KR20060120499A - 자기저항 장치 및 그를 이용한 자기 메모리 - Google Patents

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Abstract

자기막 적층은 인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는 복수의 강자성층을 포함하는 합성 반강자성체와, 강자성을 나타내는 반전 유도층으로 구성된다. 반전 유도층은 합성 반강자성체에 강자성적으로 결합되고, 합성 반강자성체 내에서 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 작은 항전계를 갖도록 설계된다.
반강자성층, 강자성층, 유도층, 항전계, 자기 결합체

Description

자기저항 장치 및 그를 이용한 자기 메모리{MAGNETORESISTIVE DEVICE AND MAGNETIC MEMORY USING THE SAME}
도 1a는 MRAM의 전형적인 구조를 나타내는 단면도.
도 1b는 자유 자성층의 전형적인 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 강자성층의 별 모양 특성 기반의 선택적 데이터 기입을 달성하는 MRAM의 전형적인 구조를 나타내는 평면도.
도 3은 강자성층의 별 모양 특성을 설명하는 그래프.
도 4는 외부 자기장이 영(zero)인 상태에서 영이 아닌 순수 자화를 갖는 SAF의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 5는 외부 자기장이 없는 상태에서 거의 영인 순수 자화를 갖는 SAF의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 6은 토글 기입을 채용하는 MRAM의 전형적인 구조를 나타내는 평면도.
도 7은 토글 기입을 채용하는 MRAM의 작동 자기장 영역을 설명하는 그래프.
도 8은 토글 기입의 전형적인 절차를 설명하는 그래프.
도 9a는 SAF가 연자성층(반전 유도층)에 강자성적으로 결합되는 상태에서의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 9b는 SAF의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 10a는 SAF가 연자성층(반전 유도층)에 강자기적으로 결합되는 상태에서의 자유 자성층의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 10b는 SAF 내의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 10c는 연자성층의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 11a는 SAF와 반전 유도층 사이에 강자성 결합의 강도가 부적절하게 작은 상태에서의 자유 자성층 내의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 11b는 SAF와 반전 유도층 사이에 강자성 결합의 강도가 토글 기입을 달성하도록 조정된 상태에서의 자유 자성층 내의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 12는 하나의 반전 유도층만이 SAF에 강자성적으로 결합된 상태에서의 자유 자성층 내의 자화의 작용을 나타내는 도면.
도 13은 RKKY 상호 작용의 강도에 대한 비자성층의 두께의 효과를 나타내는 그래프.
도 14a는 (Ni81Fe19)1- XTaX 막의 자화 M에 대한 Ta 함유량의 효과를 나타내는 그래프.
도 14b는 (Ni81Fe19)1- XZrX 막의 자화 M에 대한 Zr 함유량의 효과를 나타내는 그래프.
도 15a는 제 1 실시예에서 MRAM의 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 15b는 제 1 실시예에서 MRAM의 자유 자성층의 구조를 나타내는 상세 단면도.
도 16a는 제 2 실시예에서 MRAM의 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 16b는 제 2 실시예에서 MRAM의 다른 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 17a는 제 1 실시예에서 MRAM의 다른 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 17b는 제 1 실시예에서 MRAM의 또 다른 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 18a는 제 3 실시예에서 MRAM의 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 18b는 제 3 실시예에서 MRAM의 다른 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 18c는 제 4 실시예에서 MRAM의 예시적인 구조를 나타내는 단면도.
도 19a는 비교예인 샘플 1과, 본 발명의 실시예인 샘플 2 및 3의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 19b는 샘플 1 내지 3의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 주위에서의 확대된 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 20a는 비교예인 샘플 4 및 5의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 20b는 샘플 4 및 5의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 근방에서의 확대된 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 21a는 본 발명의 실시예인 샘플 2 및 6의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 21b는 샘플 2 및 6의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 주위에서의 확대된 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22a는 본 발명의 실시예인 샘플 2, 7 및 10과, 비교예인 샘플 8 및 9의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22b는 샘플 2, 7, 8, 9 및 10의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 주위에서의 확대된 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22c는 샘플 2, 3, 4 및 5 내에서 자기 결합체의 강자성 결합의 강도를 추정하기 위해 준비된 샘플의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 23a는 비교예인 샘플 1과, 본 발명의 실시예인 샘플 2 및 11의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 23b는 샘플 1, 2 및 11의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 주위에서의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 24a는 비교예인 샘플 12 및 13과, 본 발명의 실시예인 샘픔 14 및 15의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 24b는 샘플 12 내지 15의 자유 자성층의 영인 외부 자기장 주위에서의 확대된 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 25a는 샘플 1 내지 15의 결정 이방성 자계 HK, 포화 자계 HS, 결정 이방성 자계 HK와 포화 자계 HS로부터 추정된 스핀 플롭(spin-flop) 자계 Hflop', 및 실제 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타내는 표.
도 25b는 샘플 1 내지 5, 7, 8, 12, 14, 및 15에 대한 MTJ 소자의 토글 기입 특성을 나타내는 표.
도 26a는 비교예인 샘플 16, 17 및 21과, 본 발명의 실시예인 샘플 18, 19, 및 20의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 26b는 샘플 1 내지 15의 포화 자계 HS, 스핀 플롭(spin-flop) 자계 Hflop', 및 동작 마진을 나타내는 표.
도 27은 샘플 24, 25의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내는 표.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1…기판 2…하부 전극
3…반강자성층 4…고정 자성층
5…비자성층 6…자유 자성층
7…접촉 전극층 11…제 1 강자성층
12…제 2 자성층 13…제 3 강자성층
14…제 4 강자성층 20…자기 결합체
21…자기 결합체 31…AF 결합 비자성층
41…강자성층 42…비자성층
본 발명은 자기저항 장치와 이것을 이용한 자기 메모리에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 인접한 두 개의 층이 반(反) 평행하게 결합되는, 복수의 강 자성층을 일체로 하여 구성되는 자유 자성층을 구비하는 자기저항 장치에 관한 것이다.
최근, 고속 기입 및 판독 액세스를 하기 위하여, MRAM(Magnetic Random Access Memory) 분야에서 연구 및 개발 활동이 활발히 이루어져 왔다. 도 1a는 전형적인 MRAM의 예시적인 구조를 나타낸다. 도 1a에 나타낸 MRAM은 기판(1), 워드선(102)과 비트선(103)(각각 하나만 도시), 및 각각 반강자성층(3), 고정 자성층(4), 비자성층(5), 자유 자성층(6)을 포함하는 자기저항 소자(하나만 도시)로 구성되어 있다. 자기저항 소자는 워드선(102)과 비트선의 각 교차점에서 배열된다. 고정 자성층(4)은 고정 자화를 가지며, 자유 자성층(6)은 반전가능한 자화를 갖는다. 기입 동작은 전형적으로 선택된 워드선(102)과 비트선(103)에 기입 전류를 공급하여 전류 유도 자계를 발생시키고, 이로써 선택된 자기저항 소자 내의 자유 자성층(6)의 자화를 반전시킴으로써 달성된다. 또는, 기입 동작은 선택된 자기저항 소자 내의 자유 자성층 내로 스핀 분극 전류를 직접 주입함으로써 달성될 수 있다. 판독 동작은 TMR 효과(Tunneling Magnetoresistance Effect), 및 GMR 효과(Giant Magnetoresistance Effect) 등과 같은 자기저항 효과에 의해 야기된 자기저항 소자에서의 저항 변화를 검출함으로써 달성된다.
다음으로, 전류 유도 자계를 발생하여 기입 동작을 달성하는 MRAM의 동작 원리를 설명한다. 자화 M, 두께 t, 및 단축 결정 이방성 에너지 K를 갖는 직사각형의 자성층은 cM×t/M의 형상 이방성 자기장과 K/2M의 결정 이방성 자계 HK를 나타내 고, 여기서, W는 직사각형 자성층의 좁은 측의 길이이고, c는 형상에 따른 계수로써 직사각형 자성층의 종횡비를 나타낸다. 통상 자기저항 소자 내인 경우에서, 자성층의 종방향이 이것의 자화 용이축 방향과 동일하다고 가정할 경우, 자성층은 단축 자기 이방성을 나타내고, 다음의 식 (1)에 의해 표현된 순수 이방성 자계 HKa를 갖는다.
HKa = cM × t/M + K/2M,
= cM × t/M + HK,
= Ka/2M …(1)
여기서, Ka는 순수 이방성 에너지이다.
종래 기술에 공지된 바와 같이, 단축 자기 이방성을 갖는 자성층에서의 자화 반전은 이상적으로는 스토너-올파스(Stoner-Wohlfarth) 모델을 따른다. 스토너-올파스 접근법에서, 자화는 임계값 자기장에서 반전되며, 이때 평면내 방향을 따라 외부 자기장이 증가하게 된다. 도 3은 자기장이 자성층에 인가될 경우 자화 반전이 발생하는 자기장 영역을 나타내는 도면으로, X축은 자기장의 자화 용이축을 따라 정의되고, Y축은 곤란축을 따라 정의된다. 임계값 자기장은 도 3에서 별모양 곡선에 의해 나타낸다. 외부 자기장이 별모양 곡선 외측 영역으로 떨어질 경우, 자성층의 자화는 자화 용이축을 따른 방향으로 플립(flip)된다.
MRAM은 전형적으로 이러한 현상을 이용하여 선택된 메모리 셀(또는 선택된 자기저항 소자) 내로 데이터 기입 동작을 선택적으로 달성하게 된다. 도 2는 이와 같이 설계된 MRAM의 예시적인 레이아웃을 나타낸다. MTJ(magnetic tunnel junction) 소자(101)(하나만 도시)가 워드선(102)과 비트선(103)의 각 교차점에서 형성된다. MTJ 소자(101)는 전기적 접속을 MTJ 소자(101)에 제공하는 하측 비아 접촉(108)으로 접속된 하측 전극 패턴(107) 상에 각각 형성된다. 이러한 MRAM에서는, 선택된 비트 및 워드선에 의해 발생된 합성 자기장이 선택된 MTJ 소자(101)에 인가되고, 선택된 MTJ 소자(101) 내의 자유 자성층의 자화가 선택적으로 반전된다.
다른 데이터 기입 기술로는 자유 자성층(6) 내로 스핀 분극 전류를 직접 주입하는 것이 있다. 스핀 분극 전류는 자화 반전시키기 위해 자유 자성층의 자화에 대해 토크를 가한다. 전류가 평면을 가로지르는 방향으로 도 1a에 나타낸 자기저항 소자에 공급될 경우, 스핀 분극 전류는 비자성층(5)을 통하여 발생되고, 스핀 토크는 자유 자성층(6)과 고정 자성층(4) 사이로 전달되어 자유 자성층(6)의 자화 반전이 달성된다. 자화의 방향은 전류의 방향을 선택함으로써 제어될 수 있다. 이는 스핀 분극 전류 전환으로 언급될 수도 있다. 분극 스핀 전류 전환을 이용하는 MRAM은 저감된 기입 전류와 기입 데이터 오류 면에서 우수하다.
인접한 두 개의 강자성층이 반강자성적으로 결합되어 있는 하나 이상의 비자성층에 의해 분리된 강자성층의 다중 적층은, MRAM에서의 메모리 셀과 자기 디스크 드라이브에서의 자기 헤드 등과 같은 자기저항 소자에 통상 사용된다. 이러한 적층은 합성 반강자성체 또는 "SAF"로 언급된다. SAF는 자기저항 소자에 있어서 소형화에 의해 수반되는 반자기장 발생을 감소하고 제어하는데 유용하다. SAF는 자기저항 소자 내에서 고정 자성층 및/또는 자유 자성층에 사용될 수 있다. 도 1b는 SAF가 자유 자성층(6)으로서 사용되는 자기저항 소자 구조를 나타낸다. 자유 자성층(6)은 비자성층(105)에 의해 분리된 두 개의 강자성층(104, 106)으로 구성되고, 참조 부호 m1과 m2로 표기된, 강자성층(104, 106)의 자화는 반 평행하게 향하고, 이때 자유 자성층(6)에는 아무런 외부 자기장도 인가되지 않는다.
SAF 내의 자유 자성층의 자화 반전 작용을 다음에 설명한다. 편의를 위해, 형상 자기 이방성은 다음의 설명에서 생략한다. SAF의 작용은 SAF가 순수 자화를 무시할 수 없는 경우와 SAF의 순수 자화를 무시할 수 있는 경우 사이에서 다르다.
우선, SAF가 무시할 수 없는 순수 자화를 갖는 경우에 대하여, SAF의 작용을 설명한다. 구체적으로는, 다음의 논의는 다른 재료로 이루어진 그리고/또는 다른 두께를 가지는 두 개의 강자성층으로 구성될 경우로, 두 개의 강자성층은 자화 M1과 M2 및 두께 t1과 t2를 각각 가지며 다음의 관계를 유지하는 것으로 가정한다.
M1·t1 ＞ M2·t2
여기서, 두 개의 강자성층은 교환 결합 에너지 JSAF와 반강자성적으로 결합된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 자화 용이축 방향으로 인가된 자기장이 영(zero)인 자기장으로부터 증가할 경우, 자화 M1과 M2사이의 반 평행 결합이 임의의 자기장 H1에서 분리되기 시작한다. 자기장이 더 증가할 경우, 자화 M1과 M2는 평행하게 향하게 된다. 자화 M1과 M2를 평행하게 향하게 하는 최소 자기장은 포화 자기장 HS로 언급한다. 상술한 자기장 M1와 자기장 HS는 각각 다음의 식 (2), (3)에 의해 표현 된다.
H1 = JSAF·[1/((M2·t2)-1/(M1·t1)] …(2)
HS = JSAF·[1/((M2·t2)+1/(M1·t1)] …(3)
자기장 H1와 HS는 SAF 내의 두 개의 강자성층의 교환 결합 에너지, 포화 자화 및 두께에 따라 다르다.
다음으로, SAF가 단지 무시할 수 있는 순수 자화를 갖는 경우에 대해 설명한다. 구체적으로는, 다음의 논의는 SAF가 교환 결합 에너지 JSAF와 결합된, 두 개의 동일하게 구조된 강자성층으로 구성된다. 강자성층이 동일한 자화 M을 갖고, 동일한 두께 t를 갖고(즉, M1 = M2 = M, t1 = t2 = t 인 경우), 동일한 결정 이방성 에너지 K를 갖는 경우, 강자성층의 결정 이방성 자기장 HK는 K/2M에 의해 표현된다. 이 경우에, SAF는 도 5에 나타낸 자화 곡선을 나타내고, 이때 외부 자기장은 자화 용이축 방향으로 인가된다. SAF에 인가된 영인 외부 자기장을 갖는 상태의 영인 순수 자화를 나타내지만, SAF는 갑자기 영이 아닌 순수 자화를 나타내게 되고, 이때 자화 용이축 방향으로 인가된 외부 자기장은 임의의 자기장 Hflop까지 증가하게 된다. 이때, 두 개의 강자성층의 자화가 서로 자기적으로 결합되고, SAF의 순수 자화가 외부 자기장 방향으로 향하도록 일정 각도를 가리킨다. 이러한 현상은 통상 스핀 플롭으로 언급되고, 스핀 플롭을 야기시키는 자기장 Hflop는 스핀 플롭 자계로 언급된다. 스핀 플롭은 외부 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 SAF의 순수 자화 가 충분히 작을 경우에만 발생하는 것을 유념한다. 두 개의 강자성층의 자화는 최종적으로 평행하게 향하고, 이때 자기장은 더 증가하게 된다. 두 개의 강자성층의 자화를 평행하게 향하게 하는 자기장을 포화 자기장 HS으로 언급한다. 스핀 플롭 자계 Hflop와 포화 자기장 HS는 다음의 식 (4), (5)에 의해 각각 표현된다.
Hflop = 2/M·[K(JSAF / t-K)]0.5
= (HS - HK)0.5 …(4)
HS = 2JSAF /(M·t)-2K/M
= 2JSAF /(M·t)-HK …(5)
식 (4)로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 스핀 플롭 자계 Hflop는 포화 자기장 HS과 이방성 자계 HK에 의해 유일하게 결정된다. 스핀 플롭 자계 Hflop는 SAF 막 내의 두 개의 강자성층 사이의 반 평행 결합이 분리되기 시작하는 자기장이며, 상술한 자기장 H1의 경우와 마찬가지이다.
데이터 기입 동작을 위해 SAF의 스핀 플롭을 사용하는 MRAM이 미국 특허 제6,545,906에 공보되어 있다. 도 6은 공보된 MRAM의 구조를 나타낸다. MTJ(201)의 종방향은 워드선(202)과 비트선(203)에 대해 45°각도로 경사져 있다. 도 8은 도 6에 나타낸 MRAM의 기입 동작 절차를 나타낸다. MTJ(201)의 자유 자성층 내의 각 각의 강자성층의 자화는 도 8에서 기호 "M1", "M2"로 표시되어 있음을 유념해야 한다.
MRAM의 데이터 기입 동작은, MTJ(201)의 자유 자성층에 인가된 자기장의 평면 방향을 회전시킴으로써 자유 자성층 내의 강자성층의 자화를 원하는 방향으로 향하게하는 것과 관련된다. 구체적으로는, 기입 전류가 먼저 워드선(202)에 공급됨으로써 시간 t1에서 자기장 HWL이 워드선(202)에 수직한 방향으로 발생한다. 이는 워드선(202)에 기입 전류가 연속적으로 공급되고 있는 상태에서, 시간 t2에서 비트선(203)에 다른 기입 전류의 공급으로 이어진다. 결과적으로, 자기장 HWL + HBL이 워드선(202)과 비트선(203)에 대해 경사진 방향, 대체로 워드선(202)와 비트선(203)에 대해 45°각도로 발생한다. 이는 시간 t3에서 기입 전류의 공급 종료가 이어지고, 한편 기입 전류는 비트선(203)에 계속 공급된다. 이 결과로 자기장 HBL이 비트선(203)에 수직한 방향(즉, 워드선(202)에 평행한 방향)으로 발생하게 된다. 그러므로, 상술한 동작은 기입 전류를 워드선(202)과 비트선(203)에 공급하여 자유 자성층에 인가된 자기장의 회전을 달성함으로써 SAF의 자유 자성층 내의 강자성층의 자화를 180°만큼 회전시키게 된다. 이후로는, 이와 같이 상술한 데이터 기입 동작을 "토글 기입"으로 언급한다.
"토글 기입"에 의거한 MRAM에서는, 워드선(202)과 비트선(203)을 통한 기입 전류에 의해 발생된 자유 자성층에 인가된 자기장이 상기 정의된 스핀 플롭 자계 Hflop보다 더 크고, 포화 자기장 HS보다 더 작도록 하는 것이 필요하며, 그렇지 않을 경우, 자유 자성층 내에서 강자성층의 자화는 원하는 방향으로 반전되지 않는다.
