KR102534011B1 - 스핀 토크 전가를 이용하는 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막을 갖는 자기 접합 - Google Patents

스핀 토크 전가를 이용하는 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막을 갖는 자기 접합 Download PDF

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Abstract

스핀 토크 전가를 이용하여 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막을 갖는 자기 접합 및 이의 프로그래밍 방법 및 이를 포함하는 자기 메모리가 제공된다. 자기 접합은, 기준막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성(pernedicular magnetic anitropy) 및 평면 외(out-of-plane) 소자(demagnetization) 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태(quiescent state)에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고, 상기 자유막은 상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형(magnetostriction)을 포함하되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2볼트를 넘지 않고, 상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고, 상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함하고, 상기 자유막은 상기 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태(magnetic states) 사이에서 전환될 수 있다.

Description

스핀 토크 전가를 이용하는 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막을 갖는 자기 접합 {MAGNETIC JUNCTIONS HAVING A MAGNETOELASTIC FREE LAYER PROGRAMMABLE USING SPIN TRANSFER TORQUE}
본 발명은 자기 접합(magnetic junction)을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 스핀 토크 전가(spin transfer torque)를 이용하는 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막(magnetoelastic free layer)을 갖는 자기 접합에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM)는 빠른 읽기/쓰기 속도, 탁월한 내구성, 비휘발성 및 동작 시 저소비전력으로 인해 관심이 증가되고 있다. MRAM은 자기 물질을 정보 저장 매체로 사용함으로써 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 자기 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(Spin Transfer Torque Random Access Memory; STT-MRAM)가 있다. STT-MRAM은 적어도 부분적으로 자기 접합을 통해 구동되는 전류에 의하여 기록되는 자기 접합을 이용한다. 자기 접합을 통해 스핀 편극 전류(spin polarized current)는 자기 접합의 자기 모멘트 상에 스핀 토크를 가한다. 결과적으로, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 레이어는 원하는 상태로 전환될 수 있다.
예를 들어, 종래의 자기 터널링 접합(Magnetic Tunneling Junction, MTJ)은 종래의 STT-MRAM에 이용될 수 있다. 종래의 MTJ는 기판 상에 존재한다. 종래의 시드막을 이용하는 종래의 MTJ는 캡핑막과 종래의 반강자성(atiferromagnetic; AFM)막을 포함할 수 있다. 종래의 MTJ는 종래의 고정막(pinned layer), 종래의 자유막 및 고정막과 자유막 사이의 종래의 터널링 배리어막을 포함한다. 그러나 종래의 MTJ 하부의 하부 컨택과 종래의 MTJ 상의 상부 컨택은 평면 수직 전류(Currnet-Perpendicular-to-Plain; CPP)방향으로 종래의 MTJ를 흐르는 전류를 구동하는 것에 이용될 수 있다.
종래의 고정막과 종래의 자유막은 자성이다. 종래의 고정막의 자화(magnetization)은 특정한 방향으로 변하지 않거나, 고정된다. 종래의 자유막은 변화할 수 있는 자화를 갖는다. 종래의 자유막은 단일막이거나 복수의 막을 포함할 수 있다. 고정막과 자유막은 막들의 평면에 수직 방향을 향하거나(평면에 수직) 막들의 평면 내부(평면 내)를 향하는 자화를 가질 수 있다.
종래의 자유막의 자화를 전환하기 위하여, 전류가 평면에 수직 방향으로 구동된다. 상부 컨택으로부터 하부 컨택으로 충분한 전류가 흐르면, 종래의 자유막의 자화는 종래의 고정막의 자화에 평행하도록 전환될 수 있다. 하부 컨택으로부터 상부 컨택으로 충분한 전류가 흐르면, 자유막의 자화는 하부 고정막의 자화에 역평행(antiparallel)하도록 전환될 수 있다. 자기 구성(magnetic configuration)의 차이는 서로 다른 자기저항(magnetoresistance)에 대응하고 따라서 종래의 MTJ의 서로 다른 논리적 상태(논리 “0”과 논리 “1”)에 대응한다.
다양한 분야에서의 잠재적 용도로 인하여, 자기 메모리에 관한 연구가 진행 중이다. STT-RAM의 성능 향상을 위한 메커니즘이 요구된다. 예를 들어, 높은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)와 높은 자기 저항이 요구된다. 종래의 자유막에서의 높은 자기 이방성은 자유막의 자기 모멘트로 하여금 높은 온도에서도 열적으로 안정적이도록 한다. 그러나, 높은 자기 이방성은 자유막의 자화의 방향을 전환하는데, 특히 짧은 전류 펄스 폭의 요구 전류의 증가를 야기한다.
짧은 쓰기 시간과, 이로 인한 짧은 전류펄스는 보다 빠른 메모리를 위해 필요하다. 그러므로, 스핀 전가 토크 기반 메모리의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 시스템이 요구된다. 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템은 그러한 요구에 초점을 맞춘다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 탄성 자유막을 갖는 자기 접합 및 이를 포함하는 자기 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스핀 전달 토크를 이용하는 자기 접합을 프로그래밍하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합은, 기준막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함하되, 상기 비자성 스페이서막은 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성(pernedicular magnetic anitropy) 및 평면 외(out-of-plane) 소자(demagnetization) 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태(quiescent state)에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고, 상기 자유막은 상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형(magnetostriction)을 포함하되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2볼트를 넘지 않고, 상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고, 상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함하고, 상기 자유막은 상기 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태(magnetic states) 사이에서 전환될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 일 방향은 평면에 수직(perpendicular-to-plane)일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막은 절연성 터널링 베리어막이고 상기 자기 접합은 비자성 절연막을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 추가적인 기준막을 더 포함하되, 상기 비자성 절연막은 추가적인 터널링 배리어막이고, 상기 추가적인 터널링 배리어막은 상기 자유막과 상기 추가적인 기준막 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막은 Tb 합금, Co 합금 및 TbxDy1 - xFe2 중 적어도 하나를 포함하되, x는 0보다 크고 1보다 작을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.5 볼트에서 1볼트를 넘지 않을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막은 도전체이고, 상기 자기 접합은 추가적인 절연막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막은 터널링 배리어막이고 상기 자유막의 상기 제1 인터페이스와 인접할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자유막의 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 비자성 스페이서막은 터널링 배리어막이고 상기 자유막과 인접할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리는 적어도 하나의 자기 접합을 포함하는 복수의 자기 스토리지 셀 및 상기 복수의 자기 스토리지 셀과 연결된 복수의 비트 라인을 포함하되, 상기 적어도 하나의 자기 접합은, 기준막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함하고, 상기 비자성 스페이서막은 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치되고, 상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성 및 평면 외 소자 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고, 상기 자유막은 상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형을 포함하되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2 볼트를 넘지 않고, 상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고, 상기 자유막은 상기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환될 수 있고, 상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 자기 접합은 추가적인 고정막(pinned layer)을 더 포함하고, 상기 비자성 절연막은 추가적인 터널링 배리어막이되, 상기 추가적인 터널링 배리어막은 상기 자유막과 상기 추가적인 고정막 사이에 배치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 접합을 프로그래밍하는 방법은, 자유막, 기준막 및 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하는 자기 접합으로, 상기 자유막이 상기 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐르는 경우 복수의 안정적인 자기 상태 사이에서 전환될 수 있는 자기 접합을 프로그래밍하는 방법에 있어서, 상기 자기 접합에 프로그래밍 전압을 인가하여 상기 자기 접합에 쓰기 전류를 구동하는 것을 포함하되, 상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성 및 평면 외 소자 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고, 상기 자유막은 상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형을 포함하되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2 볼트를 넘지 않고, 상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고, 상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 쓰기 전류를 구동하는 것은, 상승 에지와 하강 에지를 포함하는 전압 펄스를 제공하는 것을 더 포함하되, 상기 하강 에지는 전압 대 시간 도메인에서 유한한 기울기(finite slope)를 가질 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 접합을 포함하는 자기 장치의 일 실시예이다.
