KR102325455B1 - 희토류-전이 금속층을 갖는 자기 접합부를 제공하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

희토류-전이 금속층을 갖는 자기 접합부를 제공하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부가 제공된다. 상기 자기 접합부는, 기준층, 비자기 스페이서층, 기록(write) 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되는 자유층으로서, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 상기 비자기 스페이서층이 배치되는 자유층, 및 상기 기준층 및 상기 자유층 중 적어도 하나에 제1 희토류-전이 금속(RE-TM)층을 포함하되, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 자유층에 있는 경우, 상기 자유층은 강자기층, 연자기층 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 대기(standby) 온도 범위에서 대기 자기 모멘트(standby magnetic moment)와 기록 온도 범위에서 상기 대기 자기 모멘트 보다 큰 기록 자기 모멘트(write magnetic moment)를 갖고, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 기준층에 있는 경우, 상기 자기 접합부는 제2 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량(saturation magnetization quantity)을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위(operating temperature range)에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭된다.

Description

희토류-전이 금속층을 갖는 자기 접합부를 제공하기 위한 장치 및 그 방법{Method and device for providing magnetic junctions with rare earth-transition metal layers}
본 발명은 자기 접합부에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 희토류-전이 금속층(RE-TM)을 갖는 자기 접합부를 제공하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
자기 메모리, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 높은 판독/기록 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 운전시 낮은 전력 소비를 위해 잠재적으로 관심이 증가하고 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리는 정보 기록 매체로서 자기 물질을 사용하여 정보를 저장할 수 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리의 하나의 유형은 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)이다. 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리는 자기 접합부를 통해 구동된 전류에 의해 적어도 부분적으로 기록된 자기 접합부를 사용한다. 자기 접합부를 통해 구동된 스핀 편광 전류는 자기 접합부에서의 자기 모멘트에 스핀 토크를 발휘한다. 결과적으로, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층은 원하는 상태로 전환될 수 있다.
예를 들어, 도 1은 종래 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리에서 사용될 수 있는 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(MTJ)(10)를 도시한다. 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(10)는 하부 접촉부(11) 상에 존재하고, 종래의 하부 핀드층(12), 종래의 하부 터널링 배리어층(14), 자유층(16), 종래의 상부 터널링 배리어층(18) 및 상부 핀드층(20)을 포함한다. 또한, 종래의 접촉부(11, 22)는 도 1에서 도시한 바와 같이 평면에 전류 수직 방향 또는 Z축을 따라 전류를 구동하는데 사용된다.
종래의 핀드층(12, 20) 및 종래의 자유층(16)은 자기다. 종래 핀드층(12, 20)의 자기 모멘트(13, 21)는 각각 수정되거나 고정된다. 종래의 자기 터널 접합부에서, 이것은 반강자성층(antiferromagnetic layer: AFM)을 갖는 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 달성된다(도 1에 미도시). 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(10)는 듀얼 상태(비평행)에서 자기 모멘트(13, 21)와 함께 도시된다. 다른 경우에는, 자기 모멘트(12, 21)는 비듀얼 상태(평행)일 수 있다.
종래의 자유층(16)은 변동 자기(17)이 있다. 종래의 자유층(16)의 자기(17)을 변동시키기 위해, 전류는 평면에 수직(Z축 방향)으로 구동된다. 충분한 전류가 상부 접촉부(22)로부터 하부 접촉부(11)로 구동된 경우, 종래의 자유층(16)의 자기 모멘트(17)는 종래의 핀드층(12)의 자기 모멘트(13)에 평행으로 변동될 수 있다. 충분한 전류가 하부 접촉부(11)로부터 상부 접촉부(22)로 구동된 경우, 자유층의 자기(17)은 핀드층(12)의 자기 모멘트(13)에 비평행하게 변동될 수 있다. 자기 구성의 차이점은 상이한 자기 저항 및 이에 따른 종래의 자기 터널 접합부(MTJ)(10)의 상이한 논리 상태(예를 들어, 논리 "0" 및 논리 "1")에 대응한다. 도 1에 도시된 듀얼 상태에서, 종래의 듀얼 자기 접합부(10)는 비듀얼 상태에서 종래의 단일 자기 터널 접합부 또는 듀얼 자기 터널 접합부보다 더 작은 전류로 변동될 수 있다.
다양한 애플리케이션에 사용하기 위한 잠재성 때문에, 자기 메모리에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리를 개선하기 위한 메커니즘이 요구된다. 따라서, 필요한 것은 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이다. 본 발명에 기재된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 희토류-전이 금속층을 갖는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 희토류-전이 금속층을 갖는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 희토류-전이 금속층을 갖는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부를 포함하는 전기 장치를 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 기술적 사상에 따른 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부의 일 실시예는, 기준층, 비자기 스페이서층, 기록(write) 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되는 자유층으로서, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 상기 비자기 스페이서층이 배치되는 자유층, 및 상기 기준층 및 상기 자유층 중 적어도 하나에 제1 희토류-전이 금속(RE-TM)층을 포함하되, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 자유층에 있는 경우, 상기 자유층은 강자기층, 연자기층 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 대기(standby) 온도 범위에서 대기 자기 모멘트(standby magnetic moment)와 기록 온도 범위에서 상기 대기 자기 모멘트 보다 큰 기록 자기 모멘트(write magnetic moment)를 갖고, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 기준층에 있는 경우, 상기 자기 접합부는 제2 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량(saturation magnetization quantity)을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위(operating temperature range)에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭된다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 포화 자기량은 제1 포화 자기 두께 생성물(saturation magnetization-thickness product)이고, 상기 제2 포화 자기량은 제2 포화 자기 두께 생성물이고, 상기 제1 포화 자기 두께 생성물은 적어도 10 milli-emu/cm2 내의 상기 작동 온도 범위에서 상기 제2 포화 자기 두께 생성물과 매칭될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 포화 자기량은 제1 포화 자기이고, 상기 제2 포화 자기량은 제2 포화 자기이고, 상기 제1 포화 자기는 적어도 5,000A/m 내의 상기 작동 온도 범위에서 상기 제2 포화 자기와 매칭될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 포화 자기량 및 상기 제2 포화 자기량은 상기 자유층에서 시프트 필드(shift field)에 대응하고, 적어도 상기 작동 온도 범위에서 제2 포화 자기와 매칭되는 제1 포화 자기는, 적어도 상기 작동 범위에서 상기 자유층에서 10Oe 이하의 시프트 필드일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 작동 온도 범위는 300℃의 최고 온도를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 기준층은 상기 제1 희토류-전이 금속층 및 상기 제2 희토류-전이 금속층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 비자기 스페이서층과 추가 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 배치되는 제2 추가 비자기 스페이서층과, 추가 핀드(pinned)층과 상기 자유층 사이에 상기 추가 비자기 스페이서층이 배치되는 추가 핀드층을 더 포함하되, 상기 기준층 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 희토류-전이 금속층 모두를 포함하고, 상기 기준층은 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 추가 기준층은 상기 제2 희토류-전이 금속층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 기준층은 제1 편광 강화층(PEL)을 포함하고, 상기 추가 기준층은 제2 편광 강화층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 편광 강화층은 제1 편광 강화층 포화 자기량을 갖고, 상기 제2 편광 강화층은 제2 편광 강화층 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 상기 제1 편광 강화층 포화 자기량을 포함하고, 상기 제2 포화 자기량은 상기 제2 편광 강화층 포화 자기량을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 기준층은 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 추가 기준층은 상기 제2 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 포화 자기량은 제1 포화 자기이고, 상기 제2 포화 자기량은 제2 포화 자기이고, 상기 제1 포화 자기 및 상기 제2 포화 자기는 대기 온도에서 5,000A/m 이하이고, 기록 온도에서 100,000A/m 보다 클 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 희토류-전이 금속층 및 상기 제2 희토류-전이 금속층 중 적어도 하나는 복수의 희토류-전이 금속서브층을 포함하는 다층(multilayer)을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전기 장치의 일 실시예는, 복수의 자기 저장셀 및 복수의 비트 라인을 포함하는 자기 메모리를 포함하되, 상기 복수의 자기 저장셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합부 각각은 기준층, 비자기 스페이서층 및 자유층을 포함하고, 상기 기준층과 상기 자유층 중 적어도 하나에 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 상기 비자기 스페이서층이 배치되고, 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되는 자유층이 배치되고, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 자유층에 있는 경우, 상기 자유층은 강자기층, 연자기층 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 대기 온도 범위에서 대기 자기 모멘트와 기록 온도 범위에서 상기 대기 자기 모멘트 보다 큰 기록 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 기준층에 있는 경우, 상기 자기 접합부는 제2 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭된다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 하나의 자기 접합부 각각은, 상기 비자기 스페이서층과 추가 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 배치되는 제2 추가 비자기 스페이서층과, 추가 핀드층과 상기 자유층 사이에 상기 추가 비자기 스페이서층이 배치되는 추가 핀드층을 더 포함하되, 상기 기준층 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 희토류-전이 금속층 모두를 포함하고, 상기 기준층은 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 추가 기준층은 상기 제2 희토류-전이 금속층을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부 제조 방법의 일 실시예는, 기준층을 형성하고, 비자기 스페이서층을 형성하고, 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되는 자유층으로서, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 상기 비자기 스페이서층이 배치되는 자유층을 형성하고, 상기 기준층 및 상기 자유층 중 적어도 하나에 제1 희토류-전이 금속(RE-TM)층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 자유층에 있는 경우, 상기 자유층은 강자기층, 연자기층 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 대기 온도 범위에서 대기 자기 모멘트와 기록 온도 범위에서 상기 대기 자기 모멘트 보다 큰 기록 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 희토류-전이 금속층이 상기 기준층에 있는 경우, 상기 자기 접합부를 형성하는 방법은 상기 자기 접합부에 제2 희토류-전이 금속층을 형성하는 것을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭된다.