토글 기입에 의거한 MRAM 기입 동작은 다양한 이점을 갖는다. 하나의 이점으로는 높은 메모리 셀 선택도에 있다. 도 7은 SAF 내에서의 자화가 워드선(202)과 비트선(203)에 공급된 기입 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 반전되는 예시적인 동작 영역을 나타낸다. 원칙적으로, 워드선(202)과 비트선(203) 중 하나만이 기입 전류로 공급될 경우에는, SAF 내에서의 자화가 토글 기입시에 반전되지 않는다. 다시 말하면, 비(非)선택 메모리 셀내의 자화는 부적절하게 반전되지 않는다. 이는 MRAM의 동작 신뢰성의 관점에서 중요한 것이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, MRAM 기반의 토글 기입은 낮은 자기장측의 토글 임계 곡선을 따른 동작 영역을 나타내고, SAF 내에서의 자화는 SAF의 원래 상태와 상관없이 "1" 또는 "0"으로 바로 전환된다. 이 동작 영역은 직접 모드 반전 영역으로 언급된다. 직접 모드 반전 영역의 크기는 SAF 내에서의 두 개의 강자성층의 자화·두께 곱 사이의 차이 |M1·t1 - M2·t2| 만큼 증가되고, 직접 모드 반전 후에 SAF의 상태는 SAF 내에서의 두 개의 강자성 막의 자화·두께 곱의 수치에 따라 결정되며, 강자성층의 자화·두께 곱은 강자성층의 포화 자화와 이것의 막 두께의 곱을 취함으로써 정의된다. 이 직접 모드 반전 영역은 기입 동작에 사용될 수도 있다.
MRAM 기반의 토글 기입에서 데이터를 기입하기 위한 자기장의 감소는 스핀 플롭 자계 Hflop(식 (4)에 의해 표현됨)를 감소시킴으로써, 예를 들어, 교환 결합 에너지 JSAF를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이는 기입 마진도 감소된다는 문제점이 동반된다. 토글 기입에 있어서, 비트선과 워드선에 의해 발생된 합성 자기장이 스핀 플롭 자계 Hflop과 포화 자기장 HS사이의 전환 영역에서 변동할 경우, 연속적인 기입 동작이 달성된다. 그러므로, HS/Hflot에 의해 정의된 비율이 기입 마진을 나타내는 것으로 고려될 수 있다. 기입 마진 HS/Hflot은 식 (6)에 의해 표현된다.
HS / Hflop = Hflop / Hk …(6)
식 (6)으로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 최소 결정 이방성 자계 Hk가 일정한 범위로 제한되기 때문에, 기입 마진은 스핀 플롭 자계 Hflop에서의 감소만큼 감소된다. 그러므로, 스핀 플롭 자계 Hflop에서의 감소는 토글 기입 기반의 MRAM의 오류 기입 동작을 부적합하게 야기한다. 그러므로, 기입 전류를 감소시키려는 노력은 종래의 토글 기입 기반의 MRAM에서 반드시 한계에 부딪히게 된다. 토글 기입 기반의 MRAM은 HS/Hflop의 비가 증가함에 따라 스핀 플롭 자계 Hflop이 감소되도록 제공되면 바람직하다.
다른 데이터 기입 기술(워드선과 비트선에 의해 생성된 합성 자기장에 의해 자유 자성층의 자화를 전환시킴으로써 데이터 기입을 달성하는 MRAM과, 스핀 분극 전류 주입을 통하여 데이터 기입을 달성하는 MRAM 등을 채택하는 다른 MRAM)에서는, SAF가 감소된 순수 자화를 갖는 충분히 큰 포화 자계를 갖게하여, SAF의 전환 자계를 줄인다면 또한 바람직하다. 감소된 순수 자화를 갖는 SAF에서의 반강자성 결합의 향상은 자유 자성층의 유효 형상 자기 이방성을 효과적으로 감소시키고, 자유 자성층에서의 단자구(single domain) 형성을 촉진시킨다. 이는 SAF의 자화 전환 자계를 효과적으로 감소시키고, 또한 자화 전환 자계에서의 변동을 감소시킨다.
미국 특허 제6,714,446호는 자화 방향을 바꾸기 위해 필요한 전류의 상응하는 증가량을 최소화하는 SAF 구조가 개시 되어있다. 개시된 SAF 구조에서는 두 개의 다층 구조와 이들 사이의 개재된 스페이서층을 포함하고, 두 개의 다층 구조 각각이 두 개의 자기 서브층 및 이들 사이에 개재된 스페이서층으로 구성되어 있다. 그러나, 개시된 SAF 구조는 SAF의 포화 자계를 유지하거나 개선시키는 것에 대해서는 언급되어 있지 않다.
그러므로, 본 발명의 목적은 토글 기입 기반의 MRAM에 있어서 증가된 기입 마진을 갖는 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시키기 위한 새로운 기술을 제공하여, 기입 전류의 감소 및 실패하는 데이터 기입의 억제를 달성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 감소된 순수 자화를 갖는 SAF를 포함하는 자유 자성층을 사용하는 MRAM에서의 안정된 반강자성 결합으로 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시키기 위한 새로운 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 형태에서, 자기저항 소자는 자유 자성층과 고정된 자화를 갖는 고정 자성층으로 구성된다. 자유 자성층은 복수의 강자성층을 포함하는 제 1 합성 반강자성체과, 강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층으로 구성되고, 제 1 합성 반강자성체 내에서 두 개의 강자성층은 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합된다. 반전 유도층은 제 1 합성 반강자성체와 강자성적으로 결합되고, 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖는다. 제 1 합성 반강자성체는 두 개의 강자성층으로 구성될 수 있다. 또한, 제 1 합성 반강자성체는 3개 이상의 강자성층으로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 자기저항 소자에서, 상대적으로 감소된 항전계를 갖는 제 1 반전 유도층은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 강자성층의 자화 반전을 향상시킴으로써, 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시킨다.
바람직하게는, 자유 자성층은 강자성을 나타내는 제 2 반전 유도층을 추가적으로 포함할 수 있다. 이 경우, 제 2 반전 유도층은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계된다. 제 1 반전 유도층은 합성 반강자성체 내에서의 강자성층 중 하나의 층과 강자성적으로 결합되고, 제 2 반전 유도층은 강자성층 중 다른 층과 강자성적으로 결합된다.
자유 자성층은 제 2 합성 반강자성층을 추가적으로 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 반전 유도층은 제 1 및 제 2 합성 반강자성체 양쪽과 강자성적으로 결합된다. 이 경우, 자유 자성층은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖는 제 2 반전 유도층을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 제 2 반전 유도층은 제 1 반강자성체와 강자성적으로 결합된다.
제 1 반전 유도층의 자화가 제 1 반전 유도층에 초기에 강자성적으로 결합되어 있는 강자성층의 자화에 반 평행하게 향하게 되도록 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 완전히 분리시키는 자기장은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 큰 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 완전히 분리시키는 자기장은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 크고, 합성 반강자성체 내에서의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 합성 반강자성체의 포화 자계보다 더 작다. 이러한 구조는 본 발명의 효과를 효과적으로 향상시키고, 증가된 기입 마진을 갖는 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시킨다. 본 발명의 효과가 향상되지 않더라도, 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장이 합성 반강사정체 내에서의 강자성층의 자화를 평행하게 향하게 될 때의, 제 1 합성 반강자성체의 포화 자계보다 더 크게 되도록 적절하게 설정되는 것이 동작 안정성을 향상시키는데 바람직하다. 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 제 1 합성 반강자성체의 포화 자계의 500배 이하로 되도록 바람직하게 설정된다.
구체적으로는, 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결 합의 강도는 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합의 강도의 1/50 이상이고, 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합의 강도의 500배 이하인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 자유 자성층의 순수 자화는 합성 반강자성체(들)와 반전 유도층(들) 내에서의 강자성층의 포화 자화의 합의 10%보다 작다. 이 경우, MRAM은 이와 같이 설계된 자유 자성층을 일체로 하여 구성하는 자기저항 소자로 구성되는 것이 바람직하고, 이 자기저항 소자는 자유 자성층의 자화 용이축이 워드선과 비트선에 대해 45°각도로 향하도록 수직으로 배열된 워드선과 비트선의 각각의 교차점에 배열된다.
바람직하게는, 제 1 반전 유도층은 비자성 소자를 포함하는 자기 결합체를 통하여 합성 반강자성체와 자기적으로 결합된다.
자기 결합체는 두 개 이상의 비자성 소자, 또는 다른 비자성 소자로 이루어진 두 개 이상의 적층막의 합금 또는 화합물로 구성되는 것이 바람직하다. 자기 결합체는 제 1 합성 반강자성체 내에서의 비자성층(들)의 두께(들)보다 더 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 자기 결합체에 포함된 적어도 하나의 소자는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된다. 다른 바람직한 실시예에서, 자기 결합체는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료의 산화물, 질화물, 또는 탄화물을 포함한다.
일 실시예에서, 자기 결합체는 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 제공하는 핀홀(pinhole)을 갖는 층으로 구성된다. 자기 결합체는 0.4 내지 1.5㎚ 범위의 평균 두께를 갖는다.
자유 자성층의 열안정성을 향상시키기 위해서, 자기 결합체는 그 상면 및 저면과 접촉된 강자성층 내에 포함된 자기 소자보다 더 낮은 산화물 형성 에너지를 갖는 소자의 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 자기 결합체는 그 상면 및 저면과 접촉된 강자성층 내에 포함된 자기 소자보다 더 낮은 질화물 형성 에너지를 갖는 소자의 질화물을 포함하는 것 또한 바람직하다. 대신에, 자기 결합체는 그 상면 및 저면과 접촉된 강자성층 내에 포함된 자기 소자보다 더 낮은 탄화물 형성 에너지를 갖는 소자의 탄화물을 포함하는 것 또한 바람직하다. 이와 같이 설계된 자기 결합체는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 게르마늄, 리튬, 베릴륨, 바륨, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 니오븀, 몰리브덴, 세륨, 이트륨, 및 란탄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 포함할 수 있다. 자기저항 비에 있어서 자기 특성을 제어하고 열안정성을 개선하기 위하여, 자기저항 소자는 제 1 반전 유도층의 일면이 자유 및 고정 자성층 사이에서 비자성층과 직접 접속되고, 타면은 그와 같이 설계된 자기 결합체와 직접 접속되어, 자기 결합체가 합성 반강자성체 내에서 하나의 강자성층과 직접 접속되고, 이 하나의 강자성층이 비자 성 소자를 포함하는 막을 일체로 하여 구성되도록 설계되는 것이 바람직하다. 비자성 소자를 포함하는 막은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합 강도의 제어를 제공한다.
다른 실시예에서, 자기 결합체는 반전 유도층이 합성 반강자성체와 강자성적으로 결합되는 두께를 갖도록, 주로 루테늄, 크롬, 레늄, 이리듐, 로듐, 은, 구리, 및 이트륨으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료로 이루어진다. 일 실시예에서, 자기 결합체는 1.1 내지 1.7㎚, 또는 2.3 내지 2.9㎚ 범위의 평균 두께를 갖는 루테늄 막으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자기 결합체는 철, 코발트, 및 니켈로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 강자성 소자와, 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 비자성 소자를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 자기 메모리는 자유 자성층, 고정 자성층, 및 자기막 적층으로 구성된다. 자기막 적층은 인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는 다중 강자성층을 일체로 하여 구성된 합성 반강자성체과, 합성 반강자성체와 강자성적으로 결합되는 강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층으로 구성된다. 제 1 반전 유도층은 합성 반강자성체 내에서의 반 평행하게 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖는다. 본 발명의 효과를 향 상시키기 위해, 자기막 적층이 강자성을 나타내는 제 2 반전 유도층을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제 2 반전 유도층은 합성 반강자성체 내에서의 반 평행한 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖는다. 제 1 반전 유도층은 합성 반강자성체 내에서의 강자성층 중 하나의 층과 강자성적으로 결합되고, 제 2 반전 유도층은 강자성층의 다른 층과 강자성적으로 결합된다.
반전 유도층의 자화를 초기에 반전 유도층에 강자성적으로 결합되는 강자성층의 자화에 반 평행하게 향하도록 하기 위하여 반전 유도층과 합성 반강자성층 사이의 강자성 결합을 완전히 분리하는 자기장은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 큰 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 제 1 반전 유도층과 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 완전히 분리하는 자기장은 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 크고, 합성 반강자성체 내에서의 강자성층의 자화가 평행하게 향할 때의 합성 반강자성체의 포화 자계보다 더 작다. 그러므로, 자기막 적층은 포화되어 반전되기에 용이해 진다. 반전 유도층과 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은, 합성 반강자성체 내에서의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 제 1 합성 반강자성체의 포화 자계보다 더 크도록 설정되는 것이 향상된 동작 안정성에 있어서 바람직하다. 반전 유도층과 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 합성 반강자성체의 포화 자계의 500배 이하인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 반전 유도층과 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합의 강도는 합성 반강자성체 내에서의 반강 자성 결합의 강도의 1/50 이상이고, 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합의 강도의 500배 이하이다. 바람직하게는, 자기막 적층의 순수 자화는 합성 반강자성체 내에서의 강자성층과 반전 유도층의 포화 자계의 합의 10% 미만이다.
본 발명은 적합한 강자성 결합에 의해 결합되는, SAF와 연자성막을 일체로 구성하는 적층된 자유 자성층이 SAF와 연자성막의 자화 반전 특성의 적합한 조합에 의해 특징지어진, 원하는 자화 반전 특성을 나타내는 발견에 의거한 것이다. 이와 같이 구성된 적층된 자유 자성층의 자화 반전 작용을 다음에 설명한다.
도 9a 내지 9c는 외부 자계가 자화 용이축 방향으로 인가될 경우, 본 발명의 적층된 자유 자성층, 두 개의 강자성층으로 구성된 SAF, 및 두 개의 자기적으로 독립된 연자성막으로 구성된 구조의 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 10a 내지 10c는 외부 자기장이 고정 자성층의 자화 용이축 방향으로 인가될 경우 각 강자성층의 자화의 배치를 나타낸다. 국부 자기 모멘트의 분포가 각 강자성층내에 존재하게 되는 것에 유의해야 한다. 도 10a 내지 도 10c의 H(1), H(2), 및 H(3) 기호는 다른 강도의 외부 자기장을 표시한다. 외부 자기장 H(1), H(2), 및 H(3)는 이 순서로 증가한다. 고정 및 자유 자성층의 자화가 평행하게 배열되는 상태를 "0" 상태로 정의하고, 한편 반 평행인 상태를 "1" 상태로 정의하기로 한다. 도 10a 내지 10c에서, m11 및 m21는 SAF 내에서의 강자성층의 자화를 나타내고, m12 및 m22는 연자성막의 자화를 나타낸다. 도 9a 내지 10a는 연자성막이 SAF의 상측과 하측 양쪽에 설치되는 적층된 자유 자성층의 특성을 나타내고 있는 것에 또한 유의해야 한다.
도 9c 및 10c에 나타낸 바와 같이, 연자성층으로만 구성된 적층된 자유 자성층 내에서의 자화는 연자성층의 항전계 Hsoft과 동일한 작은 자기장에서 반전된다. 항전계 Hsoft는 식 (1)에 의해 표현된 순수 이방성 전계와 동일하다.
한편, SAF는 도 9b와 10b에 나타낸 바와 같이, 외부 자기장이 SAF에 인가될 때, 스핀 플롭 자계 Hflop1에서 스핀 플롭을 나타낸다.
외부 자기장이 항전계 Hsoft를 초과할 경우, 연자성층의 자화가 외부 자기장 방향으로 반전되기 때문에, 연자성층이 SAF의 강자성층에 적절한 강도로 자기적으로 결합된 경우, 연자성층은 자기 결합을 통하여 SAF 내에서의 강자성층의 자화의 회전을 향상시킨다. 이는 도 9a 및 10a에 나타낸 바와 같이, 초기의 스핀 플롭 자계 Hflop1보다 더 낮은 자기장에서 SAF의 스핀 플롭을 향상시킨다. 즉, SAF의 스핀 플롭은 연자성층의 자화 반전에 의해 생성된 토크에 의해 유도된다. 연자성층은 이러한 효과를 제공하기 때문에, 연자성층은 반전 유도층으로 언급될 수 있다.
반전 유도층의 항전계 Hsoft는 SAF의 스핀 플롭 자계보다 더 작지 않을 경우, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 반전 유도층과 SAF사이의 결합 강도 또한 중요하다. 도 11a에 나타낸 바와 같이, SAF가 스핀 플롭을 나타내기 전에 반전 유도층과 SAF가 반전 유도층과 SAF 사이의 약한 강자성 결합으로 인해 완전히 자기적으로 분리될 경우, 반전 유도층의 자화만이 외부 자기장 방향으로 반전되고, SAF 내에서의 강자성층은 반전되지 않은 상태로 남는다. 이는 SAF의 스핀 플롭의 유도가 낮은 외부 자기장을 갖는 것을 방지한다. 그러므로, 반전 유도층의 자화가 SAF 내에서의 인접한 강자성층에서 반 평행하게 향하기 되도록 하기 위해, 반전 유도층과 SAF 사이에 강자성 결합이 완전히 분리될 때의 자기장은 SAF의 반 평행 결합이 분리되기 시작하는 자기장, 또는 스핀 플롭 자계보다 큰 것이 바람직하다.
반전 유도층과 SAF사이의 강자성 결합은 토글 기입에 사용된 자기장 범위에서 분리되기 시작하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 자기 결합은 토글 기입의 동작 자기장 범위에서 완전히 분리되지 않기 때문에, SAF와 반전 유도층 사이의 강자성 결합이 SAF 내에서의 강자성층의 자화가 평행하게 향할 때의 포화 자계까지 유지되는 것이 바람직하다. 이 경우, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 SAF의 포화 자계보다 크게 될 때만 필요하다.
그러나, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 지나치게 향상될 경우, 반전 유도층은 SAF의 스핀 플롭 자계를 감소시키기에는 충분하지 않다. 또한, SAF가 반전 유도층에 강자성적으로 매우 강하게 결합될 경우, 반전 유도층과 SAF 내에서의 인접한 강자성층은 하나의 강자성층으로써 동작하게 된다. 이는 자유 자성층이 두꺼운 강자성층을 갖는 공지의 SAF와 동일한 자화 반전 동작을 나타내도록 야기하여 바람직하지 못하다. 그러므로, 원하지 않는 동작을 야기하지 않도록, 자유 강자성층은 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 반전 유도층과 SAF가 자기적으로 분리되지 않는 한도까지 적절하게 향상되도록 바람직하게 설계된다. SAF가 두꺼운 지기막들을 일체로 하여 구성하는 공지의 SAF와 동일한 자화 반전 동작을 나타내는 것을 회피하기 위하여, 자유 자성층은 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 분리 되기 시작할 때의 자기장이 SAF의 포화 자계의 500배 또는 미만으로 설정되도록 바람직하게 설계된다.
상술한 바와 같이, 반전 유도층과 SAF가 자기적으로 분리되지 않는다는 것이 중요하다. 반전 유도층과 SAF층의 자기 결합이 적절하게 향상될 경우, 반전 유도층은 SAF의 자화 반전을 효과적으로 향상시키고, 그것의 스핀 플롭 자계를 감소시키며, 그것의 포화 자계를 증가시킨다. 도 11b는 자유 자성층 내에서의 각 강자성층의 원하는 자화 반전 동작의 일례를 나타낸다. 먼저, 반전 유도층의 자화가 자기장 방향으로 회전하기 시작하고, 다음에 SAF 내에서의 강자성층의 자화가 자기장 방향으로 회전된다. 반전 유도층의 자화는 SAF 내에서의 강자성층의 자화에 비하여 자기장의 방향에 근접하여 향한다. 이러한 상태에서, SAF 내에서의 강자성층의 자화가 반전 유도층의 반전에 따르기 때문에, SAF 내에서의 강자성층은 스핀 플롭을 나타낸다. 도 11a에 나타낸 바와 같이, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합은 반전 유도층과 SAF가 SAF 내에서의 강자성층의 자화가 반전 유도층의 자화의 반전을 따르는 것을 방지하기 위해 자기적으로 분리되는 한도까지 약해져서는 안 된다.
