KR102433984B1

KR102433984B1 - Method and system for providing magnetic junctions including self-initializing reference layers

Info

Publication number: KR102433984B1
Application number: KR1020160000892A
Authority: KR
Inventors: 알렉세이 바실리예비치 흐발코브스키; 드미트로 아팔코브
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2022-08-18
Also published as: KR20160084320A

Abstract

기판 상에 존재하고 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합부가 제공된다. 상기 자기 접합부는, 제1 방향으로 고정된 자기 모멘트를 갖는 제1 기준층, 제1 비자기 스페이서층, 자유층과 상기 제1 기준층 사이에 상기 제1 비자기 스페이서층이 형성되고, 적어도 임계 크기를 갖는 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환 가능한 자유층, 상기 제1 비자기 스페이서층과 제2 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 형성되는 제2 비자기 스페이서층, 및 자체-초기화 하부 구조(substructure)와 상기 자유층 사이에 상기 제2 비자기 스페이서층이 형성되고, 제1 자체-초기화 하부 구조, 제2 자체-초기화 하부 구조 및 제3 자체-초기화 하부 구조 중 어느 하나를 포함하는 자체-초기화 하부 구조를 포함하되, 상기 제1 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층, 디커플링(decoupling)층 및 제2 기준층을 포함하고, 상기 제2 기준층은 제2 방향으로 고정된 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 디커플링층은 비자기이고 상기 자체-초기화 기준층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 갖고, 상기 제2 자체-초기화 하부 구조는 상기 자체-초기화 기준층을 포함하고, 상기 제1 기준층이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하고, 상기 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖고, 상기 확장 기준층은 상기 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖고, 상기 제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 기준층을 포함하고, 상기 온도 의존 기준층은 실온에서 제1 자기 모멘트를 갖고 스위칭 온도에서 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 자기 모멘트는 제3 방향으로 형성되고, 상기 제2 자기 모멘트는 제4 방향으로 형성되고, 상기 제4 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 중 어느 하나와 평행하다.A magnetic junction present on a substrate and usable in a magnetic device is provided. The magnetic junction includes a first reference layer having a fixed magnetic moment in a first direction, a first non-magnetic spacer layer, and the first non-magnetic spacer layer formed between the free layer and the first reference layer, and having at least a critical size. a free layer switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current having a write current passes through a magnetic junction, a second nonmagnetic spacer layer in which the free layer is formed between the first nonmagnetic spacer layer and the second nonmagnetic spacer layer , and the second non-magnetic spacer layer is formed between a self-initiating substructure and the free layer, a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure and a third self-initializing substructure A self-initializing substructure comprising any one of, wherein the first self-initializing substructure comprises a self-initializing reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, wherein the second reference layer is disposed in a second direction wherein the self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is nonmagnetic and is formed between the self-initializing reference layer and the second reference layer, , wherein the self-initiating reference layer has a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude of 1/2 or less of a critical magnitude passes through the magnetic junction; 2 The self-initializing substructure includes the self-initializing reference layer, and is usable when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, wherein the low saturation magnetization reference layer has a saturation magnetization of 400 emu/cc or less. wherein the extended reference layer has a larger footprint than the free layer, the third self-initiating substructure includes a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a switching temperature has a second magnetic moment, wherein the first magnetic moment is formed in a third direction, and the second magnetic moment is formed in a fourth direction. is formed, and the fourth direction is parallel to any one of the first direction and the second direction.

Description

METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING MAGNETIC JUNCTIONS INCLUDING SELF-INITIALIZING REFERENCE LAYERS

본 발명은 자체-초기화 기준층을 포함하는 자기 접합부를 제공하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for providing a magnetic junction comprising a self-initiating reference layer.

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 분극 전류는 자기 접합부에서의 자기 모멘트에 스핀 토크를 발휘한다. 결과적으로, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층은 원하는 상태로 전환될 수 있다.Magnetic memories, particularly magnetic random access memory (MRAM), are potentially of increasing interest for high read/write speeds, good durability, non-volatileness, and low power consumption during operation. A magnetic random access memory can store information using a magnetic material as an information recording medium. One type of magnetic random access memory is spin transfer torque random access memory (STT-MRAM). Spin transfer torque random access memories use magnetic junctions written at least in part by a current driven through the magnetic junctions. The spin polarization current driven through the magnetic junction exerts a spin torque on the magnetic moment at the magnetic junction. As a result, a layer having a magnetic moment in response to the spin torque can be converted into a desired state.

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 일반적으로 기판(12) 상에 존재한다. 하부 접촉부(14)와 상부 접촉부(22)는 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(10)를 통해 전류를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(10)는 종래의 시드층을 사용할 수 있고, 캡핑층들을 포함할 수 있고, 종래의 반강자성층(antiferromagnetic layer: AFM)을 포함할 수 있다. 종래의 듀얼 자기 터널 접합부(10)는 종래의 기준층(16), 종래의 터널 배리어층(18) 및 종래의 자유층(20)을 포함한다. 종래의 접촉부(14, 22)는 도 1에서 도시한 바와 같이 평면에 전류 수직 방향(CPP)으로 전류를 구동시키는데 사용된다. 일반적으로, 종래의 기준층(16)은 상기 층들(16, 18, 20) 중 기판(12)에 가장 밀접하게 형성된다.For example, FIG. 1 shows a conventional dual magnetic tunnel junction (MTJ) 10 that may be used in a conventional spin transfer torque random access memory. A conventional dual magnetic tunnel junction 10 typically resides on a substrate 12 . The bottom contact 14 and the top contact 22 can be used to drive current through the conventional dual magnetic tunnel junction 10 . The conventional dual magnetic tunnel junction 10 may use a conventional seed layer, may include capping layers, and may include a conventional antiferromagnetic layer (AFM). A conventional dual magnetic tunnel junction 10 includes a conventional reference layer 16 , a conventional tunnel barrier layer 18 , and a conventional free layer 20 . Conventional contacts 14 and 22 are used to drive current in the direction perpendicular to the current (CPP) to the plane as shown in FIG. 1 . In general, the conventional reference layer 16 is formed closest to the substrate 12 among the layers 16 , 18 , 20 .

종래의 기준층(16)과 종래의 자유층(20)은 자기이다. 종래 기준층(16)의 자성(17)은 수직 방향으로 고정되거나 또는 수정된다. 비록 단순한(단일) 층으로 도시되어 있으나, 종래의 기준층(16)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종래의 기준층(16)은 Ru와 같은 얇은 도전성층들을 통해 반강자성적으로 결합된 자기 층들을 포함하는 합성 반강자성층일 수 있다. 합성 반강자성층에서, Ru의 얇은 층들로 끼워진 복수의 자기층들이 사용될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 교차 결합된 Ru 층들은 강자성층일 수 있다.The conventional reference layer 16 and the conventional free layer 20 are magnetic. The magnetism 17 of the conventional reference layer 16 is fixed or modified in the vertical direction. Although shown as a simple (single) layer, a conventional reference layer 16 may include multiple layers. For example, conventional reference layer 16 may be a composite antiferromagnetic layer comprising magnetic layers antiferromagnetically coupled through thin conductive layers such as Ru. In the composite antiferromagnetic layer, a plurality of magnetic layers sandwiched by thin layers of Ru may be used. In some other embodiments, the cross-linked Ru layers may be ferromagnetic layers.

종해의 자유층(20)은 변동 자기(21)를 갖는다. 비록 단순한 층으로 도시되어 있지만, 종래의 자유층(20)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종래의 자유층(20)은 합성 반강자성층 또는 다른 멀티층일 수 있다. 비록 평면에 수직으로 도시되어 있으나, 종래의 자유층(20)의 자성(21)은 평면에 형성될 수 있다. 따라서, 기준층(16)과 자유층(20)은 층들의 평면에 각각 수직 방향으로 각각의 자성(17, 21)을 가질 수 있다.The longitudinal free layer 20 has a fluctuating magnetism 21 . Although shown as a simple layer, a conventional free layer 20 may include multiple layers. For example, the conventional free layer 20 may be a synthetic antiferromagnetic layer or other multilayer. Although shown perpendicular to the plane, the magnetism 21 of the conventional free layer 20 may be formed in a plane. Accordingly, the reference layer 16 and the free layer 20 may have respective magnetisms 17 and 21 in a direction perpendicular to the plane of the layers, respectively.

다양한 애플리케이션에 사용하기 위한 잠재성 때문에, 자기 메모리에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 낮은 기록 전류가 바람직할 수 있다. 이러한 몇몇 목적들은 듀얼 자기 접합부에 의해 달성될 수 있다. 종래의 듀얼 자기 접합부는 2개의 기준층, 2개의 터널 배리어층 및 자유층을 포함할 수 있다. 기준층들의 자기 모멘트가 듀얼 상태(역평행(antiparallel))인 경우, 스핀 토크에 대한 그들의 기여는 첨가제(additive)이다. 따라서, 낮은 기록 전류가 달성될 수 있다. 몇몇 듀얼 자기 접합부는 하나의 기준층, 제1 비자기 스페이서층, 자유층 및 기록되는 동안 정렬될 수 있는 기준층에 대한 합성 반강자성층을 갖는다. 이러한 듀얼 자기 접합부는 자기 접합부의 다른 층들로 인한 자유층에서의 자기 필드가 바람직하게 대략 0이기 때문에 기준층에 대하여 합성 반강자성층을 요구한다. 이것은 합성 반강자성층에 의해 달성될 수 있다. 하지만, 이러한 또는 다른 듀얼 자기 접합부는 그들의 두께 때문에 어려울 수 있다. 다른 듀얼 자기 접합부는 다른 단점을 가질 수 있다. 따라서, 필요한 것은 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이다. 본 발명에 기재된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.Because of their potential for use in a variety of applications, research into magnetic memories is ongoing. For example, a low write current may be desirable. Some of these objectives can be achieved by a dual magnetic junction. A conventional dual magnetic junction may include two reference layers, two tunnel barrier layers and a free layer. When the magnetic moments of the reference layers are dual state (antiparallel), their contribution to the spin torque is additive. Accordingly, a low write current can be achieved. Some dual magnetic junctions have one reference layer, a first nonmagnetic spacer layer, a free layer, and a composite antiferromagnetic layer to the reference layer that can be aligned during writing. Such a dual magnetic junction requires a synthetic antiferromagnetic layer relative to the reference layer because the magnetic field in the free layer due to the other layers of the magnetic junction is preferably approximately zero. This can be achieved by a synthetic antiferromagnetic layer. However, these or other dual magnetic junctions can be difficult because of their thickness. Different dual magnetic junctions may have other disadvantages. Accordingly, what is needed is a method and system capable of improving the performance of a memory based on spin transfer torque. The methods and systems described herein address this need.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 개선할 수 있는 자기 접합부를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a magnetic junction capable of improving the performance of a memory based on a spin transfer torque.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 개선할 수 있는 자기 접합부를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a system including a magnetic junction capable of improving the performance of a memory based on a spin transfer torque.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스핀 전달 토크에 기반한 메모리의 성능을 개선할 수 있는 자기 접합부의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetic junction capable of improving the performance of a memory based on a spin transfer torque.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 기판 상에 존재하고 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합부의 일 실시예는, 제1 방향으로 고정된 자기 모멘트를 갖는 제1 기준층, 제1 비자기 스페이서층, 자유층과 상기 제1 기준층 사이에 상기 제1 비자기 스페이서층이 형성되고, 적어도 임계 크기를 갖는 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환 가능한 자유층, 상기 제1 비자기 스페이서층과 제2 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 형성되는 제2 비자기 스페이서층, 및 자체-초기화 하부 구조(substructure)와 상기 자유층 사이에 상기 제2 비자기 스페이서층이 형성되고, 제1 자체-초기화 하부 구조, 제2 자체-초기화 하부 구조 및 제3 자체-초기화 하부 구조 중 어느 하나를 포함하는 자체-초기화 하부 구조를 포함하되, 상기 제1 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층, 디커플링(decoupling)층 및 제2 기준층을 포함하고, 상기 제2 기준층은 제2 방향으로 고정된 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 디커플링층은 비자기이고 상기 자체-초기화 기준층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 갖고, 상기 제2 자체-초기화 하부 구조는 상기 자체-초기화 기준층을 포함하고, 상기 제1 기준층이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하고, 상기 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖고, 상기 확장 기준층은 상기 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖고, 상기 제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 기준층을 포함하고, 상기 온도 의존 기준층은 실온에서 제1 자기 모멘트를 갖고 스위칭 온도에서 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 자기 모멘트는 제3 방향으로 형성되고, 상기 제2 자기 모멘트는 제4 방향으로 형성되고, 상기 제4 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 중 어느 하나와 평행하다.An embodiment of a magnetic junction part present on a substrate and usable for a magnetic device according to the technical idea of the present invention for solving the above problems is a first reference layer having a magnetic moment fixed in a first direction, a first non-magnetic spacer a free layer formed between a free layer and said first reference layer, said first nonmagnetic spacer layer being switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current having at least a critical magnitude passes through a magnetic junction; A second nonmagnetic spacer layer in which the free layer is formed between the first nonmagnetic spacer layer and the second nonmagnetic spacer layer, and the second nonmagnetic spacer layer between the self-initiating substructure and the free layer formed and comprising a self-initializing substructure comprising any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure, and a third self-initializing substructure, wherein the first self-initializing substructure comprises: a self-initiating reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, wherein the second reference layer has a second magnetic moment fixed in a second direction, and wherein the self-initializing reference layer comprises the free layer and the second reference layer. wherein the decoupling layer is non-magnetic and is formed between the self-initiating reference layer and the second reference layer, wherein the self-initializing reference layer causes a current having a magnitude less than or equal to 1/2 of a critical magnitude to pass through the magnetic junction. having a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when passing through, the second self-initiating substructure comprising the self-initiating reference layer, the first reference layer having a low saturation magnetization available when selected from a reference layer and an extended reference layer, wherein the low saturation magnetization reference layer has a saturation magnetization of 400 emu/cc or less, the extended reference layer has a larger footprint than the free layer, and wherein the third self- The initialization substructure includes a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature. 2 magnetic moments, the first magnetic moment is formed in a third direction, the second magnetic moment is formed in a fourth direction, and the fourth direction is formed in any one of the first direction and the second direction. parallel

몇몇 실시예에서, 상기 자체-초기화 하부 구조는 제1 자체-초기화 하부 구조이고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 임계 크기의 1/3 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능할 수 있다.In some embodiments, the self-initiating substructure is a first self-initializing substructure, and the self-initializing reference layer comprises the first self-initializing substructure when a current having a magnitude of 1/3 or less of the critical magnitude passes through the magnetic junction. It may be switchable between the first direction and the second direction.

몇몇 실시예에서, 상기 디커플링층은 CoFeBTa, Fe/Ta 이중층, CoFeBTa/Mg 이중층, CoFeBTa/MgO 이중층, [Fe/Ta]_xMg 다층 및 [Fe/Ta]_x/MgO 다층 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, x는 정수일 수 있다.In some embodiments, the decoupling layer may include at least one of CoFeBTa, Fe/Ta bilayer, CoFeBTa/Mg bilayer, CoFeBTa/MgO bilayer, [Fe/Ta] _x Mg multilayer, and [Fe/Ta] _x /MgO multilayer. and x may be an integer.

몇몇 실시예에서, 상기 자체-초기화 기준층은 CoFe, CoFeB, CoFeV 및 30 원자 퍼센트보다 작은 Ta 함량을 갖는 CoFeTa 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments, the self-initializing reference layer may include at least one of CoFe, CoFeB, CoFeV, and CoFeTa having a Ta content of less than 30 atomic percent.

몇몇 실시예에서, 상기 제2 기준층은 n개의 반복되는 TbCo/FeB 이중층 및 m개의 반복되는 CoFe/PtPd 이중층 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, n 및 m은 각각 정수일 수 있다.In some embodiments, the second reference layer may include at least one of n repeating TbCo/FeB bilayers and m repeating CoFe/PtPd bilayers, wherein n and m may each be integers.

몇몇 실시예에서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 평면에 수직이고, 상기 자체-초기화 자기 모멘트는 전류가 상기 자기 접합부를 통해 구동되지 않을 때 평면 내에 형성될 수 있다.In some embodiments, the first direction and the second direction are perpendicular to a plane, and the self-initiating magnetic moment may be formed in a plane when no current is driven through the magnetic junction.

몇몇 실시예에서, 상기 제1 기준층과 상기 제1 비자기 스페이서층 사이에 형성되는 분극 강화층을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, a polarization enhancing layer formed between the first reference layer and the first non-magnetic spacer layer may be further included.

몇몇 실시예에서, 상기 제1 기준층은 합성 반강자성체를 미포함할 수 있다.In some embodiments, the first reference layer may contain no synthetic antiferromagnetic material.

