함하는 장치들 내의 하부의 기판(101)이 형성될 수 있음을 도시한다. 비록 층들(110, 120, 130)은 기판(101)에 대하여 특정한 방향으로 도시되었지만, 상기 방향은 다른 실시예들에서는 다양할 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에서 도시된 실시예 내에서는, 자기 접합(100)은 상부에 고정된 층 접합이다. 따라서, 자유층(130)은 고정층(110)보다 더 기판(101)에 가깝다. 다른 실시예에서는, 고정층(110)이 자기 접합(100)의 바닥에 더 가까울 수 있다(기판(101)과 가장 가까울 수 있다). 따라서, 층들(110, 120, 130, 140)은 평면에 수직한 방향(z)으로 역순이 될 수 있다. 또한, 선택적 시드층(104) 및 선택적 고정층(106)도 도시되었다. 선택적 고정층(106)은 고정층(110)의 자화(도시되지 않음)를 고정시키는 데에 사용될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 선택적 고정층(106)은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 AFM층 또는 고정층(110)의 자화(도시되지 않음)를 고정하는 복수의 층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 선택적 고정층(106)은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일 고정층(110)의 상기 PMA 에너지가 평면외 소자기 에너지(out of plane demagnetization energy)를 초과한다면, 고정층(110)의 상기 자기 모멘트는 평면에 수직이다. 상기와 같은 실시예에서는 선택적 고정층(106)은 생략될 수 있다. 자기 접합(100)은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통과할 때, 비대칭 자유층(130)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치하는 것을 허용하도록 한다. 따라서, 비대칭 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다. 자기 접합(100)은 또한 도 2 및 도 3에 도시되지 못한 층들을 포함한다. 예를 들어, 자기 삽입층(들), 싱크층(들) 및/또는 다른 층(들)도 제공될 수 있다.
고정층(110)은 자기를 지니고, 자기 접합의 동작 중 적어도 일부 동안 특정한 방향으로 고정(pinned)되거나, 정지된(fixed) 자신의 자화(magnetization)를 가질 수 있다. 비록, 단순한 층으로 도시되었지만, 고정층(110)은 복수의 층들을 포함한다. 예를 들어, 고정층(110)은 Ru과 같은 얇은 층들을 통해서 반강자기(antiferromagnetically) 또는 강자기(ferromagnetically) 결합된 자기 층들을 포함하는 SAF(synthetic antiferromagnet)일 수 있다. 상기 SAF 내에서는, 복수의 자기 층들은 Ru 또는 다른 물질이 사용되는 얇은 층(들)과 교차된다. 고정층(110)은 또 다른 복수층도 될 수 있다. 비록 자화가 도 2 내에 도시되지 않았지만, 고정층(110)은 평면외 소자기 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지(perpendicular anisotropy energy)를 가질 수 있다. 따라서, 도 3에 도시되었듯이, 고정층(110)은 평면과 수직 방향의 자신의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 평면 상을 포함하는 고정층(110)의 상기 자화는 다른 방향들도 가능하되, 이에 제한되는 것이 아니다.
스페이서 층(120)은 비자기화되어 있다. 몇몇의 실시예에서는 스페이서 층(120)은 예를 들어, 터널링 배리어와 같은 절연체이다. 상기 실시예들에서는, 스페이서 층(120)은 상기 자기 접합의 TMR(tunneling magnetoresistance)을 비대칭 자유층(130)의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)만큼 강화시킬 수 있는 MgO 결정체(crystalline)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 터널링 배리어 층(120)은 8Å 이상 12Å 이하의 두께일 수 있다. MgO 결정체 비자기 스페이서 층(120)은 또한 비대칭 자유층(130) 내의 CoFeB 및 FeB와 같은 물질들의 원하는 결정 구조 및 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 제공하는 것을 도울 수 있다. 다른 실시예들에서는, 스페이서 층(120)은 Cu와 같은 도전체이거나, 예를 들어, 절연체 매트릭스(matrix)의 도전 채널들을 포함하는 그래너러(granular) 층과 같은 다른 구조를 가질 수 있다.
비대칭 자유층(130)은 자기화되어 있고, 동작 온도에서 열적으로 안정적(thermally stable)이다. 몇몇의 실시예들에서, 따라서, 자유층(130)의 열적 평형 계수(thermal stability coefficient) Δ는 동작 온도(즉, 상온보다 다소 높은)에서 최소한 60이다. 몇몇의 실시예들에서, 자유층(130)은 복수층이다. 자기 접합(100)은 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통과할 때, 비대칭 자유층(130)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하게 한다. 예를 들어, 자기 접합(100)은 안정 상태 사이에서 자유층(130)의 자기 모멘트가 +z방향 또는 -z방향으로 향하도록 바뀔 수 있다.
비대칭 자유층(130)은 평면과 수직 방향(z)에서 비대칭이다. 특히, 자유층(130)의 보론 함유량은 평면과 수직 방향으로 변화한다. 예를 들어, 비대칭 자유층(130)은 기판(101)과 가까울수록 더 높은 보론 함유량을 가질 수 있고, 고정층(110)과 가까울수록 더 낮은 보론 함유량을 가질 수 있다. 또는, 비대칭 자유층(130)은 고정층(110)과 가까울수록 더 높은 보론 함유량을 가질 수 있고, 기판(101)과 가까울수록 더 낮은 보론 함유량을 가질 수 있다. 따라서, 몇몇의 실시예에서, 보론 농도는 고정층(110)과의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 다른 실시예들에서는, 보론 농도는 고정층(110)과의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 몇몇의 실시예에서는, CoFe 및/또는 Fe은 비대칭 자유층(130) 내의 보론과 조합된 상기 자기 물질들이다. 그러나, 다른 자기 물질들도 사용될 수 있다.