몇몇 실시예에서, 상기 비자기 스페이서층과 추가 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 배치되는 제2 추가 비자기 스페이서층을 형성하고, 추가 핀드층과 상기 자유층 사이에 상기 추가 비자기 스페이서층이 배치되는 추가 핀드층을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 기준층 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 희토류-전이 금속층 모두를 포함하고, 상기 기준층은 상기 제1 희토류-전이 금속층을 포함하고, 추가 기준층은 상기 제2 희토류-전이 금속층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 기준층을 형성하는 것은, 제1 편광 강화층을 형성하는 것과, 제2 편광 강화층을 포함하는 상기 추가 기준층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 제1 희토류-전이 금속층을 형성하는 것은, 상기 희토류-전이 금속층에서 산소량을 제어하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 자기 듀얼 접합부를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 하나의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부에서 두개의 온도와 비교한 자기 모멘트 및 온도와 비교한 포화 자기를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부에서 온도와 비교한 포화 자기를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합부에 사용될 수 있는 희토류-전이 금속층을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 접합부에 사용될 수 있는 희토류-전이 금속층을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 자유층에 적어도 하나의 희토류-전이 금속층을 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자유층에 적어도 하나의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부에서 온도와 비교한 포화 자기를 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 저장셀의 메모리 소자에 자기 접합부를 사용하는 메모리를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 전기 장치 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 하나의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 희토류-전이 금속층의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 희토류-전이 금속층의 제조 방법을 도시한 도면이다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합부들 및 그와 같은 자기 접합부들을 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 기재 된 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 기술되었다. 하지만, 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 실시 예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이다. 하지만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성 들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있다. 하지만, 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.
예시적인 실시예는 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합부를 포함한다. 예를 들어, 자기 접합부는 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍을 위한 자기 저장셀 내에 있을 수 있다. 자기 메모리는 비휘발성 저장부를 채용한 전기 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전기 장치는 핸드폰, 테블릿 및 기타 모바일 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 자기 접합부는 기준층, 비자기 스페이서층, 자유층 및 제1 희토류-전이 금속층을 포함한다. 비자기 스페이서층은 자유층과 기준층 사이에 배치된다. 자유층은 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환된다. 제1 희토류-전이 금속층은 기준층 및 자유층 중 적어도 하나에 있다. 제1 희토류-전이 금속층이 자유층에 있는 경우, 자유층은 강자기층, 연자기층 및 강자기층과 연자기층 사이에 제1 희토류-전이 금속층을 포함한다. 이러한 측면에서, 제1 희토류-전이 금속층은 대기 온도 범위에서의 대기 자기 모멘트 및 기록 온도 범위에서의 기록 자기 모멘트를 갖는다. 대기 자기 모멘트는 기록 자기 모멘트보다 크다. 제1 희토류-전이 금속층이 기준층에 있는 경우, 자기 접합부는 제2 희토류-전이 금속층을 포함한다. 제2 희토류-전이 금속층은 기준층 또는 다른 기준층에 있을 수 있다. 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기 또는 제1 포화 자기 두께 생성물과 같은 제1 포화 자기량을 갖는다. 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기 또는 제2 포화 자기 두께 생성물과 같은 제2 포화 자기량을 갖는다. 이러한 측면에서, 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위에서 제2 포화 자기량과 매칭된다.
예시적인 실시예들은 특정 자기 접합부 및 어떤 구성요소를 갖는 자기 메모리의 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 역시 스핀 전달 현상 및 다른 물리적인 현상의 현재의 이해의 맥락에서 설명된다. 결과적으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법 및 시스템의 가동에 대한 이론적 설명들이 스핀 전달 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 접합부들 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 자기(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자기(ferrimagnetic)으로 설명한다. 여기에서 사용된 것과 같이, 자기란 용어는 강자성, 페리자기 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 상기 방법 및 시스템은 역시 단일 및 듀얼 자기 접합부의 맥락에서 설명된다. 다른 자기 접합부가 사용될 수 있다. 상기 방법은 역시 단일 자기 접합부를 포함하는 메모리 셀을 갖는 자기 메모리의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템은 셀당 다수의 자기 접합부를 갖는 자기 메모리의 사용과 매칭한다는 것을 쉽게 알 것이다. 나아가, 여기서 사용된 대로, "면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기 접합부의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, "수직인(perpendicular)"은 자기 접합부의 하나 이상의 층들에 실질적으로 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 자기 접합부(100)의 예시적인 실시예뿐만 아니라, 주변의 구조를 도시한다. 명확성을 위해, 도 2는 확장되지 않는다. 자기 접합부는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(100)은 기준층(110), 비자기 스페이서층(120), 자유층(130), 선택적 추가 비자기 스페이서층(들)(140) 및 선택적 추가 기준층(150)을 포함한다. 자기 접합부(100)은 역시 선택적 시드층(104), 기준층(110)을 위한 선택적 피닝층(optional pinning layer)(106), 선택적 기준층(150)을 위한 선택적 피닝층(109) 및 선택적 캡핑층(들)(optional capping layer)(108)을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(101), 하부 접촉부(102) 및 선택적 상부 접촉부(103)가 도시된다. 장치는 기판(101)에 형성될 수 있는 트랜지스터를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 층들(140, 150)이 생략되는 경우, 자기 접합부(100)는 단일 자기 접합부이다. 층들(140, 150)이 포함되는 경우, 자기 접합부(100)는 듀얼 자기 접합부이다. 층들(110, 120, 130, 140 및 150)이 기판(101)에 특정 방향으로 도시되어 있지만, 이 방향은 다른 실시예들에서 달다질 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 자기 접합부(100)의 상부(기판으로부터 가장 먼)에 가까워질 수 있다. 몇몇 실시예에서(층들(140, 150 및 109)이 생략된), 자기 접합부(100)는 하부 자유층 접합부가 될 것이다. 기준층(110)이 기판(101)과 가장 가깝고, 층들(140, 150 및 109)이 생략된 경우, 자기 접합부는 상부 자유층 접합부이다. 선택적 피닝층(들)(106, 109)은 각각의 기준층(들)(110, 150)의 자기를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택적 피닝층(106, 109)은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 각각의 핀드층(110, 150)의 자기를 고정시키는 다층 또는 반강자성층일 수 있다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 선택적 피닝층(106, 109)은 생략될 수 있거나, 또는 다른 구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)의 수직 자기 이방성 에너지가 면 외(out-of-plane) 소자 에너지를 초과하는 경우, 기준층(110)의 자기 모멘트는 면 외(예, 면 수직(perpendicular-to-plane))일 수 있다. 이것은 도 2에 도시되어 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 피닝층(106)은 생략될 수 있다. 유사하게, 선택적 기준층(150)의 자기 모멘트는 면 외 소자 에너지를 초과하는 층(150)의 수직 자기 이방성 에너지의 면 외(예, 면 수직)일 수 있다. 자기 접합부(100)는 역시 기록 전류가 자기 접합부(100)를 통과할 때 자유층(130)이 안정된 자기 상태 사이에서 전환될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유층(130)은 스핀 전달 토크를 사용하여 전환된다. 몇몇 실시예에서, 자유층(130)은 단지 스핀 전환 토크를 사용하여 전환된다. 다른 몇몇 실시예에서, 스핀 전환 토크는 자유층(130)을 전환하기 위해 다른 메커니즘과 결합될 수 있다. 예를 들어, 스핀 전환 토크는 가열, 어시스트 자기장 및/또는 자유층(130)을 전환하는 다른 현상과 결합될 수 있다.
기준층(110)은 자기고, 그것의 자기를 특정 방향으로 고정하거나, 수정할 수 있다. 단일 층으로 도시되었지만, 기준층(110)은 다층(multilayer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준층(110)은 Ru와 같은 얇은 층들을 통해 결합된 반강자성(antiferromagnetically) 또는 강자성(ferromagnetically) 자기 층들을 포함하는 합성형 반강자성(synthetic antiferromagnetic; SAF)일 수 있다. 이러한 합성형 반강자성에서, 다수의 자기 층들에는 Ru 또는 다른 물질이 사용될 수 있는 얇은 층(들)이 끼워져 있다. 기준층(110)은 역시 다른 다층일 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 기준층(110)은 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 기준층(110)은 도시된 바와 같이 면 수직으로 지향된 기준층(110)의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 기준층(110)의 자기의 다른 방향도 가능하다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 기준층(110)의 자기 모멘트는 면 내(in-plane)일 수 있다. 선택적 기준층(150)은 기준층(110)과 유사하다. 따라서, 선택적 기준층(150)은 자기고, 그것의 자기를 특정 방향으로 고정하거나, 수정할 수 있다. 단일 층으로 도시되었지만, 선택적 기준층(150)은 다층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 기준층(150)은 합성형 반강자성이거나, 또는 다른 다층일 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 선택적 기준층(150)은 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 선택적 기준층(150)은 도시된 바와 같이 면 수직으로 지향된 선택적 기준층(150)의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 선택적 기준층(150)의 자기의 다른 방향도 가능하다. 다른 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 선택적 기준층(150)의 자기 모멘트는 면 내일 수 있다. 기준층(110) 및 선택적 기준층(150)은 둘 다 존재하는 자기 접합부에서 동일할 필요는 없다.