본 발명자는 반전 유도층과 SAF 내에서의 강자성층이 동일한 두께를 적절히 갖는 경우에 있어서, SAF 내에서의 강자성층들 사이의 반강자성 결합의 강도에 대한 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합 강도의 비율과 자유 자성층의 수율과 자기 특성의 관련성을 추가적으로 실험하였다. 본 발명자의 실험 결과, 반전 유도층과 SAF 사이의 완전 자기 분리를 회피하기 위하여, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합의 강도가 SAF 내에서의 두 개의 인접한 강자성층 사이의 반강자성 결합의 강도 의 1/50 이상인 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 또한, 본 발명의 유효한 효과를 나타내기 위하여, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합 강도는 SAF 내에서의 강자성층 사이의 반강자성 결합의 강도의 500배 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합의 강도는 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장이 SAF 내에서의 강자성층들이 반 평행 배치를 벗어나 위치되기 시작할 때의 자기장 보다 더 크고, SAF 내에서의 강자성층의 자화가 결국 평행하게 향하게 되는 자기장인 SAF의 포화 자계보다 더 작도록 조정되는 것이 바람직하다.
자유 자성층이 하나 또는 다수의 반전 유도층을 포함할 수 있지만, 자유 자성층 내에서의 반전 유도층의 개수는 다수로 하는 것이 바람직하다. 자유 자성층이 외부 자기장이 인가되지 않은 상태에서 서로 반 평행하게 향하는 자화를 갖는 두 개의 반전 유도층을 포함할 경우, SAF의 자화 반전은 자유 자성층이 하나의 반전 유도층만을 포함하고 있는 경우에 비해 크게 유도된다. 자유 자성층이 하나의 반전 유도층만 포함할 경우, 반전 유도 효과는 자유 자성층의 두 개의 가능한 상태 중 하나에서만 얻어지며, 이 상태에서 하나의 반전 유도층의 자화는 외부 자기장에 대해 반 평행하게 된다. 도 10a에 나타낸 바와 같이, 자유 자성층이 외부 자기장이 인가되지 않은 상태에서 서로 반 평행하게 향해진 자화를 갖는 두 개의 반전 유도층을 포함할 경우, 자유 자성층이 위치하는 두 개의 가능한 상태와 관계없이 반전 유도 효과가 두 개의 반전 유도층 중 하나에 의해 얻어지기 때문에, 원하는 반전 유도 효과가 SAF의 스핀 플롭 자계를 감소시키도록 항상 얻어진다.
자유 자성층이 두 개의 가능한 상태 중 어느 하나의 상태에 위치될 경우에만, 하나의 반전 유도층을 갖은 자유 자성층은 스핀 플롭 자계를 감소시키는 반전 유도 효과를 갖는다. 이 경우, 도 12에 나타낸 바와 같이, 자유 자성층 내로의 데이터 기입은 자유 자성층이 두 개의 가능한 상태 중 어느 하나의 상태에 위치할 경우 토글 기입을 사용하고, 자유 자성층이 다른 상태에 위치할 경우 감소된 자기장으로 데이터 기입이 가능한 직접 모드 기입을 사용하여 바람직하게 달성된다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 이러한 데이터 기입 체계는 자유 자성층의 상태와 상관없이 감소된 자기장으로 데이터 기입을 효과적으로 달성된다. 이 경우, 자유 자성층 내에서의 SAF는 직접 모드 반전 영역을 나타내도록 설계된다. 일 실시예에서, SAF는 직접 모드 기입이 가능하도록 다른 두께를 갖는 두 개의 강자성층을 일체로 하여 구성할 수 있다.
반전 유도층에 의해 스핀 플롭 자계를 감소시키는 기술이 두 개 이상의 비자성층에 의해 분리된 3개 이상의 강자성층으로 구성된 다층 SAF와, 두 개 이상의 SAF로 구성된 적층된 자유 자성층에 또한 적용가능하다.
자유 자성층의 "0"과 "1"로의 전환이 토글 기입에 의해 모두 달성될 경우, 자유 자성층의 순수 자화는 영(zero)에 근접한 것이 바람직하다. 바람직하게는, 자유 자성층의 순수 자화는 SAF 내에서의 각 강자성층의 자화와 반전 유도층의 자화의 합의 10% 미만이다. 그렇지 않은 경우, 자유 자성층 내에서의 SAF는 토글 기입에서 필요로 되는 스핀 플롭을 야기하지 않으므로, 자유 자성층의 순수 자화는 자기장 방향으로 직접 반전된다.
MRAM의 메모리 셀의 레이아웃에 있어서, 자기저항 소자는 서로 수직으로 교차하는 워드선과 비트선의 각 교차점에 위치되는 것이 바람직하고, 각 자기저항 소자의 자유 자성층의 자화 용이축은 워드선과 비트선 방향에 대하여 약 45°의 각도로 향하는 것이 바람직하다.
반전 유도층과 SAF 사이에 원하는 자기 결합을 달성하기 위한 하나의 바람직한 접근으로는 반전 유도층과 SAF 사이의 비자성 소자를 포함하는 자기 결합체를 개재시키는 것이다. 자기 결합체는 다양한 자기 결합을 나타내는, 다양한 조성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 자기 결합체는 SAF로부터 반전 유도층을 부분적으로 분리시키는 비자성 부재로 구성될 수 있다. 반전 유도층과 SAF 사이의 직접 접촉은 강한 강자성 교환 결합을 야기하지만, 비자성 부재는 강자성 교환 결합을 적절히 약하게 한다. 이와 같이 설계된 자기 결합체는 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 자기 결합의 강도의 제어를 달성한다. 강자성 결합의 강도는 비자성 부재에 의해 분리된 반전 유도층과 SAF의 면들의 영역으로 폭넓게 제거가능하다. 비자성 부재에 대해 요구되는 것은 단지 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 결합을 분리하는 것이다. 그러므로, 비자성 부재는 대부분의 임의의 비자성 소자로 이루어질 수 있다. 구체적으로는, 탄탈룸, 루테늄, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료로 이루어질 수 있다. 구체적인 사용에 있어서, 상기 기술된 비자성 소자의 산화물, 질 화물 또는 탄화물의 사용이 열안정성 때문에 강자성 결합을 안정하게 약화시키는데 더욱 바람직하다. 산화물, 질화물 또는 탄화물의 사용으로 자기 결합체에 인접한 강자성층과 열 확산이 회피된다.
일 실시예에서, 자기 결합체는 원하는 강도로 강자성 결합을 제공하는 핀홀(pinhole)을 갖는 비자성층으로 구성될 수 있다. 비자성층을 통한 닐(Neel) 결합 및/또는 교환 상호 작용은 비자성층의 재료에 따라 핀홀에 추가된 강도로 원하는 강자성 결합을 제공하는데 기여할 수도 있다. 자기 결합체의 평균 두께는 0.4 내지 1.5㎚ 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.0㎚이다.
이러한 얇은 비자성층을 자기 결합체로서 사용하는 것은 다양한 영향, 즉, 그 바로 위 또는 떨어진 위쪽에 형성된, 층의 결정 방향과, 자기저항 소자의 자기저항 비율에서의 변화 등을 가지면서, 강자성 결합 강도의 제어를 달성한다. 자기 결합체 내에서의 다층의 비자성 소자를 사용하는 것은 자기저항 소자의 특성을 원하는 대로 제어하도록 한다. 이 경우, 자기 결합체는 다른 비자성 소자로 만든 두 개 이상의 막 또는 두 개 이상의 비자성 소자의 합금으로 만든 막으로 구성될 수 있다. 후자가 비용 절감면에서 더 바람직하다.
자유 자성층의 열안정성을 향상시키기 위하여, 자기 결합체는 열적으로 안정한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 예로는 비금속 재료를 들 수 있다. 대부분의 비금속 재료는 높은 용융점과 순도를 가지며, 금속 재료에 거의 용융되지 않는 고체이다. 그러므로, 비금속 재료의 사용은 자유 자성층 내에서의 자기 결합체와 강자성층 사이의 상호 확산을 회피하는데 바람직하다. 자유 자성층 내에서의 자기 결합체를 안정화하기 위하여, 자기 결합체의 상면 및 저면과 접촉된 강자성층에 포함된 자기 소자(들)보다 더 낮은 산화물 형성 에너지를 갖는 소자의 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 자기 결합체 내에서의 이러한 산화물은 높은 용융점을 갖는 높은 온도에서 안정하고, 인접한 강사정층으로 산소가 거의 확산되지 않는다. 대신에, 자기 결합체는 강자성층에 포함된 자기 소자(들)에 비하여, 더 낮은 질화물 형성 에너지를 갖는 소자의 질화물 또는 더 낮은 탄화물 형성 에너지를 갖는 소자의 탄화물로 이루어질 수 있다. 산화물의 경우와 마찬가지로, 자기 결합체 내에서의 질화물 또는 탄화물은 높은 용융점을 갖는 높은 온도에서 안정하고, 인접한 강자성층 내로 질소 또는 탄소가 거의 확산되지 않는다. 또한, 탄화물과 질화물은 통상 도전성을 가지며, 자기 결합체로 도전성 질화물 또는 탄화물의 사용은 자기저항 소자의 저항을 유리하게 감소시킨다. 도전성의 질화물 또는 탄화물의 자기 결합체는 자기저항 소자 내에서의 직렬접속 저항으로 기능하지 않는다.
철, 니켈, 코발트 및 이들의 합금이 전형적으로 강자성층으로써 사용되는 것으로 보면, 자기 결합체는 철, 니켈, 및 코발트(즉, 철, 니켈, 및 코발트보다 산화, 질화, 또는 탄화되기 어려운 소자)에서보다 더 낮은 산화물, 질화물, 또는 탄화물 형성 에너지를 갖는 소자의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 자기 결합체는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 게르마늄, 리튬, 베릴륨, 바륨, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 니오븀, 몰리브덴, 세륨, 이트륨, 및 란탄의 산화물, 질화물, 또는 탄화물로 이루어지는 것이 바람직 하다.
SAF 내에서의 반 평행 결합 강도의 제어는 본 발명의 자유 자성층에 있어서 또한 중요하다. 자기 결합체의 삽입은 자기 결합체에 형성된 SAF 내에서의 강자성층의 결정도에 바람직하지 않은 효과를 야기할 수 있고, SAF 내에서의 반강자성 결합에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있다. SAF 내에서의 반강자성 결합 강도의 제어를 위한 하나의 접근으로는 자기 결합체의 상면에 형성된 SAF 내에서의 강자성층에 비자성 소자를 포함하는 층을 구비시키는 것이다. 예를 들어, 자기 결합체 상에 형성된 SAF의 강자성층 내로 비자성 탄탈룸 또는 지르코늄의 0.4㎚ 이하의 두께를 갖는 초박층을 삽입함으로써, SAF 내에서의 강자성층의 결정 배향을 효과적으로 조성하여, SAF 내에서의 반강자성 결합을 향상시킨다.
상술한 열적으로 안정한 재료로 이루어진 자기 결합체는 자유 및 고정 자성층 사이에 설치된 비자성층 내의 초박형 비자성층의 비자성 소자(탄탈룸 및 지르코늄)의 확산을 억제하고, 자기저항 소자의 자기저항 비율에서의 바람직하지 못한 감소를 회피하는 확산 배리어층으로써 또한 기능하는 것에 유의해야 한다. 결과적으로, 자기 결합체에 대해 열적으로 안정한 재료의 사용은 자유 자성층의 자기 특성의 향상된 열안정성과 제어능력을 효과적으로 달성하고, 한편 자기저항 비율의 개선된 열안정성을 달성한다. 이는 MRAM의 판독 및 기입 동작에 있어서의 열안정성을 개선시키는데 상당하게 유리하다.
다른 실시예에서, 자기 결합체는 루더만(Rudermann), 키텔(Kittel), 카수야(Kasuya), 요시다(Yoshida)(RKKY) 상호 작용이 SAF와 반전 유도층 사이에 영향을 미치게 되며, RKKY 상호 작용은 강자성층 내에서의 강자성 전자(電子)의 국부 자기 모멘트의 자기 상호 작용이 비자성층 내에서의 비자성 전자의 자유 전자에 의해 전달되는 현상에 의해 야기된 상호 작용임에 유의해야 한다. RKKY 상호 작용은 SAF 내에서의 반강자성 결합과 동일한 종류의 상호 작용이다. 종래 기술에 공지된 바와 같이, RKKY 상호 작용으로부터 생기는 자기 결합은 비자성층의 두께에서의 증가와 함께 감쇠된 진동을 나타내고, 반강자성 결합과 강자성 결합을 번갈아 야기시킨다(도 13 참조). 본 발명자의 실험에 따르면, 진동의 진폭과 주기는 비자성층과 강자성층의 재료의 조합에 따라 다르고, 또한 강자성층과 비자성층의 결정 배향에 따라 다르게 된다. Fe, Co, Ni, 및 이들의 합금 등과 같은 자기 재료로 이루어진 강자성층에 있어서, RKKY 상호 작용은 주로 루테늄, 크롬, 레늄, 이리듐, 로듐, 은, 구리, 이트륨으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료로 비자상층을 조성함으로써 달성된다. 비자성 자기 결합체의 두께는 강자성 결합 강도가 국부적으로 최대인 피크에 대응하는 두께로 조정되는 것이 바람직하다. 이는 자기 결합체에 의해 야기된 강자성 결합을 효과적으로 안정시키고, 자기 결합체의 막 두께 변동에 의해 야기된 바람직하지 않은 영향을 감소시킨다.
자기 결합체는 일정 범위에서 강한 강자성 상호 작용을 나타낼 필요가 있다. 자기 결합체는 주로 루테늄으로 구성되고, 자기 결합체는 1.1 내지 1.7㎚, 또는 2.3 내지 2.9㎚의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하며, 이는 자기 결합체가 제 1 또는 제 2 강자성 피크에 대응하여 강자성 상호 작용을 나타내도록 한다.
또 다른 실시예에서, 자기 결합체는 감소된 자화를 갖는 강자성층으로 형성 될 수 있으며, 이렇게 구성된 자기 결합체는 SAF 내에서의 반전 유도층과 인접한 강자성층 사이에 강자성 결합을 조절하도록 한다. 이 경우, 자기 결합체는 철, 코발트, 및 니켈로 구성된 그룹에서 선택된 강자성 소자와, 탄탈룸, 루테늄, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성된 그룹에서 선택된 비자성 소자의 합금으로 이루어진 복합 강자성 재료로 구성될 수 있다. 또는, 자기 결합체는 강자성 소자(들)로 이루어진 복합 강자성 재료, 및 비자성 소자의 산화물, 질화물, 또는 탄화물로 구성될 수 있다. 이러한 복합 강자성 재료는 강자성 결합 강도를 그것의 두께와 비자성과 강자성 소자의 조성으로 제어하는 자기 결합체로서 효과적으로 기능한다.
예를 들어, 도 14a와 도 14b는 4㎚의 두께에 대하여 Ta와 NiFe, 및 Zr과 NiFe의 합금막의 자화와 조성과의 관계를 나타낸다. 감소된 자화를 갖는 강자성을 제공하는, 자기 결합체의 바람직한 Ta와 Zr 함유량이 도 14a 및 14b에서 화살표로 지시되어 있다. 이 경우, 자기 결합기 두께의 증가는 자기 결합기에 의해 야기된 강자성 결합 강도에서의 감소를 야기한다. 강자성 결합의 강도는 매개 강자성층을 통하여 감소된 자화를 갖는 두 개의 강자성층 사이의 강자성 결합 강도가 서로 직접 접촉한 두 개의 강자성층 사이의 강자성 결합 강도보다 더 약하다는 사실을 이용하여 적절하게 조정될 수 있다. 이 실시예의 하나의 이점으로는 자기 결합체가 증가된 두께를 갖도록 하여, 제조 동안에 막 두께의 탁월한 제어능력을 달성한다는 것이다.
또 다른 실시예에서, 자기 결합체는 강자성 소자의 산화물, 질화물, 또는 탄화물로 구성될 수 있다. 일반적으로, 강자성 소자의 산화물, 질화물, 또는 탄화물은 감소된 자화를 갖는 강자성 재료 또는 반강자성 재료이다. 강자성 소자의 산화물, 질화물, 및 탄화물로 이루어진 자기 결합체는 1.0 내지 2.0㎚ 이하의 두께를 가질 경우, 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 결합을 야기하게 된다. 강자성 결합 강도는 자기 결합체 내에서의 강자성 소자의 두께 및 조성으로 제어가능하다.
자기 결합체의 상술한 네 종류 중 하나, 두 종류 이상의 자기 결합체가 상황에 따라 하나의 자유 자성층 내에서 일체로 형성될 수 있다. 각 자기 결합체는 하나의 비자성 소자, 또는 두 개 이상의 비자성 소자로 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이, 두 개 이상의 비자성 소자로 이루어진 자기 결합체는 제어를 더욱 쉽게 하고 자기저항 소자의 특성을 향상시킨다.
반전 유도층의 재료 및 두께는 자유 자성층의 형상에 따라 설계되어야하며, 반전 유도층과 SAF 사이의 결합 강도는, 특히, 고집적 MRAM 셀에 있어서 형상 자기 이방성에 따라 매우 의존하기 때문이다. 특히, 반전 유도층의 증가된 두께는, 식 (1)에서 알 수 있는 바와 같이, 그 항전계를 증가시키고, 자기 결합체를 통하는 결합 에너지 JC 이외에, 또한 무시할 수 없는 영향을 미치는 큰 정자기 결합으로 인한 반강자성 결합 에너지 JD를 야기하게 된다. 고집적 MRAM 셀에서의 반전 유도층과 SAF 사이의 전체 자기 결합 에너지 JC'는 식 (7)에 의해 표현된다.
JC' = JC - JD
= JC - D·MC·tC/W …(7)
여기서, D는 종횡비 등과 같은, 자기저항 소자의 자유 자성층의 형상에 의해 결정된 계수이며, 종횡비가 감소함에 따라 증가하고, MC는 반전 유도층의 포화 자화이며, tC는 반전 유도층의 막 두께이며, W는 자유 자성층의 폭이다. 고집적 MRAM 셀은 SAF의 스핀 플롭을 감소시키기 위해 적절하게 조정되는 전체 자기 결합 에너지 JC'를 필요로 한다. 그러므로, 자유 자성층의 바람직한 적층 구조는 자유 자성층의 형상에 따라 다르다.
전체 자기 결합 에너지 JC'가 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 결합에 관한 전체 에너지의 진폭을 나타냄에 유의한다. SAF 내에서의 각 강자성층의 자화가 안정될 경우, 반전 유도층의 자화보다 매우 큰 자화-두께 곱을 갖으므로, 전체 자기 결합 에너지 JC'는 대략 MC·tC·HC1과 동일하며, 여기서 HC1은 반전 유도층이 SAF로부터 자기적으로 분리되기 시작할 때의 자기장이다. 본 발명의 자유 자성층은 SAF 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 커지는 자기장 HC1이 필요하다(즉, 스핀 플롭 자계 Hflop 또는 SAF의 자기장 H1).
다음에서, 본 발명에 따른 자기저항 소자의 예시적인 구조를 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 15a는 본 발명의 제 1 실시예에서의 MRAM의 메모리 셀의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. MRAM은 기판(1), 기판(1)상에 형성된 하부 전극(2), 반강자성 재료로 형성된 반강자성층(3), 고정 자성층(4), 비자성층(5), 자유 자성층(6), 및 접촉 전극층(7)을 구비한다. 반강자성층(3)은 고정 자성층(4)에 교환 상호 작용을 미쳐서, 고정 자성층(4)의 자화를 고정키신다. 고정 자성층(4)은 강자성층(41)을 포함하는 SAF와, AF(antiferromagneticall) 결합하는 비자성층(42)과, 강자성층(43)으로 구성된다. 고정 자성층(4)의 자화는 반강자성층(3)에 의해 고정된다. 다른 실시예에서, 고정 자성층(4)은 단일 강자성층으로 형성될 수 있다.