몇몇의 실시예에서는, 보론 농도의 이러한 비대칭이 복수의 층들의 사용을 통해서 제공된다. 이러한 어느 하나의 실시예는 도 3에서 도시된다. 본 실시예에서는, 자유층(130)은 보론 저함유 강자기 층(132), 선택적 삽입층(134) 및 보론 고함유 강자기 층(136)을 포함한다. 강자기 층(132,136)은 둘다 보론(B)을 포함하나, 보론의 농도는 서로 다르게 가진다. 예를 들어, 보론 저함유 강자기 층(132)은 20 원자퍼센트 이하의 보론(B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보론 저함유 강자기 층(132)은 Fe1-xBx, (CoFe)1-xBx 일 수 있다. 이 때, x는 0.2 이하이다. x는 x가 0.2를 초과하지 않는 범위에서는 층(132) 전체에 거쳐 변화할 수 있다. 보론 고함유 강자기 층(136)은 20 원자퍼센트 초과의 보론을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 강자기 층(136)의 보론 함유량은 또한, 50 원자퍼센트 이하일 수 있다. 따라서, 보론 고함유 강자기 층(136)은 Fe1-xBx, (CoFe)1-xBx 일 수 있다. 이 때, x는 0.5이하 0.2 이상이다. 몇몇의 실시예에서, 보론 고함유 강자기 층(136)은 25 원자퍼센트 이상 45 원자퍼센트 이하의 보론을 포함한다. 예를 들어, 보론 고함유 강자기 층(136)은 35 원자 퍼센트 이상 45 원자퍼센트 이하의 보론을 포함한다. 몇몇의 실시예에서, 따라서, 보론 고함유 강자기 층(136)은 Fe1-xBx, (CoFe)1-xBx일 수 있다. 이 때, x는 0.45이하 0.35 이상이다. 상기 보론의 농도는 상기에 서술한 제한 범위 내에 유지되는 동안에는 층(136) 내에서 변화할 수도 있다. 다른 실시예들에서는, 비대칭 자유층(130)의 상기 보론 농도는 층들을 명확하게 구별할 수 없도록 실질적으로 연속적으로 변화할 수 있다. 층들(132, 136) 내의 CoFe는 1:1 내지 1:4의 구성을 포함하는 다양한 화학양론(stoichiometries)들 일 수 있되, 이에 제한되지는 않는다. 몇몇의 실시예에서는, Fe 와 Co의 상기 비율은 3:1이다.
자유층(130)은 또한 선택적으로 비자기 삽입층(134)을 포함한다. 비자기 삽입층(134)은 몇몇 실시예 내에서, Bi, Ta, W, V, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb 및 Zr 중 적어도 하나를 포함한다. 비자기 삽입층(134)은 각각의 강자기 층(132, 136)의 PMA가 평면외 소자기 에너지를 초과하도록 보장하는 것을 돕는다. 따라서, 비자기 삽입층(134)의 존재는 층들(132, 136)의 안정 상태들의 수직 방향을 보존함과 동시에 강자기 층들(132, 136)이 더 두껍게 사용되도록 한다. 다른 실시예들에서는, 그러나, 삽입층(134)은 생략될 수 있다.
강자기 층들(132,136)의 두께는 PMA가 각각의 층들(132, 136)에 대한 평면외 소자기 에너지를 초과하는 것을 보장하기 위해 얇게 의도될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시되었듯이, 층들(132, 136)의 자기 모멘트들은 평면에 수직한 방향일 때, 안정할 수 있다. 만일 비자기 삽입층(134)이 생략되면, 자유층(130)의 두께(층들(132, 136)이 결합된 전체 두께)는 30Å 이하로 의도된다. 그러나, 만일 비자기 삽입층(134)이 존재하면, 자유층(130)은 더 두꺼워질 수 있다. 몇몇의 실시예에서는, 자유층의 두께는 30Å 보다 작을 수 있다. 상기 몇몇의 실시예에서는, 자유층의 두께는 20Å을 초과하지 않는다. 실질적으로 평면과 수직한 방향으로 자기 모멘트와 자신의 안정 자기 상태들을 가지는 자유층(130)에 대해서, 층들(132, 136)은 각각 15Å의 두께보다 작게 의도될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 층들(132, 136)은 각각 12Å 이하 3Å 이상의 두께이다. 나아가, 보론 저함유 층(132)은 보론 고함유 층(136)보다 더 두껍게 의도될 수 있다. 예를 들어, 층(132)이 8Å의 규격 두께일 때에, 층(136)은 6Å의 규격 두께일 수 있다. 결과적으로, 층들(132, 136)의 자기 모멘트들은 평면과 수직하게 안정하다.
자유층(130)은 또한 PMA 유도층(140)을 포함한다. PMA 유도층(140)은 자유층(130)의 PMA를 향상시키는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, PMA 유도층(140)은 비자기 스페이서 층(120)과 유사한 MgO층을 포함할 수 있다. 그러나, PMA 유도층(140)은 MgO 비자기 스페이서 층(120)보다 더 얇을 수 있다. 몇몇 실시예에서, PMA 유도층(140)은 4Å 내지 8Å일 수 있다.
자기 접합(100)은 강화된 자기저항(magnetoresistance)을 가질 수 있다. 이는 비대칭 자유층(130) 내의 보론의 비대칭 농도로 인해 형성된다. 만일 자유층(130)이 낮은 보론 농도만을 포함하면(즉, 20 원자퍼센트 이하), 자기 접합의 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance)은 약화될 것이다. 그러나, 상술한 바와 같이 층(136)은 층(132)이 낮은 보론 농도를 가지는 것과 달리 높은 보론 농도를 가질 수 있다. 보론 농도의 기울기는 자기 접합(100)의 강화된 자기 저항을 형성할 수 있다. 예를 들어, 200퍼센트 또는 그 이상 정도의 터널링 자기 저항은 자유층(130)의 층들(132, 136) 내에 CoFeB의 포함과, 층들(120, 140)에 MgO를 사용함에 따라 달성될 수 있다. 높은 보론 농도는 예를 들어, 보론 고함유 층(136) 내에서(더 나아가 기판(101)에서부터), MgO층(120, 140)의 결정화도(crystallinity)를 향상시키는 것으로 이해된다. 이는 다음과 같이 이해될 수 있다.