스페이서층(120)은 비자기이다. 몇몇 실시예에서, 스페이서층(120)은 절연체, 예를 들어, 터널링 배리어(tunneling barrier)이다. 이러한 실시예에서, 스페이서층(120)은 결정 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있고, 자유층(130)의 수직 자기 이방성뿐만 아니라 자기 접합부의 TMR을 향상시킬 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 스페이서층(120)은 Cu와 같은 전도성일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 스페이서층(120)은 다른 구조, 예를 들어, 절연 매트릭스 내에 전도성 채널을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수도 있다. 선택적 스페이서층(140)은 스페이서층(120)과 유사하다. 따라서, 선택적 스페이서층(140)은 비자기이고, 터널링 배리어일 수 있다. 이러한 실시예에서, 스페이서층(120)은 결정 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 스페이서층(120)은 구리(Cu)와 같은 전도성일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 스페이서층(120)은 다른 구조, 예를 들어, 절연 매트릭스 내에 전도성 채널을 포함하는 과립층을 가질 수도 있다. 그러나, 스페이서층(120, 140)은 자기 접합부(100)에 둘 다 존재하는 경우 동일할 필요는 없다.
자유층(130)은 자기이고, 자기 접합부(100)를 통해 구동된 전류를 사용하여 기록된다. 몇몇 실시예에서, 자유층(13)은 다층이다. 예를 들어, 자유층(130)은 아마도 합성형 반강자성일 수 있고, 및/또는 상호 교환되어 결합된 다수의 인접한 강자성층들을 포함할 수 있다. 다른 다층들 역시 사용될 수 있다. 다층의 층들은 단일 구성 요소, 합금 및 비자기층들을 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 자유층(130)은 단일 층일 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 자유층(130)은 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 자유층(130)은 도시된 바와 같이 면 수직으로 지향된 자유층(130)의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 이러한 자기 모멘트는 전환될 수 있기 때문에, 도 2에서는 양방향 화살표로 도시된다. 다른 몇몇 실시예에서, 자유층(130)의 자기 모멘트에 대해 다른 방향이 가능하다. 예를 들어, 자유층(130)은 면 내 또는 Z축에서의 각도에서 안정된 자유층(130)의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 자유층(130)은 자기 접합부(100)가 기록되지 않은 경우 열적으로 안정하다(대기/대기 모드에서). 자유층(130)은 역시 자기 열 안정성 계수, Δ,를 특징으로 한다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 자유층(130)의 자기 열 안정성 계수, Δ,는 대기 온도 또는 작동 온도 비프로그래밍에서 적어도 60이다. 이러한 몇몇 실시예에서, 자기 열 안정성 계수는 대기 온도 범위에서 적어도 80이다.
자기 접합부(100)는 역시 적어도 하나의 희토류-전이 금속층(도 2에 미도시)을 포함한다. 희토류-전이 금속층(들)은 기준층(110), 기준층(150) 및/또는 자유층(130)에 있을 수 있다. 예를 들어, 희토류-전이 금속층(들)은 단지 기준층(110)에만 있을 수 있고, 단지 기준층(150)에만 있을 수 있고, 기준층(110, 150)에 모두 있을 수 있고, 단지 자유층(130)에만 있을 수 있고, 자유층(130) 및 기준층(110)에 있을 수 있고, 자유층(130) 및 기준층(150)에 있을 수 있거나, 또는 모든 층들(110, 130 및 150)에 있을 수 있다.
희토류-전이 금속층은 희토류(RE) 및 전이 금속(TM)의 합금을 포함한다. 예를 들어, 이러한 합금은 Tbx(FeyCo1-y)1 -x, TbxCo1 -x, TbxFe1 -x, GdxCo1 -x, Gdx(FeyCo1-y)1 -x and GdxFe1 -x을 포함할 수 있고, x 및 y는 각각 0을 포함하지 않는다. 다른 희토류-전이 금속 합금들도 역시 사용될 수 있다. 희토류(들) 및 전이 금속(들)의 농도는 희토류-전이 금속 합금의 다양한 특성을 조절하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, Fe의 농도는 희토류-전이 금속 합금의 포화 자기를 수정하도록 조절될 수 있다. 또한, 희토류-전이 금속 합금은 역시 도핑될 수 있다. 예를 들어, B를 도핑하는 것은 임계 온도를 조절할 수 있다(포화 자기가 0이고, 0을 유지하는 온도). B, Cu, Zr, Al, Si 및 다른 도펀트와 같은 물질들은 로컬 오더(local order)를 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도펀트는 합금에서 희토류 원자의 결정 위치에 영향을 미칠 수 있다. 산소, 수소 및 다른 가벼운 원소의 양은 희토류-전이 금속층에 사용된 희토류-전이 금속 합금이 원하는 특성을 갖는 것을 보장하기 위해 제조 중에 역시 제어될 수 있다. 예를 들어, 희토류-전이 금속 합금에서 낮은 산소 또는 수소를 보장하기 위한 메커니즘은 막이 증착되는 중에 사용될 수 있다.
희토류-전이 금속층은 희토류-전이 금속 합금 또는 다층을 포함하는 단일 층일 수 있다. 희토류-전이 금속 합금의 단일 층이 사용된 경우, 합금은 희토류-전이 금속층의 특성을 조절하기 위해 성분(및/또는 도펀트)의 하나 이상의 다양한 농도를 가질 수 있다. 다층의 경우, 희토류-전이 금속층은 서브층을 포함할 수 있다. 이러한 서브층들은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 희토류-전이 금속 합금은 서브층들의 일부 또는 전부를 위해 사용될 수 있다. 희토류-전이 금속 서브층들은 다른 물질과 결합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, TbCo의 희토류-전이 금속층(들)은 희토류-전이 금속층을 형성하기 위해 Fe 서브층(들)과 교대될 수 있다. 여기에서 언급된 합금들의 경우, 첨자의 부족은 특정 화학량을 나타내지는 않는다. 예를 들어, TbCo는 TbxCo1-x이고, x는 0을 포함하지 않는다.
희토류-전이 금속층이 자유층(130)에 존재하는 경우, 희토류-전이 금속층은 결합층일 수 있다. 이러한 실시예에서, 자유층(130)은 연성 강자성층, 강성 강자성층 및 연자기층과 강자기층 사이에 희토류-전이 금속층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연성 층은 CoFeB, Fe이 풍부한 층들 및/또는 다른 자기적인 연성 물질들(예, 100Oe보다 작은 항자기성)과 같은 물질들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 강성 물질들은 CoPt, CoCrPt, 이들의 합금, 이들의 다층 및/또는 다른 자기적인 강성 물질(예, 200Oe보다 크고 일반적으로 1000Oe보다 큰 항자기성)과 같은 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 희토류-전이 금속층의 자기 모멘트는 대기 또는 자기 접합부(100)의 다른 작동 중보다 기록되는 중에 더 작다. 예를 들어, 대기 중에, 자기 접합부(100)는 통상적으로 실온(약 20 내지 30℃) 근처이고, 일반적으로 100℃ 미만의 온도이다. 일부의 경우에, 자기 접합부(100)는 대기 중에 실온 이하로 냉각될 수 있다. 자기 접합부의 작동 중, 자기 접합부(100)의 온도는 상승될 수 있다. 작동 온도 범위는 대기로부터 적어도 기록 온도(들)까지의 온도를 포함한다. 자기 접합부(100)의 판독 또는 자기 접합부(100) 프로그래밍 이외에 존재하는 자기 접합부(100) 내부의 전기 장치의 사용 중에, 자기 접합부(100)의 온도는 약간 증가될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합부(100)의 온도는 실온 이상이고 약 200℃ 미만일 수 있다. 최고 온도는 일반적으로 전류가 자기 접합부(100)를 통해 구동되는 경우, 따라서, 자유층(130)을 통하는 경우인, 기록하는 중에 도달된다. 예를 들어, 자기 접합부(100)에 대한 기록 작동 중에, 자기 접합부(100)의 온도는 200℃보다 클 수 있고, 250℃ 내지 300℃만큼 높을 수 있다. 다른 대기에서, 작동 및 기록 온도는 가능하다. 자유층(130) 내부의 희토류-전이 금속층은 대기 및 다른 작동 온도 범위에서 보다 기록 온도 범위에서 더 작은 희토류-전이 금속층의 자기 모멘트로 구성된다. 예를 들어, 기록 작동 중에, 희토류-전이 금속층의 모멘트는 실온에서의 모멘트의 절반 미만이다. 몇몇 실시예에서, 희토류-전이 금속층의 모멘트는 실온 자기 모멘트의 1/10 미만이다.
희토류-전이 금속층의 모멘트가 기록 중에 감소되기 때문에, 자유층(130)의 강자기층과 연자기층 사이에서 결합되는 것은 기록 중 감소될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자유층(130)은 희토류-전이 금속층이 동일하거나 또는 더 높은 자기 모멘트를 갖은 경우보다 더 작은 전류에서 기록될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(100)의 성능은 개선될 수 있다.
상술한 바와 같이, 희토류-전이 금속층은 하나 이상의 층들(110, 130 및 150)에 있다. 희토류-전이 금속층이 기준층(110, 150) 중 하나 또는 모두에 있는 경우, 자기 접합부(100)는 적어도 2개의 희토류-전이 금속층을 포함한다. 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량을 갖는다. 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖는다. 포화 자기량은 대응하는 희토류-전이 금속층의 자기 모멘트와 관련된 양이다. 예를 들어, 포화 자기량은 단순히 포화 자기, 자기 모멘트, 포화 자기 두께 생성물(희토류-전이 금속층의 두께에 따른 다수의 포화 자기) 또는 희토류-전이 금속층의 일부 결합일 수 있다. 제1 및 제2 희토류-전이 금속층의 포화 자기량들은 적어도 작동 온도 범위(예, 적어도 대기에서 기록 온도까지)에서 매칭된다. 여기에서 사용되는 "매칭"은 완벽한 일치에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 희토류-전이 금속층의 자기 모멘트는 작동 온도 범위에서 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 작동 온도 범위의 적어도 일부에서 적어도 조금 달라질 수 있다. 예를 들어, 자기 모멘트들은 적어도 작동 온도 범위에서 100emu/cc를 넘지 않게 달라질 수 있다. 포화 자기 두께 생성물들은 동일할 수 있고, 및/또는 적어도 작동 온도 범위에서 10 milli-emu/cm2를 넘지 않게 달라질 수 있다. 포화 자기들은 동일할 수 있거나, 또는 적어도 작동 온도 범위에서 5,000A/m를 넘지 않게 달라질 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트, 포화 자기 두께 생성물 및/또는 포화 자기는 작동 온도 범위에서 다른 양(들)에 의해 달라질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 포화 자기량이 매칭된다는 것은 희토류-전이 금속층들이 동일한 물질을 포함하는 것을 의미한다. 그러나, 다른 몇몇 실시예에서, 다른 물질들이 희토류-전이 금속층에 사용될 수 있다.