비자성층(5)은 매우 얇은 비자성체 또는 얇은 전극 도체로 형성된다. 자유 자성층(6)은 SAF를 일체적으로 하는 다층 적층으로 형성되고, 자유 자성층(6) 내에서의 강자성층의 자화를 반전시킬 수 있다. 자유 자성층(6) 내에서의 자화 방향은 저장된 데이터에 의해 결정된 방향으로 향하게 된다.
고정 자화층(4), 비자성층(5) 및 자유 자성층(6)으로 구성된 자기저항 소자는 자기 터널 효과를 나타내는 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)으로써 기능하고, 이때 비자성층(5)은 절연층이다. MTJ 소자의 저항은 자유 자성층(6) 내에서의 강자성층의 자화의 방향, 즉, 자유 자성층(6) 내에 저장된 데이터에 따라 터널 자기저항 효과로 인해 변화된다. MRAM의 데이터 판독 동작은 MTJ 소자의 저항에서의 변화에 의거한다. 비자성층(5)은 Al203, AlN, MgO, Zr02, 또는 HfO2의 비결정질 막, 또는 MgO의 결정질 막으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 접촉 전극층(7)은 100㎚의 탄탈 막으로 형성된다..
한편, 비자성층(5)이 도체층으로 형성될 경우, 자기저항 소자는 거대 자기저항 효과를 나타내는 CPP-GMR(Current Perpendicular in-Plane giant magnetoresistive) 소자로서 기능한다. 이 경우, 비자성층(5)은 구리, 은, 금, 루테늄 또는 다른 비자성 도전 재료로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, MRAM은 토글 기입을 실시하도록 설계될 수 있다. 이 경우, 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 고정 자성층(4), 비자성층(5) 및 자유 자성층(6)으로 구성된 자기저항 소자는 세로 방향(즉, 고정 자성층(4)과 자유 자성층(6)의 자화 용이축의 방향)이 워드선과 비트선에 대해 45°각도로 향하도록 배열된다. 기입이 종래 별 모양 곡선 기반의 체계에 의해 실시될 경우, 자기저항 소자는 세로 방향이 워드선 또는 비트선에 평행하게 향하도록 배열된다.
자유 자성층(6)은 비자성층(5) 상에 형성된 제 1 강자성층(11), 제 2 자성층(12), 및 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이에 개재된 자기 결합체(20)를 포함한다. 자유 자성층(6)은 제 2 강자성층(12) 상에 형성된 AF 결합 비자성층(31), 비자성층(31) 상에 형성된 제 3 강자성층(13), 제 4 강자성층(14), 및 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이에 개재된 자기 결합체(21)를 포함한다. 접촉 전극층(7)은 제 4 강자성층(14) 상에 형성된다.
AF 결합 비자성층(31)은 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13) 사이의 반강자성 결합을 제공하도록 설계되고, 제 2 강자성층(12)의 적층, 제 3 강자성층(13), 및 이들 사이에 개재된 AF 결합 비자성층(31)은 SAF로써 기능한다. AF 결합 비자성층(31)은 루테늄, 크롬, 레늄, 이리듐, 로듐, 은, 구리, 및 이트륨으로 이루어지, 그 막 두께는 반강자성 결합을 제공하도록 조정된다. 보다 구체적으로는, AF 결합 비자성층(31)은 루테늄으로 이루어지고, AF 결합 비자성층(31))의 두께은 0.9 내지 2.1㎚범위인 것이 바람직하다. 한편, 비자성층(31)이 이리듐으로 형성될 경우, AF 결합 비자성층(31)의 두께는 0.3 내지 1.2㎚범위인 것이 바람직하다.
이 실시예에서, 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13)은 NiFe, 및 CoFe로 이루어진 단층막으로 구형될 수 있다. 대신에, 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13)은 반 평행 결합 강도를 제어하도록 적층된 강자성막 적층으로 구성될 수 있다. 구체적으로는, 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13)은 NiFe/CoFe 막 적층 또는 NiFe/CoFeNi 막 적층으로 구성될 수 있다.
한편, 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14)은 반전 유도층으로서 기능하는 연자성막으로 구성된다. 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14)) Ni80Fe20 등의 영구자석, 또는 나노 결정질 재료, 또는 NiFeNb, NiFeB 및 CoFeB의 비결정질 재료로 이루어질 수 있고, 이들 재료는 감소된 결정 자기 이방성 HK을 갖는 연자성 특성에서 우월하다. 고집적 MRAM 셀은 감소된 자기장을 갖는 자화 반전을 달성하기 위해 감소될 형상 자기 이방성이 필요하기 때문에, 제 1 내지 제 4 강자성층(11, 14)의 두께는 4㎚ 이하 또는 미만으로 감소시키는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14)의 항전계 Hsoft는 반전 유도층으로써 기능하며, SAF 내에서의 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13) 사이의 반강자성 결합이 분리되기 시작될 때의 상술한 자기장 H1 또는 스핀 플롭 Hflop 보다 더 작다.
제 1 실시예에서, 도 15b에 나타낸 바와 같이, 자기 결합체(20)에 의해 야기된 강자성 결합으로 인해, 자유 자성층(6) 내에서의 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12)의 자화는 데이터 기입에 사용된 자기장 영역에 걸쳐 거의 평행을 유지한다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14)의 자화는 자기 결합체(21)에 의해 야기된 강자성 결합으로 인해 거의 평행하게 유지된다.
반전 유도층으로서 기능하는 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14)의 자화 방향은 영인 외부 자기장에 대해 반 평행한 것에 유의해야 한다. 반 평행하게 향하는 자화를 갖는 두 개의 반전 유도층 중 하나는 자유 자성층(6)이 초기에 위치되는 가능한 상태 중 어떤 상태에 있어도 상관없이, 항상 SAF에 대해 반전 유도효과를 제공한다.
SAF 내에서의 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13)의 자기 특성은 동일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 2 및 제 3 강자성층(12, 13)은 동일한 두께를 갖는, 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 반전 유도층으로써 기능하는 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14)의 자기 특성은 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 약간의 차이는 허용될 수 있다. 자유 자성층(6)은 스핀 플롭을 나타내고, 이때 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12)의 자화·두께 곱의 합은 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14)의 자화·두께 곱의 합과 거의 동일하다.
자기 결합체의 상술한 4 종류 중 어떤 것도 자기 결합기(20, 21)로써 사용될 수 있다. 어떤 경우에도, 자기 결합체(20, 21)는 교환 상호 작용을 통하여, 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이와, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이의 적당한 강자성 결합을 제공하도록 각각 설계된다. 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12)의 자화 사이의 강자성 결합과, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이의 강자성 결합이 데이터 기입에 대해 사용된 자기장 범위에 있는 한도까지 강자성 결합을 충분히 약화시키는 것이 중요한 것임을 유의해야 한다.
일 실시예에서, 자기 결합기(20, 21)는 핀홀을 갖는 비자성층으로 형성될 수 있다. 자기 결합체(20)의 핀홀은 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이를 부분적 직접 접촉시킴으로써, 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이에 강자성 결합을 제공하게 된다. 마찬가지로, 자기 결합체(21)의 핀홀은 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이를 부분 직접 접촉시킴으로써, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이에 강자성 결합을 제공하게 된다.
이 경우, 자기 결합체(20, 21)는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 및 이들의 탄화물의 그룹에서 선택된 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 자기 결합체(20, 21)의 평균 두께는 0.4 내지 1.0㎚ 범위인 것이 바람직하다.
자기 결합체(20, 21)는 복합 금속, 합금, 또는 자유 자성층(6)과 자기저항 소자의 성능을 향상시키기 위해 다중 비자성 소자의 다층 적층으로 구성될 수 있 다. 도 17a는 자기 결합체(20)가 다른 비자성 소자로 이루어진 다중 비자성막(51, 52)에 의해 구성되고, 자기 결합체(21)는 다른 비자성 소자로 이루어진 다중 비자성막(53, 54)으로 구성된 자유 자성층(6)의 예시적 구조를 나타낸 것이다. 초박형 비자성층으로 형성된 자기 결합체(20)는 그 위 또는 위쪽에 형성된 층의 결정 성장, 특히, 비자성층(31)의 결정 성장에 상당한 효과를 갖는다. 본 발명자는 비자성층(31)에 의해 야기된 반 평행 결합 에너지 JSAF가 비자성층(31)의 결정 배향에 따라 결정되는 것을 발견하였다. 그러므로, 자기 결합체(20)의 적합한 설계에 의한 비자성층(31)의 결정 배향의 최적화로 토글 기입을 효과적으로 달성하게 된다. 다른 관점에서 보면, 자기저항 비율과 소자 저항은 자기 결합체(20)의 재료에 따라 결정되고, 이는 자기 결합체(20)가 비자성층(5)에 근접하기 때문이다.
개선된 자기 특성을 얻기 위하여, 자기 결합체(20, 21)는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 칼슘, 리튬, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 복합 재료, 합금 또는 두 개 이상의 비자성 소자의 다층의 적층으로 구성되는 것이 바람직하다. 자기 결합기(20, 21)는 열 안정성을 개선하기 위하여 상기 열거한 비자성 소자의 산화물, 질화물 또는 탄화물로 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 열 안정 재료를 포함하는 자기 결합기의 사용은 MRAM 셀의 열 저항의 개선 관점에서 바람직하다.
도 17b는 자기 특성의 열 안정성과 자기저항 비율을 달성하기 위해 설계된 자유 자성층(6)의 예시적인 구조를 나타낸다. 자기 결합체(20, 21)는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 게르마늄, 리튬, 베릴륨, 바륨, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 니오븀, 몰리브덴, 세륨, 이트륨, 및 란탄의 산화물, 질화물 또는 탄화물로 이루어진다. 또한, 제 2 강자성층(12)은, 제 1 강자성막(56), 반강자성 결합 제어막(57), 및 제 2 강자성막(58)의 세 개 층으로 구성된다. 제 1 및 제 2 강자성막(56, 58)은 NiFe와 NiFeCo로 이루어질 수 있고, 반강자성 결합 제어막(57)은 Ta, Zr, Mo, Hf, Nb 또는 W의 초박막으로 형성될 수 있다. 또한, 반강자성 결합 제어막(57)은 상기 소자와 강자성 소자의 복합 재료의 강자성막에 의해 구성될 수 있다. 반강자성 결합 제어막(57)의 중요한 특징 중 하나는 제 1 및 제 2 강자성막(56, 58) 사이의 자기 결합은 완전히 분리되지 않는다는 것이다. 반강자성 결합 제어막(57)의 하나의 기능으로는 SAF 내에서의 AF 결합 비자성층(31)의 결정도를 제어하는 것이다. 높은 안정성을 갖는 자기 결합체(20)는 반강자성 결합 제어막(57)에 함유된 비자성 소자가 비자성층(5) 내로 확산되는 것을 방지하는 확산 배리어층으로써 기능한다. 또한, 자기 결합체(20) 자체는 인접한 자기막(즉, 제 1 강자성층(11)과 제 1 강자성막(56))과 상호 확산이 거의 되지 않아, 자기 결합체(20)에 의해 야기된 강자성 결합을 안정화한다.
또한, 자기 결합체(20, 21)는 RKKY 강자성 결합을 나타내도록 설계될 수 있다. 이 경우, 자기 결합체(20, 21)는 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12)의 자화를 평행하게 향하게 하고, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14)의 자화가 평행하게 향하게 하 기 위해 적절하게 제어된 강자성 결합을 제공하도록 설계된다. 자기 결합체(20, 21)는 루테늄, 크롬, 레늄, 이리듐, 로듐, 은, 구리, 및 이트륨으로 이루어질 수 있다. 자기 결합체(20, 21)가 루테늄으로 이루어진 경우, 자기 결합체(20, 21)는 강자성 결합 강도를 대략 제어하도록 1.4 내지 2.7㎚ 두께를 갖는 것이 바람직하다.
(제 2 실시예)
도 16a는 본 발명의 제 2 실시예에서의 MRAM의 메모리 셀의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 이 실시예에서, MRAM 셀 내에서의 자유 자성층(6)은 제 1 실시예에서 존재하는 자유 자성층(6)과는 다르게 설계된다.
두 개의 자기 결합체와 두 개의 반전 유도층을 포함하는 제 1 실시예에서의 MRAM과는 달리, 제 2 실시예에서의 MRAM은 자유 자성층(6) 내에서의 층을 포함하는 하나의 자기 결합체와 하나의 반전 유도층을 일체로 하여 구성된다. 보다 구체적으로는, 자유 자성층(6)은 비자성층(5) 상에 형성된 제 2 강자성층(12)과, 그 위에 형성된 비자성층(31)과, 비자성층(31) 상에 형성된 제 3 강자성층(13)과, 제 4 강자성층(14)과, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이에 개재된 자기 결합층(21)을 구비한다. 접촉 전극층(7)은 제 4 강자성층(14) 상에 형성된다. 제 2 강자성층(12), 비자성층(31)과 제 3 강자성층(13)의 적층은 SAF로써 기능하고, 제 4 강자성층(14)는 반전 유도층으로써 기능한다. 제 2 강자성층(12)의 자화·두께 곱은 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14)의 자화·두께 곱의 합과 동일하도록 조정되는 것이 바람직하다.
제 2 강자성층(12)을 구성하는 SAF, 비자성층(31), 및 제 3 강자성층(13)은 비자성층(5) 상에 직접 형성되고, 도 16a에 나타낸 자유 자성층(6)은 하나의 반전 유도층과만 일체로 하여 구성되는 것에 유의해야 한다. 단 하나의 자기 결합체와 단 하나의 반전 유도층을 갖는 자유 자성층(6)은 두 개의 가능한 상태 중 어느 하나에 놓일 경우 데이터 기입에 대하여 감소된 자기장을 갖는 스핀 플롭을 효과적으로 가능하게 한다.
도 16b는 제 2 실시예에서 MRAM 셀의 다른 바람직한 구조이다. 자유 자성층(6)은 비자성층(5) 상에 형성된 제 1 강자성층(11), 제 2 강자성층(12), 및 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이에 개재된 자기 결합체(20)를 포함한다. 자유 자성층(6)은 제 2 강자성층(12) 상에 형성된 비자성층(31)과 비자성층(31) 상에 형성된 제 3 강자성층(13)을 추가적으로 포함한다. 제 2 강자성층(12), 비자성층(31)과 제 3 강자성층(13)의 적층은 SAF로써 기능하고, 제 4 강자성층(14)은 반전 유도층으로써 기능한다. 제 3 강자성층(13)의 자화·두께 곱은 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12)의 자화·두께 곱의 합과 거의 동일하도록 조정된다.
제 2 실시예에서, 자기 결합체(20, 21)는 제 1 실시예에서와 동일한 방식으로 구조될 수 있다.
(제 3 실시예)
제 3 실시예에서, 자유 자성층(6)은 세 개 이상의 강자성층으로 구성된 다층 SAF와, 반강자성적으로 결합되는 인접한 두 개의 층을 일체로 하여 구성된다. 다층 SAF의 사용은 본 발명의 반전 유도 효과를 악화하지 않는다. 도 18a 및 도 18b 는 제 3 실시예에서의 예시적인 구조를 나타낸다.
도 18a에 나타낸 MRAM은 세 개의 강자성층과 하나의 반전 유도층으로 구성된 SAF를 일체로 하여 구성되는 자유 자성층(6)을 구비한다. 도 18a에 나타낸 MRAM의 구조는 자유 자성층(6)의 구조를 제외하고는 제 1 실시예에서 설명한 것과 동일하하다. 도 18a에 나타낸 MRAM에서, 강자성층(60)은 비자성층(5) 상에 설치된다. 또한, AF 결합 비자성층(31), 강자성층(61), AF 결합 비자성층(32), 및 강자성층(62)으로 구성된 다층의 적층은 강자성층(60) 상에 형성된다. AF 결합 비자성층(31, 32)은 반강자성 결합을 설치하도록 설계된다. 일 실시예에서, AF 결합 비자성층(31, 32)은 0.9㎚, 2.1㎚, 또는 3.5㎚ 정도의 두께를 갖는 루테늄 막으로 각각 형성된다. 강자성층(60), 비자성층(31), 강자성층(61)의 스택은 SAF로써 기능하고, 강자성층의 인접한 두 층은 영인 외부 자기장과 반강자성적으로 결합된다. 자기 결합체(21)은 강자성층(62) 상에 설치되고 제 4 강자성층(14)은 자기 결합체(21) 상에 설치된다. 제 4 강자성층(14)은 반전 유도층으로 기능하는 연자성층으로 구성된다. 자기 결합체(21)는 강자성층(62)과 제 4 강자성층(14) 사이에 원하는 강도로 강자성 결합을 제공한다.
자유 자성층(6)은, 도 18a에 나타낸 바와 같이, 세 개의 강자성층으로 구성된 SAF와 SAF와 강자성적으로 결합된 단 하나의 반전 유도층을 일체로 하여 구성되는 것으로 한정되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 다른 실시예에서 자유 강자성층은 네 개의 강자성층으로 구성된 SAF와 SAF의 상면과 하면에 자기 결합체에 의해 각각 결합되는 두 개의 반전 유도층을 포함할 수 있다. 이 경우, 반 평행하게 배 향된 자화를 갖는 두 개의 반전 유도층에 의해 스핀 플롭 자계에서 상당한 감소가 달성된다.
자유 자성층(6)은 다중의 SAF를 포함할 수 있다. 도 18b는 자유 자성층(6)이 두 개의 SAF와 두 개의 반전 유도층으로 구성되는 MRAM의 예시적인 구조를 나타낸다. 자성층(60)은 비자성층(5) 상에 설치되고, 비자성층(31), 강자성층(61), 자기 결합체(22), 제 1 강자성층(11), 자기 결합체(23), 강자성층(63), 비자성층(32), 강자성층(64), 자기 결합체(24) 및 제 4 강자성층(14)가 순서로 적층되어 있다.
강자상층(60), 비자성층(31), 및 강자성층(61)의 적층은 제 1 SAF로써 기능한다. 마찬가지로, 강자성층(63), 비자성층(32) 및 강자성층(64)의 적층은 제 2 SAF로써 기능한다. 각각의 SAF 내에서의 강자성층은 비자성층(31, 32)에 의해 반강자성적으로 결합된다. 제 1 강자성층(11)과 제 4 강자성층(14)는 자기적으로 연강자성 재료로 이루어지고, 반전 유도층으로써 기능한다. 제 1 강자성층(11)은 자기 결합체(22, 23)에 의해 제 1 SAF와 제 2 SAF와 각각 강자성적으로 결합되고, 제 4 강자성층(14)은 자기 결합체(24)에 의해 제 2 SAF와만 강자성적으로 결합된다. 도 18b는 영인 외부 자기장을 갖는 각 강자성층의 자화 방향을 나타낸다. 반전 유도층으로써 기능하는 제 1 강자성층(11)과 제 4 강자성층(14)의 자화가 반 평행하게 배향되어 있음을 유의해야 한다. 반전 유도층의 항전계 Hsoft(즉, 제 1 및 제 4 강자성층(11, 14))는 제 1 및 제 2 SAF 내에서의 자화의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 어떠한 자기장보다 더 작도록 조정되어야 한다.