도 2는 자기 탄성 효과와 스핀 전달 토크를 이용하여 자기 접합을 프로그래밍하는 방법의 일 실시예를 도시하는 순서도이다.
도 3 내지 6은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 자기 접합을 프로그래밍하는 타이밍 도의 예시적인 실시예이다.
도 7, 8a 내지 8b 및 9는 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그래밍되는 동안의 자유막의 자기 모멘트의 다른 실시예이다.
도 10 내지 13은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 자기 접합을 프로그래밍하는 타이밍 도의 다른 예시적인 실시예이다.
도 14는 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램되는 자기 접합의 다른 실시예이다.
도 15는 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램되는 자기 접합의 또 다른 실시예이다.
도 16은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램되는 자기 접합의 또 다른 실시예이다.
도 17은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램되는 자기 접합의 또 다른 실시예이다.
도 18은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 메모리를 제공하는 방법의 일 실시예를 도시하는 순서도이다.
도 19는 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하여 프로그램될 수 있는 자기 접합을 포함하는 자기 장치의 다른 실시예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
예시적인 실시예는 자기 메모리와 같은 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합과, 그러한 자기 접합을 사용하는 장치들과 관련된다. 자기 메모리는 스핀 토크 전가 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)을 포함할 수 있고 비휘발성 메모리를 채용하는 전자 장치에 사용될 수 있다. 그러한 전자 장치는 셀룰러 폰, 스마트폰, 테블릿, 랩탑 및 기타 휴대용 또는 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예는 특정한 방법, 특정한 구성 요소를 갖는 자기 접합과 자기 메모리의 관점에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 다른 및/또는 추가적인 구성 요소 및/또는 본 발명과 일관되지 않는 다른 특성들을 갖는 자기 접합과 자기 메모리의 사용과 일관된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템은 스핀 전가 현상(spin transfer phenonmenon), 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및 기타 물리적 현상들에 대한 현재 이해의 관점에서 설명된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 스핀 전가, 자기 이방성 및 기타 물리적 현상에 기반하여 이론적으로 설명된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존적이지 않다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 관점에서 설명된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템이 다른 구조와 일관될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 합성 및/또는 단일의 특정 막(layer)들의 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 막들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정한 막을 갖는 자기 접합 및/또는 하부 구조(substructure)들의 관점에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 방법 및 시스템과 일관되지 않는 추가적인 및/또는 다른 막을 갖는 자기 접합 및/또는 하부 구조를 갖는 것을 쉽게 이해할 것이다. 게다가, 특정한 구성 요소는 자성, 강자성(ferromagnetic), 페리 자성(ferromagnetic)으로 설명된다.
본 명세서에 사용된 것과 같이 자성(magnetic)은 강자성, 페리 자성 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, “평면 내(in-plane)”는 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 막들의 평면 내부에 있거나 평면과 평행한 것이다. 반대로, “수직(perpendicular)” 및 “평면에 수직(perpendicular-to-plane)”은 자기 접합의 하나 이상의 막에 실질적으로 수직인 방향에 해당한다.
도 1은 스핀 전달 토크와 자기 탄성 효과를 이용하는 자기 메모리에 사용될 수 있고 프로그램될 수 있는 자기 접합(100)의 일 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 1은 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고 따라서, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다.
자기 접합(100)은 선택적인 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자유막(120), 비자성 스페이서막(130) 및 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(reference layer, 140)을 포함한다. 트랜지스터와 같은 장치가 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않는 하부 기판(101) 또한 도시된다. 자기 접합(100)은 또한 높은 스핀 분극(spin polarization)을 갖는 선택적인 분극 향상막(Polarization Enhancement Layer; PEL, 132)을 포함할 수 있다.
예를 들어, PEL(132)는 Fe 및/또는 CoFe를 포함할 수 있다. 하부 컨택(102), 상부 컨택(108), 선택적인 시드막(104)과 선택적인 캡핑막(106) 또한 도시된다. 예를 들어, 시드막(104)은 얇은 MgO 시드막을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 기준막(140)은 자유막(120)보다 기판으로부터 멀리 위치한다. 자기 접합(100)은 따라서, 상부 고정 자기 접합(top pinned magnetic junction)이다.
비록 막들(110, 120, 130, 132, 140)이 기판(101)과 특정한 관계를 갖도록 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 순서는 다를 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 기판(101)으로부터 가까운 순서로부터 먼 순서대로, 기준막(140), 분극 향상막(만약 존재한다면)(132), 비자성 스페이서막(130), 자유막(120), 절연막(110) 순으로 배치될 수 있다. 따라서 자기 접합(100)은 하부 고정 자기 접합(bottom pinned magnetic junction)이 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기 접합(100)은 자유막(120)과 추가적인 고정막(미도시) 사이에 추가적인 고정막과 비자성 스페이서막을 포함하는 이중 자기 접합일 수 있다.
기준막(140)의 자화(미도시)를 고정하기 위하여 선택적인 고정막(미도시)가 이용될 수도 있다. 선택적인 고정막은 교환 바이어스 작용(exchange-bias interaction)에 의하여 기준막(140)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM(반강자성)막 또는 다중막일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 선택적인 고정막은 생략되거나 다른 구조가 이용될 수도 있다.
높은 자기 분극을 갖는 PEL, 자성 또는 비자성 삽입막, 및/또는 다른 막을 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 막들은 자기 접합(100)의 막들에 포함되거나 자기 접합(100)에 이요될 수 있는 분리막으로 고려될 수 있다. 그러나, 단순함을 위해 단 하나의 막(132)만이 도시되었다.
자기 접합(100)은 자유막(120)이 자기 접합(100)을 통해 흐르는 쓰기 전류에 의하여 복수의 안정적인 자기 상태들 간에 전환할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서 자유막(120)은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능하다.
비자성 스페이서막(130)은 기준막(140)과 자유막(120) 사이에 존재한다. 비자성 스페이서막(130)은 산화마그네슘(MgO) 터널링 배리어막일 수 있다. MgO 막은 결정질(crystalline)일 수 있고, 향상된 터널링 자기저항성(Tunneling magnetoresistance; TMR)을 위한 지향성(200)을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 비자성 스페이서막(130)은 다른 터널링 배리어막을 가질 수 있고, 도전성막이거나 또는 다른 구조를 가질 수도 있다.
기준막(140)은 자성이다. 기준막(140)은 반강자성(SAF)과 같은 고정된 구조의 일부일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 기준막(140)은 비자성막들과 교차되는 강자성막들 중 하나일 수 있다. 기준막(140)은 다중막일 수 있다. 따라서, 기준막(140)은 다중 강자성막을 포함하는 하부막(sublayer)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
높은 분극을 갖는 PEL(132)이 비자성 스페이서막(130)에 최인접한 기준막(140)의 일부에 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, PEL(132)은 생략될 수도 있다.
도시된 실시예에서, 기준막(140)의 수직 자기 이방성(PMA) 에너지는 그것의 평면 외(out-of-plane) 소자(demagnetization) 에너지를 초과한다. 따라서 기준막(140)은 높은 PMA를 갖는다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이 높은 PMA는 PMA 에너지가 평면 외 소자 에너지보다 큰 PMA를 의미한다. 기준막(140)이 높은 PMA를 갖기 때문에, 기준막(140)의 자기 모멘트(141)는 평면에 수직 방향(도 1에 도시된 Z 방향 또는 이에 역평행인)일 수 있다. 그러한 실시예에서, 고정막은 일반적으로 사용되지 않는다.