이러한 포화 자기량이 작동 온도 범위에서 매칭되기 때문에, 자유층(130)에서의 시프트 필드는 0 근처일 수 있다. 페리자성 희토류-전이 금속층들의 방향, 희토류-전이 금속층들의 위치 및 포화 자기량의 매칭 때문에, 희토류-전이 금속층들에 의해 가해지는 넷(net) 영역은 자유층에서 0 근처일 수 있다. 달리 말하면, 자유층(130)에서 시프트 필드는 실질적으로 0일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 자유층(130)에서 시프트 필드는 작동 온도 범위에서 50Oe를 넘지 않는다. 몇몇 실시예에서, 자유층(130)에서의 스트레이(stray) 영역은 20Oe를 넘지 않을 수 있다. 예를 들어, 자유층(130)에서의 스트레이 영역은 작동 온도 범위에서 10Oe를 넘지 않을 수 있다.
희토류-전이 금속층들은 자유층(130)에서 실질적으로 0 시프트 필드 및 포화 자기량의 매칭을 위해 기준층들(110, 150)의 하나 또는 모두에 위치될 수 있다. 기준층(110 또는 150)이 생략되는 단일 자기 접합부를 위해, 희토류-전이 금속층들 모두는 각각 동일한 기준층(150 또는 110) 내부에 있다. 이러한 실시예에서, 희토류-전이 금속층들은 반강자성적으로 정렬되고, 반강자성적으로 결합될 수 있다. 두개의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 듀얼 자기 접합부(100)에서, 희토류-전이 금속층들 모두는 동일한 기준층(110 또는 150)에 있을 수 있고, 단일 자기 접합부를 구성할 수 있다. 두개의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 듀얼 자기 접합부(100)에서, 하나의 희토류-전이 금속층은 하나의 기준층(110)에 있을 수 있고, 반면에 다른 희토류-전이 금속층은 다른 기준층(150)에 있을 수 있다. 이러한 경우에, 희토류-전이 금속층들은 각각 기준층(110, 150)에 있을 수 있다. 이러한 경우에, 하나의 기준층(110)에 있는 하나의 희토류-전이 금속층은 다른 기준층에 있는 다른 희토류-전이 금속층과 매칭될 수 있고, 또는 희토류-전이 금속층들 모두는 각각의 기준층(110, 150)에 매칭될 수 있다.
기록 작동에서, 기록 전류는 자기 접합부(100)를 프로그래밍 하기 위해 전류 면 수직(CPP) 구성에서 자기 접합부(100)를 통해 구동된다. 도 2에서, 기록 전류는 접촉부들(102, 103) 사이에서 실질적으로 Z축 방향으로 구동된다. 자기 접합부(100)는 적어도 스핀 전달을 사용하여 프로그래밍된다. 이러한 외부 자기 영역 및/또는 스핀 궤도 결합과 같은 다른 메커니즘은 역시 채용될 수 있다.
판독 동작에서, 기록 전류보다 작은 판독 전류는 자기 접합부(100)을 통해 구동된다. 판독 전류는 역시 전류 면 수직 방향으로 구동될 수 있다. 자기 접합부(100)의 자기 저항에 기반하여, 자유층(130)의 자기 모멘트의 상태(Z축 방향 또는 음의 Z축 방향으로) 결정될 수 있다. 듀얼 자기 접합부를 위해, 비자기 스페이서층(120, 140)은 자유층(130)의 자기 상태를 구별할 수 있도록 다르게 구성될 수 있다.
기준층(110 및/또는 150)의 희토류-전이 금속층의 포화 자기량들이 매칭되기 때문에, 희토류-전이 금속층들로부터의 자유층에서 시프트 필드는 자기 접합부(100)의 적어도 작동 온도 범위에서 실질적으로 0이다. 자유층(130)에 대한 히스테리시스 루프(hysteresis loop)(인가된 자기 영역과 비교한 모멘트)는 대칭일 수 있다. 결과적으로, 자기 접합부(100)는 기준층들(110 및/또는 150)에서 사용되도록 희토류-전이 금속층들을 허용하는 중에 더 정확하게 판독 및 프로그래밍될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(100)의 성능은 개선될 수 있다.
희토류-전이 금속층(들)과 관련된 다양한 특징들이 자기 접합부(100)에 대하여 앞서 기술되고, 아래의 설명에서 강조된다. 다양한 특징들 및 구성들은 명백하게 설명되지 않은 방법 및 시스템과 모순되지 않는 방법으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 희토류-전이 금속층들은 자유층 및 하나 이상의 기준층 모두에 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 둘 이상의 희토류-전이 금속층을 포함하는 자기 접합부를 도시한다. 명확성을 위해 도 3은 확장되지 않고, 단지 자기 접합부(200)의 일부 부분이 도시될 것이다. 도 4a 내지 4c 각각은 대기 온도 범위에서의 영역과 비교한 자기 모멘트, 기록 온도 범위에서 자기 영역과 비교한 자기 모멘트 및 자기 접합부(200)에 대한 온도와 비교한 포화 자기의 예시적인 실시예들을 나타내는 그래프(270, 270' 및 280)이다. 도 3 내지 4c를 참조하면, 자기 접합부(200)는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200)는 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200)는 자기 접합부(100)의 각각의 층들(110, 120 및 130)에 유사하게 기준층(210), 비자기 스페이서층(220) 및 자유층(230)을 포함한다. 단순화를 위해, 다른 층들은 도시되지 않는다. 따라서, 자기 접합부(100)에 도시된 하부 기판(101), 접촉부(102, 103), 선택적 시드층(104), 선택적 피닝층(106, 109) 및 선택적 캐핑층(108)은 도 3에 도시되지 않는다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에서, 자기 접합부(200)는 단지 하나의 비자기 스페이서층(220)을 포함하는 단일 자기 접합부이다. 다른 실시예에서, 자유층(230)은 기준층(210)의 상부 상에 도시되었지만, 층들(210, 220 및 230)의 순서는 역전될 수 있다.
자유층(230)은 자유층(130)과 유사하다. 따라서, 자유층(230)은 스핀 전달을 사용하여 안정된 자기 상태 사이에서 전환될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층(230)은 단일 층이다. 그러나, 다른 실시예에서, 자유층(230)은 다층일 수 있다. 자유층(230)의 자기 모멘트는 역시 면 수직으로 도시된다. 따라서, 자유층(230)의 안정된 상태는 Z축을 따라 있다. 다른 실시예에서, 자유층(230)의 안정된 상태는 다른 방향일 수 있다.
비자기 스페이서층(220)은 비자기 스페이서층(120)과 유사하다. 따라서, 비자기 스페이서층(220)은 터널링 배리어층, 전도성층 또는 다른 층일 수 있다.
자기 접합부(200)은 역시 제1 희토류-전이 금속층(212)을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제1 희토류-전이 금속층(212)는 기준층(210)의 내부에 있다. 희토류-전이 금속층(212)이 기준층(210)에 있기 때문에, 자기 접합부(200)는 제2 희토류-전이 금속층(216)을 포함한다. 희토류-전이 금속층(216)은 역시 기준층(210)의 일부이다. 기준층(210)은 역시 비자기이고 Ru를 포함할 수 있는 스페이서층(214)을 포함한다. 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 반강자성적으로 정렬된다. 몇몇 실시예에서, 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 반강자성적으로 결합된다. 기준층(210)은 이러한 실시예들에서 합성형 반강자성이다. 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 역시 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는다. 결과적으로, 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 자기 모멘트는 면 수직일 수 있다.
희토류-전이 금속층들(212, 216)은 매칭되는 포화 자기량을 갖는다. 예를 들어, 희토류-전이 금속층(212)의 포화 자기는 자기 접합부(200)의 작동 온도 범위에서 희토류-전이 금속층(216)의 포화 자기와 매칭될 수 있다. 유사하게, 포화 자기 두께 생성물(Z축 방향으로 두께에 의해 증가된 포화 자기) 및/또는 희토류-전이 금속층들(212, 216)의 자기 모멘트는 작동 온도 범위에서 매칭될 수 있다. 상술한 바와 같이, 매칭되는 것은 완전히 일치하는 것에 제한되지 않는다. 대신에, 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 상술한 제한 내에서 매칭될 수 있다. 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 동일한 물질로 형성될 수 있고, 다른 성분들을 포함할 수 있다.
희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량을 매칭시키는 것은 도 4c에 도시된 그래프(280)을 사용해 이해될 수 있을 것이다. 곡선(282)은 희토류-전이 금속층들(212, 216)에 대한 온도와 비교한 포화 자기를 도시한다. 곡선(282)은 희토류-전이 금속층(212)에 대응하고, 반면에 곡선(284)은 희토류-전이 금속층(216)에 대응한다. 층들(212, 216)이 동일한 경우, 곡선들(282, 284)은 완벽한 일치를 나타내는 단일 곡선일 것이다. 영역(286)은 대기 온도 범위에 대응하고, 반면에 영역(288)은 기록 온도 범위에 대응한다. 작동 온도 범위는 적어도 영역(288)에 대응하는 온도를 통해 영역(286)에 대응하는 온도를 포함한다. 도 4c에서 볼 수 있는 것처럼, 곡선들(282, 284)은 작동 온도 범위와 매칭된다.