도 18a에 나타낸 MRAM에 있어서, 강자성층(60), 강자성층(62)과 제 4 강자성층(14)의 자화·두께 곱의 합은, 모든 기입 동작이 토글 기입을 사용하여 실시될 경우, 직접 모드 기입을 제외하고는, 강자성층(61)의 자화·두께 곱과 동일하도록 조정되는 것이 바람직하다. 한편, 도 18에 나타낸 MRAM에 있어서, 강자성층(60), 강자성층(64) 및 제 4 강자성층(14)의 자화·두께 곱의 합은 강자성층(61), 제 1 강자성층(11) 및 강자성층(63)의 자화·두께 곱의 함으로 조정된다.
(제 4 실시예)
상술한 SAF에 대한 반전 유도 기술은 자유 자성층(6)으로부터 분리되어 설치된 자기막 적층에도 적용가능하다. 이러한 자기막 적층은 연강자성 특성을 나타내고, 종래의 자기막과 다층 자기 적층에 비하여, 감소된 자기장을 갖는 자성 반전을 가능하게 한다. 연강자성 특성의 관점에서 볼 경우, 상술한 반전 유도 기술이 적용된 자기막 적층은 SAF의 자화 반전을 향상시키기 위해 바이어스 자기장을 생성하는 바이어스 자계 생성층, 및 워드선과 비트선 등과 같은 상호 접속에 의해 생성된 자기장을 집속시키기 위한 고투자율층에 또한 적합하다.
도 18c는 상부 상호 접속(8A)에 의해 생성된 자기장을 집속시키기 위한 고투자율층으로 사용되는 자기막 적층(70)을 나타낸다. 자기막 적층(70)은 상부 상호 접속(8A) 상에 설치된다. 자기막 적층(70)은 제 1 반전 유도층(71), 제 1 자기 결합체(81), 제 1 강자성층(72), 반 평행 결합 강자성층(75), 제 2 강자성층(73), 제 2 자기 결합체(82), 및 제 2 반전 유도층(74)으로 구성된다. 자기막 적층(70)은 상기 제 1 실시예에 기재된 자유 자성층과 동일한 방식으로 구성된다.
(제 1 실시예 실험 결과)
제 1 실시예에서는 제 1 및 제 2 강자성층(11, 12) 사이와, 제 3 및 제 4 강자성층(13, 14) 사이에 자기 결합체(20, 21)를 개재시켜서, 자기 결합체(20, 21)에 의해 야기된 강자성 결합 에너지 JC를 제어함으로써, 도 15a의 구조에서의 증가된 포화 자계로 SAF의 스핀 플롭 자계를 감소시키도록 하였다.
다음의 실험에서, 실시예와 비교예를 포함하는 모든 샘플은 고주파수 전원에 의해 생성된 산소와 아르곤 플라즈마를 사용하는, 마그네트론 스퍼터링법과 라디칼(radical) 산화법을 통하여 형성된다. 샘플은 막증착 이후에 275℃에서 5시간 동안 열처리를 거친다. 각 샘플의 자유 자성층의 자화 곡선은 샘플 준비 후에 측정된다. 샘플은 다음과 같은 구조를 갖는다.
기판 / Ta(20㎚) / Al(1㎚)OX / 자유 자성층 / Al(0.7㎚)OX / Ta(10㎚)
각 샘플의 자유 자성층은 다음과 같은 구조를 갖는다.
자유 자성층 구조 "1":
Ni81Fe19 / X1 / Ni81Fe19 / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19 / X2 / Ni81Fe19
자유 자성층 "1"에서, X1과 X2는 자기 결합체를 나타내고, 다양한 재료로 이루어지며 다양한 막 두께를 갖는다. Ni81Fe19 막의 두께는 또한 자유 자성층 구조에 따라 변경시킴으로써 평가된다. "Al(1㎚)OX" 막은 1㎚의 Al막을 산화하여 형성된 AlOX막을 나타낸다. 마찬가지로, "Al(0.7㎚)0X" 막은 0.7㎚의 Al막을 산화하여 형성된 AlOX막을 나타낸다. 터널 배리어층에 해당하는 전자(前者)의 AlOX막과 후자의 AlOX막은 캡(cap) 층으로써 사용된다.
또한, 다음과 같은 자유 자성층 구조를 갖는 샘플이 제조되고, 그 자화 곡선이 자유 자성층 막내에서의 각 자기장의 결정 이방성 자계 HK를 산출하기 위해 측정된다.
자유 자성층 구조 "2":
기판 / Ta(20㎚) / Al(1㎚)OX / Ni81Fe19 / X1 / Ni81Fe19 / Ru(2.1㎚) / Ta(10㎚)
또한, 다음과 같은 자유 자성층 구조를 갖는 샘플은 자유 자성층에서의 각 SAF의 스핀 플롭 자계 Hflop과 포화 자계 HS를 측정하기 위해 준비되고, 그 자화 곡선이 측정된다.
자유 자성층 구조 "3":
X1 / Ni81Fe19 / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19 / X2
(실험 1-1)
먼저, Ta막으로 형성된 자기 결합체 X1, X2를 일체로 하여 구성하는 샘플을 준비한다. 그것의 강자성 결합 에너지 JC는 Ta막의 막 두께에 의해 제어된다. 이 렇게 구성된 자유 자성층의 스핀 플롭 특성은 다음과 같이 주어진다.
샘플 1 (비교예):
Ni81Fe19(2.1㎚) / Ta(0.3㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚) / Ta(0.3㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚)
샘플 2 (실시예):
Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)
샘플 3 (실시예):
Ni81Fe19(2.3㎚) / Ta(0.6㎚) / Ni81Fe19(2.3㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.3㎚) / Ta(0.6㎚) / Ni81Fe19(2.3㎚)
샘플 4 (비교예):
Ni81Fe19(2.4㎚) / Ta(0.7㎚) / Ni81Fe19(2.4㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.4㎚) / Ta(0.7㎚) / Ni81Fe19(2.4㎚)
샘플 5 (비교예):
Ni81Fe19(2.5㎚) / Ta(0.8㎚) / Ni81Fe19(2.5㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.5㎚) / Ta(0.8㎚) / Ni81Fe19(2.5㎚)
샘플 6 (실시예):
Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(3.3㎚)
각 샘플 내에서의 자유 자성층의 NiFe막의 두께는 매개 Ta막의 두께에 따라 약간 조정되어, Ni81Fe19 / Ta /Ni81Fe19막 적층은 약 2.9T·㎚가 된다. SAF의 상면 및/또는 저면에 위치된 NiFe 강자성막은 반전 유도층으로써 기능하고, 약 1.45T·㎚의 자화·두께 곱을 갖는다. NiFe 강자성막의 적층과 그 사이에 개재된 Ru막의 적층은 SAF로써 기능한다. SAF 내에서의 NiFe 강자성막은 약 1.45T·㎚의 자화막 두께 곱을 갖는다.
도 19a, 19b는 샘플 1 내지 샘플 3에 대한 자화 용이축의 방향에서의 자화 곡선을 나타내고, 도 20a와 도 20b는 샘플 4와 샘플 5에 대한 자화 곡선을 나타낸다. 마찬가지로, 도 21a와 도 21b는 샘플 2 내지 샘플 6의 자화 곡선을 나타낸다. 마지막으로, 도 22a는 다음과 같이 얻어진 특성, 즉, 자화 곡선으로부터 얻어진 샘플 1 내지 샘플 6의 포화 자화 HS, 자유 자성층 구조 "2"의 샘플을 산출하여 얻어진 NiFe층의 결정 이방성 자계 HK, 측정된 포화 자계 HS와 결정 이방성 자계 HK로부터 얻어진 추정 스핀 플롭 자계 Hflop'((= HS·HK)0.5), 및 실제 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타낸다.
도 19a, 도 19b에 나타낸 바와 같이, 샘플 1(비교예)은 스핀 플롭을 나타내는 통상의 SAF와 같은 자화 곡선을 가지며, 추정 스핀 플롭 자계(Hflop')는 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop과 또한 대략 동일하다. 반면에, 샘플 2와 샘플 3(본 발명의 실시예)의 자화 곡선의 형상은 샘플 1에서와는 다르고, 샘플 2와 샘플 3의 스핀 플롭 자계 Hflop은 샘플 1에서보다 더 작다. 샘플 2와 샘플 3의 자화 곡선은 Ta막의 두께가 증가함에 따라 스핀 플롭 자계 Hflop이 감소하고 있음을 나타낸다. 그러나, 샘플 2와 샘플 3의 포화 자계 HS는 샘플 1에서보다 더 크게 된다. 또한, 샘플 2와 샘플 3의 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop은 그것의 추정 스핀 플롭 자계 Hflop'보다 명확히 더 작다. 이는 본 발명의 실시예인 샘플 2, 3의 구조가 스핀 플롭 자계 Hflop을 효과적으로 감소시키고, 또한 포화 자계 HS를 증가시킨 것을 의미한다.
샘플 4와 샘플 5의 자화 곡선을 나타내는, 도 20a와 도 20b에 나타낸 바와 같이, Ta막 두께에서의 증가는 영인 외부 자기장 부근에서 단차를 갖는 자화 곡선을 야기시킨다. 도 20a와 도 20b에 나타낸 자화 곡선을 참조하면, 반전 유도층으로서 사용된 NiFe막의 자화 반전으로 인해, 외부 자기장이 영 자계로부터의 증가할 때 얻어진 자화에서의 제 1 급증이 나타난다. 한편, SAF 내에서의 NiFe막의 자화 반전으로 인해, 더 높은 자기장 영역에서의 자화의 증가가 나타난다. 도 20a와 도 20b에 나타낸 고 자기장 영역에서 자화 반전이 발생할 때의 자기장은 독립적으로 준비된 SAF의 스핀 플롭 자계와 동일하지 않다는 것에 유의해야 한다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 자기 결합체로써 사용된 Ta막의 평균 두께에서의 0.7㎚ 이상의 범위로 과잉 증가되는 것은 반전 유도층과 SAF 사이에서의 매우 약한 강 자성 결합을 야기할 수 있고, 반전 유도층과 SAF를 동작 자기장 영역에서 자기적으로 분리되도록 야기할 수 있다.
1.45T·㎚의 자화·두께 곱을 갖는 NiFe막으로 구성된 반전 유도층은 약 3(Oe)의 항전계 Hsoft(도 9c 참조)를 갖는다. 한편, SAF는 NiFe막이 1.45T·㎚의 자화·두께 곱을 갖는 NiFe / Ru / NiFe 막 적층으로 구성된다. 자유 자성층 구조 "3"의 샘플의 평가로부터, SAF의 스핀 플롭 자계 Hflop(도 9b 참조)은 33(Oe)이고, 그것의 포화 자계 HS는 390(Oe)이다. 반전 유도층이 Ta막의 자기 결합체에 의해 SAF에 알맞게 강자성적으로 결합되는 샘플 2와 샘플 3은 스핀 플롭 자계의 감소와 포화 자기의 증가를 동시에 모두 효과적으로 달성한다(도 9a 참조).
도 21a와 도 21b를 참조하면, 도 16b에 나타낸 구조와 대응하여, 샘플 6은 자유 자성층에서 Ta막(0.5㎚)으로 구성된 단 하나의 자기 결합체(X1)를 포함한다. 샘플 6의 스핀 플롭 자계 Hflop은 25(Oe)이고, 포화 자기장 HS는 260(Oe)이다. 한편, 두 개의 반전 유도층을 구비하는 샘플 2는 19(Oe)의 감소된 스핀 플롭 자계를 나타내고, 400(Oe)의 증가된 포화 자기장 HS를 나타낸다. 이는 SAF의 상면과 저면에서의 두 개의 반전 유도층의 설치가 동작 마진을 증가시키면서 스핀 플롭 자계를 현저하게 감소시키는 것을 입증한다.
(실험 1-2)
또한, 반전 유도층과 SAF의 구조로 인한 효과를 조사하였다. 이 조사에서, 0.5㎚의 Ta막이 자기 결합체 X1과 X2로서 공통으로 사용되었다. 다음은 반전 유도층의 조사된 구조이다.
샘플 7 (실시예):
Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(4.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(4.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)
샘플 8 (비교예):
Ni81Fe19(4.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(4.2㎚)
샘플 9 (비교예):
CoFe(1㎚) / Ni81Fe19(0.6㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) /Ni81Fe19(0.6㎚) / CoFe(1㎚)
샘플 10 (실시예):
Ni81Fe19(2.7㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(1.7㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)
샘플 7과 샘플 8에서, SAF 내에서의 강자성층과 반전 유도층의 자화·두께 곱은 샘플 2에서부터 각각 변형되었다. 샘플 7에서, SAF 내에서의 강자성층의 자화 막 두께 곱은 샘플 2에서의 두 배인 2.9T·㎜로 조정되었다. 샘플 8에서, 반전 유도층의 자화 막 두께 곱은 샘플 2에서의 두 배인 2.9T·㎜로 설정되었다.
샘플 9에서, 반전 유도층은 CoFe(1㎜) / Ni81Fe19(0.6㎜)의 이층(二層) 적층으로 각각 구성됨으로써, 그것의 결정 이방성 자계 HK는 35(Oe)까지 증가되었다. SAF 내에서의 강자성층과 반전 유도층의 자화·두께 곱이 샘플 2에서와 동일한 1.45T·㎜인 것을 유의해야 한다.
샘플 10에서, 자유 자성층 내에서의 두 개의 반전 유도층은 다른 두께를 가지며, SAF 내에서의 두 개의 강자성층은 다른 두께를 갖는다.
도 22a와 도 22b는 샘플 2와 샘플 7 내지 샘플 10의 자화 곡선을 나타내고, 도 25a는 샘플 2와 샘플 7 내지 샘플 10에 대한 포화 자기장 HS, SAF를 구성하는 강자성층의 결정 이방성 자계 HK, 추정 스핀 플롭 자계 Hflop'((= HS·HK)0.5)와 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop'을 나타낸다. 패턴화되지 않은 샘플 구조에 대한 실험에서, 샘플 7과 샘플 8 및 샘플 10은 상당히 감소된 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타낸다. 반면에, 샘플 9만이 140(Oe)의 감소된 포화 자계를 갖는 증가된 스핀 플롭 자계를 갖고, 원하지 않는 스핀 플롭 특성을 나타낸다. 샘플 9의 자유 자성층의 스핀 플롭 자계에서의 증가는 샘플 9의 반전 유도층이 35(Oe)의 큰 항전계 Hsoft를 갖는다는 사실에서 기인될 수 있고, SAF와 큰 항전계 Hsoft를 갖는 이러한 반전 유도층 사이의 자기 결합은 스핀 플롭 자계를 바람직하지 않게 증가시킨다. 이는 반전 유도층의 항전계 Hsoft가 적어도 SAF의 스핀 플롭 자계보다 더 작게 되는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 그렇지 않을 경우, SAF는 증가된 스핀 플롭 자계와 감소된 포화 자계로 인해 불리해지게 된다. 샘플 10에서와 같이, SAF 내에서의 두 개의 강자성층의 자화·두께 곱이 약간 차이가 나고, 두 개의 반전 유도층의 자화·두께 곱이 약간 차이가 나더라도, 샘플 10은, 자유 자성층의 포화 자계는 480(Oe)까지 증가하고, 스핀 플롭 자계는 16(Oe)까지 감소하는, 본 발명의 유효한 효과를 충분히 나타낸다.
또한, 샘플 1 내지 샘플 6과 샘플 7과 샘플 8의 구조에 있어서, 아래에 기술하는 바와 같이 구성된 MTJ 소자는 포토리소그래피법과 이온 밀링법을 통하여 준비된다. MTJ 소자는 타원형으로 성형되고, 0.32×0.9㎛2의 치수를 갖는다. 스핀 플롭 자계, 포화 자계는 증가하는 외부 자기장을 인가함으로써 측정된다. 또한, 외부 자기장은 토글 기입을 달성하기 위해 MTJ 소자의 자화 용이축에 대해 45°, 0°및 -45° 방향으로 이어서 인가된다. 샘플 1 내지 샘플 6과 샘플 7과 샘플 8 각각에 대하여, 30개의 MTJ 소자를 준비하고 조사하였다.
MTJ 구조:
기판 / Ta(20㎚) / NiFe(3㎚) / PtMn(20㎚) / CoFe(2.0㎚) / Ru(0.9㎚) / CoFe(2.0㎚) / Al(1㎚)OX / 자유 자성층 / Al(0.7㎚)OX / Ta(100㎚)
도 25b는 연속적인 토글 기입(이하, 토글 기입 수율로 언급)을 달성하는 MTJ 소자의 자계, 스핀 플롭 자계, 포화 자계, 및 토글 기입의 동작 마진(포화 자계를 스핀 플롭 자계로 나누어 얻어진 비율로 정의)을 나타낸다. 비교예인 샘플 1에 대응하는 MTJ 소자에 비하여, 본 발명의 샘플에 대응하는 MTJ 소자는 토글 기입 동작 마진에서 월등하고, 본 발명의 유리한 특징을 나타낸다.
샘플 1과 샘플 2에 대응하는 MTJ 소자의 토글 기입 수율는 모두 100%로 샘플 1과 샘플 2의 구조가 안정한 토글 기입을 효과적으로 달성함을 나타낸다. 샘플 2의 스핀 플롭 자계 Hflop는 샘플 1에서보다 더 작으며, 이는 샘플 2의 구조가 고집적 MRAM 내에서 본 발명의 유리한 특징을 효과적으로 나타냄을 의미한다.
샘플 3은 43.2(Oe)의 가장 낮은 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타내지만, 76%의 낮은 토글 기입 수율로 불리해진다.
샘플 4와 샘플 5의 토글 기입 수율은 0%이다. 이는 샘플 4와 샘플 5의 자화 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 반전 유도층의 자화 반전이 SAF 내에서의 강자성층으로부터 완전히 분리되는 사실에서 기인할 수 있다.
샘플 2의 경우에서와 같이, 샘플 7에 대응하는 MTJ 소자는 월등한 특성을 나타낸다.
반면에, 샘플 8에 대응하는 MTJ 소자는 실패하는 토글 기입으로 불리하다. 이는 다음과 같은 세 가지 이유에서 기인될 수 있다. 첫 번째는, 반전 유도층(2.9T·㎚)의 자화·두께 곱이 반전 유도층과 SAF 사이의 정자기 반 평행 결합을 향상시키며, 이는 식 (7)로 표현된 효과를 통해 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 바람직하지 않게 감소시킴으로써, 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 결합을 약화시키 게 된다. 두 번째로는, 반전 유도층의 증가된 자화·두께 곱이 반전 유도층과 SAF 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장을 감소시키며, 이는 바람직하지 않게 4.2㎚의 NiFe막으로 구성되는 반전 유도층의 자화가 Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)의 막 적층으로 구성되는 SAF 내에서의 강자성층의 자화로부터 분리하여 반전되도록 한다. 마지막으로는, 반전 유도층의 항전계는 상술한 바와 같이, 식 (1)에 따라 바람직하지 않게 증가되고, 이는 샘플 9의 경우에서와 같이, 바람직하지 않은 스핀 플롭 특성을 야기하게 된다.