예를 들어, 기준막(140)은 Co/Pt 이중막, CoPt 합금, CoTb 합금 및/또는 Co/Tb 이중막의 다중 반복을 포함하는 다중막을 포함할 수 있다.
그러한 조합은 높은 PMA를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 기준막(140)은 고정막(130)은 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi 및 MnAl중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 이들은 높은 PMA를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 것과 같이 CoFeB, FeB, CoB 및 MnAl는 화학량론(stoichiometry)이 표시되지 않은 합금들을 지칭하는 것에 주목한다. 예를 들어, CoFeB는 (CoFe)1-xBx를 포함할 수 있고, 여기서 x는 0이상 0.5이하이다. 예를 들어, x는 적어도 0.2이고 0.4보다 크지 않을 수 있다. 유사하게, FeB는 Fe1 - xBx일 수 있고, 여기서 x는 0 이상 0.5 이하이다.
다른 물질 및/또는 구조들은 기준막(140)이 될 수 있는 높은 PMA를 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에서, 기준막(140)의 자기 모멘트(141)은 평면 내(in-plane)일 수 있다.
자유막(120)은 자성이고 자기 접합(100)이 정지 상태(quiescent state)일 때 평면 외 소자 에너지를 초과하는 높은 PMA 에너지를 갖는다. 다시 말하면, 자기 접합(100)에 쓰기 전류 도는 전압이 인가되지 않는 경우에, PMA 에너지는 평면 외 소자 에너지보다 크다. 자유막(120)은 따라서 높은 PMA를 갖는다. PMA와 평면 외 수자 에너지 간의 관계 때문에, 자유막(120)의 자기 모멘트(121)는 도 1에 도시된 것과 같이 평면에 수직 방향일 수 있다(Z축의 양의 방향 또는 음의 방향). 자기 접합은, 자기 접합을 통해 구동되는 쓰기 전류를 이용하여 자유막(120)의 자기 모멘트(121)가 전환될 수 있도록(예를 들어 스핀 전달을 이용하여) 구성된다.
또한, 자유막(120)은 자기 탄성 자유막이다. 달리 말하면, 자유막(120)은 자기 변형(magnetostriction)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 자유막(120)은 단일막으로 도시되었다. 그러나, 자유막(120)은 다중막을 포함할 수 있다. 그러므로, 자유막(120)의 적어도 하나의 막은 자유막(120)이 아래와 같이 동작하기에 충분한 높은 자기 변형을 가진다.
자유막(120)이 높은 자기 변형(또는 자기 탄성)을 갖기 때문에, 자유막(120)의 자기 모멘트의 변화는 자유막(120)의 형태 또는 크기의 변형을 가져올 수 있다. 이와 유사하게, 자유막(120)에 가해지는 힘 또는 형태의 변형은 자유막(120)의 자기 특성에 변화를 가져올 수 있다. 다시 말하면, 자유막(120)이 스트레스 또는 압력의 대상이 된다면, 자유막(120)의 자기 특성은 변한다. 특히, 자유막(120)의 PMA는 스트레스에 의하여 감소할 수 있다. 예를 들어, Co 및 Tb와 같은 물질은 자기 변형성이다. 이러한 물질은 자유막(120)에 이용될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 자유막(120)은 TbxDy1 - xFe2(Terfenol-D)를 포함하고, x는 0 이상 1 이하이다. 몇몇 실시예에서, x는 일반적으로 0.2이다. 이러한 물질들은 높은 자기 변형을 가지고, 기록되지 않을 때 자유막(120)의 자기 모멘트(121)가 평면에 수직이도록 높은 PMA를 가질 수 있다.
자기 접합(100)에서, 비자성 스페이서막(130) 중 적어도 하나는 절연막이고 자기 접합(100)은 절연막(110)을 갖는다. 그러므로, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 비자성 스페이서막(130)은 결정질 MgO와 같은 절연성 터널링 배리어막이고 절연막(110)이 생략된다. 이러한 경우에, 비자성 스페이서막(130)은 자유막(120)의 상면과 인접할 수 있다. 이와는 다른 실시예에서, 절연막(110)이 존재하고 비자성 스페이서막(130)은 도전성이다. 이러한 실시예에서, 절연막(110)은 결정질 MgO막일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 비자성 스페이서막(130)은 절연성 터널링 배리어막이고 절연막(110)이 존재한다. 이러한 실시예에서, 막들(110, 130)은 자유막(120)의 경계면과 인접할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 절연막(110)은 자유막(120)의 PMA를 향상시킬 수 있는 결정질 MgO 시드막(104)의 일부로 고려되거나 시드막을 교체할 수 있다. 만약 자기 접합(100)이 하부 고정 자기 접합이고 절연막(110)이 포함된다면, 절연막(110)은 자유막(120)의 PMA를 향상시킬 수 있는 결정질 캡핑막(106)의 일부로 고려되거나 캡핑막을 교체할 수 있다.
만약 절연막(130 및/또는 110)이 자유막(120)에 인접한다면, 자유막(120)을 통해 쓰기 전류를 구동하기 위한 프로그래밍 전압의 존재는 절연막들(110, 130) 중 하나를 가로질러 전위차를 발생시킬 수 있다. 만약 막들(110, 130) 모두가 존재하고 절연성이라면, 전위가 두 막들(110, 130) 모두를 가로질러 생성될 수 있다. 자유막(120)은 절연막(110, 130) 중 하나에 인접하거나 두 절연막(110, 130) 사이에 위치한다.
자기 접합(100)은 커패시터를 포함하는 것으로 생각될 수 있다. 결과적으로, 프로그래밍 전압의 인가는 자유막(120) 상에 스트레스가 인가되는 것을 야기할 수 있다. 상술한 것과 같이, 자유막(120)은 자기 변형을 갖는다. 자유막(120)의 이러한 스트레스와 자기 변화에 의하여, 자유막(120)의 자기 특성은 변한다.
더욱 구체적으로, 자유막(120)의 PMA는 스트레스에 반응할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자유막(120)의 PMA는 스트레스에 반응하여 감소한다. 자유막(120)의 포화 자화(saturation magnetization)는 PMA의 감소와 유사하게 감소할 수 있다. 이러한 PMA의 감소는 프로그래밍 전압의 극성(즉, 전류가 Z축 방향의 양 또는 음의 방향 여부)과 관계없이 발생한다. 본 명세서에 기재된 것과 같이, 프로그래밍 전압은 프로그래밍될 자기 접합에 결합된 선에 인가되는 전압이다.
자유막(120)에 인가된 전압과 자기 변형으로 인한 PMA의 감소는 자기 모멘트(121)가 도 1에 도시된 평형 방향(equilibrium direction)으로부터 기울어지게 할 수 있다. 자유막(120)의 자기 변형의 크기로 인하여, 자기 모멘트(121)는 자기 접합(100)에 인가되는 프로그래밍 전압의 방향으로부터 적어도 5도 이상 기울어질 수 있다. 적어도 5도의 각도를 얻기 위해 프로그래밍 전압은 적어도 0.1볼트이고 2볼트를 넘지 않는다. 달리 말하면, 자유막(120)의 자기 변형은 프로그래밍 전압이 적어도 0.1볼트이고 2볼트를 넘지 않기에 충분히 크고, 자유막(120)의 PMA는 자기 모멘트(121)가 Z축으로부터 적어도 5도 이상 기울어지기에 충분하도록 변화한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 프로그래밍 전압은 적어도 0.5 볼트이고 1볼트를 넘지 않는다. 이러한 실시예에서, 자유막(120)의 자기 변형은 프로그래밍 전압이 적어도 0.5볼트이고 1볼트를 넘지 않기에 충분히 크고, 자유막(120)의 PMA는 자기 모멘트가 Z축으로부터 적어도 5도 이상 기울어지기에 충분하도록 변화한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 자기 접합(100)의 막들(110 및/또는 130)에 가해지는 압력과 자유막(120)의 자기 변형으로 인한 PMA의 변화는 자기 모멘트(121)가 평면 내가 되도록 하기에 충분하다. 그러므로, PMA는 PMA 에너지가 평면 외 소자 에너지보다 작도록 충분히 감소할 수 있다.