희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량 매칭 때문에, 자기 접합부(200)의 성능은 개선될 수 있다. 도 4a의 그래프(270)는 안정된 온도 범위(도 4c의 영역(286))에서 자유층(230)에 대한 인가된 자기 영역과 비교한 모멘트를 도시한다. 도 4a에서 볼 수 있는 것과 같이, 히스테리시스 루프는 각각의 제로 필드(zero field)에 대하여 대칭이다. 도 4b의 그래프(270')는 기록 전류 범위(도 4의 영역(288))에서 자유층(230)에 대한 인가된 자기 영역과 비교한 지기 모멘트를 도시한다. 도 4b에서 볼 수 있는 것과 같이, 히스테리시스 루프는 각각 0으로 인가된 자기 영역에 대하여 여전히 대칭이다. 따라서, 시프트 필드는 자기 접합부(200)에 대하여 실질적으로 0이다. 결과적으로, 자기 접합부(200)는 판독 및 기록 작동을 위해 대칭일 수 있다. 또한, 층들(212, 216)과 같은 강자성 희토류-전이 금속층들은 자기 접합부(200)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200)의 성능은 개선될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(200')를 도시한다. 명확성을 위해, 도 5는 확장되지 않고, 자기 접합부(200')의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 자기 접합부(270')는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200')는 자기 접합부(200) 및 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200')는 자기 접합부(200)의 각각의 층들(210, 220 및 230)에 유사하게 기준층(210), 비자기 스페이서층(220) 및 자유층(230)을 포함한다. 단순화를 위해, 시드, 캡핑 및 접촉층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다.
도 5에 도시된 실시예에서, 자기 접합부(200')는 각각의 자기 접합부의 층들(140, 150)과 유사한 추가 스페이서층(240) 및 추가 기준층(250)을 포함하는 듀얼 자기 접합부이다. 추가 스페이서층(240)은 스페이서층(220)과 유사하다. 기준층(250)은 자기이고, 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖도록 도시된다. 따라서, 기준층(250)의 자기 모멘트는 면 수직이다. 단일층으로 도시된 경우, 기준층(250)은 다층일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기준층(250)은 합성형 반강자성일 수 있다. 비자기 스페이서층(240)은 터널링 배리어층, 전도성층 또는 다른 층일 수 있다. 또한, 층들(210, 220, 240 및 250)은 자기 접합부(200')의 안정된 상태가 자기를 통해 구별되도록 구성된다. 예를 들어, 스페이서층(220)은 스페이서층(240)보다 얇다. 또한, 기준층들(210, 250)은 듀얼 상태에서 자기 모멘트로 도시된다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 비듀얼 상태이거나, 또는 듀얼 상태와 비듀얼 상태 사이에서 전환될 수 있다.
자기 접합부(200')에서, 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 모두 기준층(210) 내부에 존재한다. 희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량은 역시 접합부(200)와 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, 희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량은 상술한 바와 같이 매칭한다.
희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량 매칭 때문에, 자기 접합부(200')의 성능은 개선될 수 있다. 희토류-전이 금속층들(212, 216)의 포화 자기량을 매칭하는 것은 자유층(230)에서 시프트 필드가 실질적으로 0이 되기 위해 허용한다. 결과적으로, 자기 접합부(200')는 판독 및 기록 작동을 위해 대칭일 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200')의 성능은 개선될 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(200'')를 도시한다. 명확성을 위해, 도 6은 확장되지 않고, 자기 접합부(200'')의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 자기 접합부(200'')는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200'')는 자기 접합부(200 및/또는 200') 및 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200'')는 자기 접합부들(200 및/또는 200')의 각각의 층들(210, 220, 230, 240 및 250)에 유사하게 기준층(210), 비자기 스페이서층(220), 자유층(230), 추가 비자기 스페이서층(240) 및 추가 핀드층(250')을 포함한다. 또한, 층들(210, 220, 240 및 250')은 자기 접합부(200'')의 안정된 상태가 자기를 통해 구별되도록 구성된다. 또한, 기준층들(210, 250')은 듀얼 상태에서 자기 모멘트로 도시된다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 비듀얼 상태이거나, 또는 듀얼 상태와 비듀얼 상태 사이에서 전환될 수 있다. 단순화를 위해, 시드, 캡핑 및 접촉층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다.
도 6에 도시된 실시예에서, 기준층(250')은 역시 비자기 스페이서층(254)으로부터 분리된 두개의 희토류-전이 금속층들(252, 256)을 포함한다. 희토류-전이 금속층들(252, 256)은 반강자성적으로 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 희토류-전이 금속층들(252, 256)은 반강자성적으로 결합된다. 따라서, 기준층(250')은 합성형 반강자성일 수 있다. 스페이서층(254)은 비자기이고, Ru와 같은 물질일 수 있다.
따라서, 자기 접합부(200'')는 4개의 희토류-전이 금속층들(212, 216, 252 및 256)을 포함한다. 자기 접합부(200'')는 희토류-전이 금속층들(212, 216, 252 및 256)의 포화 자기량과 매칭되게 구성된다. 몇몇 실시예에서, 기준층(210)의 내부의 희토류-전이 금속층들(212, 216)은 적어도 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭된다. 이러한 실시예에서, 기준층(250)의 내부의 희토류-전이 금속층들(252, 256)은 적어도 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭된다. 다른 실시예에서, 희토류-전이 금속층(212)은 희토류-전이 금속층(256)과 매칭되는 포화 자기량을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 희토류-전이 금속층(216)은 희토류-전이 금속층(252)과 매칭되는 포화 자기량을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 희토류-전이 금속층들(212, 216, 252 및 256)의 다른 결합(들)은 자유층(230)에서의 시프트 필드가 실질적으로 0이 되는 포화 자기량을 갖는다.
희토류-전이 금속층들(212, 216, 252 및 256)의 포화 자기량 매칭 때문에, 자기 접합부(200'')의 성능은 개선될 수 있다. 희토류-전이 금속층들(212, 216, 252 및 256)의 포화 자기량을 매칭하는 것은 시프트 필드가 자유층(230)에서 실질적으로 0이 되기 위해 허용한다. 결과적으로, 자기 접합부(200'')는 희토류-전이 금속 합금을 사용하는 중에 판독 및 기록을 위해 대칭적일 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200'')의 성능은 개선될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(200''')를 도시한다. 명확성을 위해, 도 7은 확장되지 않고, 자기 접합부(200''')의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 자기 접합부(200''')는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200''')는 자기 접합부(200, 200' 및/또는 200'') 및 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200''')는 자기 접합부들(200, 200' 및/또는 200'')의 각각의 층들(210, 220, 230, 240 및 250/ 250')에 유사하게 기준층(210'), 비자기 스페이서층(220), 자유층(230), 추가 비자기 스페이서층(240) 및 추가 핀드층(250'')을 포함한다. 또한, 층들(210', 220, 240 및 250'')은 자기 접합부(200''')의 안정된 상태가 자기를 통해 구별되도록 구성된다. 또한, 기준층들(210', 250'')은 듀얼 상태에서 자기 모멘트로 도시된다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 비듀얼 상태이거나, 또는 듀얼 상태와 비듀얼 상태 사이에서 전환될 수 있다. 단순화를 위해, 시드, 캡핑 및 접촉층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다.
도 7에 도시된 실시예에서, 각각의 기준층들(210', 250'')은 희토류-전이 금속층(212, 252) 각각을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 기준층(210')은 단일 희토류-전이 금속층(212)로 구성된다. 몇몇 실시예에서, 기준층(250'')은 단일 희토류-전이 금속층(252)로 구성된다. 기준층들(210', 250'') 모두는 단일 희토류-전이 금속층(212, 252) 각각으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 기준층들(210', 250'')은 단일 희토류-전이 금속층(212, 252) 각각을 포함하는 다층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(210' 및/또는 250'')은 자기층들의 하나가 각각 희토류-전이 금속층(212 및/또는 252)인 합성형 반강자성일 수 있다.
기준층들(210', 250'')은 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭되는 각각의 희토류-전이 금속층(212, 252)으로 구성된다. 도 7에 도시된 각각의 기준층들(210', 250'')과 같이, 희토류-전이 금속층들(212, 252)은 역시 듀얼 상태이다. 결과적으로, 자유층(230)에서의 시프트 필드는 실질적으로 0이다.
희토류-전이 금속층들(212, 252)/ 기준층들(210', 250'')의 포화 자기량 매칭 때문에, 자기 접합부(200''')의 성능은 개선될 수 있다. 층들(210'/212 및 250''/252)의 포화 자기량을 매칭하는 것은 자유층(230)에서 시프트 필드가 실질적으로 0이 되기 위해 허용한다. 결과적으로, 자기 접합부(200''')는 희토류-전이 금속 합금(들)을 포함하는 중에 판독 및 기록을 위해 대칭적일 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200''')의 성능은 개선될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(200'''')를 도시한다. 명확성을 위해, 도 8은 확장되지 않고, 자기 접합부(200'''')의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 자기 접합부(200'''')는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200'''')는 자기 접합부(200, 200', 200'' 및/또는 200''') 및 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200'''')는 자기 접합부들(200, 200', 200'' 및/또는 200''')의 각각의 층들(210/210', 220, 230, 240 및 250/250'/250'')에 유사하게 기준층(210''), 비자기 스페이서층(220), 자유층(230), 추가 비자기 스페이서층(240) 및 추가 핀드층(250''')을 포함한다. 또한, 층들(210'', 220, 240 및 250''')은 자기 접합부(200'''')의 안정된 상태가 자기를 통해 구별되도록 구성된다. 또한, 기준층들(210'', 250''')은 듀얼 상태에서 자기 모멘트로 도시된다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 비듀얼 상태이거나, 또는 듀얼 상태와 비듀얼 상태 사이에서 전환될 수 있다. 단순화를 위해, 시드, 캡핑 및 접촉층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다.