PMA 층(140)이 먼저 증착되고, 상기 층들(120, 140)이 MgO라고 가정한다. 그러나, 만일 비자기 스페이서 층(120)이 먼저 형성되었다라도 이러한 논의는 성립될 수 있다. 먼저 증착된 PMA 층(140)의 결정 구조는 2번째로 증착된 비자기 스페이서 층(120)의 결정 구조에 영향을 끼친다. 만일, 보론의 낮은 농도만이 자유층에 제공되면, 나중에 형성된 비자기 스페이서 층은 원하는 결정 구조를 가지지 못할 수 있다. 그러나, 자유층(130)은 실제로 비대칭 보론 농도를 가진다. 즉, 자유층(130)은 보론 고함유 층(136)을 포함할 수 있다. 층(136) 내의 더 높은 보론 농도가 비자기 스페이서 층(120) 상의 PMA 층(140)의 결정 구조의 효과를 막거나, 완화시키거나 지연시키는 것으로 이해될 수 있다. 결과적으로, 비자기 스페이서 층(120)은 원하는 구조 및 방향으로 결정화되기 쉬워진다. 예를 들어, (001) MgO는 PMA 층(140)뿐만 아니라 비자기 스페이서 층(120) 내에서도 제공되기 쉬울 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100)의 자기 저항은 향상될 수 있다. 비록 이러한 향상이 특정한 메카니즘(즉, 자유층(130)의 보론 농도)에 따라 논의되었지만, 여기서 설명된 구조들은 이러한 메커니즘에 제한되지 않는다. 나아가, 상술한 메커니즘 및 또는 효과들이 없는 실시에도 여기서 설명된 구조들이 사용될 수 있다.
자기 접합(100) 및 비대칭 자유층(130)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(130)은 스핀 전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된(localized) 물리 현상이 자기 접합(100)에 쓰기(write)를 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 평면과 수직한 방향의 비대칭 자유층(130)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항 및 향상된 스위칭 기반의 스핀 전달(spin transfer)을 가진다. PMA 유도층(140) 및 비자기 스페이서 층(120)에 대한 MgO와 같은 터널링 배리어 층은 자유층 자기 모멘트(들)가 평면과 수직한 방향을 가지는 것을 보장하도록 한다. 비대칭 자유층(130)/강자기 층들(132, 136) 내에 사용되는 상기 자기 물질들과 비대칭 자유층(130)/강자기 층들(132, 136)의 두께는 또한 자기 모멘트(들)의 평면과 수직한 방향에 따라 달성되게 된다. 선택적 삽입층(134)의 존재는 이러한 자기 방향을 획득하는 것을 더욱 도울 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100)의 스핀 전달 스위칭은 향상될 수 있다. 나아가, 위에서 논의하였듯이, 자기 접합(100)의 자기 저항은 강화될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(100')을 도시한 도면이다. 자기 접합(100')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 4는 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(100')은 자기 접합(도 2 및 도 3의 100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(100')은 따라서 고정층(110), 비자기 스페이서 층(120), 비대칭 자유층(130) 및 PMA 유도층(140)을 도 2 및 도 3에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(130)은 또한 보론 저함유 강자기 층(132), 선택적 삽입층(134) 및 보론 고함유 강자기 층(136)을 포함하는 것으로 도시되었다. 비록 층들(110, 120, 130, 140)은 특정한 방향으로 도시되었지만, 상기 방향은 다른 실시예들에서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 자기 접합(100')의 바닥면에 더 가까울 수 있고, 층들(110, 120, 130, 140)의 순서는 반대가 될 수 있다. 유사하게 층들(132, 134, 136)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(132, 134, 136)의 순서가 층(132)이 PMA 유도층(140)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(100')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(100')을 통과할 때, 자유층(130)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(110, 120, 130, 132, 134, 136, 140)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(130)은 안정한 때, 도 4에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(130) 및 층(들)(132, 136)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 몇몇의 실시예에서, 층(134)은 생략될 수 있다.
자기 접합(100')은 또한 비자기 스페이서 층(120) 및 비대칭 자유층(130) 사이에 자기 삽입층(122) 포함한다. 예를 들어, 자기 삽입층(122)은 Fe 및 CoFe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 삽입층(122)은 Fe층일 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, CoFe 삽입층은 Co 및 Fe의 비율이 1:3인 것으로 의도될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 자기 삽입층(122)은 자유층(130)의 일부분으로 고려될 수 있다. 자기 삽입층(122)은 일반적으로 얇게 의도될 수 있다. 예를 들어, 자기 삽입층(122)은 2Å 이상 6Å이하의 두께일 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 자기 삽입층(122)은 4Å의 규격 두께를 가질 수 있다. 자기 삽입층(122)의 사용은 자기 접합(100')의 자기 저항을 향상시킬 수 있다.
자기 접합(100')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(100')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(100')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(130)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(100')은 비대칭 자유층(130)에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(100')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(100'')을 도시한 도면이다. 자기 접합(100'')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 5는 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(100'')은 자기 접합(들)(도 2 내지 도 4의 100, 100')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(100'')은 따라서 고정층(110), 비자기 스페이서 층(120), 비대칭 자유층(130') 및 PMA 유도층(140)을 도 2 내지 도 4에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(130')은 또한 보론 저함유 강자기 층(132) 및 보론 고함유 강자기 층(136)을 포함하는 것으로 도시되었다. 비록 층들(110, 120, 130', 140)은 특정한 방향으로 도시되었지만, 상기 방향은 다른 실시예들에서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 자기 접합(100'')의 바닥면에 더 가까울 수 있고, 층들(110, 120, 130', 140)의 순서는 반대가 될 수 있다. 유사하게 층들(132, 136)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(132, 136)의 순서가 층(132)이 PMA 유도층(140)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(100'')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(100'')을 통과할 때, 자유층(130')이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(130')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(110, 120, 130', 132, 136, 140)의 구조 및 기능은 각각 층들(110, 120, 130, 132, 136, 140)에 대한 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(130')은 안정한 때, 도 5에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(130') 및 층(들)(132, 136)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다.