몇몇 실시예에서, 상기 제1 자기 모멘트와 상기 제2 자기 모멘트는 반강자성적으로 정렬될 수 있다.In some embodiments, the first magnetic moment and the second magnetic moment may be antiferromagnetically aligned.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 기판 상에 존재는 자기 메모리의 일 실시예는, 복수의 자기 저장 셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합부는 제1 기준층, 제1 비자기 스페이서층, 자유층, 제2 비자기 스페이서층 및 자체-초기화 하부 구조(substructure)를 포함하고, 상기 제1 기준층은 제1 방향으로 고정된 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 비자기 스페이서층은 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 형성되고, 상기 자유층은 적어도 임계 크기를 갖는 기록 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환 가능하고, 상기 자유층은 상기 제1 비자기 스페이서층과 상기 제2 비자기 스페이서층 사이에 형성되고, 상기 제2 비자기 스페이서층은 상기 자체-초기화 하부 구조와 상기 자유층 사이에 형성되고, 상기 자체-초기화 하부 구조는 제1 자체-초기화 하부 구조, 제2 자체-초기화 하부 구조 및 제3 자체-초기화 하부 구조 중 어느 하나를 포함하는 복수의 자기 저장 셀, 및 상기 복수의 자기 저장 셀과 연결되는 복수의 비트 라인을 포함하되, 상기 제1 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층, 디커플링(decoupling)층 및 제2 기준층을 포함하고, 상기 제2 기준층은 제2 방향으로 고정된 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 디커플링층은 비자기이고 상기 자체-초기화 기준층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 갖고, 상기 제2 자체-초기화 하부 구조는 상기 자체-초기화 기준층을 포함하고, 상기 제1 기준층이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하고, 상기 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖고, 상기 확장 기준층은 상기 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖고, 상기 제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 기준층을 포함하고, 상기 온도 의존 기준층은 실온에서 제1 자기 모멘트를 갖고 스위칭 온도에서 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 자기 모멘트는 제3 방향으로 형성되고, 상기 제2 자기 모멘트는 제4 방향으로 형성되고, 상기 제4 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 중 어느 하나와 평행하다.In one embodiment of the magnetic memory present on a substrate according to the technical idea of the present invention for solving the above problems, each of the plurality of magnetic storage cells includes at least one magnetic junction, and the at least one magnetic junction is a first reference layer, a first nonmagnetic spacer layer, a free layer, a second nonmagnetic spacer layer and a self-initiating substructure, the first reference layer having a magnetic moment fixed in a first direction, a nonmagnetic spacer layer is formed between the free layer and the reference layer, the free layer being switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current having at least a threshold magnitude passes through the magnetic junction, the free layer is formed between the first non-magnetic spacer layer and the second non-magnetic spacer layer, the second non-magnetic spacer layer is formed between the self-initiating substructure and the free layer, and the self-initiating substructure is a plurality of magnetic storage cells including any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure, and a third self-initializing substructure, and a plurality of bit lines connected to the plurality of magnetic storage cells. wherein the first self-initializing substructure comprises a self-initializing reference layer, a decoupling layer, and a second reference layer, the second reference layer having a second magnetic moment fixed in a second direction; a self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is non-magnetic and formed between the self-initializing reference layer and the second reference layer, and the self-initializing reference layer is one of a critical size. has a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude of /2 or less passes through the magnetic junction, wherein the second self-initializing substructure is a reference layer, wherein the first reference layer is usable when selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, wherein the low saturation magnetization reference layer is 400 having a saturation magnetization of less than or equal to emu/cc, wherein the extended reference layer has a larger footprint than the free layer, and the third self-initiating substructure comprises a temperature dependent reference layer, wherein the temperature dependent reference layer is at room temperature. 1 magnetic moment and a second magnetic moment at a switching temperature, wherein the first magnetic moment is formed in a third direction, the second magnetic moment is formed in a fourth direction, and the fourth direction is in the first direction and parallel to any one of the second directions.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 기판 상에 존재하고 자기 장치에 사용 가능한 자기 접합부의 제조 방법의 일 실시예는, 제1 방향으로 고정된 자기 모멘트를 갖는 제1 기준층을 형성하고, 제1 비자기 스페이서층을 형성하고, 자유층과 상기 제1 기준층 사이에 상기 제1 비자기 스페이서층이 형성되고, 적어도 임계 크기를 갖는 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환 가능한 자유층을 형성하고, 상기 제1 비자기 스페이서층과 제2 비자기 스페이서층 사이에 상기 자유층이 형성되는 제2 비자기 스페이서층을 형성하고, 자체-초기화 하부 구조(substructure)와 상기 자유층 사이에 상기 제2 비자기 스페이서층이 형성되고, 제1 자체-초기화 하부 구조, 제2 자체-초기화 하부 구조 및 제3 자체-초기화 하부 구조 중 어느 하나를 포함하는 자체-초기화 하부 구조를 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층, 디커플링(decoupling)층 및 제2 기준층을 포함하고, 상기 제2 기준층은 제2 방향으로 고정된 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 자유층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 디커플링층은 비자기이고 상기 자체-초기화 기준층과 상기 제2 기준층 사이에 형성되고, 상기 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 갖고, 상기 제2 자체-초기화 하부 구조는 상기 자체-초기화 기준층을 포함하고, 상기 제1 기준층이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하고, 상기 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖고, 상기 확장 기준층은 상기 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖고, 상기 제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 기준층을 포함하고, 상기 온도 의존 기준층은 실온에서 제1 자기 모멘트를 갖고 스위칭 온도에서 제2 자기 모멘트를 갖고, 상기 제1 자기 모멘트는 제3 방향으로 형성되고, 상기 제2 자기 모멘트는 제4 방향으로 형성되고, 상기 제4 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 중 어느 하나와 평행하다.An embodiment of a method for manufacturing a magnetic junction present on a substrate and usable for a magnetic device according to the technical idea of the present invention for solving the above problems is to form a first reference layer having a magnetic moment fixed in a first direction, , forming a first nonmagnetic spacer layer, wherein the first nonmagnetic spacer layer is formed between the free layer and the first reference layer, and a plurality of stable magnetic states when a write current having at least a critical magnitude passes through the magnetic junction. forming a free layer switchable therebetween, forming a second nonmagnetic spacer layer between the first nonmagnetic spacer layer and the second nonmagnetic spacer layer, wherein the free layer is formed, a self-initiating substructure and the second non-magnetic spacer layer is formed between the free layer and a self-initializing substructure comprising any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure, and a third self-initializing substructure. forming a structure, wherein the first self-initializing substructure comprises a self-initializing reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, the second reference layer having a second magnetic moment fixed in a second direction wherein the self-initializing reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is nonmagnetic and is formed between the self-initializing reference layer and the second reference layer, and the self-initializing reference layer is has a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude less than or equal to one-half of a critical magnitude passes through the magnetic junction, wherein the second self-initiating substructure comprises: wherein the self-initiating reference layer is usable when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, the low saturation magnetization reference layer has a saturation magnetization of 400 emu/cc or less, and the extended reference layer comprises: having a larger footprint than the free layer, the third self-initiating substructure comprising a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer; The dependent reference layer has a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature, the first magnetic moment is formed in a third direction, the second magnetic moment is formed in a fourth direction, and the fourth magnetic moment is formed in a fourth direction. The direction is parallel to any one of the first direction and the second direction.

몇몇 실시예에서, 상기 자체-초기화 하부 구조는 상기 제1 자체-초기화 하부 구조이고, 상기 자체-초기화 기준층은 상기 임계 크기의 1/3 이하의 크기를 갖는 전류가 상기 자기 접합부를 통과할 때 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 전환 가능할 수 있다.In some embodiments, the self-initializing substructure is the first self-initializing substructure, and the self-initializing reference layer comprises the self-initializing reference layer when a current having a magnitude less than or equal to 1/3 of the critical magnitude passes through the magnetic junction. It may be switchable between the first direction and the second direction.

몇몇 실시예에서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 평면에 수직이고, 상기 자체-초기화 자기 모멘트는 전류가 상기 자기 접합부을 통해 구동되지 않을 때 평면 내에 형성될 수 있다.In some embodiments, the first direction and the second direction are perpendicular to a plane, and the self-initiating magnetic moment may be formed in a plane when no current is driven through the magnetic junction.

본 발명의 실시예에 설명된 기술적 사상은 상세하게 설명되지 않은 다른 실시예들에 통합될 수 있다. 즉, 모든 실시예들 및/또는 어떤 실시예들은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상의 다른 목적 및/또는 양상은 후술하는 명세서에 상술한다.The technical ideas described in the embodiments of the present invention may be incorporated in other embodiments not described in detail. That is, all embodiments and/or some embodiments may be combined in any manner. Other objects and/or aspects of the technical spirit of the present invention are described in detail in the following specification.

도 1은 종래의 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부의 프로그래밍 동안의 자기 모멘트를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부의 프로그래밍 동안의 자기 모멘트를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 동안 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 셀의 메모리 소자에서 자기 접합부를 이용하는 메모리를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 제조하기 위한 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.1 is a view showing a conventional magnetic junction.
2 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with one embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
4A-4D are diagrams illustrating magnetic moments during programming of a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with one embodiment of the present invention.
5A-5D illustrate magnetic moments during programming of a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with one embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
10A and 10B are diagrams illustrating a dual magnetic junction including a self-initiating substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque during switching in accordance with another embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating a memory using a magnetic junction in a memory device of a storage cell according to an embodiment of the present invention.
13 is a flow chart sequentially illustrating a method for fabricating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with an embodiment of the present invention.

예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합부들 및 그와 같은 자기 접합부들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)를 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 채용한 전기 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전기 장치는 핸드폰, 스마트폰, 테블릿, 랩탑 및 기타 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 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.Exemplary embodiments relate to magnetic junctions that may be used in magnetic devices, such as magnetic memories, and devices using such magnetic junctions. The magnetic memory may include a spin transfer torque random access memory (STT-MRAM), and may be used in an electrical device employing a non-volatile memory. Such electrical devices may include, but are not limited to, cell phones, smart phones, tablets, laptops, and other portable and non-portable computing devices. The following description is provided so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention, and is provided as a part of the patent application and its requirements. Various modifications of the exemplary embodiments described herein and their principles and forms may be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Exemplary embodiments have been primarily described with specific methods and systems provided in specific embodiments. However, the methods and systems may work effectively in other implementations. Phrases such as “exemplary embodiment,” “one embodiment,” and “another embodiment” may refer to the same or different embodiments, as well as multiple embodiments. Embodiments will be described with respect to systems and/or devices having certain configurations. However, systems and/or devices may include more or fewer configurations than those shown, and changes in configuration and form of configurations may be made within the scope of the present invention. Exemplary embodiments may be described in the context of specific methods having certain steps. However, the method and system will operate effectively in other methods having different and/or additional steps or other orders of steps that are not inconsistent with the exemplary embodiments. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope not inconsistent with the principles and forms described herein.

자기 장치에 사용 가능한 자기 접합부와 자기 접합부를 제조하기 위한 방법이 설명된다. 자기 접합부는 제1 기준층, 제1 및 제2 비자기 스페이서층, 자유층 및 자체-초기화 하부 구조를 포함한다. 제1 기준층은 제1 방향으로 고정된 자기 모멘트를 갖는다. 제1 비자기 스페이서층은 자유층과 제1 기준층 사이에 형성된다. 자유층은 적어도 임계 크기를 갖는 기록 전류가 자기 접합부를 통과할 때 안정된 자기 상태 사이에서 전환 가능하다. 자유층은 제1 비자기 스페이서층과 제2 비자기 스페이서층 사이에 형성된다. 제2 비자기 스페이서층은 자체-초기화 하부 구조와 자유층 사이에 형성된다. 자체-초기화 하부 구조는 제1 자체-초기화 하부 구조, 제2 자체-초기화 하부 구조 및 제3 자체-초기화 하부 구조로부터 선택된 어느 하나를 포함한다. 제1 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층, 디커플링층 및 제2 기준층을 포함한다. 제2 기준층은 제2 방향으로 고정된 제2 자기 모멘트를 갖는다. 자체-초기화 기준층은 자유층과 제2 기준층 사이에 형성된다. 디커플링층은 비자기이고 자체-초기화 기준층과 제2 기준층 사이에 형성된다. 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 자기 접합부를 통과할 때 제1 방향과 제2 방향 사이에서 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 갖는다. 제2 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층을 포함한다. 제1 기준층이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하고, 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖고, 확장 기준층은 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖는다. 제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 기준층을 포함하고, 온도 의존 기준층은 실온에서 제1 자기 모멘트를 갖고 스위칭 온도에서 제2 자기 모멘트를 갖고, 제1 자기 모멘트는 제3 방향으로 형성되고, 상기 제2 자기 모멘트는 제4 방향으로 형성되고, 제4 방향은 제1 방향 및 제2 방향 중 어느 하나와 평행하다. 제2 자기 모멘트는 역시 자유층의 스위칭 동안 제1 방향에 역평행(antiparallel)하게 정렬된다. A magnetic junction usable in a magnetic device and a method for making a magnetic junction are described. The magnetic junction includes a first reference layer, first and second nonmagnetic spacer layers, a free layer, and a self-initiating substructure. The first reference layer has a magnetic moment fixed in a first direction. A first nonmagnetic spacer layer is formed between the free layer and the first reference layer. The free layer is switchable between stable magnetic states when a write current having at least a critical magnitude passes through the magnetic junction. A free layer is formed between the first non-magnetic spacer layer and the second non-magnetic spacer layer. A second nonmagnetic spacer layer is formed between the self-initiating substructure and the free layer. The self-initializing substructure includes any one selected from a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure, and a third self-initializing substructure. The first self-initiating substructure includes a self-initiating reference layer, a decoupling layer, and a second reference layer. The second reference layer has a second magnetic moment fixed in a second direction. A self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer. The decoupling layer is non-magnetic and is formed between the self-initiating reference layer and the second reference layer. The self-initiating reference layer has a self-initiating magnetic moment that is switchable between a first direction and a second direction when a current having a magnitude less than or equal to one-half the critical magnitude passes through the magnetic junction. The second self-initializing substructure includes a self-initializing reference layer. Available when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, the low saturation magnetization reference layer has a saturation magnetization of 400 emu/cc or less, and the extended reference layer has a larger footprint than the free layer. the third self-initiating substructure comprises a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature, the first magnetic moment being formed in a third direction, and The second magnetic moment is formed in a fourth direction, and the fourth direction is parallel to any one of the first direction and the second direction. The second magnetic moment is also aligned antiparallel to the first direction during switching of the free layer.

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 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 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.Exemplary embodiments are described within the context of a magnetic memory with specific magnetic junctions and certain components. A person of ordinary skill in the art will readily appreciate that the present invention is consistent with the use of magnetic junctions and magnetic memories having other and/or additional configurations and/or other features not inconsistent with the present invention. will be. The methods and systems are also described in the context of current understanding of spin transfer phenomena and other physical phenomena. Consequently, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that the rationale for the operation of the method and system is based on this current understanding of spin transfer anisotropy and other physical phenomena. However, the methods and systems described herein do not rely on specific physical descriptions. Those of ordinary skill in the art will also readily appreciate that the methods and systems are described within the context of structures having specific relationships to substrates. However, one of ordinary skill in the art will readily recognize that the method and system are consistent with other structures. In addition, the methods and systems are described within the context of any layers that are synthesized and/or single. However, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that the layers may have other structures. Furthermore, the method and system are described within the context of magnetic junctions and/or substructures having special layers. However, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that magnetic junctions and/or substructures having additional and/or other layers that are not inconsistent with the method and system may also be used. Furthermore, some configurations are described as magnetic, ferromagnetic and ferrimagnetic. As used herein, the term magnetic may include, but is not limited to, ferromagnetic, ferrimagnetic or similar structures. Furthermore, as used herein, “in-plane” is substantially in or parallel to the plane of one or more layers of a magnetic junction. Conversely, “perpendicular” corresponds to a direction substantially perpendicular to one or more layers of a magnetic junction.

도 2는 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부의 일 실시예를 도시한다. 자기 접합부(100)는 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능하다. 명확성을 위해, 도 2는 확장되지 않는다. 자기 접합부(100)는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(100)는 자기 모멘트(151)를 갖는 기준층(150), 선택적 분극 강화층(142, PEL), 비자기 스페이서층(140), 자기 모멘트(131)를 갖는 자유층(130), 비자기 스페이서층(120) 및 자기 모멘트(111)를 갖는 자체-초기화 하부 구조(110)를 포함하는 듀얼 자기 접합부이다. 장치는 기판(101)에 형성될 수 있는 트랜지스터를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)이 역시 도시된다. 예를 들어, 시드층(104)는 얇은 MgO 시드층을 포함할 수 있다. 비록 층들(110, 120, 130, 140 및 150)이 특정한 관계로 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서 달다질 수 있다. 예를 들어, 다른 몇몇 실시예에서, 기판(101)로부터 가장 가까운 층들은 자체-초기화 하부 구조(110), 비자기 스페이서층(120), 자유층(130), 비자기 스페이서층(140) 및 기준층(150) 순서로 형성될 수 있다. 선택적 고정층(미도시)은 기준층의 자화를 고정시키기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택적 고정층은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 기준층(150)의 자화를 고정시키는 AMF층 또는 다층일 수 있다. 하지만, 다른 몇몇 실시예에서, 선택적 고정층은 생략될 수 있거나, 또는 다른 구조가 사용될 수 있다. 높은 스핀 분극, 자기 또는 비자기 삽입층 및/또는 다른 층들을 갖는 다른 선택적 분극 강화층에 제한되지 않고 포함하는 다른 층들은 자기 접합부(100)에 포함될 수 있거나, 또는 자기 접합부(100)에 사용될 수 있는 별도의 층들로 고려될 수 있다. 하지만, 간략화를 위해 이러한 층(142)는 도시되지 않는다.2 illustrates one embodiment of a dual magnetic junction including a self-initiating substructure. Magnetic junction 100 is usable for magnetic memory programming using spin transfer torque. For clarity, FIG. 2 is not to scale. The magnetic junction 100 may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. The magnetic junction 100 includes a reference layer 150 having a magnetic moment 151, a selective polarization enhancement layer 142, PEL, a non-magnetic spacer layer 140, a free layer 130 having a magnetic moment 131, and a non-magnetic A dual magnetic junction comprising a magnetic spacer layer (120) and a self-initiating substructure (110) having a magnetic moment (111). The device includes, but is not limited to, a transistor that may be formed on the substrate 101 . A bottom contact 102 , a top contact 108 , an optional seed layer 104 , and an optional capping layer 106 are also shown. For example, the seed layer 104 may include a thin MgO seed layer. Although layers 110 , 120 , 130 , 140 and 150 are shown in specific relation, they may vary in other embodiments. For example, in some other embodiments, the layers closest to the substrate 101 are the self-initiating substructure 110 , the nonmagnetic spacer layer 120 , the free layer 130 , the nonmagnetic spacer layer 140 and The reference layer 150 may be formed in the order. An optional pinned layer (not shown) may be used to fix the magnetization of the reference layer. In some embodiments, the optional pinning layer may be an AMF layer or multilayer that locks the magnetization of the reference layer 150 by an exchange-bias interaction. However, in some other embodiments, the optional pinning layer may be omitted, or other structures may be used. Other layers including, but not limited to, high spin polarization, magnetic or nonmagnetic insertion layers and/or other selective polarization enhancement layers having other layers may be included in, or used in, the magnetic junction 100 . can be considered as separate layers. However, for the sake of simplicity, this layer 142 is not shown.