동작 중에, 자유막(120)은 프로그램되지 않을 때 높은 PMA를 갖는다. 따라서, 자유막(120)은 읽기 동작 중과 자기 접합(100)이 정지(읽혀지거나 프로그램되지 않을 때)될 때 자기적으로 안정된다. 몇몇 실시에에서, 자유막(120)의 자기 모멘트(121)는 자기 접합(100)이 쓰여지지 않을 때(평형 상태) 평면에 수직이다.
쓰기 동작 동안, 프로그래밍 전압이 자기 접합(100)에 인가된다. 결과적으로, 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통해 흐른다. 프로그래밍 전압은 절연막(110 및/또는 130)의 용량성 성질(capacitive nature) 또한 마련할 수 있다. 이러한 절연막(110 및/또는 130)은 자유막(120) 상에 힘(예를 들어 압력)을 가한다. 달리 말하면, 내부 스트레스가 생성된다. 이러한 내부 스트레스는 자기 접합(100) 내의 막들과 쓰기 전류가 흐르는 막들로 인한 것이다. 이러한 스트레스는 사실상 동적(dynamic)이고, 따라서 자기 접합(100)에 전압이 인가될 때만 존재한다. 게다가, 스트레스가 자기 접합(100) 내의 막들(110 및/또는 130)로 인하기 때문에, 스트레스는 자기 메모리 내의 이웃하는 자기 접합(미도시)에 영향을 미치지 않을 수 있다. 자유막(120)의 자기 변형으로 인하여, 스트레스는 자유막(120)의 PMA의 변화(예를 들어 감소)를 낳을 수 있다.
이러한 PMA의 변화는 피코초의 시간 규모로 발생할 수 있다. 몇몇의 경우에서, PMA의 변화는 피코초 이하의 시간 규모에서 발생할 수도 있다. 따라서, 자유막(120)의 자기 모멘트(121)는 정지 상태로부터 적어도 기울어지거나 평면 내로 갈 수 있다. 포화 자화는 PMA와 유사한 방식으로 감소될 수 있다.
자기 모멘트(121)가 평면에 수직 방향으로부터 기울어지기 때문에, 자기 접합(110)을 통해 구동되는 스핀 분극 쓰기 전류는 스핀 전달 토크를 통해 자기 모멘트(121)를 원하는 방향으로 더욱 효과적으로 전환시킬 수 있다. 그러므로, 전환은 더욱 낮은 쓰기 전류에서 더욱 빠르게 일어날 수 있다. 자기 접합(100)은 자기 접합(100)을 통해 구동되는 쓰기 전류에 의하여 스핀 전달 토크를 이용하여 더욱 빠르게 프로그램될 수 있다.
자기 접합(100)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유막(120)과 기준막(140)은 평면 수직 방향의 자기 모멘트를 가질 수 있고, 이는 향상된 성능을 위해 요구될 수 있다. 높은 PMA로 인해, 자유막(120)은 평형 상태에서 열적으로 안정된다. 자기 접합(100)에 프로그래밍 전압이 인가된 경우, 자유막(120)의 자기 변형은 PMA의 감소와 자기 모멘트(121)의 기울어짐을 낳을 수 있다. 달리 말하면, 자기 모멘트(121)는 정체점(stagnation point)으로부터 이동된다. 자기 모멘트(121)는 평면 내이고, 자기 모멘트(141)에 대해 수직인 성분을 가질 수 있다. 따라서, 스핀 분극 쓰기 전류는 자기 모멘트(121)를 더욱 효과적이고 빠르게 전환할 수 있다. 전환 시간은 감소될 수 있다. 그 결과, 자기 접합(100)과 자기 접합(100)을 이용하는 자기 메모리의 성능은 향상될 수 있다.
도 2는 자기 탄성의 자유막을 포함하고 STT-RAM과 같은 자기 장치에 사용될 수 있고, 따라서 다양한 전자 장치에 사용될 수 있는 자기 접합의 프로그래밍 방법(200)의 일 실시예를 도시한다. 단순함을 위해, 몇몇 방법은 생략되거나, 다른 순서로 수행되거나, 하부 단계를 포함하거나 이와 조합될 수 있다. 또한, 방법(200)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계가 수행된 이후에 시작할 수 있다. 단순함을 위해, 방법(200)은 자기 접합(100)을 배경으로 기술된다. 그러나, 유사한 성질을 갖는 자기 접합과 자기 메모리들 또한 이용될 수 있다.
단계(202)에서 자기 접합(100)에 프로그래밍 전압이 인가되고 자기 접합(100)을 통해 쓰기 전류가 흐른다. 단계(202)는 프로그래밍 전압 펄스를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 쓰기 전류는 인가된 프로그래밍 전압에 전체 또는 부분적으로 기인할 수 있다. 그러므로, 쓰기 전류는 자기 접합(100)을 통해 지속적으로 구동되지 않는다. 또한, 쓰기 전류는 자기 접합이 프로그램되어야 하는 경우에만 흐른다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 프로그래밍 전압 펄스는 10나노초 이하의 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 프로그래밍 전압 펄스는 1 나노초 이하의 폭을 갖는다. 그러나, 다른 펄스 폭 또한 가능하다.
그러므로, PMA의 변화를 일으키는 프로그래밍 전압이 자기 접합(100)에 인가된다. 쓰기 전류 또한 자기 접합(100)에서 평면 수직 전류(Current-Perpendicular-to-Plane; CPP) 방향으로 흐른다. PMA의 변화로 인하여, 자유막(120)의 자기 모멘트(121)는 정체점으로부터 이동될 수 있다. 그 결과, 쓰기 전류는 자기 접합(100)을 더욱 효과적이고 빠르게 프로그램할 수 있다. 방법(200)을 이용하여, 자기 접합(100)은 더욱 쉽고 빠르게 프로그램될 수 있다.
방법(200)은 도 3 내지 9와 관련하여 더욱 구체적으로 설명된다. 도 3 내지 6은 방법(200)에서 스핀 전달 토크와 자기 탄성 자유막(120)을 프로그래밍하기 위한 타이밍 다이어그램의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 7, 8a 내지 8b 및 9는 스핀 전달 토크를 이용한 프로그래밍 중의 자기 탄성 자유막(120)의 자기 모멘트의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 단순함을 위하여, 도 3 내지 9는 방법(200)과 자기 접합(100)을 배경으로 기술된다. 그러나, 본 명세서의 논의는 다른 유사한 방법 및 자기 메모리들에도 적용된다. 도 3 내지 9의 다이어그램이 단지 설명을 위한 것이고 특정한 쓰기 메커니즘 또는 메모리를 묘사하기 위한 것이 아님을 주목하라.
도 3은 선택된 자기 접합(100)을 흐르는 프로그래밍 전압을 시간에 관한 함수로 나타낸 것을 도시한 그래프(210)이다. 따라서, 프로그래밍 전압은 방법(202)에서 시간 t1에서 온(on) 된다. 프로그래밍 전압은 빠르게 상승하여, 시간 t2에서 최대값에 도달한다. 프로그래밍 전압은 일정하게 유지된다. 이후 프로그래밍 전압은 빠르게 감소하여 시간 t3에서0에 도달한다. 자기 접합(100)에 프로그래밍 전압이 인가되는 것과 더불어, 프로그래밍 전압 펄스에 대응하는 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통해 구동된다. 비록 도시되지는 않았지만, 쓰기 전류와 프로그래밍 전압은 빠른 상승 시간을 가지는 것에 더하여 목표값을 초과(overshoot)할 수 있다.