자기 접합(100'') 내에서, 비자기 삽입층은 자유층(130')으로부터 생략될 수 있다. 따라서, 층들(132, 136)은 계면을 공유한다. 결과적으로 자유층(130')은 자유층(130')의 자기 모멘트가 평면과 수직한 방향이 되는 것을 보장하기 위해 더 얇아질 수 있다. 예를 들어, 층들(132, 136)의 두께의 합은 12Å 정도일 수 있다.
자기 접합(100'')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(130')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(100'')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(100'')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(130')의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(100'')은 비대칭 자유층(130')에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(100'')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(100''')을 도시한 도면이다. 자기 접합(100''')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 6은 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(100''')은 자기 접합(들)(도 2 내지 도 5의 100, 100' 및/또는 100'')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(100''')은 따라서 고정층(110), 비자기 스페이서 층(120), 비대칭 자유층(130) 및 PMA 유도층(140)을 도 2 내지 도 5에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(130)은 또한 보론 저함유 강자기 층(132), 선택적 삽입층(134) 및 보론 고함유 강자기 층(136)을 포함하는 것으로 도시되었다. 비록 층들(110, 120, 130, 140)은 특정한 방향으로 도시되었지만, 상기 방향은 다른 실시예들에서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 자기 접합(100''')의 바닥면에 더 가까울 수 있고, 층들(110, 120, 130, 140)의 순서는 반대가 될 수 있다. 유사하게 층들(132, 134, 136)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(132, 134, 136)의 순서가 층(132)이 PMA 유도층(140)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(100''')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(100''')을 통과할 때, 자유층(130)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(110, 120, 130, 132, 134, 136, 140)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(130)은 안정한 때, 도 6에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(130) 및 층(들)(132, 136)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 몇몇 실시예들에서는, 층(134)은 생략될 수 있다.
자기 접합(100''')은 또한 PMA 유도층(140)이 보론 싱크층(142) 및 자유층(130) 사이에 위치하도록 보론 싱크층(142)을 포함한다. 상기 실시예에서 보이듯이, 보론 싱크층(142)은 시드층(seed layer)으로서도 기능한다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 예를 들어 만일 PMA 층(140)이 자기 접합(100''')의 바닥으로부터 가장 멀다면, 보론 싱크층(142)은 캡핑층일 수 있다. 보론 싱크층(142)은 보론과 친화적인(have an affinity for boron) 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ta, W, Fe 및/또는 CoFe와 같은 물질들이 사용될 수 있다. 보론 싱크층(142)은 열처리 또는 자기 접합(100''')의 다른 공정 동안 보론이 확산되는 장소를 제공할 수 있다. 따라서, 남은 층들(110, 120, 130, 140)의 화학양론(stoichiometry)은 원하는 형태와 더 가까울 수 있다.
자기 접합(100''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(130)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(100''')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(100''')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(130)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(100''')은 비대칭 자유층(130)에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(100''')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(100'''')을 도시한 도면이다. 자기 접합(100'''')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 7은 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(100'''')은 자기 접합(들)(도 2 내지 도 6의 100, 100', 100'' 및/또는 100''')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(100'''')은 따라서 고정층(110), 비자기 스페이서 층(120), 비대칭 자유층(130'') 및 PMA 유도층(140)을 도 2 내지 도 6에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(130'')은 또한 보론 저함유 강자기 층(132), 선택적 삽입층(134) 및 보론 고함유 강자기 층(136)을 포함하는 것으로 도시되었다. 비록 층들(110, 120, 130'', 140)은 특정한 방향으로 도시되었지만, 상기 방향은 다른 실시예들에서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 고정층(110)은 자기 접합(100'''')의 바닥면에 더 가까울 수 있고, 층들(110, 120, 130', 140)의 순서는 반대가 될 수 있다. 유사하게 층들(132, 134, 136)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(132, 134, 136)의 순서가 층(132)이 PMA 유도층(140)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(100'''')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(100'''')을 통과할 때, 자유층(130'')이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(130'')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(110, 120, 130'', 132, 134, 136, 140)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(130'')은 안정한 때, 도 7에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(130'') 및 층(들)(132, 136)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 몇몇 실시예들에서는, 층(134)은 생략될 수 있다.
자기 접합(100'''')은 또한 도시되었듯이 선택적 보론 싱크층(142) 및 선택적 자기 삽입층(122)을 포함한다. 층들(122, 142)은 상술한 설명과 유사하다. 층들(122 및 142) 중 하나 또는 둘 모두는 자기 접합(100'''') 내에 포함될 수 있다. 대신에, 층들(122 및 142) 중 하나 또는 둘 모두는 생략될 수 있다.