도 8에 도시된 실시예에서, 기준층(210'')은 편광 강화층(227)뿐만 아니라 희토류-전이 금속층(212/210')을 포함한다. 유사하게, 기준층(250''')은 편광 강화층(257)뿐만 아니라 희토류-전이 금속층(252/250'')을 포함한다. 층들(210', 250'')은 도 7에 도시된 층들(210', 250'')과 유사하다. 다시 도 8을 참조하면, 층(210')은 단일 희토류-전이 금속층(212)으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 층(250'')은 단일 희토류-전이 금속층(252)으로 구성될 수 있다. 층들(210', 250'') 모두는 단일 희토류-전이 금속층(212, 252) 각각으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 층들(210', 250'')은 단일 희토류-전이 금속층(212, 252) 각각을 포함하는 다층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(210' 및/또는 250'')은 자기층들의 하나가 각각 희토류-전이 금속층(212 및/또는 252)인 합성형 반강자성일 수 있다.
기준층들(210'', 250''')들의 하나 또는 모두는 편광 강화층(227, 257) 각각을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 단지 하나의 기준층(210'' 또는 250''')은 편광 강화층(227 또는 257) 각각을 포함한다. 다른 실시예에서, 기준층들(210'', 250''') 모두는 편광 강화층(227, 257)을 포함한다. 편광 강화층들(227, 257)은 높은 스핀 편광을 갖는 층들이다. 예를 들어, 편광 강화층들(227, 257)은 각각 CoFeB층 또는 FeB층일 수 있다.
기준층들(250''', 210'')은 자기 접합부(200''')의 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭되도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 이것은 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭되는 희토류-전이 금속층들(212, 252)/층들(210', 250'')을 의미한다. 이러한 실시예에서, 편광 강화층들(227, 257)의 자기 특성은 자기 접합부(200'''')에 원하는 특성을 제공하기 위해 별도로 조절될 수 있다. 다른 실시예에서, 그것은 층들(250''/252 및 257)의 포화 자기량의 결합과 매칭되는 층들(210'/212 및 227)에 대한 포화 자기량의 결합이다. 결과적으로, 자유층(230)에서의 시프트 필드는 실질적으로 0이다.
기준층들(210'', 250''')의 포화 자기량 매칭 때문에, 자기 접합부(200'''')의 성능은 개선될 수 있다. 층들(210'', 250''')의 포화 자기량을 매칭하는 것은 자유층(230)에서 시프트 필드가 실질적으로 0이 되기 위해 허용된다. 결과적으로, 자기 접합부(200'''')는 판독 및 기록 작동을 위해 대칭적일 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200'''')의 성능은 개선될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(200''''')를 도시한다. 명확성을 위해, 도 9는 확장되지 않고, 자기 접합부(200''''')의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 자기 접합부(200''''')는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(200''''')는 자기 접합부(200, 200', 200'', 200''' 및/또는 200'''') 및 자기 접합부(100)과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(200''''')는 자기 접합부들(200, 200', 200'', 200''' 및/또는 200'''')의 각각의 층들(210/210'/210'', 220, 230, 240 및 250/250'/250''/250''')에 유사하게 기준층(210'''), 비자기 스페이서층(220), 자유층(230), 추가 비자기 스페이서층(240) 및 추가 핀드층(250'''')을 포함한다. 또한, 층들(210''', 220, 240 및 250'''')은 자기 접합부(200''''')의 안정된 상태가 자기를 통해 구별되도록 구성된다. 또한, 기준층들(210''', 250'''')은 듀얼 상태에서 자기 모멘트로 도시된다. 다른 실시예에서, 자기 모멘트들은 비듀얼 상태이거나, 또는 듀얼 상태와 비듀얼 상태 사이에서 전환될 수 있다. 단순화를 위해, 시드, 캡핑 및 접촉층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다. 도 9에 도시된 실시예에서, 기준층(210''', 250'''')은 작동 온도 범위에서 포화 자기량과 매칭된다. 각각의 기준층들(210''', 250'''')은 하나 이상의 희토류-전이 금속층을 포함한다. 결과적으로, 자유층(230)에서의 시프트 필드는 실질적으로 0이다.
또한, 포화 자기 및/또는 자기 모멘트와 같은 포화 자기 모멘트들은 기록 중에 어시스트 필드를 제공하도록 구성된다. 기준층들(210''', 250'''')에 의해 제공된 어시스트 자기 필드는 자유층(230)의 자장자리 근처의 곡선 화살표로 도시된다. 이러한 곡선 화살표들은 층들(210''', 250'''')로 인해 스트레이 필드에 대응한다. 스트레이 필드는 역시 기록 중에 강화된다. 이것은 기록 온도 범위에서 증가된 자기 모멘트와 같은 포화 자기량 때문일 수 있다.
이러한 특징은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합부(200''''')의 일정한 온도와 비교한 포화 자기량을 도시한 도 10의 그래프(280')와의 연결로 설명된다. 곡선(282')은 기준층(210''')에서 회토류-전이 금속층(들)의 온도와 비교한 포화 자기량을 도시한다. 곡선(284')은 기준층(250'''')에서 회토류-전이 금속층(들)의 온도와 비교한 포화 자기량을 도시한다. 영역(286')은 대기 온도 범위에 대응하고, 영역(288')은 기록 온도 범위에 대응한다. 도 10의 곡선(282', 284')에 도시된 바와 같이, 각각의 기준층들(210''', 250'''')의 포화 자기량들은 작동 온도 범위에 매칭된다. 또한, 기준층들(210''', 250'''')에서 강자성(들)의 자기 모멘트와 같은 포화 자기량은 작동 온도 범위에서 온도가 증가하면서 증가한다. 더 중요하게, 기준층들(210''', 250'''')에 대한 포화 자기량은 대기 중보다 기록 중에 더 크다. 몇몇 실시예에서, 대기 온도 범위에서의 자기 모멘트는 기록 온도 범위에서의 자기 모멘트의 1/4 이하이다. 결과적으로, 자유층(230)에서의 스트레이 필드는 대기 중보다 기록 중에 더 크다. 대기 상태에서, 기준층들(210''', 250'''')로부터의 더 작은 스트레이 필드들은 자유층(230)의 자기 모멘트에 영향을 덜 미친다. 달리 말하면, 자유층 자기 모멘트는 대기 중에 더 안정될 수 있다. 그러나, 기록 작동 중에, 기준층들(210''', 250'''')의 모멘트로 인해 스트레이 필드들은 더 커진다. 따라서, 이러한 스트레이 필드들은 자유층(230)의 자기 모멘트의 상태를 전환시키도록 지원하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합부(200''''')의 전환은 개선될 수 있다.
자기 접합부(200''''')의 성능은 개선될 수 있다. 층들(210''', 250'''')의 포화 자기량을 매칭하는 것은 자유층(230)에서 시프트 필드가 실질적으로 0이 되기 위해 허용한다. 결과적으로, 자기 접합부(200''''')는 판독 및 기록 작동을 위해 대칭적일 수 있다. 또한, 기준층들(210''', 250'''')의 희토류-전이 금속층들의 자기 모멘트들은 기록 온도 범위에서 더 높을 수 있다. 자유층(230)에서의 기준층들(210''', 250'''')로부터의 스트레이 필드들은 자유층(230)의 자기 모멘트를 전환하는 것을 지원할 수 있다. 그리고 나서, 전환하는 것은 더 빠르게 및/또는 더 낮은 기록 전류에서 수행될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(200''''')의 성능은 개선될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합부에서 사용될 수 있는 희토류-전이 금속층(260)을 도시한다. 명확성을 위해, 도 11은 확장되지 않는다. 희토류-전이 금속층(260)은 적어도 하나의 희토류-전이 금속 합금 서브층(261-1)을 포함한다. 희토류-전이 금속 합금(261-1)은 원하는 자기 및 다른 특성을 제공하기 위해 원하는 화학량, 도핑, 산소 농도, 수소 농도 및/또는 다른 특성들을 갖는다. 희토류-전이 금속 합금(261-1)은 희토류 및 전이 금속의 합금이다. 예를 들어, 이러한 합금들은 Tbx(FeyCo1-y)1-x, TbxCo1-x, TbxFe1-x, GdxCo1-x, Gdx(FeyCo1-y)1-x 및 GdxFe1-x를 포함할 수 있고, x 및 y는 각각 0을 포함하지 않는다. 다른 희토류-전이 금속 합금들도 역시 사용될 수 있다. 또한, 희토류-전이 금속 합금(261-1) 역시 도핑될 수 있다. 예들 들어, B, Cu, Zr, Al, Si 및 다른 불순물과 같은 물질들이 사용될 수 있다. 산소, 수소 및 가벼운 원소들은 희토류-전이 금속 합금(261-1)이 원하는 특성을 갖는 것을 보장하기 위해 제조 중에 역시 제어될 수 있다.