비자기 스페이서층들(120, 140)은 각각 MgO 터널링 배리어 층일 수 있다. MgO층은 결정형일 수 있고, 강화된 터널링 자기저항(TMR)에 대한 방향을 가질 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 비자기 스페이서층들(120, 140)는 서로 다른 터널링 배리어층일 수 있고, 도전성층이거나, 또는 다른 구조를 가질 수 있다. 또한, 비자기 스페이서층들(120, 140)은 서로 동일한 구조를 갖는 것은 아니다. 예를 들어, 층들(120, 140) 중 어느 하나는 다른 층이 도전성일 때 터널링 배리어층일 수 있다. 비자기 스페이서층들(120, 140)이 서로 유사한 구조를 갖는 경우, 저항은 자유층 자기 모멘트(131)의 안정된 상태 사이에서 구별하기 위해 서로 다른 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 비자기 스페이서층(140)은 높은 저항을 갖는 주 터널링 배리어층일 수 있고, 비자기 스페이서층(120)은 낮은 저항을 갖는 보조 터널링 배리어층일 수 있다.Each of the nonmagnetic spacer layers 120 and 140 may be an MgO tunneling barrier layer. The MgO layer may be crystalline and may have a direction for enhanced tunneling magnetoresistance (TMR). In some other embodiments, the nonmagnetic spacer layers 120 and 140 may be different tunneling barrier layers, conductive layers, or other structures. Also, the nonmagnetic spacer layers 120 and 140 do not have the same structure. For example, either of the layers 120 and 140 may be a tunneling barrier layer when the other is conductive. When the nonmagnetic spacer layers 120 and 140 have structures similar to each other, it may be desirable that the resistances be different to distinguish between the stable states of the free layer magnetic moment 131 . For example, the nonmagnetic spacer layer 140 may be a primary tunneling barrier layer having a high resistance, and the nonmagnetic spacer layer 120 may be an auxiliary tunneling barrier layer having a low resistance.

선택적 분극 강화층(142)는 높은 스핀 분극을 갖는 선택적 층이다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층(142)은 Fe 및/또는 CoFe를 포함할 수 있다. 선택적 분극 강화층(142)은 기준층(150)과 인접한 비자기 스페이서층(140) 사이에 형성될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 추가적인 및/또는 다른 선택적 분극 강화층들이 포함될 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층들은 자체-초기화 하부 구조(110)와 비자기 스페이서층(120) 사이, 비자기 스페이서층(120)과 자유층(130) 사이 및/또는 자유층(130)과 비자기 스페이서층(140) 사이에 형성될 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 선택적 분극 강화층들은 모두 생략된다.The selective polarization enhancement layer 142 is a selective layer with high spin polarization. For example, the selective polarization enhancement layer 142 may include Fe and/or CoFe. The selective polarization enhancement layer 142 may be formed between the reference layer 150 and the adjacent nonmagnetic spacer layer 140 . In some other embodiments, additional and/or other optional polarization enhancement layers may be included. For example, the selective polarization enhancement layers may be formed between the self-initiating substructure 110 and the nonmagnetic spacer layer 120 , between the nonmagnetic spacer layer 120 and the free layer 130 , and/or between the free layer 130 and the free layer 130 . It may be formed between the non-magnetic spacer layers 140 . In some other embodiments, the optional polarization enhancement layers are all omitted.

기준층(150)은 자기이고, 자기 접합부(100)의 동작에 걸쳐 안정된 자기 모멘트(151)를 갖는다. 달리 말하면, 기준층(150)의 자기 모멘트(151)는 자기 접합부(100)가 무부하(quiescent)일 때 전환하지 않고, 프로그래밍 또는 판독된다. 따라서, 자기 모멘트(151)는 안정된다. 기준층(150)은 다층일 수 있다. 따라서, 기준층(150)은 서브층을 포함할 수 있지만, 다수의 강자성층에 제한되지 않는다. 기준층(150)의 수직 자기 이방성(PMA) 에너지는 면 외(out-of-plane) 소자 에너지를 초과한다. 기준층(150)은 이와 같이 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 여기에서 사용되는 높은 수직 자기 이방성은 면 외 소자 에너지보다 큰 수직 자기 이방성을 갖는 수직 자기 이방성 에너지이다. 기준층(150)이 높은 수직 자기 이방성을 갖기 때문에, 기준층(150)의 자기 모멘트(151)는 면 수직(perpendicular-to-plane)일 수 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 피닝층은 일반적으로 사용되지 않는다. 예를 들어, 기준층(150)은 다수의 반복되는 Co/Pt 이중층, Co/Pd 이중층, CoPt 합금, CoPd 합금, CoTb 합금 및/또는 다수의 반복되는 Co/Tb 이중층을 포함할 수 있다. 이러한 조합은 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 유사하게, 기준층(150)은 높은 수직 자기 이방성을 갖는 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co₂FeAl, Co₂FeAlSi, Co₂MnSi 및 MnAl 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 CoFeB, FeB, CoB 및 MnAl 화학량이 표시되지 않는 합금을 표시한다. 예를 들어, CoFeB는 x가 0 이상이고 0.5 이하인 (CoFe)_1- _xB_x를 포함할 수 있다. 예를 들어, x는 적어도 0.2 이상이고 0.4 이하일 수 있다. 유사하게, FeB는 x가 0 이상이고 0.5 이하인 Fe₁ _- _xB_x를 포함할 수 있다. 다른 물질 및/또는 구조는 기준층(150)에 대하여 가능한한 높은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.The reference layer 150 is magnetic and has a stable magnetic moment 151 over the operation of the magnetic junction 100 . In other words, the magnetic moment 151 of the reference layer 150 is programmed or read without switching when the magnetic junction 100 is quiescent. Accordingly, the magnetic moment 151 is stabilized. The reference layer 150 may be multi-layered. Accordingly, the reference layer 150 may include a sub-layer, but is not limited to a plurality of ferromagnetic layers. The perpendicular magnetic anisotropy (PMA) energy of the reference layer 150 exceeds the out-of-plane device energy. The reference layer 150 has such high perpendicular magnetic anisotropy. The high perpendicular magnetic anisotropy used here is the perpendicular magnetic anisotropy energy with a perpendicular magnetic anisotropy greater than the out-of-plane demagnetization energy. Since the reference layer 150 has high perpendicular magnetic anisotropy, the magnetic moment 151 of the reference layer 150 may be perpendicular-to-plane. In some such embodiments, a pinning layer is generally not used. For example, reference layer 150 may include multiple repeating Co/Pt bilayers, Co/Pd bilayers, CoPt alloys, CoPd alloys, CoTb alloys, and/or multiple repeating Co/Tb bilayers. This combination can have high perpendicular magnetic anisotropy. Similarly, the reference layer 150 may include one or more of CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co ₂ FeAl, Co ₂ FeAlSi, Co ₂ MnSi, and MnAl having high perpendicular magnetic anisotropy. The CoFeB, FeB, CoB, and MnAl stoichiometry used herein is indicated for unspecified alloys. For example, CoFeB may include (CoFe) _1- _x B _x where x is 0 or more and 0.5 or less. For example, x may be at least 0.2 and less than or equal to 0.4. Similarly, FeB may include Fe ₁ _- _x B _x where x is greater than or equal to 0 and less than or equal to 0.5. Other materials and/or structures may have as high a perpendicular magnetic anisotropy as possible with respect to the reference layer 150 .

도시된 실시예에서, 기준층(150)은 강자성체이다. 예를 들어, 상기 논의된 다층은 강자성적으로 결합된 층들을 포함한다. 다를 몇몇 실시예에서, 기준층(150)은 다른 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 기준층(150)은 합성 반강자성체(SAF)일 수 있다. 하지만, 적어도 몇몇 실시예에서, 기준층(150)은 합성 반강자성체를 미포함한다.In the illustrated embodiment, the reference layer 150 is a ferromagnetic material. For example, the multilayer discussed above includes layers that are ferromagnetically coupled. In some other embodiments, the reference layer 150 may have a different structure. For example, the reference layer 150 may be a synthetic antiferromagnetic material (SAF). However, in at least some embodiments, the reference layer 150 is free of synthetic antiferromagnetic material.

자유층(130)은 자기이고, 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 자유층(130)은 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 자유층(130)의 자기 모멘트(131)는 도 2에 도시된 바와 같이 면 수직 방향일 수 있다. 자기 접합부는 역시 자기 접합부를 통해 구동된 기록 전류를 이용하여 전환될 수 있다(예를 들어, 스핀 전달을 이용하여). 자유층(130)의 자기 모멘트(131)를 전환하기 위해 기록 전류는 임계 크기를 갖는다. 임계 크기는 자유층의 자기 모멘트가 적어도 50 퍼센트의 확률로 스위칭할 수 있는 전류로 간주될 수 있다. 이 크기보다 작은 기록 전류는 방향을 전환시키기 위한 자유층 자기 모멘트(131)을 야기하기 않는다. 예를 들어, 자기 저항을 통해 자유층(130)의 상태를 판독하기 위해 자기 접합부(100)를 통해 구동된 판독 전류는 임계 크기보다 작은 크기를 갖는다. 따라서, 자기 접합부(100)을 판독하는 것은 자기 모멘트(131)의 상태를 교한하지 않는다.The free layer 130 is magnetic and has a perpendicular magnetic anisotropy energy exceeding the out-of-plane demagnetization energy. Accordingly, the free layer 130 has high perpendicular magnetic anisotropy. The magnetic moment 131 of the free layer 130 may be in a plane perpendicular direction as shown in FIG. 2 . The magnetic junction may also be switched (eg, using spin transfer) using a write current driven through the magnetic junction. The write current has a threshold magnitude to switch the magnetic moment 131 of the free layer 130 . The threshold magnitude can be considered as the current at which the magnetic moment of the free layer can switch with a probability of at least 50 percent. A write current smaller than this magnitude does not cause the free layer magnetic moment 131 to change direction. For example, the read current driven through the magnetic junction 100 to read the state of the free layer 130 through the magnetoresistance has a magnitude smaller than a threshold magnitude. Thus, reading the magnetic junction 100 does not alter the state of the magnetic moment 131 .

자유층(130)은 단일층 또는 다층일 수 있다. 상술한 바와 같이, 자유층(130)은 면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 자유층(130)은 면 수직인 자기 모멘트(131)를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(130)에 대한 물질을 증착하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 자유층(130)은 합성 반강자성체일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 단일층 또는 다층이 사용될 수 있다. 자유층(130)은 x가 0 이상이고 0.5 이하인 (CoFe)1-xBx층들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, x는 적어도 0.2 이상이고 0.4 이하일 수 있다. 하지만, 제조시에 어닐링 후에 자유층(130)에서 B는 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있다. 따라서, CoFeB층은 이미 증착된 것보다 더 완료된 장치에서 서로 다른 화학량을 가질 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, CoFeB는 바람직하게는 이미 증착된 전술한 화학량의 범위에서 CoFe 및 B를 포함하는 층을 나타낸다.The free layer 130 may be a single layer or a multilayer. As described above, the free layer 130 has perpendicular magnetic anisotropy exceeding the out-of-plane device energy. Accordingly, the free layer 130 may have a magnetic moment 131 perpendicular to the plane. In some embodiments, it includes depositing a material for the free layer 130 . In some embodiments, free layer 130 may be a synthetic antiferromagnetic material. In some other embodiments, a single layer or multiple layers may be used. The free layer 130 may include (CoFe)1-xBx layers in which x is greater than or equal to 0 and less than or equal to 0.5. In some embodiments, x can be at least 0.2 or greater and 0.4 or less. However, in manufacturing, B may be partially or completely removed from the free layer 130 after annealing. Thus, the CoFeB layers may have different stoichiometry in the finished device than those already deposited. As used herein, CoFeB refers to a layer comprising CoFe and B in the aforementioned stoichiometry range, preferably already deposited.

자기 접합부(100)는 역시 자체-초기화 하부 구조(110)을 포함한다. 자체-초기화 하부 구조(110)는 기준층으로서의 기능을 할 수 있지만, 자기 모멘트(111)가 고정되지는 않는다. 대신에, 자체-초기화 하부 구조(110)는 자기 모멘트(111)가 자유층(130)의 프로그래밍 동안 듀얼 구성(기준층(150)의 자기 모멘트(151)에 역평행)에서 전환되도록 구성된다. 일반적으로, 기록 동안 자기 접합부(100)를 통해 구동되는 전류로 인해 스위칭이 일어난다. 하지만, 다른 및/또는 추가적인 메커니즘이 채용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(111)는 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류에 의해 듀얼 구성으로 전환된다. 이러한 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(111)는 임계 크기의 1/3 이하의 크기를 갖는 전류에 의해 듀얼 구성으로 전환된다. 몇몇 실시예에서, 요구되는 전류는 임계 크기의 1/4 이하이다. 하지만, 자기 접합부가 무부하일 때(판독 또는 프로그래밍되지 않는) 자체-초기화 하부 구조(110)의 자기 모멘트(111)는 듀얼 상태에 있지 않을 수 있다. 또한, 자체-초기화 하부 구조(110)는 자기 접합부가 무부하일 때 및 기준층(150)이 합성 반강자성체를 미포함할 때에 층들(110, 150)로 인한 자유층(130)에서의 스트레이 필드(stray fields)가 실질적으로 0이 되도록 구성될 수 있다. 따라서, 기준층(150)이 강자성체 및/또는 반강자성적으로 결합된 층들을 포함하는 경우에도, 자유층(130)에서의 스트레이 필드는 실질적으로 균형을 이룬다. 다른 몇몇 실시예에서, 자유층(130)은 층들(110, 150)로 인해 스트레이 필드를 견질 수 있고, 이 경우 자유층(130)의 이방성 필드의 15 퍼센트를 초과하지 않아야 한다.The magnetic junction 100 also includes a self-initializing substructure 110 . The self-initiating substructure 110 may function as a reference layer, but the magnetic moment 111 is not fixed. Instead, the self-initiating substructure 110 is configured such that the magnetic moment 111 is switched from a dual configuration (antiparallel to the magnetic moment 151 of the reference layer 150 ) during programming of the free layer 130 . In general, the switching occurs due to the current driven through the magnetic junction 100 during writing. However, other and/or additional mechanisms may be employed. In some embodiments, the magnetic moment 111 is converted to a dual configuration by a current having a magnitude less than or equal to one-half the critical magnitude. In some such embodiments, the magnetic moment 111 is converted to a dual configuration by a current having a magnitude less than or equal to one third of the critical magnitude. In some embodiments, the current required is less than or equal to one-fourth the threshold magnitude. However, the magnetic moment 111 of the self-initializing substructure 110 may not be in a dual state when the magnetic junction is unloaded (not read or programmed). In addition, the self-initializing substructure 110 exhibits stray fields in the free layer 130 due to the layers 110 and 150 when the magnetic junction is unloaded and when the reference layer 150 contains no synthetic antiferromagnetic material. ) can be configured to be substantially zero. Thus, even when reference layer 150 includes ferromagnetic and/or antiferromagnetically coupled layers, the stray field in free layer 130 is substantially balanced. In some other embodiments, the free layer 130 can withstand a stray field due to the layers 110 , 150 , in which case it should not exceed 15 percent of the anisotropic field of the free layer 130 .

자체-초기화 하부 구조(110)는 상술한 자체-초기화 하부 구조(110)가 설계된 방법으로 설명한다. 예를 들어, 자체-초기화 하부 구조(110)는 제1 자체-초기화 하부 구조(도 2에 명시적으로 도시되지 않음), 제2 자체-초기화 하부 구조(도 2에 명시적으로 도시되지 않음) 및 제3 자체-초기화 하부 구조(도 2에 명시적으로 도시되지 않음)로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The self-initializing substructure 110 is described in the manner in which the above-described self-initializing substructure 110 is designed. For example, self-initializing substructure 110 may include a first self-initializing substructure (not explicitly shown in FIG. 2 ), a second self-initializing substructure (not explicitly shown in FIG. 2 ). and a third self-initializing substructure (not explicitly shown in FIG. 2 ).

제1 자체-초기화 하부 구조는 자유층(130)에 가장 가까운 자체-초기화 기준층, 제2 기준층 및 자체-초기화 기준층과 제2 기준층 사이에 형성되는 디커플링층을 포함한다. 제2 기준층은 자기 접합부(100)의 동작을 통해 자기 모멘트(151)에 대해 역평행한 방향으로 안정되거나 또는 고정된 제2 자기 모멘트를 갖는다. 디커플링층은 비자기이다. 자체-초기화 기준층은 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 자기 접합부(100)을 통해 통과된 때 자기 모멘트(151)에 대하여 역평행하도록 전환 가능한 자체-초기화 자기 모멘트를 가질 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 이러한 스위칭은 낮은 전류 크기 예를 들어, 임계 크기의 1/3 또는 1/4 이하의 전류에서 발생할 수 있다.The first self-initializing substructure includes a self-initializing reference layer closest to the free layer 130 , a second reference layer, and a decoupling layer formed between the self-initializing reference layer and the second reference layer. The second reference layer has a second magnetic moment that is stabilized or fixed in a direction antiparallel to the magnetic moment 151 through the operation of the magnetic junction 100 . The decoupling layer is nonmagnetic. The self-initiating reference layer may have a self-initiating magnetic moment that is switchable to be antiparallel to the magnetic moment 151 when a current having a magnitude of less than or equal to one-half the critical magnitude is passed through the magnetic junction 100 . In some other embodiments, such switching may occur at low current magnitudes, eg, currents of 1/3 or 1/4 of a threshold magnitude or less.