자기 접합(100'''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(130'')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(100'''')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(100'''')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(130'')의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(100'''')은 비대칭 자유층(130'')에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(100'''')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 2 내지 도 7은 특정한 특징을 설명하였다. 예를 들어, 특정 층들은 다양한 실시예들에서 포함되었거나 생략되었다. 그러나, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 도 2 내지 도 7내에 도시된 상기 실시예(100, 100’, 100’’, 100’’’ 및/또는 100’’’’)들 내의 상기 하나 또는 복수의 특징들은 결합될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 접합(200)을 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합(200)을 주변의 구조들과 같이 도시한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합(200)을 주변의 구조들을 제외하고 도시한 도면이다. 자기 접합(200)이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 8 및 도 9는 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(200)은 자기 접합(도 2 내지 도 7의 100, 100', 100'', 100''' 및/또는 100'''')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(200)은 따라서 고정층(210), 비자기 스페이서 층(220) 및 비대칭 자유층(230)을 도 2 내지 도 7에 도시된 층들(110, 120, 130/130'/130'')과 유사하게 포함한다. 자기 접합(200)은 또한 추가 비자기 스페이서 층(240) 및 추가 고정층(250)을 포함한다. 추가 비자기 스페이서 층(240)은 PMA 유도층(240) 및 비자기 스페이서 층(120)과 유사하다. 추가 고정층(250)은 고정층(110/210)과 유사하다. 따라서, 자기 접합(200)은 듀얼 자기 접합이다. 도 8은 또한 기판(101), 하부 컨택(102), 선택적 시드층들(104), 선택적 고정층(106) 및 상부 컨택(103)과 각각 유사한 기판(201), 하부 컨택(202), 선택적 시드층들(204), 선택적 고정층(206) 및 상부 컨택(203)을 도시한다. 자기 접합(200)은 또한 선택적 고정층(206)과 유사한 선택적 고정층(260)을 포함한다.
자유층(230)은 도 9에서 도시된 것과 같이 보론 저함유 강자기 층(232), 선택적 삽입층(234) 및 보론 고함유 강자기 층(236)을 포함한다. 보론 저함유 강자기 층(232), 선택적 삽입층(234) 및 보론 고함유 강자기 층(236)은 각각 층들(132, 134, 136)과 유사하다. 층들(232, 234, 236)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향은 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 234, 236)의 순서가 층(232)이 제2 비자기 스페이서 층/PMA 유도층(240)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(200)을 통과할 때, 자유층(230)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(210, 220, 230, 232, 234, 236)의 구조 및 기능은 층들(110, 120, 130/130’/130’’, 232, 234, 236)의 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(230)은 안정한 때, 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(230) 및 층(들)(232, 236)의 보론 농도의 기울기는 층들(130/130’/130’’, 132, 136)의 상술한 설명과 유사하다. 몇몇의 실시예에서, 층(234)은 생략될 수 있다.
고정층들(210, 250)은 자기를 지니고, 자기 접합의 동작의 적어도 일부 동안 특정한 방향으로 고정되거나, 정지된 자신의 자화들을 가질 수 있다. 비록, 단순한(하나의) 층으로 도시되었지만, 고정층(210 및/또는 250)(들)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정층(210 및/또는 250)(들)은 SAF(들)일 수 있다. 고정층(210 및/또는 250)(들)은 또 다른 복수층도 될 수 있다. 도 9 내에 도시되었듯이, 고정층들(210 및/또는 250)은 평면 소자기 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 도 9에 도시되었듯이, 고정층(210 및/또는 250)은 평면과 수직 방향의 자신의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 평면 상을 포함하는 고정층(210 및/또는 250)(들)의 상기 자화의 다른 방향들도 가능하되, 이에 제한되는 것이 아니다. 고정층들(210, 250)의 상기 자기 모멘트들은 듀얼 상태(dual state)에서 역평행하게(antiparallel) 도시되었다. 그러나, 다른 실시예들 또는 특정 공정들 내에서는 고정층들(210, 250)의 자기 모멘트들은 평행할 수 있다. 상기와 같은 방향은 자기 저항을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 고정 층들(210, 250)의 자기 모멘트들의 상기 방향들은 읽기 및 쓰기 동작들에서 서로 다르게 형성될 수 있다.
스페이서 층들(220, 240)은 비자기화되어 있다. 몇몇의 실시예에서는 스페이서 층(220, 240)(들)은 예를 들어, 터널링 배리어와 같은 절연체이다. 상기 실시예들에서는, 스페이서 층(220 및/또는 240)(들)은 상기 자기 접합의 상기 TMR을 비대칭 자유층(230)의 수직 자기 이방성만큼 강화시킬 수 있는 MgO 결정체를 포함할 수 있다. MgO 결정체 비자기 스페이서 층(220)은 또한 비대칭 자유층(230) 내의 CoFeB 및 FeB와 같은 물질들의 원하는 결정 구조 및 자기 이방성을 제공하는 것을 도울 수 있다. 상기 실시예들에서는, 하나 또는 둘 다의 층들(220, 240)은 2Å 이상 5Å 이하의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서는, 스페이서 층(220)은 Cu와 같은 도전체이거나, 예를 들어, 절연체 매트릭스(matrix)의 도전 채널들을 포함하는 그래너러(granular) 층과 같은 다른 구조를 가질 수 있다. 비자기 스페이서 층들(220, 240)은 일반적으로 서로 다른 두께를 가지도록 의도된다. 예를 들어, 스페이서 층들(220, 240)의 두께는 10 퍼센트만큼 다를 수 있다.
자기 접합(200)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(200)으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(200)은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(230)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(200)은 비대칭 자유층(230)에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(200')을 도시한 도면이다. 자기 접합(200')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 10은 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
듀얼 자기 접합(200')은 듀얼 자기 접합(도 9의 200)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(200')은 따라서 고정층(210), 비자기 스페이서 층(220), 비대칭 자유층(230), 비자기 스페이서 층/PMA 유도층(240) 및 고정층(250)을 도 8 및 도 9에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(230)은 또한 보론 저함유 강자기 층(232), 선택적 삽입층(234) 및 보론 고함유 강자기 층(236)을 포함하는 것으로 도시되었다. 층들(232, 234, 236)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향은 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 234, 236)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 234, 236)의 순서가 층(232)이 비자기 스페이서 층/PMA 유도층(240)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(200')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(200')을 통과할 때, 자유층(230)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(210, 220, 230, 232, 234, 236, 240, 250)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(230)은 안정한 때, 도 10에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(230) 및 층(들)(232, 236)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 몇몇의 실시예들에서, 층(234)은 생략될 수 있다.