희토류-전이 금속층(260)은 희토류-전이 금속 합금(261-1)을 포함하는 단일 층일 수 있다. 이러한 실시예에서, 희토류-전이 금속 합금(261-1)은 하나 이상의 성분의 농도 변화를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 희토류-전이 금속층(260)은 두개의 희토류-전이 금속 합금 서브층들을 포함하는 다층일 수 있다. 따라서, 추가 선택적 희토류-전이 금속 합금 서브층(261-2)이 역시 도시된다. 희토류-전이 금속 합금(261-1)과 같이, 희토류-전이 금속 합금(261-2)은 원하는 화학량, 불순물 및 다른 특성들을 갖는다. 또한, 추가 희토류-전이 금속 합금 서브층들(미도시)은 희토류-전이 금속층(260)에 포함될 수 있다. 따라서, 희토류-전이 금속층(260)은 하나 이상의 희토류-전이 금속 합금을 포함한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 접합부에 사용될 수 있는 희토류-전이 금속층(260')을 도시한다. 명확성을 위해, 도 12는 확장되지 않는다. 희토류-전이 금속층(260')은 다수의 서브층들을 포함하는 다층이다. 이러한 서브층들은 다양한 물질들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 몇몇 서브층들은 희토류-전이 금속 합금들이고, 다른 것들은 다른 금속들이다. 희토류-전이 금속층(260')은 희토류-전이 금속 합금 서브층들(262-1, 262-2, 262-3, 262-4, 262-5 및 262-6 (통칭 262)을 포함한다. 또한, 전이 금속 서브층들(264-1, 264-2, 264-3, 264-4, 264-5, 264-6 및 264-7 (통칭 264)이 포함된다. 서브층들(262-i and 264-j)의 반복된 특정 횟수가 도시되어 있지만, 반복된 다른 횟수가 사용될 수 있다. 또한, 최외곽 서브층들(264-1, 264-7)은 전이 금속들이다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 최외곽 층들은 희토류-전이 금속 합금일 수 있다. 또한, 희토류-전이 금속 합금들(262)은 다를 수 있다. 예를 들어, 희토류-전이 금속 합금들(262)의 일부는 TbCo일 수 있고, 다른 것들은 GdCo이다. 다른 실시예에서, 희토류-전이 금속 합금들(262)은 동일할 수 있다. 희토류-전이 금속 합금들(262) 각각은 역시 다수의 합금 서브층들을 포함할 수 있다. 예들 들어, 각각의 희토류-전이 금속 합금들(262)은 희토류-전이 금속층(260)일 수 있다. 유사하게, 금속 서브층들(264)은 동일할 수 있다. 예를 들어, 금속 서브층들(264)은 모두 Fe일 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 금속 서브층(264)의 두께는 7Å(Angstroms) 이하일 수 있다. 다른 실시예에서, 서브층들(264)은 다를 수 있다. 예를 들어, TbCo의 희토류-전이 금속 서브층(262)은 다층 희토류-전이 금속층(260')을 형성하기 위해 Fe 서브층들(264)로 교대될 수 있다. 다층이 사용되기 때문에, 각각의 희토류-전이 금속 서브층들(262) 및/또는 금속층들(264)은 희토류-전이 금속층(260')이 원하는 특성을 갖도록 조절될 수 있다. 또한, 다층의 사용은 보다 높은 온도에서 강화되고, 그것의 자기 모멘트가 면 수직으로 유지되는 희토류-전이 금속층(260')을 허용할 수 있다. 자기 모멘트의 이러한 방향이 바람직할 수 있다.
희토류-전이 금속층들(260 및/또는 260')은 하나 이상의 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''' 및/또는 200''''')에 사용될 수 있다. 예를 들어, 희토류-전이 금속층(260)은 도 7의 자기 접합부(200''')에서 두개의 층들(210'/212, 250''/252)에 사용될 수 있다. 대신에, 도 7에서 희토류-전이 금속층(260)은 층(210'/212)에 사용될 수 있고, 희토류-전이 금속층(260')은 층(250''/252)에 사용될 수 있다. 유사하게, 희토류-전이 금속층(260')은 도 5의 자기 접합부(200')에서 층(210)의 층들(212, 216)에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 자기 접합부(200')의 기준층(210)에서 희토류-전이 금속층(260)은 층(212)에 사용될 수 있고, 희토류-전이 금속층(260')은 층(216)에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 희토류-전이 금속층들이 사용될 수 있다. 따라서, 화학량, 성분, 불순물, 희토류-전이 금속 합금의 수, 단일 또는 층들(260, 260')과 같은 다층 및 다른 특성들은 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''' 및/또는 200''''')의 희토류-전이 금속층들에서 결합되고 매칭될 수 있다. 따라서, 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''' 및/또는 200''''')의 이점이 달성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하고 적어도 둘 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 자기 접합부(300)를 도시한다. 명확성을 위해, 도 13은 확장되지 않고, 자기 접합부(300)의 전부가 도시되지 않을 수 있다. 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 접합부(300)의 희토류-전이 금속층에서 온도와 비교한 포화 자기를 도시한 그래프(370)이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 자기 접합부(300)는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에 사용될 수 있다. 자기 접합부(300)는 자기 접합부(들)(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''' 및/또는 200''''')과 유사하다. 결과적으로, 유사한 구성 요소는 유사하게 도시되어 있다. 따라서, 자기 접합부(300)는 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''' 및/또는 200''''')의 각각의 층들(100/210/210'/210''/210''', 120/220, 130/230, 140/240 및 150/250/250'/250''/250'''/250'''')에 유사하게 기준층(310), 비자기 스페이서층(320), 자유층(330), 선택적 추가 비자기 스페이서층(340) 및 선택적 기준층(350)을 포함한다. 단순화를 위해, 다른 층들은 도시되지 않는다. 따라서, 자기 접합부(100)에 도시된 하부 기판(101), 접촉부들(102, 103), 선택적 시드층(104), 선택적 피닝층들(106, 109) 및 선택적 캡핑층(108)은 도 13에는 도시되지 않는다. 따라서, 도 13에 도시된 실시예에서, 자기 접합부(300)는 단일 자기 접합부 또는 듀얼 자기 접합부일 수 있다. 단일 자기 접합부인 경우, 자유층(330)은 자기 접합부(300)의 상부 또는 하부에 있을 수 있다.
기준층들(310, 350)은 희토류-전이 금속층들을 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다. 희토류-전이 금속층들이 하나 이상의 기준층들(310, 350)에 포함되는 경우, 포화 자기량들은 적어도 작동 온도 범위에서 매칭된다. 예를 들어, 모멘트, 포화 자기 및/또는 포화 자기량 두께 생성물(saturation magnetization-thickness product)은 희토류-전이 금속층들에 매칭될 수 있다. 결과적으로, 자유층(330)에서의 시프트 필드는 실질적으로 0일 수 있다. 따라서, 자유층(330)의 동작은 각각의 제로 자기 필드에 실질적으로 대칭될 수 있다.
자유층(330)은 자유층(130)과 유사하다. 따라서, 자유층(330)은 스핀 전달을 사용하여 안정된 자기 상태 사이에서 전환될 수 있다. 자유층 수직 자기 이방성은 면 외 소자 에너지를 초과할 수 있다. 따라서, 자유층(330)의 자기 모멘트는 면 수직일 수 있다. 따라서, 자유층(330)의 안정 상태는 Z축을 따라있다. 다른 실시예에서, 자유층(330)의 안정 상태는 다른 방향일 수 있다.
또한, 자유층(330)은 희토류-전이 금속층(334)을 포함한다. 희토류-전이 금속층은 하나 이상의 희토류-전이 금속층들(260, 260') 또는 본 발명의 다른 희토류-전이 금속층들을 포함할 수 있다. 대신에, 원하는 특성을 갖는 다른 희토류-전이 금속층들이 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 희토류-전이 금속층(334)은 결합층이다. 따라서, 자유층(330)은 연성 강자성층(332), 강성 강자성층(336) 및 연자기층(332)과 강자기층(336) 사이에 희토류-전이 금속층(334)을 포함한다. 연자기층(332)은 100Oe보다 작은 항자기성을 갖는 물질을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 연자기층(332)의 항자기성은 10Oe 이하이다. 반대로 강자기층(336)은 100Oe보다 큰 항자기성을 갖는 물질을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 강자기층(336)은 적어도 500Oe의 항자기성을 갖는다. 희토류-전이 금속층(334)은 연자기층(332)과 강자기층(336)을 자기적으로 결합한다.
도 13에 도시된 실시예에서, 희토류-전이 금속층(334)의 자기 모멘트는 자기 접합부(300)의 다른 작동 또는 대기 중보다 기록 중에 더 작다. 이것은 온도와 비교한 희토류-전이 금속층(334)의 포화 자기의 곡선(382)를 포함하는 도 14에 도시되어 있다. 대기 및 기록 온도 범위 각각에 대응하는 지역들(386, 388) 역시 도시되어 있다. 물질들, 자기 모멘트들, 기록 온도에서의 자기 모멘트 및 희토류-전이 금속층(334)의 다른 특성들은 전술한 것과 유사할 수 있다. 희토류-전이 금속층(334)의 자기 모멘트가 기록 온도에서 감소하기 때문에, 희토류-전이 금속층(334)은 대기 중보다 자기적으로 결합된 층들(332, 336)에서 덜 효율적이다. 따라서, 층들(332, 336)은 더 쉽게 전환될 수 있다.
희토류-전이 금속층(334)이 기록 중에 감소되기 때문에, 자유층(330)의 강자기층과 연자기층 사이에서의 결합은 기록 중에 감소될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자유층(330)은 희토류-전이 금속층(334)이 동일하거나 또는 더 높은 자기 모멘트를 갖는 경우보다 더 낮은 전류에서 기록될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(300)의 성능은 개선될 수 있다. 자기 접합부(300)의 성능은 도 2 내지 도 10에서 전술한 바와 같이 기준층(들)에서 희토류-전이 금속층들을 사용함으로써 더 강화될 수 있다.
희토류-전이 금속층(들)에 관한 다양한 특성들은 희토류-전이 금속층들(260, 260')뿐만 아니라 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및 300) 각각에 대해 앞서 논의 되었다. 다양한 특성 및 구성들은 명시적으로 설명되지 않은 방법 및 시스템과 모순되지 않는 방법으로 결합될 수 있다.