제2 자체-초기화 하부 구조는 상술한 자체- 초기화 기준층을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제2 자체-초기화 하부 구조는 자체-초기화 기준층을 포함하고, 제1 기준층(140)이 낮은 포화 자화 기준층과 확장 기준층으로부터 선택되는 경우 사용 가능하다. 낮은 포화 자화 기준층은 400 emu/cc 이하의 포화 자화를 갖는다. 확장 기준층은 자유층보다 큰 면적(footprint)을 갖는다. 따라서, 자체-초기화 기준층의 자기 모멘트는 기준층의 구조가 자유층(130)에서 충분히 낮은 스트레이 필드를 허용하는 동안 전류를 이용하여 기준층(150)의 자기 모멘트(151)에 대하여 역평행으로 정렬될 수 있다.The second self-initializing substructure includes the self-initializing reference layer described above. In some embodiments, the second self-initializing substructure includes a self-initializing reference layer, which is usable when the first reference layer 140 is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer. The low saturation magnetization reference layer has a saturation magnetization of 400 emu/cc or less. The extended reference layer has a larger footprint than the free layer. Thus, the magnetic moment of the self-initiating reference layer can be aligned antiparallel to the magnetic moment 151 of the reference layer 150 using an electric current while the structure of the reference layer allows a sufficiently low stray field in the free layer 130 . have.

제3 자체-초기화 하부 구조는 온도 의존 자체-초기화 기준층을 포함한다. 온도 의존 자체-초기화 기준층은 가열시 기준층(150)의 자기 모멘트(151)에 대하여 평행 또는 역평행한 자기 모멘트를 갖는다. 이어서, 자기 모멘트는 제1 자체-초기화 하부 구조에서 상술한 바와 같이 기록 전류를 이용하여 정렬될 수 있다.The third self-initializing substructure includes a temperature dependent self-initializing reference layer. The temperature dependent self-initiating reference layer has a magnetic moment parallel or antiparallel to the magnetic moment 151 of the reference layer 150 upon heating. The magnetic moments can then be aligned using the write current as described above in the first self-initializing substructure.

자기 접합부(100)는 성능을 개선할 수 있다. 자체-초기화 하부 구조(110)는 자기 접합부(100)에 대한 층들(110 내지 150)의 스택의 높이를 실질적으로 증가시킴 없이 바람직한 듀얼 구조를 제공할 수 있다. 또한, 자체-초기화 하부 구조(110)의 구성에 대한 요구는 보다 용이하게 획득되고 형성될 수 있다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.The magnetic junction 100 may improve performance. The self-initiating substructure 110 may provide a desirable dual structure without substantially increasing the height of the stack of layers 110 - 150 relative to the magnetic junction 100 . In addition, the requirements for the construction of the self-initializing substructure 110 can be more easily obtained and formed. Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 3은 확장되지 않는다. 자기 접합부(200)는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(200)는 자기 접합부(100)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(200)는 도 2에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110), 비자기 스페이서층(120), 자기 모멘트(131)을 갖는 자유층(130), 비자기 스페이서층(140) 및 자기 모멘트(151)을 갖는 기준층(150)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(210), 비자기 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 비자기 스페이서층(240) 및 자기 모멘트(251)을 갖는 기준층(250)을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(200)는 도 2에 도시된 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(250)과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(220) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(210)와 비자기 스페이서층(220) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(210)가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(250)이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(250)은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(210)는 기판으로부터 가장 멀 수 있다.3 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 3 is not expanded. The magnetic junction 200 may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. The magnetic junction 200 is similar to the magnetic junction 100 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 200 includes the self-initiating substructure 110 shown in FIG. 2 , the nonmagnetic spacer layer 120 , the free layer 130 having a magnetic moment 131 , the nonmagnetic spacer layer 140 and the magnetic Similar to reference layer 150 with moment 151, respectively, self-initializing substructure 210, non-magnetic spacer layer 220, free layer 230 with magnetic moment 231, non-magnetic spacer layer ( 240 ) and a reference layer 250 having a magnetic moment 251 . Although not shown, the magnetic junction 200 is similar to the bottom contact 102, top contact 108, optional seed layer 104, and optional capping layer 106 shown in FIG. It may include an optional seed layer and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 250 and the nonmagnetic spacer layer 240 , between the free layer 230 and the nonmagnetic spacer layer 240 , and between the free layer 230 and the nonmagnetic spacer layer 220 . ) and/or between the self-initiating substructure 210 and the non-magnetic spacer layer 220 . Also, although self-initiating substructure 210 is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 250 as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, reference layer 250 may be closest to the substrate and self-initiating substructure 210 may be furthest from the substrate.

도시된 실시예에서, 기준층(250)과 자유층(230)은 각각 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 자기 모멘트(251, 231)는 면 수직이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(251, 231)는 면 내일 수 있다. 자유층(230) 및/또는 기준층(250)은 높은 수직 자기 이방성을 갖기 위해 알려진 하나 이상의 다층을 포함할 수 있다. 또한, 자유층(230), 기준층(250) 및 비자기 스페이서층(220, 240) 중 선택된 물질은 스핀 전달 토크 프로그래밍뿐만 아니라 높은 자기저항을 생성하기 위해 바람직하다. 예를 들어, 비자기 스페이서층들(220, 240)은 원하는 방향(예를 들어, 200)을 갖는 MgO 결정형일 수 있고, 자유층(230)과 기준층(250)은 CoFe 및/또는 CoFeB을 포함할 수 있다. 자유층(230)의 자기 모멘트(231)는 면 수직 방향(즉, Z축을 따라)으로 자기 접합부(200)를 통해 구동된 전류를 이용하여 프로그래밍된다. 앞에서 검토한 바와 같이, 별도로 명시하지 않는 한 자기 접합부를 통해 구동된 전류는 면 수직으로 구동된다. 자기 모멘트(231)는 임계 크기 또는 그 이상을 갖는 기록 전류로 스위칭된다.In the illustrated embodiment, the reference layer 250 and the free layer 230 each have high perpendicular magnetic anisotropy. Accordingly, the magnetic moments 251 and 231 are perpendicular to the plane. In some other embodiments, magnetic moments 251 and 231 may be in-plane. The free layer 230 and/or the reference layer 250 may include one or more multilayers known to have high perpendicular magnetic anisotropy. Also, a material selected from the free layer 230, the reference layer 250, and the nonmagnetic spacer layers 220, 240 is desirable for producing high magnetoresistance as well as spin transfer torque programming. For example, the nonmagnetic spacer layers 220 and 240 may be MgO crystalline with a desired orientation (eg, 200), and the free layer 230 and reference layer 250 include CoFe and/or CoFeB. can do. The magnetic moment 231 of the free layer 230 is programmed using a current driven through the magnetic junction 200 in the plane perpendicular direction (ie, along the Z axis). As discussed earlier, currents driven through magnetic junctions are driven perpendicular to the plane unless otherwise specified. The magnetic moment 231 is switched with a write current having a threshold magnitude or greater.

자체-초기화 하부 구조(210)는 자기 접합부(100)에서 상술한 제1 자체-초기화 하부 구조와 유사하다. 자체-초기화 하부 구조(210)은 자체-초기화 기준층(212), 디커플링층(214) 및 기준층(216)을 포함한다. 기준층(216)은 자기 모멘트(215)를 갖는다. 도시된 실시예에서, 기준층(250, 216)은 듀얼 상태이다. 따라서, 자기 모멘트(251, 215)는 역평행이다. 결과적으로, 구조들(210, 250)으로 인한 자기 필드는 자유층(230)에서 실질적으로 취소될 수 있다. 달리 말하면, 자유층(230)은 합성 반강자성체로 요구되는 기준층(250) 없이 자기 필드가 상대적으로 자유로울 수 있다. 기준층(216)은 높은 수직 자기 이방성을 갖고, 면 수직의 자기 모멘트(215)를 갖는다. 예를 들어, 기준층(216)은 n개의 반복되는 TbCo/FeB 이중층 및/또는 m개의 반복되는 CoFe/PtPd 이중층을 포함할 수 있고, n 및 m은 각각 정수이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(215)는 면 내일 수 있다. 하지만, 일반적으로, 자기 모멘트(215)는 자기 모멘트(251)에 역평행인 것이 바람직하다.The self-initializing substructure 210 is similar to the first self-initializing substructure described above for the magnetic junction 100 . The self-initiating substructure 210 includes a self-initializing reference layer 212 , a decoupling layer 214 and a reference layer 216 . Reference layer 216 has a magnetic moment 215 . In the illustrated embodiment, the reference layers 250 and 216 are in a dual state. Accordingly, the magnetic moments 251 and 215 are antiparallel. As a result, the magnetic field due to structures 210 , 250 may substantially cancel in free layer 230 . In other words, the free layer 230 can be relatively free of magnetic fields without the reference layer 250 required as a synthetic antiferromagnetic material. The reference layer 216 has a high perpendicular magnetic anisotropy and a plane perpendicular magnetic moment 215 . For example, reference layer 216 may include n repeating TbCo/FeB bilayers and/or m repeating CoFe/PtPd bilayers, where n and m are each integers. In some other embodiments, the magnetic moment 215 may be in-plane. However, in general, it is preferred that the magnetic moment 215 be antiparallel to the magnetic moment 251 .

기준층(216)의 자기 모멘트(215)는 역시 자기 접합부(200)의 동작을 통해 안정된다. 이러한 방식으로, 기준층(216)은 기준층(250)과 유사하다. 자기 모멘트(251, 215)는 자기 접합부(200)가 판독, 프로그래밍 또는 안정 모드일 때 실질적으로 고정된다.The magnetic moment 215 of the reference layer 216 is also stabilized through the operation of the magnetic junction 200 . In this way, reference layer 216 is similar to reference layer 250 . Magnetic moments 251 and 215 are substantially fixed when magnetic junction 200 is in read, program, or stable mode.

디커플링층(214)은 비자기이다. 디커플링층(214)은 기준층(216)으로부터 자체-초기화 기준층(212)을 자기적으로 분리시킨다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211)는 상술한 바와 같이 프로그래밍되는 동안 스위칭될 수 있다. 자체-초기화 하부 구조(210)는 합성 반강자성체가 아니다. 디커플링층(214)는 역시 기준층(216)으로부터 자체-초기화 기준층(212)을 구조적으로 분리시킬 수 있다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)은 기준층(216)과 서로 다른 결정형 구조를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 디커플링층(214)은 역시 확산 방지층이다. 따라서, 디커플링층(214)은 기준층(216)에 존재하고 자기 접합부(200)의 제조 동안 수행된 어닐링 동안 확산될 수 있는 Tb, Pt, Pd 및/또는 B와 같은 물질들을 줄일 수 있다. 이러한 기능을 수행하기 위해 디커플링층(214)에 사용될 수 있는 물질은 Co, Fe, B, Ta, V, W, Mg 및 MgO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 디커플링층(214)은 CoFeBTa 층, Fe/Ta 이중층, CoFeBTa/Mg 이중층, CoFeBTa/MgO 이중층, [Fe/Ta]_xMg 다층 및 [Fe/Ta]_x/MgO 다층 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, x는 정수이다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 자체-초기화 하부 구조는 CoFe, CoFeB, CoFeV 및 30 원자 퍼센트보다 작은 Ta 함량을 갖는 CoFeTa 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 성분의 화학량은 디커플링층(214)에 리스트된 물질에 나타나지 않는다. 하지만, 일반적으로, 적어도 10 원자 퍼센트로부터 30 원자 퍼센트 이하의 Ta와 0 원자 퍼센트로부터 50 원자 퍼센트 이하의 B를 갖는 것이 바람직하다.The decoupling layer 214 is nonmagnetic. The decoupling layer 214 magnetically separates the self-initiating reference layer 212 from the reference layer 216 . Accordingly, the magnetic moment 211 of the self-initializing reference layer 212 may be switched during programming as described above. The self-initializing substructure 210 is not a synthetic antiferromagnetic material. The decoupling layer 214 may also structurally separate the self-initiating reference layer 212 from the reference layer 216 . Accordingly, the self-initiating reference layer 212 may have a different crystalline structure from the reference layer 216 . In some embodiments, the decoupling layer 214 is also a diffusion barrier layer. Accordingly, the decoupling layer 214 may reduce materials such as Tb, Pt, Pd and/or B present in the reference layer 216 and may diffuse during annealing performed during fabrication of the magnetic junction 200 . A material that may be used for the decoupling layer 214 to perform this function may include at least one of Co, Fe, B, Ta, V, W, Mg, and MgO. For example, the decoupling layer 214 may include at least one of a CoFeBTa layer, a Fe/Ta bilayer, a CoFeBTa/Mg bilayer, a CoFeBTa/MgO bilayer, a [Fe/Ta] _x Mg multilayer, and a [Fe/Ta] _x /MgO multilayer may be included, and x is an integer. In some embodiments, for example, the self-initiating substructure may include at least one of CoFe, CoFeB, CoFeV, and CoFeTa having a Ta content of less than 30 atomic percent. The stoichiometry of the components does not appear in the materials listed in the decoupling layer 214 . In general, however, it is desirable to have at least 10 atomic percent to 30 atomic percent Ta or less and 0 atomic percent to 50 atomic percent B.

자체-초기화 기준층(212)은 가변 자기 모멘트(211)를 가지고, 스핀 전달 토크와 낮은 감쇠(damping)를 갖는다. 예를 들어, 자체-초기화 기준층(212)은 (CoFe)1-xBx층 포함할 수 있고, x는 0.5 이하이다. 몇몇 실시예에서, x는 적어도 0.2로부터 0.4 이하이다. 상기 화학량이 증착된다. 제조가 완료된 후, 상술된 CoFeB 층은 B의 어닐링 및/또는 제거 동안 확산으로 인해 불량한 B가 될 수 있다.The self-initializing reference layer 212 has a variable magnetic moment 211 and has a spin transfer torque and low damping. For example, the self-initializing reference layer 212 may include a (CoFe)1-xBx layer, where x is 0.5 or less. In some embodiments, x is at least 0.2 to 0.4 or less. The stoichiometry is deposited. After fabrication is complete, the CoFeB layer described above may become poor B due to diffusion during annealing and/or removal of B.

자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211)는 전류 없이 자기 접합부(200)를 통해 구동될 때는 한 방향이지만, 충분한 전류가 자기 접합부(200)를 통해 구동될 때는 다른 방향이다. 도 3은 기록 전류의 부재에서 자기 접합부(200)를 도시한다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 자기 접합부(200)이 무부하일 때 면 내이다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 판독 전류가 자기 접합부(200)를 통해 구동될 때 면 내이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 판독 전류가 자기 접합부(200)를 통해 구동될 때 면 수직이다. 기록 동안 자기 모멘트(211)의 방향은 자기 모멘트(211)와 판독 전류의 크기를 스위칭하기 위한 최소 전류에 의존한다.The magnetic moment 211 of the self-initiating reference layer 212 is in one direction when driven through the magnetic junction 200 without current, but in the other direction when a sufficient current is driven through the magnetic junction 200 . 3 shows the magnetic junction 200 in the absence of a write current. Thus, in the embodiment shown in FIG. 3 , the magnetic moment 211 is in-plane when the magnetic junction 200 is unloaded. In some embodiments, the magnetic moment 211 is in-plane when a read current is driven through the magnetic junction 200 . In some other embodiments, the magnetic moment 211 is perpendicular to the plane when a read current is driven through the magnetic junction 200 . The direction of the magnetic moment 211 during writing depends on the magnetic moment 211 and the minimum current for switching the magnitude of the read current.

자기 모멘트(211)는 특정 크기를 갖는 전류가 면 수직 방향으로 자기 접합부(200)를 통해 구동될 때 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 스위칭된다. 자기 모멘트는 전류가 이러한 크기보다 가능한한 크도록 역평행하도록 유지된다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 자기 접합부(200)를 통과할 때 스위칭된다. 따라서, 이러한 크기를 충족하거나 또는 초과하는 전류에 대해, 자기 모멘트(211)는 자기 모멘트(251)와 듀얼 상태이다. 다른 몇몇 실시예에서, 이러한 정렬은 낮은 전류 크기에서 발생할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 임계 크기의 1/3 이하의 크기를 갖는 전류에서 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 스위칭될 수 있다. 자기 모멘트(211)는 임계 크기의 1/4 이하의 크기를 갖는 전류에서 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(211)는 자기 접합부(200)를 통해 구동된 전류가 임계 크기의 1/10을 초과하지 않는 경우 대기 모드와 동일한 방향으로 유지된다. 자기 모멘트(211)의 스위칭은 역시 실질적으로 대칭일 수 있다. 따라서, 양의 Z방향(자체-초기화 하부 구조(210)로부터 기준층(250) 방향)으로 구동된 전류는 음의 Z방향(기준층(250)으로부터 자체-초기화 하부 구조(210) 방향)으로 구동된 전류와 실질적으로 동일한 크기의 듀얼 상태에서 자기 모멘트(211)을 정렬시킨다.The magnetic moment 211 is switched to be antiparallel to the magnetic moment 251 when a current having a specific magnitude is driven through the magnetic junction 200 in the plane perpendicular direction. The magnetic moment is maintained antiparallel so that the current is as large as possible over this magnitude. In some embodiments, the magnetic moment 211 is switched when a current having a magnitude less than or equal to one-half the critical magnitude passes through the magnetic junction 200 . Thus, for a current that meets or exceeds this magnitude, magnetic moment 211 is dual with magnetic moment 251 . In some other embodiments, such alignment may occur at low current magnitudes. In some embodiments, magnetic moment 211 may be switched to be antiparallel to magnetic moment 251 at currents having magnitudes less than or equal to one-third of a critical magnitude. The magnetic moment 211 may be aligned to be antiparallel to the magnetic moment 251 at a current having a magnitude of 1/4 or less of a critical magnitude. In some embodiments, the magnetic moment 211 remains in the same direction as the standby mode when the current driven through the magnetic junction 200 does not exceed 1/10 of the threshold magnitude. The switching of magnetic moment 211 may also be substantially symmetrical. Thus, the current driven in the positive Z-direction (direction from the self-initializing substructure 210 to the reference layer 250) is driven in the negative Z-direction (the direction from the reference layer 250 to the self-initializing substructure 210). Align the magnetic moment 211 in the dual state of substantially the same magnitude as the current.