도 4는 자유막(120)의 PMA를 시간에 관한 함수로 나타낸 것을 도시한 그래프(212)이다. 도 4 의 PMA는 쓰기 도중의 PMA의 일반적인 경향을 도시하기 위한 것이고 특정한 자기 접합(100)을 위한 데이터를 나타내는 것은 아니다. 포화 자화는 유사한 경향을 따른다. 자유막(120)은 프로그래밍 전압과 절연막(110, 130)으로 인한 스트레스의 대상이 된다.
스트레스는 시간 t1에서 온 된다. 자유막(1200의 PMA는 감소한다. 스트레스와 자유막(120)의 PMA의 변화는 빠르다. 그러므로, 시간 t2에서, PMA는 쓰기 도중 최소값이거나 이에 가까울 수 있다. 자유막(120)에 전압이 여전히 인가되고 있으므로 PMA는 상대적으로 낮게 유지된다. 또한, 스핀 분극 전류가 자기 접합(100)을 통해 구동된다. 프로그래밍 전압이 시간 t3에서 오프(off)되면, PMA와 포화 자화는 그들의 초기값으로 빠르게 증가한다.
도 5는 전환 중 Z축 방향을 따라 원하는 방향에서의 자기 모멘트의 변화를 도시한 그래프(214)이다. PMA의 초기 감소와 이에 수반된 포화 자화의 감소 이후에, 자기 모멘트(121)는 스핀 전달 토크를 이용하여 전환될 수 있다. 이는 PMA의 감소가 자기 모멘트(121)를 정체점으로부터 이동시키기 때문에 빠르게 발생할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트는 5 나노초 미만에서 수용할 수 있는 적은 오차율로 전환될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 전환은 적어도 1 나노초 내에 일어난다. 그러나, 다른 시간 또한 가능하다.
도 6은 자기 모멘트의 X-Y 평면(평면 내)의 성분을 도시한 그래프(216)이다. 전환 이전에, 자기 모멘트(121)는 실질적으로 평면에 수직이다. 그러므로, X-Y 평면의 자기 모멘트(121, Mxy)는 거의 0에 가깝다. 프로그래밍 전압의 인가로 인한 PMA의 감소는 자기 모멘트(121)의 X-Y 평면의 성분이 0이 아니도록 한다.
도 6에 도시된 것과 같이, 이러한 자기 모멘트의 변화는 상대적으로 빠르게 발생한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, Mxy는 증가한다. 이는 PMA의 감소로 인하여 자기 모멘트(121)가 평면 내가 되거나 또는 Z축으로부터 매우 큰 각도로 기울어졌을 때 발생한다. 프로그래밍 전압이 제거되면, 자기 모멘트(121)의 X-Y 평면 성분은 빠르게 감소한다.
도 7은 단계(202)에서 쓰기 시작 이전과 프로그래밍 전압(212)의 초기의 자기 모멘트(222)를 도시한다. 자기 모멘트(222)는 도 1의 자기 모멘트(121)과 유사하다. 자유막(120)의 자기 모멘트(222)는 자유막(120)의 자화용이축(easy axis)(예를 들어 Z축)을 따라 정렬된다. 열 변동(thermal fluctuation)은 자화용이축으로부터 자기 모멘트(222)의 적은 편차를 허용할 수 있다. 그러나, 큰 자유막 자기 이방성은 작은 열 변동을 야기한다. 그러므로, 자기 모멘트(222)는 자화용이축(즉, Z축)에 매우 잘 정렬될 것으로 생각된다.
도 8a와 8b는 시간 t2 이후 얼마의 시간이 흐른 후 전환이 아직 발생하기 전의 자기 모멘트(222)의 두 가지 가능한 실시예를 도시한다. 자기 이방성은 자기 변형과 자유막(120) 상의 스트레스로 인하여 감소한다. 도 8a에 도시된 것과 같이, 자기 모멘트(222A)는 자화용이축으로부터 θ도 만큼 기울어진다. 상술한 것과 같이, θ는 적어도 5도 이상이다. 자기 모멘트(222A)는 따라서 X-Y평면 성분(자화용이축에 수직인)(226)을 갖는다. 화살표(224)는 스핀 분극 전류의 모멘트의 방향을 가리킨다.
성분(224, 226) 간의 비교에서 볼 수 있듯이, 자기 모멘트(222A)는 더 이상 정체점에 있지 않다. 도 8b는 자기 모멘트(222B)의 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 자기 모멘트(222B)는 PMA의 감소로 인하여 평면 내이다. 자기 모멘트(222B)의 평면 내 성분(226’)은 따라서 자기 모멘트(226’)와 동일하다. 마찬가지로, 화살표(224)는 스핀 분극 전류의 모멘트의 방향을 가리킨다. 성분(224, 226’) 간의 비교에서 볼 수 있듯이, 자기 모멘트(222B)는 더 이상 정체점에 있지 않다.
자기 이방성의 감소로 인하여, 자기 모멘트(222)는 스핀 전달 토크의 정체점(224)에 있지 않는다. 결과적으로, 여전히 자기 접합(100)을 통해 구동되는 스핀 분극 전류(224)는 자기 모멘트(222A, 222B) 상으로 토크를 가할 수 있다. 쓰기 전류(212)에 의한 스핀 전달 전환은 계속된다. 진동하는 자기 신호가 자화용이축(정체점으로부터 멀리 떨어진)(241)으로부터 자기 모멘트(242’)를 진동시키기 때문에, 스핀 전달 전환은 더욱 효율적일 수 있다. 따라서, 도 9에 도시된 것과 같이, 자유막(120)의 자기 모멘트(222’)는 전환될 수 있다.
그러므로, 방법(200)을 이용하여, 자기 접합(100)의 자유막(120)은 낮은 쓰기 전류에서 빠르게 프로그램될 수 있다. 쓰여지지 않을 때, 자유막 자기 모멘트(121, 222)는 높은 자기 이방성으로 인하여 열적으로 안정될 수 있다. 다라서, 자기 접합(100)의 이점이 얻어질 수 있다.
또한 방법(200)은 도 10 내지 13과 관련하여 설명될 수 있다. 도 10 내지 13은 방법(200)에서 스핀 전달 토크와 자기 탄성 자유막(120)을 이용한 자기 접합(100)을 프로그램하기 위한 타이밍 도의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 단순함을 위하여, 도 10 내지 13은 방법(200)과 자기 접합(100)을 배경으로 기술된다. 그러나, 본 명세서의 논의는 다른 유사한 방법 및 자기 메모리들에도 적용된다. 도 10 내지 13이 단지 설명을 위한 것이고 특정한 쓰기 메커니즘 또는 메모리를 묘사하기 위한 것이 아님을 주목하라. 도 10 내지 13에 도시된 타이밍 도는 더욱 신뢰성 있는 쓰기를 가능하게 할 수 있다.
도 10은 선택된 자기 접합(100)에 대한 프로그래밍 전압의 시간에 관한 함수를 도시한 그래프(210’)이다. 단계(202)에서, 프로그래밍 전압은 시간 t1에서 온 된다. 프로그래밍 전압은 빠르게 증가하여 시간 t2에서 최대값에 도달한다. 프로그래밍 전압은 일정하게 유지된다. 프로그래밍 전압은 시간 t4로부터 이후 천천히 감소하여 시간 t3에서 0에 도달한다.
자기 접합(100)에 인가되는 프로그래밍 전압에 더하여, 프로그래밍 전압 펄스에 대응하는 쓰기 전류가 자기 접합(100)을 통해 구동된다. 비록 도시되지는 않았지만, 쓰기 전류와 프로그래밍 전압은 빠른 상승 시간을 가지는 것에 더하여 목표값을 초과할 수 있다.