자기 접합(200')은 또한 자기 삽입층(들)(222, 241)을 포함한다. 자기 삽입층들(222, 241)은 도 4에 도시된 층(122)과 유사하다. 도 10을 다시 참조하면, 자기 삽입층들(222, 241) 중 하나 또는 둘 다 제공될 수 있다. 자기 삽입층들(222, 241)은 Fe 및 CoFe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자기 삽입층들(222, 241)은 Fe가 풍부하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, Fe층 또는 Co1Fe3층이 사용될 수 있다. 몇몇의 실시예에서는, 자기 삽입 층들(222 및/또는 241)은 자유층(230)의 일부로 고려될 수 있다. 자기 삽입층들(222, 241)은 각각 2Å 이상, 6Å이하의 두께일 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 자기 삽입층들(222, 241)은 4Å의 규격 두께일 수 있다. 자기 삽입층의 사용은 자기 접합(200')의 자기 저항을 향상시킬 수 있다.
자기 접합(200')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(200')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(200')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(230)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(200')은 비대칭 자유층(230)에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(200')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(200'')을 도시한 도면이다. 자기 접합(200'')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 11은 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(200'')은 자기 접합(들)(도 8 내지 도 10의 200 및/또는 200')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(200'')은 따라서 고정층(210), 비자기 스페이서 층(220), 비대칭 자유층(230'), 비자기 스페이서/PMA 유도층(240) 및 고정층(250)을 도 8 내지 도 10에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(230)은 또한 보론 저함유 강자기 층(232)및 보론 고함유 강자기 층(236)을 포함하는 것으로 도시되었다. 층들(232, 236)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 236)의 순서가 층(232)이 비자기 스페이서/PMA 유도층(240)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(200'')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(200'')을 통과할 때, 자유층(230)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(210, 220, 230', 232, 236, 240, 250)의 구조 및 기능은 각각 층들(210, 220, 230, 232, 236, 240, 250)의 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(230)은 안정한 때, 도 11에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(230') 및 층(들)(232, 236)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다.
자기 접합(200'') 내에서, 비자기 삽입층은 자유층(230')으로부터 생략될 수 있다. 따라서, 층들(232, 236)은 계면을 서로 공유한다. 결과적으로 자유층(230')은 자유층(230')의 자기 모멘트가 평면과 수직한 방향이 되는 것을 보장하기 위해 더 얇아질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 236)의 두께의 합은 12Å 정도일 수 있다.
자기 접합(200'')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(230')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(200'')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(200'')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(230')의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(200'')은 비대칭 자유층(230')에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(200'')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 자기 접합(200''')을 도시한 도면이다. 자기 접합(200''')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 12는 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(200''')은 자기 접합(들)(도 8 내지 도 11의 200, 200' 및/또는 200'')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(200''')은 따라서 고정층(210), 비자기 스페이서 층(220), 비대칭 자유층(230) 및 비자기 스페이서/PMA 유도층(240)을 도 8 내지 도 11에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(230)은 또한 보론 저함유 강자기 층(232), 선택적 삽입층(234) 및 보론 고함유 강자기 층(236)을 포함하는 것으로 도시되었다. 층들(232, 234, 236)은 특정한 방향으로 도시되었다. 다른 실시예들에서는, 상기 방향이 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들(232, 234, 236)의 순서가 층(232)이 비자기 스페이서 층/PMA 유도층(240)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 자기 접합(200''')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(200''')을 통과할 때, 자유층(230)이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(210, 220, 230, 232, 234, 236, 240, 250)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(230)은 안정한 때, 도 12에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(230) 및 층(들)(232, 236)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 몇몇 실시예들에서는, 층(234)은 생략될 수 있다.
자기 접합(200''')은 또한 PMA 유도층(240)이 보론 싱크층(242) 및 자유층(230) 사이에 위치하도록 보론 싱크층(242)을 포함한다. 보론 싱크층(242)은 도 6에 도시된 보론 싱크층(142)과 유사하다. 도 12에 도시된 상기 실시예에서 보이듯이, 보론 싱크층(242)은 시드층으로서도 기능한다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 예를 들어 만일 비자기 스페이서 레이어/PMA 층(240)이 자기 접합(200''')의 바닥으로부터 가장 멀다면, 보론 싱크층(242)은 캡핑층일 수 있다. 보론 싱크층(242)은 보론과 친화적인 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ta, Fe 및/또는 CoFe와 같은 물질들이 사용될 수 있다. 보론 싱크층(242)은 열처리 또는 자기 접합(200''')의 다른 공정 동안 보론이 확산되는 장소를 제공할 수 있다. 따라서, 남은 층들(210, 220, 230, 240, 250)의 화학양론은 원하는 형태와 더 가까울 수 있다.
자기 접합(200''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(230)은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(200''')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(200''')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(230)의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(200''')은 비대칭 자유층(230)에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(200''')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 장치 내에 사용되는 듀얼 자기 접합(200'''')을 도시한 도면이다. 자기 접합(200'''')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 장치 및 이에 따른 자기 접합은 STT-MRAM과 같은 자기 메모리 내에 사용될 수 있다. 명확하게는, 도 13은 실제 비율로 도시된 것은 아니다.
자기 접합(200'''')은 듀얼 자기 접합(도 8 내지 도 12의 200, 200', 200'' 및/또는 200''')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 표시된다. 자기 접합(200'''')은 따라서 고정층(210), 비자기 스페이서 층(220), 비대칭 자유층(230''), 비자기 스페이서 층/PMA 유도층(240) 및 추가 고정층(250)을 도 8 내지 도 12에 도시된 것과 유사하게 포함한다. 자유층(230'')은 또한 보론 저함유 강자기 층(232), 선택적 삽입층(234) 및 보론 고함유 강자기 층(236)을 포함하는 것으로 도시되었다. 자기 접합(200'''')은 또한 쓰기 전류가 자기 접합(200'''')을 통과할 때, 자유층(230'')이 안정 자기 상태들 사이에서 스위치되는 것을 허용하게 한다. 따라서, 자유층(230'')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치 가능하다.