자기 접합부(200)의 동작은 도 4a 내지 도 4d 및 도 5a 내지 도 5d를 통해 이해될 수 있다. 도 4a 내지 도 4d는 양의 Z방향(자체-초기화 하부 구조(210)로부터 기준층(250) 방향)으로 구동된 전류를 이용하여 프로그래밍하는 동안 자기 접합부(200)에 대한 자기 모멘트의 일 실시예를 도시한다. 이러한 기록 전류는 자유층의 자기 모멘트(231)를 자기 모멘트(251)에 대해 역평행으로부터 평행하도록 전환시키기 위해 사용된다. 도 5a 내지 도 5d는 음의 Z방향(기준층(250)으로부터 자체-초기화 하부 구조(210) 방향)으로 구동된 전류를 이용하여 프로그래밍하는 동안 자기 접합부(200)에 대한 자기 모멘트의 일 실시예를 도시한다. 이러한 전류는 자유층의 자기 모멘트(231)를 자기 모멘트(251)에 대해 평행으로부터 역평행하도록 전환시키기 위해 사용된다. 도 3 내지 도 5d를 참조하면, 자기 접합부를 통해 구동된 전류가 없을 때, 자기 모멘트는 도 3에 도시된 바와 같다.The operation of the magnetic junction 200 may be understood through FIGS. 4A to 4D and 5A to 5D. 4A-4D illustrate one embodiment of a magnetic moment for a magnetic junction 200 during programming using current driven in the positive Z direction (direction of the reference layer 250 from the self-initializing substructure 210). show This write current is used to convert the magnetic moment 231 of the free layer from antiparallel to parallel to the magnetic moment 251 . 5A-5D illustrate one embodiment of magnetic moments for magnetic junction 200 during programming using current driven in the negative Z direction (direction of self-initiating substructure 210 from reference layer 250). show This current is used to convert the magnetic moment 231 of the free layer from parallel to antiparallel to the magnetic moment 251 . 3 to 5D , when there is no current driven through the magnetic junction, the magnetic moment is as shown in FIG. 3 .

기록 전류는 자기 모멘트(251)에 평행한 자기 모멘트를 갖는 자유층(230)을 프로그래밍 하기 위해 양의 Z방향으로 자기 접합부(200)을 통해 구동될 수 있다. 자기 접합부를 통해 구동된 전류는 약간의 상승 시간을 갖는다. 전류가 임계 크기보다 작고, 자체-초기화 기준층(212)을 스위칭하기 위해 요구되는 전류보다 클 때, 자기 모멘트(211)는 기준층(251)에 역평행하도록 정렬된다. 이 상황은 도 4a에 도시된다. 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')는 자유층(230)으로부터 스핀 전달 토크로 인한 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 정렬시키기 위해 스위칭된다. 스위칭은 자유층(230)으로부터 자체-초기화 기준층(212)까지 이동하는 전류 캐리어들(예를 들어, 전자)이 자기 모멘트(231)의 방향으로 스핀 분극되기 때문에 발생한다. 따라서, 스핀 전달 토크는 자기 모멘트(251)에 대해 역평행하도록 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')를 스위칭한다. 자기 접합부(200)는 듀얼 상태이다.A write current may be driven through the magnetic junction 200 in the positive Z direction to program the free layer 230 with a magnetic moment parallel to the magnetic moment 251 . The current driven through the magnetic junction has some rise time. When the current is less than a threshold magnitude and greater than the current required to switch the self-initiating reference layer 212 , the magnetic moment 211 is aligned antiparallel to the reference layer 251 . This situation is shown in Figure 4a. The magnetic moment 211 ′ of the self-initiating reference layer 212 is switched to align antiparallel to the magnetic moment 251 due to the spin transfer torque from the free layer 230 . The switching occurs because current carriers (eg, electrons) moving from the free layer 230 to the self-initiating reference layer 212 are spin polarized in the direction of the magnetic moment 231 . Thus, the spin transfer torque switches the magnetic moment 211 ′ of the self-initializing reference layer 212 to be antiparallel to the magnetic moment 251 . The magnetic junction 200 is in a dual state.

기록 전류는 임계 값을 증가시키기 위해 지속된다. 자유층의 자기 모멘트(231)는 스핀 전달 토크의 적어도 일부에 기인한 기준층의 자기 모멘트(251)에 평행하도록 스위칭된다. 이 경우, 스핀 전달 토크는 기준층(250)의 자기 모멘트(251)의 방향으로 분극된 전류 캐리어로부터 온다. 또한, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')에 대해 역평행하도록 정렬된 스핀을 갖는 전류 캐리어는 자체-초기화 기준층(212)에 의해 자유층(230)에 다시 흩어지는 경향이 있다. 따라서, 기록 전류로부터의 스핀 전달 토크는 더 증가된다. 이것은 자기 모멘트(211', 251)가 역평행인 듀얼 구성의 이점이다. 자유층의 자기 모멘트(231')는 기준층의 자기 모멘트(251)에 평행하도록 프로그래밍된다. 이러한 상황은 도 4b에 도시된다. 기록 전류는 감소될 수 있다.The write current is continued to increase the threshold. The magnetic moment 231 of the free layer is switched to be parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer due to at least a portion of the spin transfer torque. In this case, the spin transfer torque comes from a current carrier polarized in the direction of the magnetic moment 251 of the reference layer 250 . Also, current carriers with spins aligned to be antiparallel to the magnetic moment 211' of the self-initializing reference layer 212 tend to be scattered back to the free layer 230 by the self-initializing reference layer 212. . Accordingly, the spin transfer torque from the write current is further increased. This is an advantage of the dual configuration where the magnetic moments 211', 251 are antiparallel. The magnetic moment 231 ′ of the free layer is programmed to be parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer. This situation is shown in Fig. 4b. The write current can be reduced.

자유층의 자기 모멘트(231)이 스위칭되기 때문에, 자체-초기화 기준층(212) 상의 스핀 전달 토크의 방향은 변할 수 있다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')는 방향을 반전할 수 있다. 이것은 도 4c에 도시된다. 따라서, 자기 모멘트(211'')는 자유층의 자기 모멘트(231')와 기준층의 자기 모멘트(251)에 대해 평행하다. 하지만, 자유층의 자기 모멘트(231')는 기준층의 자기 모멘트(251)와 평행하도록 유지된다.As the magnetic moment 231 of the free layer is switched, the direction of the spin transfer torque on the self-initiating reference layer 212 may change. Accordingly, the magnetic moment 211 ′ of the self-initiating reference layer 212 may reverse direction. This is shown in Figure 4c. Accordingly, the magnetic moment 211 ″ is parallel to the magnetic moment 231 ′ of the free layer and the magnetic moment 251 of the reference layer. However, the magnetic moment 231 ′ of the free layer remains parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer.

기록 전류가 자체-초기화 기준층(212)에 대한 스위칭 크기 이하로 감소되면, 자기 모멘트(211'')는 원래 상태로 되돌아간다. 이러한 상황은 도 4d에 도시된다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211)는 면 내이다. 하지만, 자유층의 자기 모멘트(231')는 기준층의 자기 모멘트(251)에 대해 평행하다.When the write current is reduced below the switching magnitude for the self-initiating reference layer 212 , the magnetic moment 211 ″ returns to its original state. This situation is illustrated in Fig. 4d. Accordingly, the magnetic moment 211 of the self-initializing reference layer 212 is in-plane. However, the magnetic moment 231 ′ of the free layer is parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer.

자기 모멘트(251)에 대해 역평행한 자기 모멘트(231)을 갖기 위해 자유층(230)을 프로그래밍 하기 위해, 기록 전류는 음의 Z방향으로 자기 접합부(200)를 통해 구동될 수 있다. 자기 접합부를 통해 전류는 약간 상승 시간을 갖는다. 전류 크기가 자유층(230)에 대한 임계 크기보다 작지만, 자체-초기화 기준층(212)을 전화시키기 위해 요구되는 전류보다 클 때, 자기 모멘트(211)는 기준층(251)에 역평행하도록 정렬된다. 이러한 상황은 도 5a에 도시된다. 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')는 자유층(230)으로부터 스핀 전달 토크로 인한 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 정렬시키기 위해 스위칭된다. 스위칭은 자체-초기화 기준층(212)으로부터 자유층(230)까지 이동하는 전류 캐리어들 때문에 발생하고, 자기 모멘트(231)의 방향에 반대로 분극된 스핀은 자체-초기화 기준층(212)을 향해 흩어지는 경향이 있다. 따라서, 스핀 전달 토크는 가지 모멘트(251)에 역평행하도록 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')로 전환된다. 자기 접합부(200)는 듀얼 상태이다.To program the free layer 230 to have a magnetic moment 231 antiparallel to the magnetic moment 251 , a write current may be driven through the magnetic junction 200 in the negative Z direction. The current through the magnetic junction has a slight rise time. When the current magnitude is less than the threshold magnitude for the free layer 230 , but greater than the current required to turn the self-initiating reference layer 212 , the magnetic moment 211 is aligned antiparallel to the reference layer 251 . This situation is illustrated in Fig. 5a. The magnetic moment 211 ′ of the self-initiating reference layer 212 is switched to align antiparallel to the magnetic moment 251 due to the spin transfer torque from the free layer 230 . The switching occurs due to current carriers moving from the self-initiating reference layer 212 to the free layer 230 , and spins polarized opposite to the direction of the magnetic moment 231 tend to scatter toward the self-initiating reference layer 212 . There is this. Thus, the spin transfer torque is converted to the magnetic moment 211 ′ of the self-initializing reference layer 212 to be antiparallel to the branch moment 251 . The magnetic junction 200 is in a dual state.

기록 전류는 임계 값을 증가시키기 위해 지속된다. 자유층의 자기 모멘트(231)는 스핀 전달 토크의 적어도 일부에 기인한 기준층의 자기 모멘트(251)에 평행하도록 스위칭된다. 이 경우, 스핀 전달 토크는 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')에 대해 평행하도록 정렬된 스핀을 갖는 전류 캐리어로부터 온다. 이러한 전류 캐리어들은 기준층(250)의 자기 모멘트(251)의 방향에 대해 역방향 스핀으로 분극된다. 또한, 기준층(250)으로 다시 흩뿌려진 전류 캐리어들은 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 정렬된 스핀을 갖는 경향이 있다. 따라서, 기록 전류로부터의 스핀 전달 토크는 더 증가된다. 이것은 듀얼 구성의 이점이다. 자유층의 자기 모멘트(231')는 기준층의 자기 모멘트(251)에 역평행하도록 프로그래밍된다. 이 상황은 도 5b에 도시된다. 기록 전류는 감소될 수 있다.The write current is continued to increase the threshold. The magnetic moment 231 of the free layer is switched to be parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer due to at least a portion of the spin transfer torque. In this case, the spin transfer torque comes from a current carrier with a spin aligned parallel to the magnetic moment 211 ′ of the self-initiating reference layer 212 . These current carriers are polarized with a spin opposite to the direction of the magnetic moment 251 of the reference layer 250 . Also, current carriers scattered back to reference layer 250 tend to have spins aligned antiparallel to magnetic moment 251 . Accordingly, the spin transfer torque from the write current is further increased. This is an advantage of the dual configuration. The magnetic moment 231 ′ of the free layer is programmed to be antiparallel to the magnetic moment 251 of the reference layer. This situation is shown in Figure 5b. The write current can be reduced.

자유층의 자기 모멘트(231'')가 스위칭되기 때문에, 자체-초기화 기준층(212) 상의 스핀 전달 토크의 방향은 변할 수 있다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211')는 방향을 반전할 수 있다. 이것은 도 5c에 도시된다. 따라서, 자기 모멘트(211'')는 자유층의 자기 모멘트(231'')와 역평행하고, 기준층의 자기 모멘트(251)에 대해 평행하다. 하지만, 자유층의 자기 모멘트(231'')는 기준층의 자기 모멘트(251)와 역평행하도록 유지된다. As the magnetic moment 231 ″ of the free layer is switched, the direction of the spin transfer torque on the self-initiating reference layer 212 may change. Accordingly, the magnetic moment 211 ′ of the self-initiating reference layer 212 may reverse direction. This is shown in Figure 5c. Accordingly, the magnetic moment 211 ″ is antiparallel to the magnetic moment 231 ″ of the free layer and parallel to the magnetic moment 251 of the reference layer. However, the magnetic moment 231 ″ of the free layer remains antiparallel to the magnetic moment 251 of the reference layer.

기록 전류가 자체-초기화 기준층(212)에 대한 스위칭 크기 이하로 감소되면, 자기 모멘트(211'')는 원래 상태로 되돌아간다. 이러한 상황은 도 5d에 도시된다. 따라서, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211)는 면 내이다. 하지만, 자유층의 자기 모멘트(231'')는 기준층의 자기 모멘트(251)에 대해 역평행하다.When the write current is reduced below the switching magnitude for the self-initiating reference layer 212 , the magnetic moment 211 ″ returns to its original state. This situation is illustrated in Fig. 5d. Accordingly, the magnetic moment 211 of the self-initializing reference layer 212 is in-plane. However, the magnetic moment 231 ″ of the free layer is antiparallel to the magnetic moment 251 of the reference layer.

자기 접합부(200)는 성능을 개선할 수 있다. 자체-초기화 하부 구조(210)는 자기 접합부(200)에 대한 층들(210 내지 250)의 스택의 높이를 실질적으로 증가시킴 없이 자기 모멘트(211', 250)에 대한 바람직한 듀얼 구조를 제공할 수 있다. 또한, 자체-초기화 하부 구조(210)의 구성에 대한 요구는 보다 용이하게 획득되고 형성될 수 있다. 예를 들어, 기준층(216)은 자체-초기화 기준층(212)과 강하게 결합될 필요가 없다. 또한, 층들(212, 216 및 250)로부터의 자유층(230)에서의 자기 필드는 합성 반강자성체로 요구되는 기준층(250) 없이 실질적으로 평형이 될 수 있다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.The magnetic junction 200 may improve performance. Self-initiating substructure 210 may provide a desirable dual structure for magnetic moments 211 ′, 250 without substantially increasing the height of the stack of layers 210 - 250 with respect to magnetic junction 200 . . In addition, the requirements for the construction of the self-initializing substructure 210 can be more easily obtained and formed. For example, the reference layer 216 need not be strongly coupled with the self-initializing reference layer 212 . Also, the magnetic field in the free layer 230 from layers 212, 216 and 250 can be substantially balanced without the reference layer 250 required for a synthetic antiferromagnetic material. Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 6은 확장되지 않는다. 자기 접합부(200')는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(200')는 자기 접합부들(100, 200)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(200')는 도 2 및 도 3에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110, 210), 비자기 스페이서층(120, 220), 자기 모멘트(131, 231)을 갖는 자유층(130, 230), 비자기 스페이서층(140, 240) 및 자기 모멘트(151, 251)을 갖는 기준층(150, 250)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(210'), 비자기 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 비자기 스페이서층(240) 및 자기 모멘트(251)을 갖는 기준층(250)을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(200')는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(250)과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(220) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(210')와 비자기 스페이서층(220) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(210')가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(250)이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(250)은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(210')는 기판으로부터 가장 멀 수 있다.6 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 6 is not expanded. The magnetic junction 200' may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. Magnetic junction 200 ′ is similar to magnetic junctions 100 , 200 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 200 ′ includes the self-initiating substructures 110 and 210 shown in FIGS. 2 and 3 , the nonmagnetic spacer layers 120 and 220 , the free layer 130 having magnetic moments 131 and 231 , 230), self-initializing substructure 210', nonmagnetic spacer layer 220, similar to reference layers 150 and 250 having magnetic moments 151 and 251, respectively. , a free layer 230 having a magnetic moment 231 , a nonmagnetic spacer layer 240 , and a reference layer 250 having a magnetic moment 251 . Although not shown, the magnetic junction 200' is similar to the substrate 101, bottom contact 102, top contact 108, optional seed layer 104 and optional capping layer 106 shown in FIG. It may include a substrate, a bottom contact, a top contact, an optional seed layer and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 250 and the nonmagnetic spacer layer 240 , between the free layer 230 and the nonmagnetic spacer layer 240 , and between the free layer 230 and the nonmagnetic spacer layer 220 . ) and/or between the self-initiating substructure 210 ′ and the non-magnetic spacer layer 220 . Also, although self-initiating substructure 210' is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 250 as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, reference layer 250 may be closest to the substrate and self-initiating substructure 210' may be furthest from the substrate.

자기 접합부(200')는 자기 접합부(200)과 유사한 방식으로 동작한다. 하지만, 자체-초기화 기준층(212)의 자기 모멘트(211''')의 방향은 자기 접합부(200')를 통해 구동된 전류의 부재로 면 내가 아니다. 이것은 기록 전류가 없는 상태에서의 자기 접합부(200')를 도시한 도 6에서 알 수 있다. 면 내 대신에, 자기 모멘트(211''')는 자기 접합부(200')를 통해 구동된 전류가 없을 때 면 수직이다. 자기 모멘트(211''')는 여전히 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에서 각각 상술한 바와 같은 유사한 방식으로 전환된다.Magnetic junction 200 ′ operates in a manner similar to magnetic junction 200 . However, the direction of the magnetic moment 211 ″″ of the self-initiating reference layer 212 is not in-plane in the absence of a current driven through the magnetic junction 200 ′. This can be seen in Figure 6, which shows the magnetic junction 200' in the absence of a write current. Instead of in-plane, magnetic moment 211 ″″ is perpendicular to plane in the absence of current driven through magnetic junction 200 ′. The magnetic moment 211 ″″ is still converted in a similar manner as described above in FIGS. 4A-4C and 5A-5C, respectively.