도 11은 자유막(120)의 PMA를 시간에 관한 함수로 도시한 그래프(212’)이다. 도 11의 PMA는 쓰기 도중의 PMA의 일반적인 경향을 도시하기 위한 것이고 특정한 자기 접합(100)을 위한 데이터를 나타내는 것은 아니다. 포화 자화는 유사한 경향을 따른다. 자유막(120)은 절연막(110 및/또는 130)으로 인한 스트레스의 대상이 된다. 스트레스는 시간 t1에서 온 된다.
자유막(120)의 PMA는 감소한다. 자유막(120)의 PMA와 스트레스의 변화는 빠르다. 따라서 시간 t2에서, PMA는 쓰기 동안의 최소값이거나 이에 가까울 수 있다. 자유막 전압이 여전히 인가되기 때문에 PMA는 쓰기 동안에 상대적으로 낮게 유지된다. 또한, 스핀 분극 전류가 자기 접합(100)을 통해 구동된다. 프로그래밍 전압이 시간 t4에서 오프되기 시작하면, PMA는 증가하기 시작하여 시간 t3에서 평형값에 도달하고, PMA와 포화 자화는 그들의 초기값으로 빠르게 증가한다.
도 12는 전환 중 Z축 방향을 따라 원하는 방향에서의 자기 모멘트의 변화를 도시한 그래프(214’)이다. PMA의 초기 감소와 이에 수반된 포화 자화의 감소 이후에, 자기 모멘트(121)는 스핀 전달 토크를 이용하여 전환될 수 있다. 이는 PMA의 감소가 자기 모멘트(121)를 정체점으로부터 이동시키기 때문에 빠르게 발생할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트는 5 나노초 미만에서 수용할 수 있는 적은 오차율로 전환될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 전환은 적어도 1 나노초 내에 일어난다. 그러나, 다른 시간 또한 가능하다.
도 13은 자기 모멘트의 X-Y 평면(평면 내)의 성분을 도시한 그래프(216’)이다. 전환 이전에, 자기 모멘트(121)는 실질적으로 평면에 수직이다. 그러므로, X-Y 평면의 자기 모멘트(121, Mxy)는 거의 0에 가깝다. 도 13에 도시된 것과 같이, 이러한 자기 모멘트의 변화는 상대적으로 빠르게 발생한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, Mxy는 증가한다. 이는 PMA의 감소로 인하여 자기 모멘트(121)가 평면 내가 되거나 Z축으로부터 매우 큰 각도로 기울어졌을 때 발생한다.
프로그래밍 전압이 도 10의 기울기로 제거되면, 자기 모멘트(121)의 X-Y 평면 성분은 느리게 감소한다. 이는 자유막(120)의 자기 모멘트(121)가 프로그래밍 종료 시에 좀더 안정적으로 유지될 수 있게 한다. 따라서, 열 또는 다른 불안정 요소로 인한 오차가 감소될 가능성이 있다. 결과적으로, 도 10 내지 도 13을 이용한 자기 접합(100)의 프로그래밍은 더욱 에러가 없을 수 있다. 따라서, 프로그래밍 전압이 펄스의 하강 에지(trailing edge)에서 더욱 천천히 감소할 수 있도록 함으로써 더욱 낮은 오차율의 쓰기가 달성될 수 있다.
도 14는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 이용될 수 있는 자기 탄성 자유막을 포함하는 자기 접합(100’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 14는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고 따라서, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 자기 접합(100’)은 자기 접합(도 1의 100)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100’)은, 도 1에 도시된 자기 모멘트(121)를 갖는 자기 탄성 자유막(120), 비자성 스페이서막(130), 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)과 각각 유사하도록, 자기 모멘트(121)를 갖는 자기 탄성 자유막(120), 비자성 스페이서막(130’), 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)을 포함한다. 선택적인 시드막(104), 선택적인 캡핑막(106) 및 선택적인 PEL(132) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 도 1에 도시된 기판(101), 하부 컨택(102) 및 상부 컨택(108)과 유사한 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택이 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 추가적인 PEL이 존재할 수 있다. 또한, 자유막(120)이 기판(미도시)으로부터 가장 가깝고 기준막(140)이 기판으로부터 가장 먼 것으로 도시되었지만, 다른 위치관계 또한 가능하다. 예를 들어, 기준막(140)이 기판으로부터 가장 가깝고 자유막(120)이 기판으로부터 가장 멀 수도 있다.
도 14에 도시된 실시예에서, 비자성 스페이서막(130’)은 명백하게 절연성이다. 따라서 비자성 스페이서막(130’)은 방향(200)을 갖는 결정질 MgO와 같은 절연성 터널링 방지막일 수 있다. 도시된 실시예에서, 절연막(110)은 생략되었다.
자기 접합(100’)은 자기 접합(100)의 이점을 공유한다. 자유막(120)이 상술한 것과 같이 자기 탄성 또는 자기 변형을 가지므로, 전환이 가능해진다. 더욱 구체적으로, 자기 접합(100’)에 인가된 프로그래밍 전압은 자기 모멘트(121)가 정체점으로부터 기울어지는 것을 야기한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자기 모멘트(121)는 스트레스의 영향 하에서 자유막(120)의 PMA의 변화로 인하여 평면 내일 수 있다. 포화 자화 또한 감소할 수 있다. 그 결과, 전환이 더욱 빠르게 달성될 수 있다. 프로그래밍 전압 펄스 형태의 설계에 의하여, 전환에서의 감소된 오차가 얻어질 수 있다. 따라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 15는 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 이용될 수 있는 자기 탄성 자유막을 포함하는 자기 접합(100’’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 15는 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고 따라서, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 자기 접합(100’’)은 자기 접합(100 및/또는 100’)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100’’)은 도 1에서 도시된 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자유막(120), 비자성 스페이서막(130), 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)과 각각 유사한 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자기 탄성 자유막(120), 비자성 스페이서막(130’’) 및 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)을 포함한다. 선택적인 시드막(104), 선택적인 캡핑막(106) 및 선택적인 PEL(132) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 도 1에 도시된 기판(101), 하부 컨택(102) 및 상부 컨택(108)과 유사한 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택이 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 추가적인 PEL이 존재할 수 있다. 또한, 자기 접합(100’’)이 상부 고정 자기 접합으로 도시되었지만, 다른 실시예에서 자기 접합(100’’)은 하부 고정 자기 접합일 수도 있다.
도 15에 도시된 실시예에서, 비자성 스페이서막(130’’)은 명백하게 절연성이거나, 금속성이다. 또한, 절연막(110)이 포함된다. 따라서, 자유막(120)은 적어도 하나의 절연막에 인접한다. 절연막(110)은 방향(200)을 갖는 결정질 MgO와 같은 터널링 배리어막일 수 있다.
자기 접합(100’’)은 자기 접합들(100 및/또는 100’)의 이점들을 공유한다. 자유막(120)이 상술한 것과 같이 자기 탄성 또는 자기 변형을 가지므로, 전환이 가능해진다. 더욱 구체적으로, 자기 접합(100’’)에 인가된 프로그래밍 전압은 자기 모멘트(121)가 정체점에 존재하지 않는 것을 야기한다. 포화 자화 또한 감소할 수 있다. 그 결과, 전환이 더욱 빠르게 달성될 수 있다. 프로그래밍 전압 펄스 형태의 설계에 의하여, 전환에서의 감소된 오차가 얻어질 수 있다. 따라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다. 다라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 16은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 이용될 수 있는 자기 탄성 자유막을 포함하는 자기 접합(100’’’)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 16은 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(100’’’)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고 따라서, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 자기 접합(100’’’)은 자기 접합(100, 100’ 및/또는 100’’)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(100’’’)은 도 1에서 도시된 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자유막(120), 비자성 스페이서막(130), 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)과 각각 유사한 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자기 탄성 자유막(120), 비자성 스페이서막(130’) 및 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)을 포함한다. 선택적인 시드막(104), 선택적인 캡핑막(106) 및 선택적인 PEL(132) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 도 1에 도시된 기판(101), 하부 컨택(102) 및 상부 컨택(108)과 유사한 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택이 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 추가적인 PEL이 존재할 수 있다. 또한, 자기 접합(100’’’)이 상부 고정 자기 접합으로 도시되었지만, 다른 실시예에서 자기 접합(100’’’)은 하부 고정 자기 접합일 수도 있다.