샘플 8의 동작 특성을 향상시키기 위하여, 샘플 8로부터 변형된 구조에 대해 추가적인 평가가 실행된다. 구체적으로는, 자유 자성층 내에서의 Ta막으로 구성된 자기 결합체의 두께는 0.45㎚로 변형된다. 토글 기입 수율과 다른 자기 특성에 대하여 변형된 MTJ 소자가 평가된다. 변형된 MTJ 소자는 비트선과 워드선의 방향으로 30(Oe)의 감소된 스핀 플롭 자계 Hflop과, 170(Oe)의 증가된 포화 자계를 나타낸다. 또한, 변형된 MTJ 소자의 토글 기입 수율은 98%이다. 이는 다음의 현상에서 기인할 수 있다. Ta 자기 결합체의 두께를 0.5에서 0.45㎚로의 변형하는 것은 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 증가시킴으로써, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합이 원하는 범위 내에서 분리되기 시작할 때의 자기장 HC1(
Figure 112006035192606-PAT00001
JC' / MC·tC)을 증가시키게 된다. 이는 Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)의 막 적층으로 구성되는 SAF 내에서의 강자성막의 자화 반전이 4.2㎚의 NiFe막으로 구성된 반전 유 도층의 자화 반전으로 이어져서 안정화된 토글 기입을 달성하는 것을 가능하게 한다. 이 결과로부터, 반전 유도층의 자화·두께 곱 MC·tC에서의 증가는, 다음의 관계로부터 알 수 있는 바와 같이, 반전 유도층과 SAF 사이의 자기 결합의 완전한 분리를 방지하기 위하여, 강자성 결합 에너지 JC'를 따라서 증가시키는 것이 동반되어야 하는 것으로 결론지어 진다.
HC1
Figure 112006035192606-PAT00002
JC' / MC·tC
(실험 1-3)
실험 1-3은 자유 자성층의 토글 동작이 반전 유도층과 SAF 사이의 유효 강자성 결합 에너지 JC'와, SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF에 따라 어떻게 이루어지는지를 시험하는 것이다.
먼저, 강자성 결합 에너지 JC를 패턴화되지 않은 막 적층에 대한, 샘플 2, 3, 4 및 5에 대해 대략적으로 추정하고, 강자성 결합 에너지 JC의 효과를 실험 1-2에서 얻어진 토글 기입 수율에 대해 조사한다. 다음의 구조를 갖는 샘플이 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 추정하기 위해 준비된다.
기판 / Ta(20㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / IrMn(10㎚) / CoFe(2.0㎚) / Ni81Fe19(3㎚) / Ta(dTa) / Ni81Fe19(5㎚) / Ru(2.1㎚) / Ta(10㎚)
여기서, dTa는 매개 Ta막의 두께이다.
각 샘플 내에서의 Ta막 두께 dTa는 0㎚, 0.4㎚, 0.5㎚, 0.6㎚, 0.7㎚ 및 0.8㎚에서 선택된다. 상술한 샘플은 반강자성막, 강자성막, 자기 결합체, 다른 강자성막의 막 적층으로 구성된다. dTa의 두께를 갖는 Ta막은 자기 결합체로써 기능한다. dTa의 두께를 갖는 Ta막은 샘플 2 내지 샘플 5 내에서의 자기 결합체로써 그 표면에 동일한 강자성층과 접촉하게 됨에 유의해야 한다. 준비된 샘플의 자화 곡선은 측정되고, 패턴화되지 않은 막 적층에 대한 강자성 결합 에너지 JC가 LLG(Landau-Lifshitz-Gilber)에 의거한 조정으로부터 얻어진다. 도 22c는 준비된 샘플의 자화 곡선을 나타낸다. Ta 막 두께 dTa에서의 증가는 강자성 결합 에너지 JC를 감소시켜서, 5㎚의 NiFe막으로부터 CoFe(2.0㎚) / NiFe(3㎚)의 막 적층의 히스테리시스 루프의 분리를 야기하게 된다.
먼저, 패턴화되지 않은 막 적층에 대한 SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF를 추정한다. 도 25a에 나타낸 바와 같이, 실험 1-1에서 대락적으로 추정된 SAF의 포화 자계 HS는 390(Oe)이고, 또한 샘플 4와 샘플 5(SAF와 반전 유도층이 완전히 자기적으로 분리된 샘플)의 포화 자계 HS는 424 내지 430(Oe) 범위로 된다. 각 강자성층의 자화·두께 곱이 1.45T·㎚이므로, 샘플 2, 3, 4 및 5의 SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF는 식 (5)로부터 0.023 내지 0.025 erg/㎝2로 대략적으로 추정된다.
한편, 0.32×0.9㎛2를 측정하여 MTJ 소자에 대한 높은 토글 기입 수율을 나타내는 0.5㎚와 0.6㎚의 Ta막 두께 dTa를 갖는 샘플의 강자성 결합 에너지 JC는 각각 0.048과 0.016 erg/㎝2이고, 토글 기입이 되지 않는 0.7㎚와 0.8㎚의 Ta막 두께 dTa를 갖는 샘플의 강자성 결합 에너지 JC는 각각 0.008과 0.004 erg/㎝2이다.
성공적인 토글 기입이 0.7㎚와 0.8㎚의 Ta막 두께 dTa를 갖는 상태에서는 이루어지지 않는다는 사실로부터, 성공적인 토글 기입이 강자성 결합 에너지 JC를 0.004 erg/㎝2 이상으로 조정함으로써 달성되는 것으로 결론지어 진다. 이 조건은 자기 결합체의 강자성 결합 에너지 JC를 SAF의 반강자성 결합 에너지 JSAF의 약 1/50 이상으로 조정하는 것과 동등하다.
실제의 고집적 MRAM 셀에서는, 강자성층 사이의 반강자성 정자기 결합의 영향은 크다. 미세 패턴 MTJ 소자의 유효 강자성 결합 에너지 JC'와 유효 반강자성 결합 에너지 JSAF 사이의, 식 (7)에 의해 나타낸 관계는 중요하며, 이 관계를 정확히 산출하는 것은 어렵다. 본 실험은 강자성층이 동일 자화·두께 곱을 갖는 경우로 한다. 그러나, 예를 들어, 그 항전계를 감소시키기 위해 반전 유도층의 자화·두께 곱이 감소될 경우, 유효 강자성 결합 에너지 JC'의 하한은 더욱 감소될 수 있다. 이는 식 (7)에 의해 나타낸 자기장 HC1 (
Figure 112006035192606-PAT00003
JC' / MC·tC )은 더 지배적인 파라미 터이고, 감소된 자화·두께 곱 MC·tC로 자기장 HC1을 원하는 값으로 유지하는 것은 그 만큼 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 감소시킬 필요가 있기 때문이다. 반전 유도층의 자화·두께 곱 MC·tC는 1 T·㎚ 이하로 기술적으로 감소시킬 수 있고, 이 경우, 유효 강자성 결합 에너지 JC'는 본 실험에 의해 추정된 0.004 erg/㎝2의 필요한 최소 강자성 결합 에너지의 약 절반까지 감소시키는 것이 필요하다. 그러므로, 자유 자성층이 다양하게 구성될 수 있고 본 실험에서 추정된 수치는 에러의 마진을 가질 수 있다는 사실을 감안하여. 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 반강자성 결합 에너지 JSAF의 1/50 이상까지 조정하는 것이 바람직하다.
한편, 유효 강자성 결합 에너지 JC'의 상한에 대해서는, 토글 기입 수율이 강자성 결합 에너지 JC'를 제한하는 어떠한 근거도 없다. 본 발명의 유효한 효과를 약간 나타내는 0.4㎚의 Ta 막 두께를 갖는 샘플은 SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF의 약 40배인 0.535 erg/㎝2의 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 갖는다. 0.3㎚의 Ta 막 두께를 갖는 샘플은 구조면에서 샘플 1과 동일하고, 실험 1-1에 의해 나타낸 바와 같이, SAF의 통상의 작용을 나타낸다. 0.3㎚의 Ta 막으로 구성된 자기 결합체를 통한 강자성 결합 에너지는 측정하기에는 상당히 강하다. 그러나, 유효 강자성 결합 에너지 JC'는 Ta 막 두께에 대한 유효 강자성 결합 에너지 JC'의 의존성으로부터 추정하여 추정될 수 있다. 0.3㎚의 Ta 막 두께를 갖는 샘플의 유효 강자성 결합 에너지 JC'는 약 10 erg/㎝2이 되는 것으로 추정된다. 이 수치는 SAF의 반강자성 결합 에너지 JSAF의 약 500배이다. 그러므로, 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 반강자성 결합 에너지 JSAF의 500배 이하로 조정함으로써, 본 발명의 유효한 효과를 야기할 수 있다. 이러한 자유 자성층의 유효 강자성 결합 에너지 JC'는 종래 기술 문헌에 공보된 수치로부터 유추된 대략 80 erg/㎝2의 두 개의 NiFe 막들 사이의 교환 상호 작용 결합 에너지에 비하여 충분히 작다.
(실험 1-4)
실험 1-4는 두 개의 다른 비자성 소자로 이루어진 자기 결합체의 평가에 관한 것이다. 구체적으로는, 각각 루테늄 막과 탄탈룸 막의 적층으로 구성된 자기 결합체들을 일체로 하여 구성하는 샘플을 준비한다. 이 실험에서의 평가된 샘플을 아래에 열거한다.
샘플 1 (비교예)
Ni81Fe19(2.1㎚) / Ta(0.3㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚) / Ta(0.3㎚) / Ni81Fe19(2.1㎚)
샘플 2 (실시예)
Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.5㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)
샘플 11 (실시예)
Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(0.2㎚) / Ta(0.3㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚) / Ta(0.3㎚) / Ru(0.2㎚) / Ni81Fe19(2.2㎚)
각각 0.3㎚와 0.5㎚의 Ta 막의 자기 결합체를 일체로 하여 구성되는 샘플 1과 샘플 2는 실험 1-1에서 이미 제시되었다는 점에 유의해야 한다. 샘플 1과 샘플 2는 샘플 11과 비교하기 위한 샘플이다.
한편, 샘플 11은 Ru(0.2㎚) / Ta(0.3㎚)의 막 적층으로 구성된 자기 결합체들을 일체로 하여 구성한 것이다. 샘플 11 내에서의 자기 결합체는 샘플 1에서보다 더 두꺼운 두께를 갖고, 상대적으로 약한 강자성 결합 에너지 JC를 나타낸다. 도 23a와 도 23b는 샘플 1, 2 및 11의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타낸다.
도 25a는 샘플 1, 2 및 11의 자유 자성층의 포화 자계 HS, 결정 이방성 자계 HK, 산출된 스핀 플롭 자계 Hflop'(= (HS·HK)0.5), 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타낸다. 샘플 1과 비교하면, 샘플 11은 상대적으로 큰 포화 자기장을 갖고 상대적으로 작은 스핀 플롭 자계를 갖는다. 샘플 1은 통상적인 스핀 플롭 작용을 일으키며, 추정된 Hflop'와 거의 동일한 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop을 나타낸다. 반면에, 샘플 11은 추정된 스핀 플롭 자계 보다 더 작은 측정된 스핀 플롭 자계 를 분명히 나타내며, 동시에 본 발명의 유효한 효과를 야기한다.
샘플 2와 샘플 11 내에서의 자기 결합체는 동일한 두께를 가지며, 동일한 강 도의 강자성 결합을 나타내지만, 샘플 2와 샘플 11은 그 위 또는 위쪽에 형성된 층들의 결정 배향을 향상시키는 다른 효과들을 야기한다. 샘플 2에서, 자기 결합체들은 각각 두껍게 형성된 Ta 막으로 구성되어 자기 결합체들에 의해 야기된 강자성 결합을 약화시키게 되지만, 샘플 2 내에서의 자기 결합체들은 SAF 내에서의 매개 Ru 막의 결정 배향을 향상시키기 위해 두껍게 형성된 Ta 막의 강한 향상 효과로 인해, SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF를 바람직하지 않게 과잉으로 향상시키게 된다. 반면에, 샘플 11은 자기 결합체들에 의해 야기된 강자성 결합의 강도를 0.3㎚의 얇은 Ta 막과 0.2㎚의 얇은 Ru 막의 막 적층을 사용하여 제어하게 되고, 0.3㎚의 얇은 Ta 막은 원하는 범위까지 결정 배향 향상 효과를 야기하고, 0.2㎚의 얇은 Ru 막은 강자성 결합을 자기 결합체들을 통하여 선택적으로 약화시키며, 동시에 결정 배향 향상 효과를 상대적으로 약화시킨다. 그러므로, 자기 결합체에서의 Ta 막과 Ru 막의 적층 구조의 사용은 SAF 내에서의 반강자성 결합 에너지 JSAF를 원하는 대로 제어하는 것을 가능하게 하고, 동시에 SAF의 스핀 플롭 자계를 반전 유도층을 사용하여 감소시킬 수 있게 한다. 상술한 바와 같이, 두 개 이상의 비자성막으로 구성된 자기 결합체의 사용은 유효하며, 특히 자기 결합체가 반강자성 결합을 제공하는 Ru 비자성층 아래에 위치될 경우, Ru 비자성층의 결정 배향에 미치는 강한 효과를 갖게 된다.
(제 2 실험)
제 2 실험에서는, 1㎚ 이하의 매우 얇은 AlOX 막으로 구성된 자기 결합체의 특성을 산출하였다. 다음의 두 개의 구조를 갖는 자유 자성층들을 일체로 하여 구성한 샘플을, 고주파수 전원에 의해 생성된 산소와 아르곤 플라즈마를 사용하는, 마그네트론 스퍼터링법과 라디칼 산화법을 통하여 준비한다. 각 샘플의 자유 자성층의 자화 곡선을 측정하였다.
MTJ 구조:
기판 / Ta(20㎚) / Al(1㎚)OX / 자유 자성층 / Al(0.7㎚)OX / Ta(10㎚)
각 샘플의 자유 자성층은 다음의 구조를 갖는다.
자유 자성층 구조 "1":
Ni81Fe19 / X1 / Ni81Fe19 / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19 / X2 / Ni81Fe19
X1과 X2는 AlOX의 자기 결합체를 나타내고 있음을 유의한다.
각 샘플 내에서의 자유 자성층의 SAF 내에서의 Ni81Fe19 / CoFe 막 적층의 결정 이방성 자계를 조사하기 위하여, 다음의 구조를 갖는 자유 자성층을 제조하고 평가한다.
자유 자성층 구조 "2":
Ni81Fe19 / X1 / Ni81Fe19 / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚)
구체적으로는, 각 샘플 내에서의 자유 자성층은 다음과 같이 구성된다.
샘플 12 (비교예):
Ni81Fe19(4㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19(4㎚)
샘플 13 (비교예):
Ni81Fe19(6㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19(6㎚)
샘플 14 (실시예):
Ni81Fe19(2㎚) / Al(0.5㎚)OX / Ni81Fe19(4㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19(4㎚) / Al(0.5㎚)OX / Ni81Fe19(2㎚)
샘플 15 (실시예):
Ni81Fe19(2㎚) / Al(0.6㎚)OX / Ni81Fe19(4㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19(4㎚) / Al(0.6㎚)OX / Ni81Fe19(2㎚)
샘플 12는 Ni81Fe19(4㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ru(2.1㎚) / CoFe(0.3㎚) / Ni81Fe19(4㎚)의 통상의 SAF 막 적층을 일체로 하여 구성한 자유 자성층으로 구성된다.
한편, 샘플 14와 샘플 15는 2㎚의 Ni81Fe19을 샘플 12와 동일하게 구성된 SAF의 스핀 플롭을 향상하기 위해 사용된 반전 유도층으로서 사용되는 자유 자성층으로 구성된다. 샘플 14와 샘플 15 내에서의 반전 유도층은 Al(0.5㎚)OX와 Al(0.6㎚)OX의 자기 결합체에 의해 SAF에 각각 강자성적으로 결합되어 있다.
샘플 13은 AlOX의 자기 결합체가 구비되어 있지 않은 샘플이고, 2㎚의 Ni81Fe19 반전 유도층과 SAF 내에서의 Ni81Fe19(4㎚) / CoFe(0.3㎚) 막 적층의 강자성층이 직접 결합되어 있다. 샘플 13에서, SAF내에서의 반전 유도층과 강자성층은 교환 상호 작용에 의해 견고하게 결합된다.
도 24a, 24b는 샘플 12 내지 샘플 15 내에서의 자유 자성층의 측정된 자화 곡선을 나타내고, 도 25a는 측정된 자화 곡선으로부터 얻어진 자화 반전 특성을 나타낸다. 샘플 14와 샘플 15의 스핀 플롭 자계 Hflop은 샘플 12와 샘플 13에서보다 현저하게 작으며, 동시에 샘플 14와 샘플 15의 포화 자계 HS는 샘플 12와 샘플 13에서보다 약간 작다. 또한, 샘플 14와 샘플 15는 포화 자계 HS와 결정 이방성 자계 HK로부터 얻어진 추정된 스핀 플롭 자계 Hflop'보다 분명히 작은 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop를 나타낸다. 샘플 12와 샘플 13에 대해서, 추정된 스핀 플롭 자계 Hflop'는 측정된 스핀 플롭 자계 Hflop와 거의 동일하다. 이는 AlOx 막으로 구성된 자기 결합체의 사용은 자유 자성층 내에서의 SAF의 스핀 플롭 자계를 효과적으로 감소시키며, 동시에 토글 기입에서의 동작 마진을 증가시키는 것을 의미한다.
또한, 0.32×0.9㎛2의 치수를 갖는 샘플 12, 14, 15에 대응하는 MTJ 소자는 포토리소그래피법과 이온 밀링법을 통하여 준비된다. 그 다음, 이것의 토글 기입 동작을 조사한다. 준비된 MTJ 소자는 아래와 같이 구성된다.
MTJ 구조:
기판 / Ta(20㎚) / NiFe(3㎚) / PtMn(20㎚) / CoFe(2.0㎚) / Ru(0.9㎚) / CoFe(2.0㎚) / Al(1㎚)OX / 자유 자성층 / Al(0.7㎚)OX / Ta(100㎚)
도 25b는 샘플 12, 14 및 15에 대한 토글 기입 수율(성공적인 토글 기입을 달성하는 자유 자성층의 수율), 스핀 플롭 자계 및 0.32×0.9㎛2의 MTJ 소자의 포화 자계를 나타낸다. 반전 유도층이 Al(0.5㎚)OX 막을 통하여 SAF와 자기적으로 결합되는 샘플 14의 MTJ 소자는 100%의 기입 토글 수율을 달성하며, 동시에 샘플 12에 비하여 50.5(Oe)의 상대적으로 감소된 스핀 플롭 자계를 나타낸다. 동시에, 샘플 14의 MTJ 소자는 177(Oe)의 상대적으로 증가된 포화 자계 HS를 나타낸다. 결과적으로, 샘플 14의 MTJ 소자는 3.5까지 증가된 동작 마진을 달성한다. 샘플 14의 구조는 동작 마진을 효과적으로 증가시키며, 동시에 토글 기입을 달성하기 위해 필요한 자기장을 감소시킨다. 상술한 바와 같이, 샘플 14의 MTJ 소자는 MRAM에서 토글 기입에 대한 매우 바람직한 특성을 갖는다.
한편, AlOX의 자기 결합체가 샘플 14에서보다 더 두꺼운 두께를 갖는 샘플 15의 MTJ 소자는 토글 기입 수율을 73%까지 감소시키고, 스핀 플롭을 82.5(Oe)까지 증가시킴으로 불리하다. 이 결과는 MJT 소자의 토글 기입 동작 특성이 자유 자성층 내에서의 AlOX 자기 결합체의 두께를 적절히 조정하여 급격하게 개선된다는 점을 시사한다.