자기 접합부(200')는 자기 접합부(200)의 이점을 공유한다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.Magnetic junction 200 ′ shares the advantages of magnetic junction 200 . Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 7은 확장되지 않는다. 자기 접합부(200'')는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(200'')는 자기 접합부들(100, 200 및 200')과 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(200'')는 도 2, 도 3 및 도 6에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110, 210, 210'), 비자기 스페이서층(120, 220), 자기 모멘트(131, 231)을 갖는 자유층(130, 230), 비자기 스페이서층(140, 240) 및 자기 모멘트(151, 251)을 갖는 기준층(150, 250)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(210''), 비자기 스페이서층(220), 자기 모멘트(231)을 갖는 자유층(230), 비자기 스페이서층(240) 및 기준층(250')을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(200')는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(250')과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(240) 사이, 자유층(230)과 비자기 스페이서층(220) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(210'')와 비자기 스페이서층(220) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(210'')가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(250')이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(250')은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(210'')는 기판으로부터 가장 멀 수 있다. 자기 접합부(200'')는 자기 접합부들(200, 200')과 유사한 방식으로 동작한다. 자기 모멘트(211)는 여전히 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에서 각각 상술한 바와 같은 유사한 방식으로 전환된다.7 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 7 is not expanded. Magnetic junction 200 ″ may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. Magnetic junction 200 ″ is similar to magnetic junctions 100 , 200 and 200 ′. Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 200 ″ includes the self-initiating substructures 110 , 210 , 210 ′ shown in FIGS. 2 , 3 and 6 , the nonmagnetic spacer layers 120 , 220 , and the magnetic moments 131 and 231 . Self-initiating substructure 210 ″, similar to free layers 130 and 230 with , non-magnetic spacer layers 140 and 240 and reference layers 150 and 250 with magnetic moments 151 and 251, respectively. , a nonmagnetic spacer layer 220 , a free layer 230 having a magnetic moment 231 , a nonmagnetic spacer layer 240 , and a reference layer 250 ′. Although not shown, the magnetic junction 200' is similar to the substrate 101, bottom contact 102, top contact 108, optional seed layer 104 and optional capping layer 106 shown in FIG. It may include a substrate, a bottom contact, a top contact, an optional seed layer and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 250 ′ and the non-magnetic spacer layer 240 , between the free layer 230 and the non-magnetic spacer layer 240 , and between the free layer 230 and the non-magnetic spacer layer ( ). 220 , and/or between the self-initiating substructure 210 ″ and the nonmagnetic spacer layer 220 . Also, although self-initiating substructure 210'' is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 250' as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, reference layer 250' may be closest to the substrate and self-initiating substructure 210'' may be furthest from the substrate. Magnetic junction 200 ″ operates in a similar manner to magnetic junctions 200 and 200 ′. The magnetic moment 211 is still converted in a similar manner as described above in FIGS. 4A-4C and 5A-5C, respectively.

도시된 실시예에서, 기준층(250')은 합성 반강자성체이다. 따라서, 기준층(250')은 Ru일 수 있는 비자기 스페이서층(254)에 의해 분리되는 강자성체층들(252, 256)을 포함한다. 따라서, 층들(252, 256)의 자기 모멘트들(253, 257)은 각각 반강자성적으로 결합된다.In the illustrated embodiment, the reference layer 250' is a synthetic antiferromagnetic material. Thus, reference layer 250' includes ferromagnetic layers 252 and 256 separated by a nonmagnetic spacer layer 254, which may be Ru. Accordingly, the magnetic moments 253 and 257 of the layers 252 and 256 are antiferromagnetically coupled respectively.

자기 접합부(200'')는 자기 접합부들(200, 200')의 이점을 공유한다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.Magnetic junction 200'' shares the advantages of magnetic junctions 200, 200'. Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 8은 확장되지 않는다. 자기 접합부(300)는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(300)는 자기 접합부(100)와 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(300)는 도 2에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110), 비자기 스페이서층(120), 자기 모멘트(131)을 갖는 자유층(130), 비자기 스페이서층(140) 및 자기 모멘트(151)을 갖는 기준층(150)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(310), 비자기 스페이서층(320), 자기 모멘트(331)을 갖는 자유층(330), 비자기 스페이서층(340) 및 자기 모멘트(351)을 갖는 기준층(350)을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(300)는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(350)과 비자기 스페이서층(340) 사이, 자유층(330)과 비자기 스페이서층(340) 사이, 자유층(330)과 비자기 스페이서층(320) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(310)와 비자기 스페이서층(320) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(310)가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(350)이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(350)은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(310)는 기판으로부터 가장 멀 수 있다.8 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 8 is not expanded. The magnetic junction 300 may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. The magnetic junction 300 is similar to the magnetic junction 100 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 300 includes the self-initiating substructure 110 shown in FIG. 2 , the nonmagnetic spacer layer 120 , the free layer 130 having a magnetic moment 131 , the nonmagnetic spacer layer 140 and the magnetic Similar to reference layer 150 with moment 151, respectively, self-initiating substructure 310, non-magnetic spacer layer 320, free layer 330 with magnetic moment 331, non-magnetic spacer layer ( 340 and a reference layer 350 having a magnetic moment 351 . Although not shown, the magnetic junction 300 is similar to the substrate 101, the bottom contact 102, the top contact 108, the optional seed layer 104, and the optional capping layer 106 shown in FIG. , a bottom contact, a top contact, an optional seed layer, and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 350 and the nonmagnetic spacer layer 340 , between the free layer 330 and the nonmagnetic spacer layer 340 , and between the free layer 330 and the nonmagnetic spacer layer 320 . ) and/or between the self-initiating substructure 310 and the nonmagnetic spacer layer 320 . Also, although self-initiating substructure 310 is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 350 as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, the reference layer 350 may be closest to the substrate and the self-initiating substructure 310 may be furthest from the substrate.

도시된 바와 같이, 기준층(350)과 자유층(330)은 각각 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 자기 모멘트(351, 331)는 면 수직이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(351, 331)는 면 내일 수 있다. 자유층(330) 및/또는 기준층(350)은 높은 수직 자기 이방성을 갖는 것으로 알려진 하나 이상의 다층을 포함할 수 있다. 따라서, 자유층(330), 기준층(350) 및 비자기 스페이서층들(320, 340)로부터 선택된 물질은 스핀 토크 프로그래밍뿐만 아니라, 높은 자기저항을 생성하기 위해 바람직하다. 예를 들어, 예를 들어, 비자기 스페이서층들(320, 340)은 원하는 방향(예를 들어, 200)을 갖는 MgO 결정형일 수 있고, 자유층(330)은 CoFe 및/또는 CoFeB을 포함할 수 있다. 자유층(330)의 자기 모멘트(331)는 면 수직 방향(즉, Z축을 따라)으로 자기 접합부(300)를 통해 구동된 전류를 이용하여 프로그래밍된다. 자기 접합부를 통해 구동된 기록 전류는 면 수직으로 구동된다. 자기 모멘트(331)는 임계 크기를 갖는 기록 전류로 스위칭된다.As shown, the reference layer 350 and the free layer 330 each have high perpendicular magnetic anisotropy. Accordingly, the magnetic moments 351 and 331 are perpendicular to the plane. In some other embodiments, magnetic moments 351 and 331 may be in-plane. Free layer 330 and/or reference layer 350 may include one or more multilayers known to have high perpendicular magnetic anisotropy. Accordingly, a material selected from the free layer 330, the reference layer 350, and the nonmagnetic spacer layers 320, 340 is desirable for producing high magnetoresistance as well as spin torque programming. For example, for example, the nonmagnetic spacer layers 320 , 340 may be MgO crystalline with a desired orientation (eg, 200 ), and the free layer 330 may include CoFe and/or CoFeB. can The magnetic moment 331 of the free layer 330 is programmed using a current driven through the magnetic junction 300 in the plane perpendicular direction (ie, along the Z axis). The write current driven through the magnetic junction is driven perpendicular to the plane. The magnetic moment 331 is switched to a write current having a threshold magnitude.

자체-초기화 하부 구조(310)는 상술한 제2 자체-초기화 하부 구조와 유사하다. 자체-초기화 하부 구조(310)는 자체-초기화 기준층(310)이다. 자체-초기화 기준층(310)은 가변 자기 모멘트(311)를 가지고, 스핀 전달 토크와 낮은 감쇠(damping)를 갖는다. 예를 들어, 자체-초기화 기준층(310)은 (CoFe)1-xBx층 포함할 수 있고, x는 0.5 이하이다. 몇몇 실시예에서, x는 적어도 0.2로부터 0.4 이하이다. 상기 화학량이 증착된다. 제조가 완료된 후, 상술된 CoFeB 층은 B의 어닐링 및/또는 제거 동안 확산으로 인해 불량한 B가 될 수 있다.The self-initializing substructure 310 is similar to the second self-initializing substructure described above. The self-initializing substructure 310 is a self-initializing reference layer 310 . The self-initiating reference layer 310 has a variable magnetic moment 311 , and has a spin transfer torque and low damping. For example, the self-initializing reference layer 310 may include a (CoFe)1-xBx layer, where x is 0.5 or less. In some embodiments, x is at least 0.2 to 0.4 or less. The stoichiometry is deposited. After fabrication is complete, the CoFeB layer described above may become poor B due to diffusion during annealing and/or removal of B.

자체-초기화 기준층(310)의 자기 모멘트(311)는 전류 없이 자기 접합부(300)를 통해 구동될 때는 한 방향이지만, 충분한 전류가 자기 접합부(300)를 통해 구동될 때는 다른 방향이다. 도 8은 기록 전류의 부재에서 자기 접합부(300)를 도시한다. 따라서, 도 8에 도시된 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 자기 접합부(300)가 무부하/대기 모드일 때 면 내이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 자기 접합부(300)가 대기 모드일 때 면 수직이다. 하지만, 또 다른 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 앞에서 상술한 바와 같이, 기록 동안 자기 모멘트(351)에 대해 역평행으로 스위칭된다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 판독 전류가 자기 접합부(300)를 통해 구동될 때 동일한 상태로 유지된다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 판독 전류가 자기 접합부(300)를 통해 구동될 때 듀얼 상태(자기 모멘트(351)에 역평행)이다. 기록 동안 자기 모멘트(311)의 방향은 자기 모멘트(311)와 판독 전류의 크기를 스위칭하기 위한 최소 전류에 의존한다.The magnetic moment 311 of the self-initiating reference layer 310 is in one direction when driven through the magnetic junction 300 without current, but in the other direction when sufficient current is driven through the magnetic junction 300 . 8 shows the magnetic junction 300 in the absence of a write current. Thus, in the embodiment shown in FIG. 8 , the magnetic moment 311 is in-plane when the magnetic junction 300 is in the no-load/standby mode. In some other embodiments, the magnetic moment 311 is perpendicular to the plane when the magnetic junction 300 is in standby mode. However, in another embodiment, the magnetic moment 311 is switched antiparallel to the magnetic moment 351 during writing, as described above. In some embodiments, the magnetic moment 311 remains the same when a read current is driven through the magnetic junction 300 . In some other embodiments, magnetic moment 311 is dual state (antiparallel to magnetic moment 351 ) when a read current is driven through magnetic junction 300 . The direction of the magnetic moment 311 during writing depends on the magnetic moment 311 and the minimum current for switching the magnitude of the read current.

자체-초기화 기준층(310)은 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 자체-초기화 기준층(212)과 유사한 방식으로 기능한다. 자기 모멘트(311)는 특정 크기를 갖는 전류가 면 수직 방향으로 자기 접합부(300)를 통해 구동될 때 자기 모멘트(351)에 대해 역평행으로 스위칭된다. 자기 모멘트는 전류가 이러한 크기보다 큰 경우 역평행으로 유지된다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 임계 크기의 1/2 이하의 크기를 갖는 전류가 자기 접합부(300)를 통과할 때 스위칭된다. 따라서, 이러한 크기를 충족하거나 또는 초과하는 전류에 대해, 자기 모멘트(311)는 자기 모멘트(351)와 듀얼 상태이다. 다른 몇몇 실시예에서, 이러한 정렬은 낮은 전류 크기에서 발생할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 임계 크기의 1/3 이하의 크기를 갖는 전류에서 자기 모멘트(351)에 역평행하도록 정렬될 수 있다. 자기 모멘트(311)는 임계 크기의 1/4 이하의 크기를 갖는 전류에서 자기 모멘트(351)에 역평행하도록 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 자기 접합부(300)를 통해 구동된 전류가 임계 크기의 1/10을 초과하지 않는 경우 대기 모드와 동일한 방향으로 유지된다. 자기 모멘트(311)의 스위칭은 역시 실질적으로 대칭일 수 있다. 따라서, 양의 Z방향(자체-초기화 기준층(310)로부터 기준층(350) 방향)으로 구동된 전류는 음의 Z방향(기준층(350)으로부터 자체-초기화 기준층(310) 방향)으로 구동된 전류와 실질적으로 동일한 크기의 자기 모멘트(311)로 스위칭된다. The self-initializing reference layer 310 functions in a similar manner to the self-initializing reference layer 212 shown in FIGS. 3, 6, and 7 . The magnetic moment 311 is switched antiparallel to the magnetic moment 351 when a current having a specific magnitude is driven through the magnetic junction 300 in the plane perpendicular direction. The magnetic moment remains antiparallel when the current is greater than this magnitude. In some embodiments, the magnetic moment 311 is switched when a current having a magnitude less than or equal to one-half the critical magnitude passes through the magnetic junction 300 . Thus, for a current that meets or exceeds this magnitude, magnetic moment 311 is dual with magnetic moment 351 . In some other embodiments, such alignment may occur at low current magnitudes. In some embodiments, magnetic moment 311 may be aligned to be antiparallel to magnetic moment 351 at a current having a magnitude less than or equal to one-third of a critical magnitude. Magnetic moment 311 may be aligned to be antiparallel to magnetic moment 351 at currents having magnitudes less than or equal to 1/4 of a critical magnitude. In some embodiments, the magnetic moment 311 remains in the same direction as the standby mode when the current driven through the magnetic junction 300 does not exceed 1/10 of the threshold magnitude. The switching of magnetic moment 311 may also be substantially symmetrical. Thus, the current driven in the positive Z direction (direction from the self-initializing reference layer 310 to the reference layer 350) is equal to the current driven in the negative Z direction (the direction from the reference layer 350 to the self-initializing reference layer 310). It is switched with a magnetic moment 311 of substantially the same magnitude.

또한, 자체-초기화 하부 구조/기준층(310)의 사용은 기준층(350)을 제한적으로 배치할 수 있다. 자기 접합부(300)의 다른 층들로 인한 스트레이 자기 필드는 자유층(330)에서 실질적으로 균형을 이루는 것이 바람직하다. 이것은 자유층의 자기 모멘트(331)가 스핀 전달 토크를 이용하여 자유롭게 프로그래밍 되도록 한다. 자체-초기화 기준층(310)은 자기 접합부(300)가 대기 모드일 때 듀얼 상태에서 안정하지 않기 때문에, 자기 모멘트(311)로부터의 자기 필드는 기준층(350)으로 인해 균형적인 자기 필드가 아닐 수 있다. 자유층(310)이 피사체(subject)되는 자기 필드를 완화하기 위해, 기준층(350)의 포화 자화는 낮은 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로, 기준층(350)의 포화 자화는 400 emu/cc 이하이다. 몇몇 실시예에서, 기준층(350)의 포화 자화는 200 emu/cc를 초과하지 않는다. 다른 몇몇 실시예에서, 기준층(350)의 포화 자화는 100 emu/cc를 초과하지 않는다. 따라서, GeMn과 같은 낮은 포화 자화를 갖는 물질이 기준층(350)에 사용된다.Also, the use of the self-initializing substructure/reference layer 310 may place limited placement of the reference layer 350 . The stray magnetic field due to the other layers of the magnetic junction 300 is preferably substantially balanced in the free layer 330 . This allows the magnetic moment 331 of the free layer to be freely programmed using the spin transfer torque. Because the self-initializing reference layer 310 is not stable in the dual state when the magnetic junction 300 is in standby mode, the magnetic field from the magnetic moment 311 may not be a balanced magnetic field due to the reference layer 350 . . In order to alleviate the magnetic field to which the free layer 310 is subject, it is desirable that the saturation magnetization of the reference layer 350 be low. More specifically, the saturation magnetization of the reference layer 350 is 400 emu/cc or less. In some embodiments, the saturation magnetization of the reference layer 350 does not exceed 200 emu/cc. In some other embodiments, the saturation magnetization of the reference layer 350 does not exceed 100 emu/cc. Accordingly, a material having a low saturation magnetization such as GeMn is used for the reference layer 350 .