도 16에 도시된 실시예에서, 비자성 스페이서막(130’)은 절연성 터널링 배리어막이다. 비자성 스페이서막(130’)은 방향(200)을 갖는 결정질 MgO막일 수 있다. 또한 절연막(110)이 포함된다. 절연막(110)은 방향(200)을 갖는 결정질 MgO와 같은 터널링 배리어막일 수 있다. 그러므로, 자유막(120)은 두 개의 절연막에 인접한다. 이러한 상황은 자유막(120) 상의 더 큰 스트레스와 이에 따른 PMA의 더 큰 변화가 이루어지는 경우에 요구된다.
자기 접합(100’’’)은 자기 접합들(100, 100’ 및/또는 100’’)의 이점들을 공유한다. 자유막(120)이 상술한 것과 같이 자기 탄성 또는 자기 변형을 가지므로, 전환이 가능해진다. 더욱 구체적으로, 자기 접합(100’’’)에 인가된 프로그래밍 전압은 자기 모멘트(121)가 정체점에 존재하지 않는 것을 야기한다. 포화 자화 또한 감소할 수 있다. 그 결과, 전환이 더욱 빠르게 달성될 수 있다. 프로그래밍 전압 펄스 형태의 설계에 의하여, 전환에서의 감소된 오차가 얻어질 수 있다. 따라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다. 다라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 17은 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 이용될 수 있는 자기 탄성 자유막을 포함하는 자기 접합(150)의 다른 실시예를 도시한다. 명확성을 위하여, 도 17은 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 자기 접합(150)은 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있고 따라서, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 자기 접합(150)은 자기 접합(100, 100’, 100’’ 및/또는 100’’’)과 유사하다. 따라서, 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호를 갖는다.
자기 접합(150)은 도 1에서 도시된 절연막(110), 자기 모멘트(121)를 갖는 자유막(120), 비자성 스페이서막(130), 자기 모멘트(141)를 갖는 기준막(140)과 각각 유사한 자기 모멘트(171)를 갖는 자기 탄성 자유막(170), 비자성 스페이서막(172) 및 자기 모멘트(181)를 갖는 기준막(180)을 포함한다. 자기 접합(150)은 또한 추가적인 기준막(160)과 추가적인 비자성 스페이서막(164)을 포함한다. 막들(164, 172) 중 하나 또는 모두는 기준막(110)과 유사한 것으로 생각될 수 있다. 선택적인 시드막(154), 선택적인 캡핑막(156) 및 선택적인 PEL(162, 172) 또한 도시되었다. 도시되지는 않았지만, 도 1에 도시된 기판(101), 하부 컨택(102) 및 상부 컨택(108)과 유사한 하부 기판, 하부 컨택 및 상부 컨택이 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 추가적인 PEL(미도시)이 존재할 수도 있다. 자기 접합(150)은 따라서 이중 자기 접합이다.
도 17에 도시된 실시예에서, 비자성 스페이서막(164, 172) 중 하나 또는 모두는 절연성 터널링 방지막이다. 따라서, 막들(164, 170, 172)의 조합은 막들(110, 120, 130)과 유사한 방식으로 기능한다. 결과적으로, 자유막(170)은 상술한 것과 유사하게 프로그래밍 전압의 존재 시 PMA와 포화 자화의 감소를 겪을 수 있다.
자기 접합(150)은 자기 접합들(100, 100’, 100’’ 및/또는 100’’’)의 이점들을 공유한다. 자유막(170)이 상술한 것과 같이 자기 탄성 또는 자기 변형을 가지므로, 전환이 가능해진다. 더욱 구체적으로, 자기 접합(150)에 인가된 프로그래밍 전압은 자기 모멘트(171)가 정체점에 존재하지 않는 것을 야기한다. 포화 자화 또한 감소할 수 있다. 그 결과, 전환이 더욱 빠르게 달성될 수 있다. 프로그래밍 전압 펄스 형태의 설계에 의하여, 전환에서의 감소된 오차가 얻어질 수 있다. 따라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다. 다라서, 전환 시간 및 프로그래밍의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 18은 자기 탄성을 포함하고 STT-RAM과 같은 자기 장치에 이용될 수 있어 다양한 전자 장치에 이용될 수 있는 자기 접합을 제조하는 방법(250)의 예시적인 실시예를 도시한다. 단순함을 위해, 몇몇의 단계는 생략되거나, 다른 순서로 수행되건, 하부 단계를 포함하거나 조합될 수 있다. 또한, 방법(250)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계가 수행된 이후에 시작할 수 있다. 단순함을 위해, 방법(250)은 자기 접합(100, 150)을 배경으로 기술된다. 그러나, 자기 접합들(100’, 100’’ 및/또는 100’’’)을 포함하나 이에 제한되지 않는 자기 접합들 또한 형성될 수 있다.
평면 외 소자 에너지를 초과하는 PMA를 가질 수 있는 기준막(140/160)이 단계(252)에 의하여, 기판 상에 제공된다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 단계(252)는 SAF와 같은 다중막, 높은 PMA의 다중막 및/또는 기타 다중막을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
비자성 스페이서막(130, 164)이 단계(254)를 통하여 제공된다. 단계(254)는 MgO를 증착시키는 것을 포함할 수 있고, 이는 터널링 배리어막을 형성한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 단계(254)는 예를 들어, 라디오 주파수(RF) 스퍼터링 등을 이용하여 MgO를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 단계(254)에서, 금속성 Mg가 증착된 후 산화될 수도 있다.
단계(256)에서, 자유막(120, 170)이 제공된다. 비자성 스페이서막(130, 162)은 기준막(140, 160)과 자유막(120, 170) 사이에 존재한다. 자유막(120, 170)의 PMA 에너지는 평형 상태(자기 접합(100)이 정지 상태일 때)에서의 소자 에너지보다 클 수 있다. 그러므로, 자기 모멘트(121, 171)는 평면에 수직일 수 있다.
단계(258)에서, 선택적인 절연막(110)이 선택적으로 제공될 수 있다. 자기 접합(150)이 제공된다면, 단계(258)에서 추가적인 비자성 스페이서막(172)을 형성한다. 막들(164, 174) 중 어느 하나 또는 모두, 막들(110, 130) 중 어느 하나 또는 모두는 절연성 터널링 배리어막이다. 단계(258)는 자기 접합(100)에서 생략될 수도 있다.
단계(260)에서, 평면 외 소자 에너지를 초과하는 PMA를 가질 수 있는 추가적인 기준막(180)이 선택적으로 제공될 수 있다. 비자성 스페이서막(172)은 기준막(180)과 자유막(170) 사이에 존재한다. 몇몇 실시예에서, 단계(260)는 SAF와 같은 다중막, 높은 PMA의 다중막 및/또는 기타 다중막을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 단계(258)는 단계(256) 이전에 수행되고, 단계(256)는 단계(254) 이전에 수행되며, 단계(254)는 단계(252) 이전에 수행된다. 그러나, 다른 순서 또한 가능하다. 예를 들어, 단계들의 순서는 도시된 것과 같이 252, 254, 256, 258(만약 수행된다면), 260(만약 수행된다면)일 수 있다.