(제 3 실험)
제 3 실험은 RKKY 상호 작용을 나타내는 자기 결합체를 일체로 하여 구성하는 자유 자성층의 평가하는 것이다. 보다 구체적으로는, Ru 막이 자기 결합체로서 사용되는 자유 자성층과 관련하여 다음의 실험 결과를 설명한다. 아래에 설명하는 바와 같이 구성된 자유 자성층을 일체로 하여 구성되는 샘플 16 내지 샘플 21이 마그네트론 스터퍼링법과 라디칼 산화법을 통하여 준비되고, 그 자화 곡선을 측정한다.
기판 / Ta(20㎚) / Ru(3㎚) / 자유 자성층 / Ru(3㎚) / Ta(10㎚)
샘플 16 내지 샘플 21 내에서의 자유 자성층의 구조는 다음과 같다.
샘플 16 (비교예):
Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚)
샘플 17 (비교예):
Ni81Fe19(6㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(6㎚)
샘플 18 (실시예):
Ni81Fe19(4㎚) / Ru(1.4㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(1.4㎚) / Ni81Fe19(4㎚)
샘플 19 (실시예):
Ni81Fe19(4㎚) / Ru(2.7㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(2.7㎚) / Ni81Fe19(4㎚)
샘플 20 (실시예):
Ni81Fe19(4㎚) / Ru(4.2㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(4.2㎚) / Ni81Fe19(4㎚)
샘플 21 (비교예):
Ni81Fe19(4㎚) / Ru(5.6㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(5.6㎚) / Ni81Fe19(4㎚)
샘플 16은 자유 자성층이 자기 결합체가 없이 단 하나의 SAF로 구성되는 비교예이다. 샘플 17은 SAF 내에서의 각 NiFe 층이 샘플 16에서보다 더 두꺼운 두께를 갖는 다른 비교예이다. 샘플 17의 구조는 4㎚의 NiFe 막이 샘플 16의 SAF 내에서의 NiFe 층에 견고하게 자기적으로 결합되는 구조와 동일하다.
샘플 18 내지 샘플 21의 자유 자성층은 4㎚의 Ni81Fe19 막으로 구성된 반전 유도층과 Ni81Fe19(2㎚) / Ru(3.5㎚) / Ni81Fe19(2㎚) 막 적층으로 구성된 SAF를 일체로 하여 구성된다. 샘플 18 내지 샘플 21에서, 반전 유도층과 SAF는 RKKY 상호 작용에 의해 강자성적으로 결합된다. 샘플 18 내지 샘플 21 내에서의 RKKY 상호 작용의 강도는 Ru 막으로 구성된 자기 결합체의 두께에 대해 제어된다. 샘플 18, 19, 20 및 21의 자기 결합체의 두께는 제 2 강자성 피크(1.4㎚), 제 3 강자성 피크(2.7㎚), 제 4 자기 피크(4.2) 및 제 5 강자성 피크(5.6㎚)로 각각 조정되어, 루테 늄 자기 결합체는 강자성 결합을 야기하게 된다(도 13 참조). 샘플 16 내지 21의 SAF 내에서의 NiFe 층은 동일한 자화·두께 곱을 갖는다.
도 26a는 샘플 16 내지 샘플 21의 자유 자성층의 자화 곡선을 나타내고, 도 26b는 스핀 플롭 자계 Hflop, 포화 자계 HS, 및 동작 마진 HS/Hflop을 나타낸다. 도 26a와 26b에 나타낸 바와 같이, 87(Oe)의 가장 큰 포화 자계를 갖지만, 샘플 16(비교예)은 21.5(Oe)의 가장 큰 스핀 플롭 자계로 불리하다. 4㎚의 NiFe 막이 자유 자성층 내에서의 2㎚의 NiFe 막과 견고하게 결합되어 있는 샘플 17은 큰 자화·두께 곱으로 인해 9.7(Oe)의 작은 스핀 플롭 자계를 갖지만, 샘플 17은 18(Oe)의 가장 작은 포화 자계를 나타내어, 가장 작은 동작 마진으로 불리하다.
한편, 본 발명의 실시예인 샘플 18 내지 샘플 20은 4㎚의 NiFe 막이 원하는 강도로 SAF에 강자성적으로 결합되도록 구성된다. 스핀 플롭 자계가 같거나 더 작아질수록 포화 자계가 더 커지기 때문에, 샘플 18, 19 및 20의 스핀 플롭 자계는 샘플 17에서보다 큰 동작 마진을 효과적으로 달성한다. 본 발명의 유효한 특징이 샘플 18 내지 샘플 20에서 관찰된다. 본 실험에서 Ru 자기 결합체의 두께에서의 증가, 즉, 자기 결합체를 통한 강자성 결합 강도에서의 감소가 스핀 플롭 자계에서의 감소와 포화 자계에서의 증가를 가져온다는 점이 판명되었지만, 4.2㎚ 이상으로 Ru 자기 결합체의 두께의 증가는 자유 자성층이 두 단계를 갖는 자화 곡선을 나타내는 바람직하지 않은 결과를 낳는다. 두 단계의 자화 반전은, 제 5 강자성 피크의 약한 강자성 결합이 반전 유도층과 SAF을 자기적으로 결합하는데 사용되는 샘플 21에서 분명하게 관찰된다. 이는 약한 강자성 결합으로 인해, 반전 유도층의 자화 반전이 SAF의 자화 반전과 독립적으로 발생하기 때문이다. 약한 강자성 결합을 야기하는 자기 결합체를 일체로 하여 구성한 샘플 21의 MTJ 소자는, 제 1 실험(도 19a 및 19b 참조)에서 설명한 샘플 4와 샘플 5에서와 유사한 자화 반전 작용을 나타낸다. 이는 샘플 21이 샘플 4와 샘플 5의 MTJ 소자는 성공적인 토글 기입을 달성하지 못한다는 사실을 고려한다면 토글 기입에서의 문제로 인해 불리해 질 수 있음을 의미한다.
상술한 실험에서는, 자유 자성층 내에서의 자기 결합체가 RKKY 상호 작용을 야기하는 Ru 막으로 구성될 경우, 자기 결합체를 통한 강자성 결합 강도가 Ru 막의 두께 또는 자기 결합체 내에서의 Ru 막과 SAF 내에서의 NiFe 막 사이의 인터페이스 구조에 의해 바람직하게 적절히 제어되는 것이 판명되었다.
(제 4 실험)
제 4 실험은 열 안정성을 향상하기 위해 설계된, 내열성 재료로 이루어진 자기 결합체의 평가에 관한 것이다. 제 1 및 제 2 실험의 경우에서와 같이, 아래에 설명하는 바와 같이 구성된 자유 자성층이 고주파수 전원에 의해 생성된 산소와 아르곤 플라즈마를 사용하는, 마그네트론 스퍼터링법과 라디칼 산화법에 의해 준비되고, 준비된 자유 자성층의 자화 곡선을 측정한다. 샘플의 구조는 다음과 같다.
기판 / TA(20㎚) / Al(1㎚)0X / 자유 자성층 / Al(0.7㎚)OX / Ta(10㎚)
각 샘플 내에서의 자유 자성층은 다음의 구조를 갖는다.
샘플 22 (비교예):
Ni81Fe19(2.0㎚) / Al(0.5㎚)0X / Ni81Fe19(3.5㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(3.5㎚) / Al(0.5㎚)0X / Ni81Fe19(2.0㎚)
샘플 23 (실시예):
Ni81Fe19(2.0㎚) / Al(0.5㎚)0X / Ni81Fe19(1.5㎚) / Ta(0.35㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2㎚) / Ta(0.35㎚) / Ni81Fe19(1.5㎚) / Al(0.5㎚)0X / Ni81Fe19(2.0㎚)
샘플 22(비교예)에서, 자기 결합체는 Al(0.5㎚)0X 막으로 구성되고, 자유 강자성층 내에서의 강자성층(즉, SAF 내에서의 반전 유도층과 강자성층)은 NiFe 막으로 구성된다. 한편, 샘플 23은 샘플 22에서 3.5㎚의 Ni81Fe19 막 내로 0.35㎚의 Ta 막이 삽입되는 것을 제외하면, 샘플 22와 거의 동일하다. 0.35㎚의 Ta 막은 SAF 내에서의 반강자성 결합을 제어하는 효과를 제공한다.
도 27은 샘플 22와 샘플 23의 자화 곡선을 나타낸다. 샘플 22는 SAF에서의 반강자성 결합을 나타내지 않는다. 이는 Al(0.5㎚)0X 막 상에 형성된 Ni81Fe19(3.5㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(3.5㎚) 막 적층의 SAF의 결정 배향이 Al(0.5㎚)0X 막의 삽입에 의해 현저하게 악화되는 것에 기인할 수 있다. 반면, 샘플 23은 11(Oe)로 감소된 스핀 플롭 자계 Hflop, 115(Oe)로 증가된 포화 자계 HS, 및 10.4로 개선된 동 작 마진 HS/Hflop을 포함하는 월등한 특성을 나타낸다. 이는 Al(0.5㎚)0X 막으로 구성된 자기 결합체가 반전 유도층(2.0㎚의 Ni81Fe19 막으로 구성)과 SAF 사이의 강자성 결합 강도를 효과적으로 조정하고, SAF 내에서의 0.35㎚의 Ta 막이 Al(0.5㎚)0X 막에 의해 잠재적으로 악화되는 SAF 내에서의 층의 결정 배향을 효과적으로 개선하므로써, SAF 내에서의 반강자성 결합을 향상시키기 때문일 수도 있다.
열 안정성을 산출하기 위하여, 샘플 3(0.6㎚의 Ta 막의 자기 결합체를 일체로 하여 구성됨)과 샘플 23(Al(0.5㎚)0X 의 자기 결합체를 일체로 하여 구성됨)의 자화 곡선을 측정한다. 샘플 3과 샘플 23을 350℃에서 0.5시간 동안 열처리를 행한 후에 샘플 3과 샘플 23은 미리 270℃에서 5시간 동안 열처리를 행한 것에 유의해야 한다.
270℃에서 5시간 동안 열처리를 행한 후에 초기 11(Oe)인 샘플 3의 스핀 플롭 자계 Hflop는 350℃에서 0.5시간 동안 열처리를 행한 후에 크게는 18(Oe)까지 증가된다. 반면에, 270℃에서 5시간 동안 열처리를 행한 후에 초기 11(Oe)인 샘플 23의 스핀 플롭 자계 Hflop는 350℃에서 0.5시간 동안 열처리를 행한 후에 단지 14(Oe)까지 약간 증가된다.
샘플 3의 스핀 플롭 자계 Hflop에서의 큰 변화는 탄탈룸 등과 같은 금속 재료로 이루어진 자기 결합체가 자기 결합체의 유효 두께의 감소를 야기하는 열 확산으로 바람직하지 않게 불리한 것을 나타내며, 이는 열 처리 후에 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 크게 증가시키게 된다. 증가된 유효 강자성 결합 에너지 JC'는 비효율적인 자화 반전 유도 효과와 증가된 스핀 플롭 자계 Hflop을 초래할 수 있다. 반면에, 샘플 23의 스핀 플롭 자계 Hflop에서의 감소된 변화는 자기 결합체에 대해 개선된 열 안정성을 갖는 비금속 재료(비자성 재료의 산화물, 질화물 또는 탄화물 등)의 사용이 열 확산을 효과적으로 억제하고, 유효 강자성 결합 에너지 JC'를 안정시킴으로써, 자유 자성층의 자기 특성의 열 안정성을 개선시킨다.
또한, 0.35㎚의 Ta 층의 재료가 터널 배리어 층 내로 열 확산되는 것을 조사하기 위하여 다음의 샘플을 준비한다.
샘플 24 (비교예):
기판 / Ni81Fe19(2.0㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.0㎚) / Ta(0.35㎚) / Ni81Fe19(3.5㎚) / Al(1㎚)0X
샘플 25 (실시예):
기판 / Ni81Fe19(2.0㎚) / Ru(2.1㎚) / Ni81Fe19(2.0㎚) / Ta(0.35㎚) / Ni81Fe19(1.5㎚) / Al(0.5㎚)0X / Ni81Fe19(2.0㎚) / Al(1㎚)0X
샘플 25는 터널 배리어(Al(1㎚)0X 막), 제 1 강자성층(Ni81Fe19(3.5㎚) 막), 제 1 자기 결합체(Al(0.5㎚)0X), 제 2 강자성층(Ni81Fe19(2.0㎚) / Ta(0.35㎚) / (Ni81Fe19(1.5㎚) 막 적층), AF 결합 비자성층(Ru(2.1㎚) 막) 및 제 3 강자성층 (Ni81Fe19(2.0㎚))이 샘플 23으로부터 선택적으로 추출되어, 역순으로 적층되도록 구성된다. 샘플 24는 제 1 자기 결합체(Al(0.5㎚)0X 막)만이 샘플 25에서 제거되도록 구성된다. 샘플 24와 샘플 25는 380℃에서 1시간 동안 열 처리를 거치고, 샘플 24와 샘플 25의 상면에 소자 집중이 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)에 의해 분석된다.
XPS 분석의 결과로, 샘플 24의 상면에서는 Ta 원자가 명확하게 검출된다. 반면, 샘플 25의 상면에서는 Ta 원자가 전혀 검출되지 않는다. 이 결과 샘플 25에서, Al(0.5㎚)0X 막으로 형성된 자기 결합체는 탄탈룸이 샘플 25의 터널 배리어 내로 확산되는 것을 효과적으로 회피할 수 있는 것이 명확히 판명되었다. 이는 Al(0.5㎚)0X로 구성된 자기 결합체가 샘플 23의 자유 자성층 구조가 MTJ 소자에 사용될 경우 확산 배리어 층으로써 기능하고, 탄탈룸이 터널 배리어 층 내로 확산하는 것을 효과적으로 회피하여, 자기저항 비율의 열적 열화를 억제하는 것을 나타낸다.
본 발명은 상술한 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한 변형 및 변경될 수 있음이 분명하다.
본 발명에 따르면, MRAM 기반의 토글 기입에 있어서 증가된 기입 마진을 갖는 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시키기 위한 새로운 기술을 제공하고, 그럼으로써 기입 전류을 감소시켜 실패하는 데이터 기입을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 감소된 순수 자화를 갖는 SAF를 포함하는 자유 자성층을 사용하는 MRAM에서의 안정한 반강자성 결합을 갖는 상태로 데이터 기입에 필요한 자기장을 감소시키기 위한 새로운 기술을 제공할 수 있다.

Claims (49)

  1. 인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 제 1 합성 반강자성체와,
    강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 제 1 합성 반강자성체에 강자성적으로 결합되고, 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자기막 적층.
  2. 자유 자성층과,
    고정 자화를 갖는 고정 자성층을 포함하고,
    상기 자유 자성층은,
    인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 제 1 합성 반강자성체와,
    강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 제 1 합성 반강자성층에 강자성적으로 결합되고, 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자유 자성층은 강자성을 나타내는 제 2 반전 유도층을 더 포함하고,
    상기 제 2 반전 유도층은 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 복수의 강자성층 중 하나의 층에 강자성적으로 결합되고,
    상기 제 2 반전 유도층은 상기 복수의 강자성층의 다른 층에 강자성적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 자유 자성층은 인접하는 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 제 2 합성 반강자성체를 더 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 제 1 및 제 2 합성 반강자성체 양쪽에 강자성적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자유 자성층은 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계된 제 2 반전 유도층을 더 포함하고,
    상기 제 2 반전 유도층은 상기 제 1 및 제 2 합성 반강자성체 중 하나와 강자성적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 반전 유도층의 자화는 반(反) 평행인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 완전히 분리되어 상기 제 1 반전 유도층의 자화가 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층 중 인접한 하나의 층의 자화에 반 평행하게 되도록 한 상태에서의 자기장이 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장보다 더 큰 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 포화 자계보다 더 큰 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장은 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 되는 상기 포화 자계의 500배 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강사정 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장보다 더 크고, 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 되는 포화 자계보다 더 작은 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합의 강도는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합 강도의 1/50과 같거나 더 강한 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합의 강도는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합 강도의 500배보다 더 약한 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 순수 자화는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화와 상기 제 1 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 순수 자화는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화와 상기 제 1 및 제 2 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 순수 자화는 상기 제 1 및 제 2 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화와 상기 제 1 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 자유 자성층의 순수 자화는 상기 제 1 및 제 2 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화와 상기 제 1 및 제 2 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 자유 자성층은 비자성 소자를 포함하고, 상기 제 1 반전 유도층과 상기 제 1 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 제공하는 자기 결합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 두 개 이상의 비자성 소자의 합금 또는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 다른 비자성 소자로 이루어지는 두 개 이상의 적층막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 비자성층(들)보다 더 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나 듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료의 산화물, 질화물, 또는 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체의 평균 두께는 0.4 내지 1.5㎚의 범위인 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 접촉된 강자성층에 포함되는 자성 소자보다 더 작은 산화물 형성 에너지를 갖는 소자의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 접촉된 강자성층에 포함된 자기 소자보다 더 작은 질화물 형성 에너지를 갖는 소자의 질화물, 또는 접촉된 강자성층에 포함된 자기 소자보다 더 작은 탄화물 형성 에너지를 갖는 소자의 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 게르마늄, 리튬, 베릴륨, 바륨, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 니오븀, 몰리브덴, 세륨, 이트륨, 및 란탄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 자유 및 고정 자성층 사이에 매개 비자성층을 더 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 매개 비자성층고 상기 자기 결합체 사이에 위치되고,
    상기 자기 결합체는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층 중 하나와 직접 접촉하고,
    상기 복수의 강자성층 중 상기 하나는 비자성 소자를 갖는 층을 포함하는 비자성 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  28. 제 27 항에 있어서,
    층을 포함하는 상기 비자성 소자는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합을 제어하는 효과를 나타내는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  29. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 상기 제 1 반전 유도층이 상기 제 1 합성 반강자성체와 직접 접촉하게 하는 핀홀(pinhole)을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 0.4 내지 1.0㎚의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  31. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 주로 루테늄, 크롬, 레늄, 이리듐, 로듐, 은, 구리, 이트륨으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료로 구성하고, 상기 자기 결합체의 두께는 상기 제 1 반전 유도층이 상기 제 1 합성 반강자성체와 강자성적으로 결합되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  32. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 주로 1.1 내지 1.7㎚, 또는 2.3 내지 2.9㎚의 평균 두께를 갖는 루테늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  33. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는,
    철, 코발트, 및 니켈로 구성된 그룹에서 선택된 강자성 소자와,
    탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성된 그룹에서 선택된 비자성 소자를 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 자기 결합체에 포함된 상기 합금의 구성은 상기 자기 결합체가 강자성을 나타내도록 조정되는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  35. 제 17 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 철, 코발트, 및 니켈로 구성된 그룹에서 선택된 강자성 소자 중 적어도 하나의 산화물, 질화물 또는 탄화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  36. 자유 자성층과,
    고정 자화를 갖는 고정 자성층을 포함하고,
    상기 자유 자성층은,
    인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 제 1 합성 반강자성체와,
    강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 제 1 합성 반강자성체에 강자성적으로 겹합되고, 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자기 랜덤 액세스 메모리.
  37. 워드선,
    상기 워드선에 수직한 비트선,
    상기 워드선 및 상기 비트선의 교차점에서 위치된 자기저항 소자를 포함하는 메모리 셀을 포함하고,
    상기 자기저항 소자는,
    자유 자성층과,
    고정 자화를 갖는 고정 자성층을 포함하고,
    상기 자유 자성층은,
    인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 제 1 합성 반강자성체와,
    강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 제 1 합성 반강자성체에 강자성적으로 결합되고, 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되고,
    상기 자유 자성층의 순수 자화는 상기 제 1 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화와 상기 제 1 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하이고,
    상기 자기저항 소자 내에서의 상기 자유 자성층의 자화 용이축은 상기 워드선 및 비트선에 대해 40°각도로 향하는 것을 특징으로 하는 자기 랜덤 액세스 메모리.