상술한 바와 같이, 자기 접합부(300)와 자체-초기화 기준층(310)은 자기 접합부들(100, 200, 200' 및/또는 200'')과 유사한 방식으로 동작한다. 따라서, 자체-초기화 기준층(310)의 자기 모멘트(311)는 자유층(330)이 스위칭되는 전류보다 낮은 전류에서 자기 모멘트(351)에 역평행하도록 스위칭된다. 따라서, 자체-초기화 기준층(310)은 자유층(330)이 프로그래밍되는 동안 듀얼 상태로 자동 정렬된다. 이로 인해, 자기 접합부(300)는 개선된 성능을 가질 수 있다. 자체-초기화 하부 구조(310)는 자기 접합부(300)에 대한 층들(310 내지 350)의 스택의 높이를 실질적으로 증가시킴 없이 자기 모멘트(311, 351)를 원하는 듀얼 상태로 제공할 수 있다. 또한, 자체-초기화 하부 구조(310)의 구성에 대한 요구는 용이하게 획득 및 형성될 수 있다. 또한, 층들(310, 350)로부터 자유층(330)에서의 자기 필드는 합성 반강자성체로 기준층(350)의 요구 없이 충분한 균형을 이룰 수 있다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.As described above, magnetic junction 300 and self-initiating reference layer 310 operate in a similar manner to magnetic junctions 100 , 200 , 200 ′ and/or 200 ″. Accordingly, the magnetic moment 311 of the self-initiating reference layer 310 is switched to be antiparallel to the magnetic moment 351 at a current lower than the current at which the free layer 330 is switched. Accordingly, the self-initializing reference layer 310 is automatically aligned to the dual state while the free layer 330 is being programmed. Due to this, the magnetic junction 300 may have improved performance. The self-initiating substructure 310 can provide the magnetic moments 311 , 351 to the desired dual state without substantially increasing the height of the stack of layers 310 - 350 with respect to the magnetic junction 300 . In addition, the requirements for the construction of the self-initializing substructure 310 can be easily obtained and formed. Also, the magnetic field in the free layer 330 from the layers 310 and 350 can be sufficiently balanced without the need for a reference layer 350 with a synthetic antiferromagnetic material. Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 9는 확장되지 않는다. 자기 접합부(300')는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(300')는 자기 접합부들(100, 200, 200', 200'' 및 300)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(300')는 도 2 및 도 8에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110, 310), 비자기 스페이서층(120, 320), 자기 모멘트(131, 331)을 갖는 자유층(130, 330), 비자기 스페이서층(140, 340) 및 자기 모멘트(151, 351)을 갖는 기준층(150, 350)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(310), 비자기 스페이서층(320), 자기 모멘트(331)을 갖는 자유층(330), 비자기 스페이서층(340) 및 자기 모멘트(351)을 갖는 기준층(350')을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(300')는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(350')과 비자기 스페이서층(340) 사이, 자유층(330)과 비자기 스페이서층(340) 사이, 자유층(330)과 비자기 스페이서층(320) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(310)와 비자기 스페이서층(320) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(310)가 기판(미도시)으로부터 가장 먼 것처럼 도시되고, 기준층(350')이 기판으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(350')은 기판으로부터 가장 멀고, 자체-초기화 하부 구조(310)는 기판으로부터 가장 가까울 수 있다. 9 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 9 is not expanded. The magnetic junction 300' may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. Magnetic junction 300 ′ is similar to magnetic junctions 100 , 200 , 200 ′, 200 ″ and 300 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 300' includes the self-initiating substructures 110 and 310 shown in FIGS. 2 and 8, non-magnetic spacer layers 120 and 320, and a free layer 130 having magnetic moments 131 and 331. 330), a self-initializing substructure 310, a nonmagnetic spacer layer 320, similar to the reference layers 150 and 350, respectively, having nonmagnetic spacer layers 140 and 340 and magnetic moments 151 and 351, respectively; It includes a free layer 330 having a magnetic moment 331 , a nonmagnetic spacer layer 340 , and a reference layer 350 ′ having a magnetic moment 351 . Although not shown, the magnetic junction 300' is similar to the substrate 101, bottom contact 102, top contact 108, optional seed layer 104 and optional capping layer 106 shown in FIG. It may include a substrate, a bottom contact, a top contact, an optional seed layer and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 350 ′ and the nonmagnetic spacer layer 340 , between the free layer 330 and the nonmagnetic spacer layer 340 , and between the free layer 330 and the nonmagnetic spacer layer 340 . 320 and/or between the self-initializing substructure 310 and the nonmagnetic spacer layer 320 . Also, although self-initiating substructure 310 is shown as furthest from the substrate (not shown) and reference layer 350' as closest from the substrate, other relationships are possible. For example, the reference layer 350 ′ may be furthest from the substrate and the self-initiating substructure 310 may be closest from the substrate.

자기 접합부(300')는 자기 접합부(300)와 유사한 방식으로 동작한다. 따라서, 자체-초기화 하부 구조(310)는 기록 동안 자기 모멘트(351)에 대하여 역평행으로 정렬된 자체-초기화 기준층(310)이다. 비록 도 9에서 대기 모드에 면 내로 도시되어 있지만, 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(311)는 자기 접합부(300')가 무부하일 때 면 수직일 수 있다. 하지만, 자기 모멘트(311)는 자기 모멘트(351)에 역평행하도록 자기 모멘트(311)를 정렬하기 위해 자기 접합부(300')를 통해 구동된 충분한 전류 없이 안정될 수 없다.Magnetic junction 300 ′ operates in a manner similar to magnetic junction 300 . Accordingly, the self-initializing substructure 310 is a self-initializing reference layer 310 aligned antiparallel to the magnetic moment 351 during writing. Although shown in-plane in standby mode in FIG. 9 , in some other embodiments, the magnetic moment 311 may be perpendicular to the plane when the magnetic junction 300 ′ is no load. However, the magnetic moment 311 cannot be stabilized without sufficient current driven through the magnetic junction 300' to align the magnetic moment 311 to be antiparallel to the magnetic moment 351.

기준층(350')는 확장 기준층(350')이다. 따라서, 확장 기준층(350')의 면적은 자유층(330)의 면적보다 크다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 확장 기준층(350')은 자유층(330)보다 x방향으로 더 연장된다. 몇몇 실시예에서, 확장 기준층(350')은 자유층(330)보다 y방향(면 수직)으로 더 연장된다. 다른 몇몇 실시예에서, 확장 기준층(350')은 자유층(330)보다 x방향 및 y방향으로 더 연장된다. 몇몇 실시예에서, 확장 기준층(350')은 x방향 및/또는 y방향으로 자유층(330)보다 적어도 2배의 크기를 갖는다. 하지만, 다른 크기도 가능하다.The reference layer 350' is the extended reference layer 350'. Accordingly, the area of the extension reference layer 350 ′ is larger than the area of the free layer 330 . Accordingly, as shown in FIG. 9 , the extension reference layer 350 ′ extends further in the x direction than the free layer 330 . In some embodiments, the extended reference layer 350 ′ extends further in the y-direction (plane perpendicular) than the free layer 330 . In some other embodiments, the extended reference layer 350 ′ extends further in the x and y directions than the free layer 330 . In some embodiments, the extended reference layer 350 ′ has a size at least twice that of the free layer 330 in the x-direction and/or the y-direction. However, other sizes are possible.

자기 접합부(300)에서와 같이, 자체-초기화 하부 구조/기준층(310)의 사용은 기준층(350')을 제한적으로 배치할 수 있다. 특히, 자유층(330)에서의 스트레이 필드는 균형을 이루기 위해 충분히 바람직하다. 기준층(350')이 확장 기준층(350')이기 때문에, 확장 기준층(350')으로 인한 자기 필드는 자유층(330)에서 실질적으로 균형을 이룬다.As with the magnetic junction 300 , the use of the self-initiating substructure/reference layer 310 may place limited placement of the reference layer 350 ′. In particular, the stray field in the free layer 330 is desirable enough to balance. Because the reference layer 350' is the extended reference layer 350', the magnetic field due to the extended reference layer 350' is substantially balanced in the free layer 330 .

자기 접합부(300')는 자기 접합부(300)과 이점을 공유한다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.Magnetic junction 300 ′ shares advantages with magnetic junction 300 . Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 동안 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 10a 및 도 10b는 확장되지 않는다. 자기 접합부(400)는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(400)는 자기 접합부(100)와 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(400)는 도 2에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110), 비자기 스페이서층(120), 자기 모멘트(131)을 갖는 자유층(130), 비자기 스페이서층(140) 및 자기 모멘트(151)을 갖는 기준층(150)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(410), 비자기 스페이서층(420), 자기 모멘트(431)을 갖는 자유층(430), 비자기 스페이서층(440) 및 자기 모멘트(451)을 갖는 기준층(450)을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(400)는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(450)과 비자기 스페이서층(440) 사이, 자유층(430)과 비자기 스페이서층(440) 사이, 자유층(430)과 비자기 스페이서층(420) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(410)와 비자기 스페이서층(420) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(410)가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(450)이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(450)은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(410)는 기판으로부터 가장 멀 수 있다.10A and 10B are diagrams illustrating a dual magnetic junction including a self-initiating substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque during switching according to another embodiment of the present invention. For clarity, FIGS. 10A and 10B are not expanded. The magnetic junction 400 may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. The magnetic junction 400 is similar to the magnetic junction 100 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 400 includes the self-initiating substructure 110 shown in FIG. 2 , the nonmagnetic spacer layer 120 , the free layer 130 having a magnetic moment 131 , the nonmagnetic spacer layer 140 and the magnetic Similar to reference layer 150 with moment 151, respectively, self-initiating substructure 410, non-magnetic spacer layer 420, free layer 430 with magnetic moment 431, non-magnetic spacer layer ( 440 and a reference layer 450 having a magnetic moment 451 . Although not shown, the magnetic junction 400 is similar to the substrate 101, the bottom contact 102, the top contact 108, the optional seed layer 104, and the optional capping layer 106 shown in FIG. , a bottom contact, a top contact, an optional seed layer, and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 450 and the nonmagnetic spacer layer 440 , between the free layer 430 and the nonmagnetic spacer layer 440 , and between the free layer 430 and the nonmagnetic spacer layer 420 . ) and/or between the self-initializing substructure 410 and the non-magnetic spacer layer 420 . Also, although self-initiating substructure 410 is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 450 as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, the reference layer 450 may be closest to the substrate and the self-initiating substructure 410 may be furthest from the substrate.

도시된 실시예에서, 기준층(450)과 자유층(430)은 각각 높은 수직 자기 이방성을 갖는다. 따라서, 자기 모멘트(451)과 자기 모멘트(431)은 면 수직이다. 다른 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트들(451, 431)은 면 내일 수 있다. 자유층(430) 및/또는 기준층(450)은 높은 수직 자기 이방성을 갖기 위해 알려진 하나 이상의 다층을 포함할 수 있다. 또한, 자유층(430), 기준층(450) 및 비자기 스페이서층(420, 440) 중 선택된 물질은 스핀 전달 토크 프로그래밍뿐만 아니라 높은 자기저항을 생성하기 위해 바람직하다. 예를 들어, 비자기 스페이서층들(420, 440)은 원하는 방향(예를 들어, 200)을 갖는 MgO 결정형일 수 있고, 자유층(430)과 기준층(450)은 CoFe 및/또는 CoFeB을 포함할 수 있다. 자유층(430)의 자기 모멘트(431)는 면 수직 방향(즉, Z축을 따라)으로 자기 접합부(400)를 통해 구동된 전류를 이용하여 프로그래밍된다. 자기 접합부를 통해 구동된 기록 전류는 달리 언급하지 않는 한 면 수직으로 구동된다. 자기 모멘트(431)는 임계 크기 갖는 기록 전류로 스위칭된다.In the illustrated embodiment, the reference layer 450 and the free layer 430 each have high perpendicular magnetic anisotropy. Accordingly, the magnetic moment 451 and the magnetic moment 431 are perpendicular to the plane. In some other embodiments, magnetic moments 451 , 431 may be in-plane. The free layer 430 and/or the reference layer 450 may include one or more multilayers known to have high perpendicular magnetic anisotropy. In addition, a material selected from the free layer 430, the reference layer 450, and the nonmagnetic spacer layers 420, 440 is desirable for producing high magnetoresistance as well as spin transfer torque programming. For example, the nonmagnetic spacer layers 420 and 440 may be MgO crystalline with a desired orientation (eg, 200), and the free layer 430 and reference layer 450 include CoFe and/or CoFeB. can do. The magnetic moment 431 of the free layer 430 is programmed using a current driven through the magnetic junction 400 in the plane perpendicular direction (ie, along the Z axis). Write currents driven through magnetic junctions are driven perpendicular to the plane unless otherwise noted. The magnetic moment 431 is switched to a write current having a threshold magnitude.

자체-초기화 하부 구조(410)는 자기 접합부(100)과 관련하여 상술한 제3 자체-초기화 하부 구조와 유사하다. 자체-초기화 하부 구조(410)는 열적으로 민감한 자체-초기화 기준층(410)이다. 자기 접합부(400)이 도 10a에 도시된 바와 같이, 대기 모드/무부하일 때, 열적으로 민감한 자체-초기화 기준층(410)의 자기 모멘트(411)는 면 내일 수 있고, 실직적으로 0 또는 불안정할 수 있다. 예를 들어, CoTbFeB와 같은 페리자기 물질이 사용될 수 있거나, 또는 자체-초기화 기준층(410)일 수 있다. 이러한 페리자기의 화학량은 예를 들어, Tb1-x-z(Fe1-yCoy)xBz 일 수 있고, x는 적어도 0.5부터 0.85 이하이고, y는 적어도 0.2부터 0.5 이하이고, z는 적어도 0부터 0.3 이하이다.The self-initializing substructure 410 is similar to the third self-initializing substructure described above with respect to the magnetic junction 100 . The self-initializing substructure 410 is a thermally sensitive self-initializing reference layer 410 . When the magnetic junction 400 is in standby mode/no load, as shown in FIG. 10A , the magnetic moment 411 of the thermally sensitive self-initializing reference layer 410 may be in-plane and may be substantially zero or unstable. can For example, a ferrimagnetic material such as CoTbFeB may be used, or it may be a self-initializing reference layer 410 . The stoichiometry of such a ferrimagnetic may be, for example, Tb1-x-z(Fe1-yCoy)xBz, where x is at least 0.5 to 0.85 or less, y is at least 0.2 to 0.5 or less, and z is at least 0 to 0.3 or less.

기록 전류가 자기 접합부(400)을 통해 구동될 때, 자기 접합부(400)는 주울(Joule) 가열을 거친다. 이러한 주울 가열에 대한 대안으로 또는 추가적으로, 외부 열원이 프로그래밍 동안 이용될 수 있다. 이러한 가열 때문에, 열적으로 민감한 자체-초기화 기준층(410)의 포화 자기는 떨어지고, 열적으로 민감한 자체-초기화 기준층(410)의 스위칭 전류는 감소한다. 자기 접합부(400)을 통해 구동된 기록 전류는 상술한 자기 모멘트(411, 451)가 듀얼 상태일 수 있는 것과 마찬가지로 자체-초기화 기준층(212)과 유사한 방식으로 자기 모멘트(451)에 역평행하도록 자기 모멘트(411)을 정렬시킬 수 있다. 결과적으로, 자유층(430)의 스핀 전달 토크 프로그래밍은 개선될 수 있다.When a write current is driven through the magnetic junction 400, the magnetic junction 400 undergoes Joule heating. Alternatively or in addition to such Joule heating, an external heat source may be used during programming. Because of this heating, the saturation magnetism of the thermally sensitive self-initializing reference layer 410 drops, and the switching current of the thermally sensitive self-initializing reference layer 410 decreases. The write current driven through the magnetic junction 400 causes the magnetic moment to be antiparallel to the magnetic moment 451 in a manner similar to the self-initializing reference layer 212, just as the magnetic moments 411 and 451 described above can be dual states. The moment 411 can be aligned. As a result, the spin transfer torque programming of the free layer 430 can be improved.

자기 접합부(400)는 개선된 성능을 가질 수 있다. 자체-초기화 기준층(410)은 자기 접합부(400)에 대한 층들(410 내지 450)의 스택의 높이를 실질적으로 증가시킴 없이 자기 모멘트(411, 451)에 대한 바람직한 듀얼 구성을 제공할 수 있다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.The magnetic junction 400 may have improved performance. The self-initializing reference layer 410 can provide a desirable dual configuration for magnetic moments 411 , 451 without substantially increasing the height of the stack of layers 410 - 450 with respect to the magnetic junction 400 . Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 도시한 도면이다. 명확성을 위해, 도 11은 확장되지 않는다. 자기 접합부(400')는 스핀 전달 토크 액세스 메모리(STT-MRAM)와 같은 자기 장치 및 다양한 전기 장치에서 사용될 수 있다. 자기 접합부(400')는 자기 접합부들(100, 400)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성은 유사한 부호를 갖는다. 자기 접합부(400')는 도 2, 도 10a 및 도 10b에 도시된 자체-초기화 하부 구조(110, 410), 비자기 스페이서층(120, 420), 자기 모멘트(131, 431)을 갖는 자유층(130, 430), 비자기 스페이서층(140, 440) 및 자기 모멘트(151, 451)을 갖는 기준층(150, 450)과 각각 유사하게, 자체-초기화 하부 구조(410), 비자기 스페이서층(420), 자기 모멘트(431)을 갖는 자유층(430), 비자기 스페이서층(440) 및 자기 모멘트(451)을 갖는 기준층(450')을 포함한다. 도시되어 있지 않지만, 자기 접합부(400')는 도 2에 도시된 기판(101), 하부 접촉부(102), 상부 접촉부(108) 선택적 시드층(104) 및 선택적 캡핑층(106)과 유사하게, 기판, 하부 접촉부, 상부 접촉부, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 선택적 분극 강화층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 분극 강화층은 기준층(450')과 비자기 스페이서층(440) 사이, 자유층(430)과 비자기 스페이서층(440) 사이, 자유층(430)과 비자기 스페이서층(420) 사이 및/또는 자체-초기화 하부 구조(410)와 비자기 스페이서층(420) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 비록 자체-초기화 하부 구조(410)가 기판(미도시)으로부터 가장 가까운 것처럼 도시되고, 기준층(450')이 기판으로부터 가장 먼 것처럼 도시되어 있지만, 다른 관계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 기준층(450')은 기판으로부터 가장 가깝고, 자체-초기화 하부 구조(410)는 기판으로부터 가장 멀 수 있다.11 is a diagram illustrating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for programming a magnetic memory using spin transfer torque in accordance with another embodiment of the present invention. For clarity, FIG. 11 is not expanded. Magnetic junction 400' may be used in magnetic devices such as spin transfer torque access memory (STT-MRAM) and various electrical devices. Magnetic junction 400 ′ is similar to magnetic junctions 100 and 400 . Accordingly, similar components have similar reference numerals. The magnetic junction 400' includes the self-initiating substructures 110 and 410 shown in FIGS. 2, 10A and 10B, the non-magnetic spacer layers 120 and 420, and a free layer having a magnetic moment 131 and 431. Similar to reference layers 150 and 450 having (130, 430), non-magnetic spacer layers (140, 440) and magnetic moments (151, 451), respectively, self-initializing substructure (410), non-magnetic spacer layer ( 420 , a free layer 430 having a magnetic moment 431 , a nonmagnetic spacer layer 440 , and a reference layer 450 ′ having a magnetic moment 451 . Although not shown, the magnetic junction 400' is similar to the substrate 101, the bottom contact 102, the top contact 108, the optional seed layer 104 and the optional capping layer 106 shown in FIG. It may include a substrate, a bottom contact, a top contact, an optional seed layer and an optional capping layer. In addition, one or more selective polarization enhancing layers (not shown) may be included. For example, the selective polarization enhancement layer may be formed between the reference layer 450 ′ and the nonmagnetic spacer layer 440 , between the free layer 430 and the nonmagnetic spacer layer 440 , and between the free layer 430 and the nonmagnetic spacer layer 440 . 420 , and/or between the self-initiating substructure 410 and the nonmagnetic spacer layer 420 . Also, although self-initiating substructure 410 is shown as closest to the substrate (not shown) and reference layer 450' as furthest from the substrate, other relationships are possible. For example, the reference layer 450' may be closest to the substrate and the self-initiating substructure 410 may be furthest from the substrate.