도 15는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 하나 이상의 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및/또는 300)을 사용할 수 있는 메모리(400)를 도시한다. 자기 메모리(400)는 드라이버(404)를 선택한 워드 라인(word line)뿐만 아니라 드라이버들(402, 406)을 선택한 판독/기록 줄(column)을 포함한다. 다른 및/또는 상이한 구성 요소들이 제공될 수 있다. 메모리(400)의 저장 영역은 자기 저장셀(410)을 포함한다. 각각의 자기 저장셀은 적어도 하나의 자기 접합부(412) 및 적어도 하나의 선택 장치(414)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택된 장치(414)는 트랜지스터이다. 자기 접합부(412)는 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및/또는 300) 중 하나일 수 있다. 따라서, 각각의 자기 접합부(412)는 전술한 바와 같은 적어도 하나의 희토류-전이 금속층을 갖는다. 하나의 자기 접합부(412)가 각각의 셀(410)마다 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 다른 수의 자기 접합부(412)가 각각의 셀마다 제공될 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 몇몇 실시예에서, 메모리(400)은 자기 접합부들(412)을 전환하는 것을 지원하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 이와 같이, 자기 메모리(400)는 상술한 이점들을 누릴 수 있다.
도 16은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 접합부를 제조하는 방법(450)을 도시한다. 단순화를 위해, 일부 단계들은 생략되거나, 또는 결합될 수 있다. 방법(450)은 자기 접합부(100)의 맥락에서 설명된다. 그러나, 방법(450)은 다른 자기 접합부들에서 사용될 수 있지만, 자기 접합부들(200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및 300)을 포함하는 것으로 제한되지 않는다. 또한, 방법(450)은 자기 메모리들의 제조에 포함될 수 있다. 따라서, 방법(450)은 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리 또는 메모리(400)와 같은 다른 자기 메모리의 제조에 사용될 수 있다.
하나 이상의 희토류-전이 금속층들을 포함하는 기준층(110)이 단계(452)를 통해 제공된다. 비자기층(120)이 단계(454)를 통해 제공된다. 단계(454)는 소정의 비자기 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 물질의 원하는 두께는 단계(454)에서 증착될 수 있다. 자유층(130)이 단계(456)을 통해 제공된다. 단계(456)은 자유층에 희토류-전이 금속층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 비자기층(140)은 단계(458)를 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 다른 기준층(150)은 단계(460)를 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 자기 접합부 및/또는 메모리의 제조는 단계(462)를 통해 완성될 수 있다. 예를 들어, 강화 또는 다른 프로세스들이 수행될 수 있다. 추가적인 구조들이 역시 제조될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합부(들)(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및/또는 300)의 이점이 달성될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합부에서 사용하기 위한 희토류-전이 금속층을 제조하는 방법(470)을 도시한다. 단순화를 위해, 일부 단계들은 생략되거나, 또는 결합될 수 있다. 방법(470)은 희토류-전이 금속층(260)의 맥락에서 설명된다. 그러나, 다른 희토류-전이 금속층들이 제조될 수 있다.
제1 희토류-전이 금속층(261-1)은 단계(472)를 통해 제공된다. 단계(472)는 산소 농도, 도핑, 각 성분의 농도 및 다른 방법들을 조절하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제조에 사용되는 에칭 화학 물질들은 과도한 산소에 노출되는 것을 배제하기 위해 선택될 수 있다. 냉각 트랩(trap) 또는 트랩핑(trapping) H를 위한 다른 메커니즘 및 다른 저 분자량 원자들이 사용될 수 있다. 불순물 및 화학량의 양은 역시 제어된다.
제2 희토류-전이 금속층(261-2)은 단계(474)를 통해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(474)는 단계(472)와 유사하다. 따라서, 원하는 희토류-전이 금속층(260)이 형성될 수 있고, 자기 접합부(들)(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및/또는 300)의 이점이 달성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 접합부에서 사용하기 위한 희토류-전이 금속층을 제조하는 방법(480)을 도시한다. 단순화를 위해, 일부 단계들은 생략되거나, 또는 결합될 수 있다. 방법(480)은 희토류-전이 금속층(260')의 맥락에서 설명된다. 그러나, 다른 희토류-전이 금속층들이 제조될 수 있다.
제1 희토류-전이 금속층(262-1)은 단계(482)를 통해 제공된다. 단계(482)는 산소 농도, 도핑, 각 성분의 농도 및 다른 방법들을 조절하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제조에 사용되는 에칭 화학 물질들은 과도한 산소에 노출되는 것을 배제하기 위해 선택될 수 있다. 냉각 트랩 또는 트랩핑 H를 위한 다른 메커니즘 및 다른 저 분자량 원자들이 사용될 수 있다. 불순물 및 화학량의 양은 역시 제어된다. 또한, 제1 희토류-전이 금속층(262-1)은 기준층(261)의 다른 층에서 제공될 수 있다.
금속층(264-2)은 단계(484)를 통해 선택적으로 증착된다. 단계(484)는 Fe과 같은 전이 금속을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 합금을 포함하는 다른 금속들이 사용될 수 있다. 단계들(482 및/또는 484)은 단계(486)를 통해 원하는 다층 구조가 달성될 때까지 선택적으로 반복된다.
따라서, 원하는 희토류-전이 금속층(260')은 방법(480)을 사용하여 형성될 수 있고, 자기 접합부(들)(100, 200, 200', 200'', 200''', 200'''', 200''''' 및/또는 300)의 이점이 달성될 수 있다.
자기 접합부를 제공하기 위한 방법 및 시스템과, 자기 접합부를 사용하여 제조된 메모리를 포함한 것과 같은 전기 장치가 설명되었다. 방법 및 시스템은 도시된 실시예에 따라 설명되었고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
자기 접합부: 100 기준층: 110
선택적 기준층: 150 비자기 스페이서층: 120
자유층: 130 선택적 비자기 스페이서층: 140
희토류-전이 금속층: 260, 260' 메모리: 400
자기 접합부 제조 방법: 450
희토류-전이 금속층 제조 방법: 470, 480

Claims (10)

  1. 제1 및 제2 희토류-전이 금속층을 포함하는 기준층;
    비자기 스페이서층; 및
    자유층을 포함하되,
    상기 비자기 스페이서층은, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치되고,
    상기 자유층은, 기록(write) 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되고,
    상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량(saturation magnetization quantity)을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위(operating temperature range)에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭되는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 포화 자기량은 제1 포화 자기 두께 생성물(saturation magnetization-thickness product)이고, 상기 제2 포화 자기량은 제2 포화 자기 두께 생성물이고, 상기 제1 포화 자기 두께 생성물은 상기 적어도 작동 온도 범위에서 10 milli-emu/cm2 이내로 상기 제2 포화 자기 두께 생성물과 매칭되는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 포화 자기량 및 상기 제2 포화 자기량은 상기 자유층에서 시프트 필드(shift field)에 대응하고,
    상기 적어도 작동 온도 범위에서 제2 포화 자기와 매칭되는 제1 포화 자기는, 상기 작동 온도 범위에서 상기 자유층에서 10Oe 이하의 시프트 필드인 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부.
  4. 제 1항에 있어서,
    추가 비자기 스페이서층으로서, 상기 자유층은 상기 비자기 스페이서층과 상기 추가 비자기 스페이서층 사이에 배치되는 추가 비자기 스페이서층; 및
    추가 기준층으로서, 상기 추가 비자기 스페이서층은 상기 추가 기준층과 상기 자유층 사이에 배치되는 추가 기준층을 더 포함하는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 희토류-전이 금속층 및 상기 제2 희토류-전이 금속층 중 적어도 하나는 복수의 희토류-전이 금속서브층을 포함하는 다층(multilayer)을 포함하는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부.
  6. 복수의 자기 저장셀 및 복수의 비트 라인을 포함하는 자기 메모리를 포함하되,
    상기 복수의 자기 저장셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합부를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 접합부 각각은 기준층, 비자기 스페이서층 및 자유층을 포함하고,
    상기 비자기 스페이서층은, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치되고,
    상기 자유층은, 기록(write)전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되고,
    상기 기준층은 제1 및 제2 희토류-전이 금속층을 포함하고, 상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량(saturation magnetization quantity)을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위(operating temperature range)에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭되는 전기 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 자유층은 강자기층(hard magnetic layer), 연자기층(soft magnetic layer) 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 배치되는 추가 희토류-전이 금속층을 포함하고,
    상기 추가 희토류-전이 금속층은 대기 온도 범위에서 대기 자기 모멘트를 갖고, 기록 온도 범위에서 기록 자기 모멘트를 갖고, 상기 대기 자기 모멘트는 상기 기록 자기 모멘트보다 큰 전기 장치.
  8. 제1 및 제2 희토류-전이 금속층을 포함하는 기준층을 제공하고,
    비자기 스페이서층을 제공하고,
    자유층을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 비자기 스페이서층은, 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치되고,
    상기 자유층은, 기록(write) 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환되고,
    상기 제1 희토류-전이 금속층은 제1 포화 자기량(saturation magnetization quantity)을 갖고, 상기 제2 희토류-전이 금속층은 제2 포화 자기량을 갖고, 상기 제1 포화 자기량은 적어도 작동 온도 범위(operating temperature)에서 상기 제2 포화 자기량에 매칭되는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 희토류-전이 금속층을 제공하는 것은,
    상기 제1 희토류-전이 금속층에서 산소량을 제어하는 것을 더 포함하는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 자유층은 강자기층(hard magnetic layer), 연자기층(soft magnetic layer) 및 상기 강자기층과 상기 연자기층 사이에 배치되는 추가 희토류-전이 금속층을 포함하고,
    상기 추가 희토류-전이 금속층은 대기 온도 범위에서 대기 자기 모멘트를 갖고, 기록 온도 범위에서 기록 자기 모멘트를 갖고, 상기 대기 자기 모멘트는 상기 기록 자기 모멘트보다 큰, 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합부 제조 방법.
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