층들(210, 220, 230’’, 232, 234, 236, 240, 250)의 구조 및 기능은 상술한 설명과 유사하다. 예를 들어, 자유층(230'')은 안정한 때, 도 13에 도시된 것과 같이 평면과 수직한 방향의 자신의 자기 모멘트들을 가지고, 비대칭한 보론 농도를 가진다. 자유층(230'') 및 층(들)(232, 236)의 보론 농도의 기울기는 상술한 바와 유사하다. 그러나, 도시된 실시예에서는 층들(232, 234, 236)의 순서가 층(232)이 PMA 유도층(240)과 가장 가까워 지는 경우와 같이 반대가 될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 층(234)은 생략될 수 있다.
자기 접합(200'''')은 또한 도시된 것처럼 선택적 보론 싱크층(242) 및 선택적 자기 삽입층들(222, 241)을 포함한다. 층들(222, 241, 242)는 상술한 설명과 유사하다. 층들(222, 241, 242)의 하나 또는 그 이상의 몇몇 조합은 자기 접합(200'''') 내에 포함될 수 있다. 대신에, 하나 또는 그 이상의 층들(222, 241, 242)은 생략될 수 있다.
자기 접합(200'''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 비대칭 자유층(230'')은 스핀전달토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더욱 국한된 물리 현상이 자기 접합(200'''')으로 쓰기 동작을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 자기 접합(200'''')은 평면과 수직한 방향으로 비대칭 자유층(230'')의 안정 자기 상태들을 가질 수 있고, 이는 스위칭 기반의 스핀 전달을 향상시킨다. 자기 접합(200'''')은 비대칭 자유층(230'')에 의해 강화된 자기 저항/터널링 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 접합(200'''')을 이용하는 장치의 성능은 향상될 수 있다.
도 8 내지 도 13은 특정한 특징을 설명하였다. 예를 들어, 특정 층들은 다양한 실시예들에서 포함되었거나 생략되었다. 그러나, 상기 기술 분야의 일반적인 기술들 중 어느 하나에 비추어, 도 8 내지 도 13내에 도시된 상기 실시예(200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’)들 내의 상기 하나 또는 복수의 특징들은 결합될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합들(100, 100’, 100’’, 100’’’, 100’’’’, 200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’) 중 적어도 하나를 사용할 수 있는 메모리(300)를 도시한 도면이다. 그러나, 그 자기 접합들(100, 100’, 100’’, 100’’’, 100’’’’, 200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’) 중 적어도 하나는 서로 다른 장치 및/또는 서로 다른 구성을 가지는 메모리에 사용될 수 있다. 자기 메모리(300)는 워드 라인 선택 드라이버(304)와 읽기/쓰기 칼럼 선택 드라이버(302, 306)를 포함한다. 그 외의 구성 요소들 및/또는 다른 구성 요소들이 제공될 수 있다. 메모리(300)의 저장 영역은 자기 저장 셀들(310)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(312) 및 적어도 하나의 선택 장치(314)를 포함한다. 몇몇의 실시예에서, 선택 장치(314)는 트랜지스터이다. 자기 접합(들)(312)은 여기서 설명된 자기 접합들(100, 100’, 100’’, 100’’’, 100’’’’, 200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’) 중 하나일 수 있다. 따라서, 자기 접합들(312)의 자유층들은 비대칭이다. 비록, 셀(310) 당 하나의 자기 접합(312)이 도시되었지만, 다른 실시예들에서는, 셀 당 또 다른 숫자의 자기 접합들(312)이 제공될 수 있다. 이에 따라, 자기 메모리(300)는 상술한 효과들을 누릴 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합 제조 방법(400)을 도시한 도면이다. 간단하게는, 몇몇의 단계들은 생략되거나 결합될 수 있다. 방법(400)은 자기 접합(100)에 대하여 설명된다. 방법(400)은 또한 적어도 하나의 자기 접합들(100’, 100’’, 100’’’, 100’’’’, 200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’)의 제조에 사용된다. 방법(400)은 서로 다른 자기 접합들에 사용될 수 있다. 나아가, 방법(400)은 자기 메모리들의 제조에 포함될 수 있다. 따라서, 방법(400)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리의 제조에 사용될 수 있다.
고정층(110)은 단계(402)를 통해 제공된다. 단계(402)는 원하는 물질들을 고정층(110)의 원하는 두께로 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 비자기 층(120)은 단계(404)를 통해 제공된다. 단계(404)는 비자기 물질들을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, MgO가 증착될 수 있다. 추가적으로, 물질의 원하는 두께는 단계(404)에서 증착될 수 있다. 비대칭 자유층(130)은 단계(406)를 통해 제공된다. 단계(406)는 층들(132,134, 136)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 실질적으로 보론 농도의 연속적인 변화율을 가지는 단일층이 제공될 수 있다. PMA 유도층(140)은 단계(408)를 통해 제공된다. 만일 접합(200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’)과 같은 듀얼 자기 접합이 제공된다면, 단계(408)을 통해 제공된 층도 듀얼 접합의 비자기 스페이서 층이다. 고정층(250)은 단계(410)을 통해서 선택적으로 제공될 수 있다. 자기 접합(100)의 제조는 단계(412)를 통해 완료될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(들)(100, 100’, 100’’, 100’’’, 100’’’’, 200, 200’, 200’’, 200’’’ 및/또는 200’’’’)의 효과들이 달성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 자기 접합
110: 고정층
120: 비자기 스페이서 층
130: 비대칭 자유층
140: PMA 유도층

Claims (20)

  1. 자기 장치용 자기 접합(magnetic junction)에 있어서,
    고정층;
    비자기(nonmagnetic) 스페이서 층;
    비대칭(asymmetric) 자유층; 및
    PMA (perpendicular magnetic anisotropy) 유도층을 포함하되,
    상기 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 존재하고,
    상기 비대칭 자유층은 제1 보론(boron) 함유량을 가지는 제1 강자기(ferromagnetic) 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층과, 상기 제1 강자기 층과 상기 제2 강자기 층 사이의 비자기 삽입층을 포함하고,
    상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작고,
    상기 제1 보론 함유량은 20 원자퍼센트(atomic percent)보다 크며 50 원자 퍼센트보다 작고,
    상기 제2 보론 함유량은 20 원자퍼센트 이하이고,
    상기 비대칭 자유층은 상기 PMA 유도층 및 상기 비자기 스페이서 층 사이에 존재하고,
    상기 자기 접합은 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하게 하는 자기 접합.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비자기 삽입층은 Bi, Ta, W, V, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층은 각각 Co 및 CoFe 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비자기 스페이서 층 및 상기 비대칭 자유층 사이의 자기 삽입층을 더 포함하는 자기 접합.