자기 접합(100, 150)의 제조가 완료될 수 있다. 이 과정은 나머지 단계 사이에 끼워진 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기 접합(100, 150)의 제조 완료는 하나 이상의 PEL을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 공정 중에 한번 이상의 어닐링이 수행될 수 있다. 또한, 자기 접합(100, 150)의 가장자리가 정의될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합(100, 150)의 스택(stack) 상에 마스크가 제공될 수 있다. 마스크는 자기 접합(100)이 형성될 영역을 덮고, 자기 접합 사이의 영역 상에 개구(aperture)를 가질 수 있다. 자기 접합들 사이의 영역은 다시 채워져서 다른 구조들이 형성될 수 있다. 그리하여, 자기 접합의 제조는 완료된다.
방법(250)을 이용하여, 자기 접합(100’, 100’’, 100’’’ 및/또는 150)이 형성될 수 있다. 그러므로, 자기 접합(100’, 100’’, 100’’’ 및/또는 150)의 이점이 얻어질 수 있다.
도 19는 방법(200)에 프로그램되는 하나 이상의 자기 접합들(100, 100’, 100’’, 100’’’ 및/또는 150)을 이요할 수 있는 메모리(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 메모리(300)는 읽기/쓰기 컬럼 선택 드라이버(column select driver)(302, 306)뿐만 아니라 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver)(304)도 포함한다. 다른 구성 요소들도 제공될 수 있다는 것에 주목한다. 메모리(300)의 저장 영역은 자기 스토리지 셀들(310)을 포함한다. 각각의 자기 스토리지 셀(310)은 적어도 하나의 자기 장치(312), 적어도 하나의 선택 장치(314)를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 선택 장치(314)는 트랜지스터이다.
자기 접합(312)는 본 명세서에서 기재된 자기 접합들(100, 100’, 100’’, 100’’’ 및/또는 150) 중 어느 하나일 수 있다. 비록 하나의 셀(310) 당 하나의 자기 접합(312)이 도시되었지만, 다른 실시예에서, 하나의 셀(310) 당 이와 다른 개수의 자기 접합(312)이 제공될 수도 있다. 그리하여, 자기 메모리(300)은 상술한 이점들을 얻을 수 있다.
자기 접합과 자기 접합을 이용하여 제조되는 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 100', 100'', 100'', 150': 자기 접합
110: 절연막 120: 자유막
130: 비자성 스페이서막 121, 141: 자기 모멘트

Claims (18)

  1. 기판 상에 배치되고 자기 장치에 사용될 수 있는 자기 접합에 있어서,
    기준막;
    비자성 스페이서막; 및
    자유막을 포함하되,
    상기 비자성 스페이서막은 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치되고,
    상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성(pernedicular magnetic anitropy) 및 평면 외(out-of-plane) 소자(demagnetization) 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태(quiescent state)에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고,
    상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고,
    상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함하고,
    상기 자유막은 상기 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정적인 자기 상태(magnetic states) 사이에서 전환될 수 있고,
    상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우, 상기 자유막은 상기 절연성 터널링 배리어막 및 상기 추가적인 절연막 중 적어도 하나로부터 스트레스를 인가받아, 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형(magnetostriction)을 갖되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2볼트를 넘지 않는, 자기 접합.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일 방향은 평면에 수직(perpendicular-to-plane)인 자기 접합.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서막은 절연성 터널링 베리어막이고 상기 자기 접합은 비자성 절연막을 포함하는 자기 접합.
  4. 제 3항에 있어서,
    추가적인 기준막을 더 포함하되,
    상기 비자성 절연막은 추가적인 터널링 배리어막이고,
    상기 추가적인 터널링 배리어막은 상기 자유막과 상기 추가적인 기준막 사이에 배치되는 자기 접합.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자유막은 Tb 합금, Co 합금 및 TbxDy1 - xFe2 중 적어도 하나를 포함하되, x는 0보다 크고 1보다 작은 자기 접합.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.5 볼트에서 1볼트를 넘지 않는 자기 접합.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서막은 도전체이고, 상기 자기 접합은 추가적인 절연막을 더 포함하는 자기 접합.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서막은 터널링 배리어막이고 상기 자유막의 상기 제1 인터페이스와 인접하는 자기 접합.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 자유막의 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 더 포함하는 자기 접합.
  10. 적어도 하나의 자기 접합을 포함하는 복수의 자기 스토리지 셀; 및
    상기 복수의 자기 스토리지 셀과 연결된 복수의 비트 라인을 포함하되,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은,
    기준막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함하고,
    상기 비자성 스페이서막은 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치되고,
    상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성 및 평면 외 소자 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고,
    상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고,
    상기 자유막은 상기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐를 때 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 전환될 수 있고,
    상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함하고,
    상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우, 상기 자유막은 상기 절연성 터널링 배리어막 및 상기 추가적인 절연막 중 적어도 하나로부터 스트레스를 인가받아, 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형(magnetostriction)을 갖되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2볼트를 넘지 않는, 자기 메모리.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 일 방향은 평면에 수직인 자기 메모리.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 비자성 스페이서막은 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 비자성 절연막을 포함하는 자기 메모리.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 자기 접합은 추가적인 고정막(pinned layer)을 더 포함하고,
    상기 비자성 절연막은 추가적인 터널링 배리어막이되, 상기 추가적인 터널링 배리어막은 상기 자유막과 상기 추가적인 고정막 사이에 배치되는 자기 메모리.
  14. 제 12항에 있어서,
    자유막은 Tb 합금, Co 합금 및 TbxDy1 - xFe2 중 적어도 하나를 포함하되, x는 0보다 크고 1보다 작은 자기 메모리.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.5 볼트에서 1볼트를 넘지 않는 자기 메모리.
  16. 자유막, 기준막 및 상기 기준막과 상기 자유막 사이에 배치된 비자성 스페이서막을 포함하는 자기 접합으로, 상기 자유막이 상기 자기 접합을 통해 쓰기 전류가 흐르는 경우 복수의 안정적인 자기 상태 사이에서 전환될 수 있는 자기 접합을 프로그래밍하는 방법에 있어서,
    상기 자기 접합에 프로그래밍 전압을 인가하여 상기 자기 접합에 쓰기 전류를 구동하는 것을 포함하되,
    상기 자유막은 자기 모멘트, 수직 자기 이방성 및 평면 외 소자 에너지를 포함하되, 상기 수직 자기 이방성은 정지 상태에서 상기 평면 외 소자 에너지를 초과하고, 상기 자기 모멘트는 상기 정지 상태에서 일 방향을 따르고,
    상기 자유막은 상기 비자성 스페이서막과 마주보는 제1 인터페이스와, 상기 비자성 스페이서막과 반대측의 제2 인터페이스를 포함하고,
    상기 비자성 스페이서막 중 적어도 하나는 상기 제1 인터페이스와 인접하는 절연성 터널링 배리어막이고 상기 자기 접합은 상기 제2 인터페이스와 인접하는 추가적인 절연막을 포함하고,
    상기 자기 접합에 프로그래밍 전압이 인가되는 경우, 상기 자유막은 상기 절연성 터널링 배리어막 및 상기 추가적인 절연막 중 적어도 하나로부터 스트레스를 인가받아, 상기 자기 모멘트가 상기 일 방향과 적어도 5도 이상 기울어지도록 상기 수직 자기 이방성이 변화하는 자기 변형(magnetostriction)을 갖되, 상기 프로그래밍 전압은 적어도 0.1 볼트이고 2볼트를 넘지 않는, 자기 접합을 프로그래밍하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 쓰기 전류를 구동하는 것은,
    상승 에지와 하강 에지를 포함하는 전압 펄스를 제공하는 것을 더 포함하되, 상기 하강 에지는 전압 대 시간 도메인에서 유한한 기울기(finite slope)를 갖는 자기 접합을 프로그래밍하는 방법.
  18. 삭제
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