자기 접합부(400')는 자기 접합부(400)와 유사한 방식으로 동작한다. 하지만, 도시된 실시예에서, 기준층(450')은 합성 반강자성체이다. 따라서, 기준층(450')은 Ru일 수 있는 비자기 스페이서층(454)에 의해 분리되는 강자성체층들(452, 456)을 포함한다. 따라서, 층들(452, 456)의 자기 모멘트들(453, 457)은 각각 반강자성적으로 결합된다.Magnetic junction 400 ′ operates in a manner similar to magnetic junction 400 . However, in the illustrated embodiment, the reference layer 450' is a synthetic antiferromagnetic material. Thus, reference layer 450' includes ferromagnetic layers 452 and 456 separated by a nonmagnetic spacer layer 454, which may be Ru. Accordingly, the magnetic moments 453 and 457 of the layers 452 and 456 are antiferromagnetically coupled respectively.

자기 접합부(400')는 자기 접합부들(400)의 이점을 공유한다. 따라서, 성능이 개선된 자기 접합부를 제조할 수 있다.Magnetic junction 400 ′ shares the advantages of magnetic junction 400 . Accordingly, it is possible to manufacture a magnetic junction with improved performance.

자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')의 다양한 구성들은 강도된다. Various configurations of magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 and/or 400' are strengthened.

당업자들은 본 명세서에서 구체적으로 설명되지 않은 방식으로 결합된 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')의 다양한 특징들을 인식할 것이다. 따라서, 상술한 하나 이상의 이점들은 다른 구성들을 이용하여 달성될 수 있다.Those skilled in the art will recognize various features of magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 and/or 400' coupled in a manner not specifically described herein. Accordingly, one or more of the advantages described above may be achieved using other configurations.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 셀의 메모리 소자에서 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')를 이용하는 메모리를 도시한 도면이다. 자기 메모리(500)는 판독/기록 컬럼 선택 드라이버(502, 506)뿐만 아니라 라인 선택 드라이버(504)를 포함한다. 알려진 다른 구성들이 제공될 수 있다. 메모리(500)의 저장 영역은 자기 저장 셀(510)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합부(512)와 적어도 하나의 선택 드라이브(514)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택 드라이브(514)는 트랜지스터이다. 자기 접합부(512)는 상술한 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400') 중 하나일 수 있다. 비록 각각의 셀(510)에 하나의 자기 접합부(512)가 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 다른 몇몇 실시예에서, 각각의 셀에 다른 개수의 자기 접합부(512)가 제공될 수 있다. 이와 같이, 자기 메모리(500)은 상술한 바와 같은 이점을 가질 수 있다.12 is a diagram illustrating a memory using magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 and/or 400' in a memory device of a storage cell according to an embodiment of the present invention. . Magnetic memory 500 includes read/write column select drivers 502 and 506 as well as line select drivers 504 . Other known configurations may be provided. The storage area of the memory 500 includes magnetic storage cells 510 . Each magnetic storage cell includes at least one magnetic junction 512 and at least one select drive 514 . In some embodiments, select drive 514 is a transistor. The magnetic junction 512 may be one of the magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400, and/or 400' described above. Although one magnetic junction 512 is shown formed in each cell 510 , in some other embodiments, each cell may be provided with a different number of magnetic junctions 512 . As such, the magnetic memory 500 may have the above-described advantages.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 전달 토크를 사용하는 자기 메모리 프로그래밍에 사용 가능한 자체-초기화 하부 구조를 포함하는 듀얼 자기 접합부를 제조하기 위한 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다. 간략화를 위해, 일부 단계들은 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행될 수 있고, 보조 단계 및/또는 결합된 단계들을 포함한다. 또한, 방법(600)은 자기 메모리의 형성에 다른 단계가 수행된 후에 추가로 수행될 수 있다. 간략화를 위해, 방법(600)은 자기 접합부(100)의 맥락으로 설명된다. 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')에 제한되지 않는 자기 접합부들이 형성될 수 있다.13 is a flow chart sequentially illustrating a method for fabricating a dual magnetic junction including a self-initializing substructure usable for magnetic memory programming using spin transfer torque in accordance with an embodiment of the present invention. For simplicity, some steps may be omitted, performed in a different order, and include auxiliary steps and/or combined steps. Also, the method 600 may be further performed after other steps are performed in the formation of the magnetic memory. For simplicity, method 600 is described in the context of magnetic junction 100 . Magnetic junctions may be formed, but not limited to magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 and/or 400'.

자체-초기화 하부 구조(110)은 단계(602)를 통해 제공될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 구조들(110, 210, 210', 210'', 310 및/또는 410)이 제조될 수 있다.The self-initializing substructure 110 may be provided via step 602 . Accordingly, one or more structures 110 , 210 , 210 ′, 210 ″, 310 and/or 410 may be fabricated.

비자기 스페이서층(120)은 단계(604)를 통해 제공된다. 단계(604)는 터널링 배리어층을 형성하는 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계(604)는 예를 들어, RF 스퍼터링(radio frequency sputtering)을 이용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 금속 Mg는 단계(604)에서 산화된 후에 증착될 수 있다.A nonmagnetic spacer layer 120 is provided via step 604 . Step 604 may include depositing MgO to form a tunneling barrier layer. In some embodiments, step 604 may include depositing MgO using, for example, radio frequency sputtering. In some other embodiments, the metal Mg may be deposited after being oxidized in step 604 .

자유층(130)은 단계(606)을 통해 제공된다. 비자기 스페이서층(120)은 자체-초기화 하부 구조(110)와 자유층(130) 사이에 형성될 수 있다. 자유층(130)의 수직 자기 이방성 에너지는 그것의 소자 에너지보다 클 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(131)는 면 수직일 수 있다.Free layer 130 is provided via step 606 . The non-magnetic spacer layer 120 may be formed between the self-initiating substructure 110 and the free layer 130 . The perpendicular magnetic anisotropy energy of the free layer 130 may be greater than its demagnetization energy. Accordingly, the magnetic moment 131 may be perpendicular to the plane.

비자기 스페이서층(140)은 단계(608)을 통해 제공된다. 단계(608)는 단계(604)와 유사하다. 또한, 어닐링, 또는 결정화를 위한 충분한 에너지를 제공하는 것은 비자기 스페이서층(140)에 대해 수행될 수 있다.A nonmagnetic spacer layer 140 is provided via step 608 . Step 608 is similar to step 604 . Also, providing sufficient energy for annealing, or crystallization, may be performed for the nonmagnetic spacer layer 140 .

면 외 소자 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 갖는 기준층(150)은 단계(610)을 통해 기판 상에 제공된다. 비자기 스페이서층(140)은 기준층(150)과 자유층(130) 사이에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 단계(610)는 합성 반강자성체와 같은 다층, 높은 수직 자기 이방성 다층 및/또는 다른 다층을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기준층(150)은 합성 반강자성체가 아닐 수 있지만, 자기 접합부로부터의 스트레이 필드는 물질 및/또는 다른 구조의 형성 때문에 자유층(130)에서 여전히 실질적으로 균형을 이룰 수 있다. 단계(610)는 동작 동안 기준층(150)이 열적으로 안정되도록 수행된다.A reference layer 150 having a perpendicular magnetic anisotropy exceeding the out-of-plane demagnetization energy is provided on the substrate through step 610 . The nonmagnetic spacer layer 140 is formed between the reference layer 150 and the free layer 130 . In some embodiments, step 610 may include providing a multilayer, such as a synthetic antiferromagnetic material, a high perpendicular magnetic anisotropy multilayer, and/or another multilayer. In some embodiments, reference layer 150 may not be a synthetic antiferromagnetic material, but stray fields from magnetic junctions may still be substantially balanced in free layer 130 due to the formation of materials and/or other structures. Step 610 is performed such that the reference layer 150 is thermally stable during operation.

몇몇 실시예에서, 단계(602)는 단계(604) 전에 수행될 수 있고, 단계(604)는 단계(606) 전에 수행될 수 있고, 단계(606)는 단계(608) 전에 수행될 수 있고, 단계(608)는 단계(610) 전에 수행될 수 있다. 하지만, 다른 순서도 가능하다. 예를 들어, 기준층(150)인 기판과 가장 가까운 경우, 단계들(602, 604, 606, 608 및 610)의 순서가 역으로 수행될 수 있다.In some embodiments, step 602 may be performed before step 604 , step 604 may be performed before step 606 , step 606 may be performed before step 608 , Step 608 may be performed before step 610 . However, other orders are possible. For example, the order of steps 602 , 604 , 606 , 608 and 610 may be performed in reverse if it is closest to the substrate that is the reference layer 150 .

가지 접합부(100)의 제조는 단계(612)를 통해 완성될 수 있다. 단계(612)는 나머지 단계들이 끼워진 보조 단계들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 어닐링도 역시 단계(612)를 이용하여 제조 되는 동안 수행될 수 있다. 또한, 자기 접합부(100)의 가장자리들은 단계(612)에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 마스크는 자기 접합부(100)의 층들의 스택 상에 제공될 수 있다. 마스크는 자기 접합부들(100)의 내부에 형성된 영역을 덮고, 자기 접합부들(100) 사이의 영역들 상에 개구부를 갖는다. 자기 접합부들 사이의 영역들은 채워질 수 있고 및/또는 다른 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 자기 접합부의 제조가 완료된다.Manufacturing of the branch junction 100 may be completed through step 612 . Step 612 may include auxiliary steps interleaved with the remaining steps. One or more anneals may also be performed during fabrication using step 612 . Also, the edges of the magnetic junction 100 may be defined by step 612 . For example, a mask may be provided on the stack of layers of the magnetic junction 100 . The mask covers the regions formed inside the magnetic junctions 100 , and has openings on the regions between the magnetic junctions 100 . The regions between the magnetic junctions may be filled and/or may form other structures. Thus, the manufacture of the magnetic junction is completed.

방법(600)을 이용하여 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')가 형성될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 및/또는 400')의 이점이 달성될 수 있다.Method 600 may be used to form magnetic junctions 100 , 200 , 200 ′, 200 ″, 300 , 300 , 400 and/or 400 ′. Accordingly, the advantages of the magnetic junctions 100, 200, 200', 200'', 300, 300, 400 and/or 400' may be achieved.

자기 접합부를 제공하기 위한 방법 및 시스템과 자기 접합부를 이용하여 제조된 메모리를 설명하였다. 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들로 설명하였지만, 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. 따라서, 많은 수정들이 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 것이다.A method and system for providing a magnetic junction and a memory fabricated using the magnetic junction have been described. Although the method and system have been described in the illustrated exemplary embodiments, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will realize that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. You will understand. Accordingly, many modifications will be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the appended claims.

101: 기판 102: 하부 접촉부
104: 선택적 시드층 106: 선택적 캡핑층
108: 상부 접촉부 110: 자체-초기화 하부 구조
120, 140: 비자기 스페이서층 130: 자유층
142: 선택적 분극 강화층 150: 기준층101: substrate 102: lower contact portion
104: optional seed layer 106: optional capping layer
108: upper contact 110: self-initializing substructure
120, 140: non-magnetic spacer layer 130: free layer
142: selective polarization enhancement layer 150: reference layer

Claims

a first reference layer having a magnetic moment fixed in a first direction;
a first non-magnetic spacer layer;
a free layer having said first nonmagnetic spacer layer formed between said free layer and said first reference layer, said free layer being switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current having at least a threshold magnitude passes through a magnetic junction;
a second nonmagnetic spacer layer in which the free layer is formed between the first nonmagnetic spacer layer and the second nonmagnetic spacer layer; and
The second non-magnetic spacer layer is formed between a self-initializing substructure and the free layer, wherein any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure and a third self-initializing substructure a self-initializing substructure comprising one;
The first self-initializing substructure includes a self-initiating reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, the second reference layer having a second magnetic moment fixed in a second direction, the self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is non-magnetic and formed between the self-initiating reference layer and the second reference layer, the self-initiating reference layer having a size less than or equal to 1/2 of a critical size having a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude passes through the magnetic junction;
wherein the second self-initializing substructure includes the self-initializing reference layer, and is usable when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, and wherein the low saturation magnetization reference layer is 400 emu/cc or less. having a saturation magnetization, wherein the extended reference layer has a larger footprint than the free layer;
the third self-initiating substructure includes a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature, the first magnetic moment forming in a third direction and wherein the second magnetic moment is formed in a fourth direction, wherein the fourth direction is parallel to any one of the first direction and the second direction.

The method of claim 1,
The self-initializing substructure is a first self-initializing substructure, and the self-initializing reference layer is formed in the first direction and the second direction when a current having a magnitude of 1/3 or less of the critical magnitude passes through the magnetic junction. A magnetic junction present on a substrate and usable in a magnetic device, switchable between two directions.

3. The method of claim 2,
the decoupling layer comprises at least one of CoFeBTa, Fe/Ta bilayer, CoFeBTa/Mg bilayer, CoFeBTa/MgO bilayer, [Fe/Ta] _x Mg multilayer and [Fe/Ta] _x /MgO multilayer, wherein x is an integer; A magnetic junction present on a substrate and usable in a magnetic device.

3. The method of claim 2,
wherein the self-initializing reference layer comprises at least one of CoFe, CoFeB, CoFeV, and CoFeTa having a Ta content of less than 30 atomic percent.

5. The method of claim 4,
wherein the second reference layer comprises at least one of n repeating TbCo/FeB bilayers and m repeating CoFe/PtPd bilayers, wherein n and m are each integers.

3. The method of claim 2,
wherein the first direction and the second direction are perpendicular to a plane and the self-initiating magnetic moment is formed in a plane when no current is driven through the magnetic junction. .

3. The method of claim 2,
and a polarization enhancement layer formed between the first reference layer and the first non-magnetic spacer layer.

3. The method of claim 2,
and wherein the first magnetic moment and the second magnetic moment are antiferromagnetically aligned.

Each of the plurality of magnetic storage cells includes at least one magnetic junction, wherein the at least one magnetic junction includes a first reference layer, a first nonmagnetic spacer layer, a free layer, a second nonmagnetic spacer layer, and a self-initializing substructure; substructure), wherein the first reference layer has a magnetic moment fixed in a first direction, the first nonmagnetic spacer layer is formed between the free layer and the reference layer, the free layer having at least a critical size switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current passes through the magnetic junction, wherein the free layer is formed between the first nonmagnetic spacer layer and the second nonmagnetic spacer layer, and the second nonmagnetic spacer layer. A spacer layer is formed between the self-initializing substructure and the free layer, wherein the self-initializing substructure is any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure, and a third self-initializing substructure. a plurality of magnetic storage cells including one; and
a plurality of bit lines connected to the plurality of magnetic storage cells;
The first self-initializing substructure includes a self-initiating reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, the second reference layer having a second magnetic moment fixed in a second direction, the self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is non-magnetic and formed between the self-initiating reference layer and the second reference layer, the self-initiating reference layer having a size less than or equal to 1/2 of a critical size having a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude passes through the magnetic junction;
wherein the second self-initializing substructure includes the self-initializing reference layer, and is usable when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, and wherein the low saturation magnetization reference layer is 400 emu/cc or less. having a saturation magnetization, wherein the extended reference layer has a larger footprint than the free layer;
the third self-initiating substructure includes a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature, the first magnetic moment forming in a third direction wherein the second magnetic moment is formed in a fourth direction, wherein the fourth direction is parallel to any one of the first direction and the second direction.

forming a first reference layer having a magnetic moment fixed in a first direction;
forming a first non-magnetic spacer layer;
the first nonmagnetic spacer layer is formed between the free layer and the first reference layer, forming a free layer switchable between a plurality of stable magnetic states when a write current having at least a threshold magnitude passes through the magnetic junction;
forming a second non-magnetic spacer layer in which the free layer is formed between the first non-magnetic spacer layer and the second non-magnetic spacer layer;
The second non-magnetic spacer layer is formed between a self-initializing substructure and the free layer, wherein any one of a first self-initializing substructure, a second self-initializing substructure and a third self-initializing substructure forming a self-initiating substructure comprising one,
The first self-initializing substructure includes a self-initiating reference layer, a decoupling layer and a second reference layer, the second reference layer having a second magnetic moment fixed in a second direction, the self-initiating reference layer is formed between the free layer and the second reference layer, the decoupling layer is non-magnetic and formed between the self-initiating reference layer and the second reference layer, the self-initiating reference layer having a size less than or equal to 1/2 of a critical size having a self-initiating magnetic moment switchable between the first direction and the second direction when a current having a magnitude passes through the magnetic junction;
wherein the second self-initializing substructure includes the self-initializing reference layer, and is usable when the first reference layer is selected from a low saturation magnetization reference layer and an extended reference layer, and wherein the low saturation magnetization reference layer is 400 emu/cc or less. having a saturation magnetization, wherein the extended reference layer has a larger footprint than the free layer;
the third self-initiating substructure includes a temperature dependent reference layer, the temperature dependent reference layer having a first magnetic moment at room temperature and a second magnetic moment at a switching temperature, the first magnetic moment forming in a third direction wherein the second magnetic moment is formed in a fourth direction, wherein the fourth direction is parallel to any one of the first direction and the second direction, wherein the magnetic junction is present on a substrate and usable for a magnetic device. Way.