  7. 제 1항에 있어서,
    보론 싱크(sink) 층을 더 포함하되,
    상기 PMA 유도층은 상기 비대칭 자유층 및 상기 보론 싱크층 사이에 위치하는 자기 접합.
  8. 제 1항에 있어서,
    추가 고정층을 더 포함하되,
    상기 PMA 유도층은 상기 비대칭 자유층 및 상기 추가 고정층 사이에 배치되고,
    상기 PMA 유도층은 상기 비자기 스페이서 층과 동일한 자기 접합.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 보론 함유량은 25 원자퍼센트 이상, 45 원자퍼센트 이하인 자기 접합.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 강자기 층은 상기 제1 강자기 층 및 상기 고정층 사이에 위치하는 자기 접합.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 비자기 스페이서 층 및 상기 PMA 유도층은 각각 MgO를 포함하는 자기 접합.
  12. 자기 메모리(magnetic memory)를 포함하는 자기 장치에 있어서,
    상기 자기 메모리의 복수의 자기 저장 셀들(magnetic storage cells); 및
    상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 복수의 비트라인을 포함하되,
    상기 복수의 자기 저장 셀들은 각각 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
    각각의 상기 적어도 하나의 자기 접합은,
    고정층과,
    비자기 스페이서 층과,
    비대칭 자유층과,
    PMA 유도층을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서 층은 상기 비대칭 자유층 및 상기 고정층 사이에 위치하고,
    상기 비대칭 자유층은 상기 비자기 스페이서 층 및 상기 PMA 유도층 사이에 위치하고,
    상기 비대칭 자유층은, 제1 보론 함유량을 가지는 제1 강자기 층과, 제2 보론 함유량을 가지는 제2 강자기 층과, 상기 제1 강자기 층과 상기 제2 강자기 층 사이의 비자기 삽입층을 포함하고,
    상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량 보다 작고,
    상기 제1 보론 함유량은 20 원자퍼센트보다 크며 50 원자 퍼센트보다 작고,
    상기 제2 보론 함유량은 20 원자퍼센트 이하이고,
    쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합을 지날때, 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태(stable magnetic states) 사이에서 스위치 가능하도록 상기 자기 접합이 배치되는 자기 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 비자기 삽입층은 Bi, Ta, W, V, I, Zn, Nb, Ag, Cd, Hf, Os, Mo, Ca, Hg, Sc, Y, Sr, Mg, Ti, Ba, K, Na, Rb, Pb, 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는 자기 장치.
  15. 삭제
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 강자기 층 및 상기 제2 강자기 층은 각각 Co 및 CoFe중 적어도 하나를 포함하는 자기 장치.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 강자기 층은 상기 제1 강자기 층 및 상기 고정층 사이에 위치하는 자기 장치.
  18. 제 12항에 있어서,
    각각 상기 적어도 하나의 자기 접합은,
    적어도 하나의 자기 삽입층 및,
    보론 싱크층을 더 포함하고,
    상기 자기 삽입층은 상기 비자기 스페이서 층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 위치하고,
    상기 PMA 유도층은 상기 비대칭 자유층 및 상기 보론 싱크층 사이에 위치하는 자기 장치.
  19. 제 12항에 있어서,
    각각 상기 적어도 하나의 자기 접합은,
    추가 고정층을 더 포함하고,
    상기 PMA 유도층은 상기 비대칭 자유층 및 상기 추가 고정층 사이에 배치되고,
    상기 PMA 유도층은 비자기 스페이서 층과 동일한 자기 장치.
  20. 자기 장치를 이용한 자기 접합을 제공하는 방법에 있어서,
    고정층을 제공하고,
    비자기 스페이서 층을 제공하고,
    비대칭 자유층을 제공하고; 및
    PMA 유도층을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 비자기 스페이서 층은 상기 고정층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 배치되고, 상기 비대칭 자유층은 제1 보론 함유량을 갖는 제1 강자기 층과, 제2 보론 함유량을 갖는 제2 강자기 층과, 상기 제1 강자기 층과 상기 제2 강자기 층 사이의 비자기 삽입층을 포함하고, 상기 제2 보론 함유량은 상기 제1 보론 함유량보다 작고, 상기 제1 보론 함유량은 20 원자퍼센트보다 크며 50 원자 퍼센트보다 작고, 상기 제2 보론 함유량은 20 원자퍼센트 이하이고,
    상기 비대칭 자유층은 상기 PMA 유도층 및 상기 비대칭 자유층 사이에 위치하고,
    상기 자기 접합은 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때 상기 비대칭 자유층이 복수의 안정 자기 상태 사이에서 스위칭 가능하도록 구성되는 자기 접합 제공 방법.
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