  38. 자기저항 소자와 자기막 적층을 포함하고,
    자기막 적층은,
    인접한 두 개의 층이 비자성층을 통하여 반강자성적으로 결합되는, 복수의 강자성층을 포함하는 합성 반강자성체와,
    강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 포함하고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 합성 반강자성체에 강자성적으로 결합되고, 상기 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 자기막 적층은 강자성을 나타내는 제 1 반전 유도층을 더 포함하고,
    상기 제 2 반전 유도층은 상기 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장보다 더 작은 항전계를 갖도록 설계되고,
    상기 제 1 반전 유도층은 상기 복수의 강자성층 중 하나의 층에 강자성적으로 결합되고,
    상기 제 2 반전 유도층은 상기 복수의 강자성층의 다른 층에 강자성적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 반전 유도층의 자화는 반 평행인 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 자기장은 상기 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 포화 자계보다 더 큰 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 합성 반강자성층 사이에서의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장은 상기 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 상기 포화 자계보다 더 작은 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합이 분리되기 시작할 때의 상기 자기장은 상기 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수의 강자성층의 자화가 평행하게 향하게 될 때의 상기 포화 자계 이상이고, 상기 포화 자계의 500배보다 더 작은 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  44. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 반전 유도층과 상기 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합의 강도는 상기 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합의 강도의 1/50 같거나 더 강하고, 상기 합성 반강자성체 내에서의 반강자성 결합의 강도의 500배보다 더 약한 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 자기막 적층의 순수 자화는 상기 합성 반강자성체 내에서의 상기 복수 의 강자성층의 자화와 상기 제 1 반전 유도층의 자화의 합의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  46. 제 38 항에 있어서,
    상기 자기막 적층은 비자기 소자를 갖고, 상기 제 1 반전 유도층과 상기 합성 반강자성체 사이의 강자성 결합을 제공하는 자기 결합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 상기 합성 반강자성체 내에서의 상기 비자성층(들)의 두께보다 더 얇을 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 자기 결합체는 탄탈룸, 루테늄, 망간, 바륨, 리튬, 칼슘, 니오븀, 바나듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 구리, 은, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 이트륨, 세륨, 팔라듐, 및 레늄으로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 소자.
  49. 제 46 항에 있어서,
    상기 자기 결합체의 평균 두께는 0.4 내지 1.5㎚의 범위인 것을 특징으로 하 는 자기저항 소자.
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Families Citing this family (83)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4575136B2 (ja) * 2004-12-20 2010-11-04 株式会社東芝 磁気記録素子、磁気記録装置、および情報の記録方法
JP5077802B2 (ja) * 2005-02-16 2012-11-21 日本電気株式会社 積層強磁性構造体、及び、ｍｔｊ素子
JP4877575B2 (ja) * 2005-05-19 2012-02-15 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ
WO2006129725A1 (ja) * 2005-06-03 2006-12-07 Nec Corporation Ｍｒａｍ
JP4444241B2 (ja) * 2005-10-19 2010-03-31 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置
US7535069B2 (en) * 2006-06-14 2009-05-19 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction with enhanced magnetic switching characteristics
JP4380693B2 (ja) 2006-12-12 2009-12-09 ソニー株式会社 記憶素子、メモリ
US8675399B2 (en) 2007-02-23 2014-03-18 Nec Corporation Magnetic unit and magnetic storage device
US7605437B2 (en) * 2007-04-18 2009-10-20 Everspin Technologies, Inc. Spin-transfer MRAM structure and methods
US8599605B2 (en) 2007-05-28 2013-12-03 Nec Corporation Magnetic storage device
US7602033B2 (en) * 2007-05-29 2009-10-13 Headway Technologies, Inc. Low resistance tunneling magnetoresistive sensor with composite inner pinned layer
WO2009057428A1 (ja) * 2007-10-29 2009-05-07 Nec Corporation 磁気抵抗効果記憶装置
US20090121266A1 (en) * 2007-11-13 2009-05-14 Freescale Semiconductor, Inc. Methods and structures for exchange-coupled magnetic multi-layer structure with improved operating temperature behavior
US8242776B2 (en) * 2008-03-26 2012-08-14 Everspin Technologies, Inc. Magnetic sensor design for suppression of barkhausen noise
FR2929759B1 (fr) * 2008-04-03 2010-04-16 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique integrant un empilement magnetoresistif
US9929211B2 (en) * 2008-09-24 2018-03-27 Qualcomm Incorporated Reducing spin pumping induced damping of a free layer of a memory device
US7876603B2 (en) 2008-09-30 2011-01-25 Micron Technology, Inc. Spin current generator for STT-MRAM or other spintronics applications
US8310861B2 (en) 2008-09-30 2012-11-13 Micron Technology, Inc. STT-MRAM cell structure incorporating piezoelectric stress material
US8102700B2 (en) 2008-09-30 2012-01-24 Micron Technology, Inc. Unidirectional spin torque transfer magnetic memory cell structure
US7944738B2 (en) * 2008-11-05 2011-05-17 Micron Technology, Inc. Spin torque transfer cell structure utilizing field-induced antiferromagnetic or ferromagnetic coupling
FR2939256B1 (fr) * 2008-12-01 2011-06-17 Commissariat Energie Atomique Oscillateur radiofrequence a vanne de spin ou a jonction tunnel
US7859892B2 (en) * 2008-12-03 2010-12-28 Seagate Technology Llc Magnetic random access memory with dual spin torque reference layers
US8553449B2 (en) 2009-01-09 2013-10-08 Micron Technology, Inc. STT-MRAM cell structures
US7957182B2 (en) 2009-01-12 2011-06-07 Micron Technology, Inc. Memory cell having nonmagnetic filament contact and methods of operating and fabricating the same
US8059374B2 (en) * 2009-01-14 2011-11-15 Headway Technologies, Inc. TMR device with novel free layer structure
US8519495B2 (en) * 2009-02-17 2013-08-27 Seagate Technology Llc Single line MRAM
US8289648B2 (en) * 2009-02-20 2012-10-16 Seagate Technology Llc Magnetic recording head with layered structure in write gap
US7965543B2 (en) * 2009-04-30 2011-06-21 Everspin Technologies, Inc. Method for reducing current density in a magnetoelectronic device
FR2952486B1 (fr) * 2009-11-06 2012-01-06 Commissariat Energie Atomique Oscillateur radiofrequence
US8116043B2 (en) * 2009-12-09 2012-02-14 Western Digital (Fremont), Llc Method and system for providing a magnetic transducer having an improved read sensor synthetic antiferromagnet
KR20110071710A (ko) * 2009-12-21 2011-06-29 삼성전자주식회사 수직 자기터널접합과 이를 포함하는 자성소자 및 그 제조방법
US8259420B2 (en) * 2010-02-01 2012-09-04 Headway Technologies, Inc. TMR device with novel free layer structure
WO2011111473A1 (ja) 2010-03-10 2011-09-15 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP5725735B2 (ja) 2010-06-04 2015-05-27 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US11506732B2 (en) * 2010-10-20 2022-11-22 Infineon Technologies Ag XMR sensors with serial segment strip configurations
US9093139B2 (en) 2011-04-08 2015-07-28 Iii Holdings 1, Llc Counterbalanced-switch MRAM
US9159908B2 (en) * 2011-05-05 2015-10-13 Headway Technologies, Inc. Composite free layer within magnetic tunnel junction for MRAM applications
JP5796349B2 (ja) * 2011-05-23 2015-10-21 ソニー株式会社 記憶素子の製造方法
US8565012B1 (en) 2011-06-06 2013-10-22 Magsil Corporation Magnetic enhancement layer in memory cell
JP2013012676A (ja) * 2011-06-30 2013-01-17 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
JP2013012681A (ja) * 2011-06-30 2013-01-17 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子及びその製造方法
JP5306431B2 (ja) 2011-09-09 2013-10-02 株式会社東芝 磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
US8829901B2 (en) * 2011-11-04 2014-09-09 Honeywell International Inc. Method of using a magnetoresistive sensor in second harmonic detection mode for sensing weak magnetic fields
JP2013115319A (ja) * 2011-11-30 2013-06-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP5480321B2 (ja) * 2012-03-21 2014-04-23 株式会社東芝 磁気メモリ及びその製造方法
US9202545B2 (en) * 2012-04-09 2015-12-01 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory
EP2736045B1 (en) * 2012-11-27 2016-09-21 Crocus Technology S.A. Magnetic random access memory (MRAM) cell with low power consumption
US9495989B2 (en) 2013-02-06 2016-11-15 International Business Machines Corporation Laminating magnetic cores for on-chip magnetic devices
KR102078850B1 (ko) 2013-03-15 2020-02-18 삼성전자 주식회사 자기 메모리 소자 및 이에 대한 정보 쓰기 방법
CN103235274B (zh) * 2013-04-19 2015-12-23 中国科学院物理研究所 一种基于反铁磁自旋转向现象的传感器
JP2015060970A (ja) * 2013-09-19 2015-03-30 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
US20150129946A1 (en) * 2013-11-13 2015-05-14 International Business Machines Corporation Self reference thermally assisted mram with low moment ferromagnet storage layer
US9620706B2 (en) * 2014-12-02 2017-04-11 Qualcomm Incorporated Magnetic etch stop layer for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory magnetic tunnel junction device
US9876163B2 (en) * 2015-03-05 2018-01-23 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Magnetic memory with tunneling magnetoresistance enhanced spacer layer
US10128309B2 (en) 2015-03-27 2018-11-13 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Storage layer for magnetic memory with high thermal stability
WO2017052635A1 (en) 2015-09-25 2017-03-30 Intel Corporation Psttm device with bottom electrode interface material
US10580970B2 (en) 2015-09-25 2020-03-03 Intel Corporation PSTTM device with free magnetic layers coupled through a metal layer having high temperature stability
US10326075B2 (en) 2015-09-25 2019-06-18 Intel Corporation PSTTM device with multi-layered filter stack
US10297745B2 (en) 2015-11-02 2019-05-21 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Composite spacer layer for magnetoresistive memory
US10833253B2 (en) 2016-02-05 2020-11-10 International Business Machines Corporation Low magnetic moment materials for spin transfer torque magnetoresistive random access memory devices
US9893273B2 (en) * 2016-04-08 2018-02-13 International Business Machines Corporation Light element doped low magnetic moment material spin torque transfer MRAM
US10361361B2 (en) * 2016-04-08 2019-07-23 International Business Machines Corporation Thin reference layer for STT MRAM
US10304603B2 (en) * 2016-06-29 2019-05-28 International Business Machines Corporation Stress control in magnetic inductor stacks
US10811177B2 (en) * 2016-06-30 2020-10-20 International Business Machines Corporation Stress control in magnetic inductor stacks
US10283249B2 (en) 2016-09-30 2019-05-07 International Business Machines Corporation Method for fabricating a magnetic material stack
WO2018063355A1 (en) * 2016-09-30 2018-04-05 Intel Corporation Perpendicular sttm multi-layer insert free layer
JP2019057527A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 東芝メモリ株式会社 記憶装置
WO2019099438A1 (en) * 2017-11-17 2019-05-23 Everspin Technologies, Inc. Magnetoresistive stack/structure and methods of manufacturing therefor
US11502188B2 (en) 2018-06-14 2022-11-15 Intel Corporation Apparatus and method for boosting signal in magnetoelectric spin orbit logic
US11476412B2 (en) 2018-06-19 2022-10-18 Intel Corporation Perpendicular exchange bias with antiferromagnet for spin orbit coupling based memory
US11444237B2 (en) 2018-06-29 2022-09-13 Intel Corporation Spin orbit torque (SOT) memory devices and methods of fabrication
US11616192B2 (en) 2018-06-29 2023-03-28 Intel Corporation Magnetic memory devices with a transition metal dopant at an interface of free magnetic layers and methods of fabrication
US10879307B2 (en) * 2018-09-21 2020-12-29 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Magnetic device and magnetic random access memory
US11557629B2 (en) 2019-03-27 2023-01-17 Intel Corporation Spin orbit memory devices with reduced magnetic moment and methods of fabrication
US11594673B2 (en) 2019-03-27 2023-02-28 Intel Corporation Two terminal spin orbit memory devices and methods of fabrication
JP6806199B1 (ja) * 2019-08-08 2021-01-06 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金
US11031058B2 (en) * 2019-09-03 2021-06-08 Western Digital Technologies, Inc. Spin-transfer torque magnetoresistive memory device with a free layer stack including multiple spacers and methods of making the same
US11152047B2 (en) 2019-10-23 2021-10-19 Western Digital Technologies, Inc. Magnetoresistive random access memory containing multilayer synthetic antiferromagnetic structure and method of making thereof
US11538986B2 (en) * 2020-04-15 2022-12-27 HeFeChip Corporation Limited Asymmetric engineered storage layer of magnetic tunnel junction element for magnetic memory device
CN111863372B (zh) * 2020-07-28 2021-08-20 安徽智磁新材料科技有限公司 一种抗电磁干扰的软磁颗粒膜及其制备方法
US11379156B2 (en) 2020-08-19 2022-07-05 Micron Technology, Inc. Write type indication command
EP3971598A1 (en) * 2020-09-18 2022-03-23 Crocus Technology S.A. Magnetoresistive element for a 2d magnetic sensor having a reduced hysteresis response
KR20230158496A (ko) * 2021-03-19 2023-11-20 크로커스 테크놀러지 에스에이 고감도 및 낮은 제로 필드 오프셋 시프트를 갖는 자기저항 소자 및 자기 센서 장치

Family Cites Families (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5959880A (en) * 1997-12-18 1999-09-28 Motorola, Inc. Low aspect ratio magnetoresistive tunneling junction
US6307708B1 (en) 1998-03-17 2001-10-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Exchange coupling film having a plurality of local magnetic regions, magnetic sensor having the exchange coupling film, and magnetic head having the same
US6303218B1 (en) 1998-03-20 2001-10-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Multi-layered thin-film functional device and magnetoresistance effect element
JP3589346B2 (ja) 1999-06-17 2004-11-17 松下電器産業株式会社 磁気抵抗効果素子および磁気抵抗効果記憶素子
US6466417B1 (en) 1999-11-02 2002-10-15 International Business Machines Corporation Laminated free layer structure for a spin valve sensor
US6233172B1 (en) * 1999-12-17 2001-05-15 Motorola, Inc. Magnetic element with dual magnetic states and fabrication method thereof
JP2001177163A (ja) 1999-12-20 2001-06-29 Tdk Corp 磁気変換素子および薄膜磁気ヘッド
US6469926B1 (en) * 2000-03-22 2002-10-22 Motorola, Inc. Magnetic element with an improved magnetoresistance ratio and fabricating method thereof
JP2002032903A (ja) 2000-07-13 2002-01-31 Alps Electric Co Ltd 垂直磁気記録用薄膜磁気ヘッド
US6767655B2 (en) 2000-08-21 2004-07-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magneto-resistive element
JP3618654B2 (ja) 2000-09-11 2005-02-09 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
US6937446B2 (en) * 2000-10-20 2005-08-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistance effect element, magnetic head and magnetic recording and/or reproducing system
FR2817998B1 (fr) * 2000-12-07 2003-01-10 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a polarisation de spin et a rotation d'aimantation, memoire et procede d'ecriture utilisant ce dispositif
US6473279B2 (en) 2001-01-04 2002-10-29 International Business Machines Corporation In-stack single-domain stabilization of free layers for CIP and CPP spin-valve or tunnel-valve read heads
US6905780B2 (en) 2001-02-01 2005-06-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Current-perpendicular-to-plane-type magnetoresistive device, and magnetic head and magnetic recording-reproducing apparatus using the same
TWI222630B (en) 2001-04-24 2004-10-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetoresistive element and magnetoresistive memory device using the same
JP4024499B2 (ja) 2001-08-15 2007-12-19 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
US6545906B1 (en) * 2001-10-16 2003-04-08 Motorola, Inc. Method of writing to scalable magnetoresistance random access memory element
JP2003198003A (ja) * 2001-12-27 2003-07-11 Sony Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置
JP3638563B2 (ja) 2002-03-27 2005-04-13 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリ
JP2004087870A (ja) 2002-08-28 2004-03-18 Sony Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
US7394626B2 (en) * 2002-11-01 2008-07-01 Nec Corporation Magnetoresistance device with a diffusion barrier between a conductor and a magnetoresistance element and method of fabricating the same
JP3863484B2 (ja) 2002-11-22 2006-12-27 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP2004179187A (ja) 2002-11-22 2004-06-24 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US6956766B2 (en) 2002-11-26 2005-10-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic cell and magnetic memory
JP2004200245A (ja) 2002-12-16 2004-07-15 Nec Corp 磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子の製造方法
US6703654B1 (en) 2003-02-20 2004-03-09 Headway Technologies, Inc. Bottom electrode for making a magnetic tunneling junction (MTJ)
US6847547B2 (en) * 2003-02-28 2005-01-25 Grandis, Inc. Magnetostatically coupled magnetic elements utilizing spin transfer and an MRAM device using the magnetic element
US6714446B1 (en) * 2003-05-13 2004-03-30 Motorola, Inc. Magnetoelectronics information device having a compound magnetic free layer
JP4759911B2 (ja) * 2003-09-09 2011-08-31 ソニー株式会社 磁気記憶素子及び磁気メモリ
CN100395629C (zh) 2003-09-30 2008-06-18 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 面光源装置和液晶显示器
KR100867662B1 (ko) 2004-03-12 2008-11-10 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 자기저항소자, 터널 장벽층 및 자기저항소자의 제조방법
JP2005294376A (ja) 2004-03-31 2005-10-20 Toshiba Corp 磁気記録素子及び磁気メモリ
FR2869445B1 (fr) * 2004-04-26 2006-07-07 St Microelectronics Sa Element de memoire vive magnetique
JP2006005278A (ja) 2004-06-21 2006-01-05 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子
JP4460965B2 (ja) * 2004-07-22 2010-05-12 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ
JP4868198B2 (ja) * 2004-08-19 2012-02-01 日本電気株式会社 磁性メモリ
JP2006128410A (ja) 2004-10-28 2006-05-18 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子及びその製造方法
JP5077802B2 (ja) 2005-02-16 2012-11-21 日本電気株式会社 積層強磁性構造体、及び、ｍｔｊ素子
JP2006319259A (ja) 2005-05-16 2006-11-24 Fujitsu Ltd 強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、および磁気メモリ装置
JP4877575B2 (ja) * 2005-05-19 2012-02-15 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5096702B2 (ja) 2005-07-28 2012-12-12 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子及びそれを搭載した不揮発性磁気メモリ
US7280389B2 (en) * 2006-02-08 2007-10-09 Magic Technologies, Inc. Synthetic anti-ferromagnetic structure with non-magnetic spacer for MRAM applications
US20080055792A1 (en) * 2006-03-07 2008-03-06 Agency For Science, Technology And Research Memory cells and devices having magnetoresistive tunnel junction with guided magnetic moment switching and method
US7684161B2 (en) 2006-04-18 2010-03-23 Everspin Technologies, Inc. Methods and apparatus for a synthetic anti-ferromagnet structure with reduced temperature dependence
JP4711079B2 (ja) * 2006-06-23 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 射出発泡成形装置および射出発泡成形方法

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