KR20120057545A - Magnetic memory including memory cells incorporating data recording layer with perpendicular magnetic anisotropy film - Google Patents

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가쯔미 스에미쯔
히로노부 다니가와
가오루 모리
데쯔히로 스즈끼
기요까즈 나가하라
야스아끼 오자끼
노리까즈 오시마
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르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

PURPOSE: A magnetic memory including a memory cell with a data recording layer with perpendicular magnetic anisotropy films is provided to sufficiently reinforce magnetic coupling between the data recording layer and a magnetization fixed layer. CONSTITUTION: A magnetization fixed layer includes perpendicular magnetic anisotropy and a fixed magnetization direction thereof. An under layer(40) is formed on the upper sides of an interlayer dielectric and the magnetization fixed layer. A data recording layer(10) is formed on the upper side of the under layer and has perpendicular magnetic anisotropy. The under layer includes a first magnetic under layer and a non-magnetic under layer. The non-magnetic under layer is formed on the first magnetic under layer.

Description

수직 자기 이방성 필름을 갖는 데이터 기록층을 구비한 메모리 셀을 포함하는 자기 메모리{MAGNETIC MEMORY INCLUDING MEMORY CELLS INCORPORATING DATA RECORDING LAYER WITH PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY FILM}MAGNETIC MEMORY INCLUDING MEMORY CELLS INCORPORATING DATA RECORDING LAYER WITH PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY FILM}

본 발명은 자기 메모리(magnetic memory)에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 각각의 메모리 셀 내의 데이터 기록층으로서 수직 자기 이방성(PMA; Perpendicular Magnetic Anisotropy)을 갖는 자성 필름(magnetic film)을 이용하는 자기 메모리에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to magnetic memory, and more particularly, to a magnetic memory using a magnetic film having Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) as a data recording layer in each memory cell. It is about.

자기 메모리 또는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 고속 동작 및 무한 재기록 내성을 달성하는 비휘발성 메모리이다. 이것은 특정한 응용에서 MRAM의 실용적 사용을 촉진하며, MRAM의 다기능성을 확장하기 위한 개발을 촉진한다. 자기 메모리는 메모리 소자로서 자성 필름을 이용하며, 데이터를 자성 필름의 자화 방향으로서 저장한다. 원하는 데이터를 자성 필름에 기록할 때, 자성 필름의 자화는 그 데이터에 대응하는 방향으로 전환된다. 자화 방향의 전환을 위한 다양한 방법들이 제안되었지만, 제안된 방법들 모두는 전류(또는 기록 전류)가 사용된다는 점에서 동일하다. MRAM의 실용적 사용을 구현하는데 있어서 기록 전류를 감소시키는 것은 매우 중요하다. 기록 전류 감소의 중요성은, 예를 들어, N.Sakimura 등에 의한 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 상태 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에서 논의되고 있다.Magnetic memory or magnetic random access memory (MRAM) is a nonvolatile memory that achieves high speed operation and infinite rewrite immunity. This facilitates the practical use of MRAM in certain applications and facilitates development to expand the versatility of MRAM. The magnetic memory uses a magnetic film as a memory element, and stores data as the magnetization direction of the magnetic film. When recording desired data on the magnetic film, the magnetization of the magnetic film is switched in the direction corresponding to that data. Although various methods for switching the magnetization direction have been proposed, all of the proposed methods are identical in that a current (or write current) is used. It is very important to reduce the write current in realizing the practical use of MRAM. The importance of reducing the write current is discussed, for example, in “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC” by N. Sakimura et al., IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 42, No. 4, pages 830-838, 2007 It is becoming.

기록 전류를 감소시키기 위한 한 접근법은, 데이터 기록시 "전류 구동된 도메인 벽 이동(domain wall motion)"을 이용하는 것이다. A. Yamaguchi 등의 “Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”, 물리적 리뷰 레터, 제92권, 제7호, 077205, 2004에서 개시된 바와 같이, 도메인 벽을 관통하는 방향으로 전류가 흐를 때, 도메인 벽은 전도 전자들의 방향으로 움직인다. 따라서, 데이터 기록층을 통해 기록 전류를 흘림으로써, 도메인 벽은 그 전류 방향에 대응하는 방향으로 움직이고, 이로써 원하는 데이터를 기록한다. 전류 구동된 도메인 벽 이동에 기초한 MRAM이, 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2005-191032 A호에 개시되어 있다.One approach to reducing write current is to use "current driven domain wall motion" in writing data. A. As described in Yamaguchi et al., “Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires,” Physical Review Letter, Vol. 92, No. 7, 077205, 2004. When current flows, the domain wall moves in the direction of the conduction electrons. Thus, by flowing a recording current through the data recording layer, the domain wall moves in the direction corresponding to that current direction, thereby recording the desired data. MRAM based on current driven domain wall movement is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 A.

나아가, 스핀 주입(spin injection)에 기초한 자기 시프트 레지스터가 미국 특허 제6,834,005호에 개시되어 있다. 이 자기 시프트 레지스터는 자성체(magnetic body)에 형성된 도메인 벽을 이용함으로써 데이터를 기록한다. 많은 수의 영역(또는 자기 도메인)으로 분할된 자성체의 도메인 벽을 통해 전류가 주입될 때, 도메인 벽들은 전류에 의해 움직인다. 각 영역의 자화 방향은, 기록 데이터로서 정의된다. 이와 같은 자기 시프트 레지스터는, 예를 들어, 많은 양의 직렬 데이터를 기록하기 위해 사용된다.Furthermore, magnetic shift registers based on spin injection are disclosed in US Pat. No. 6,834,005. This magnetic shift register records data by using domain walls formed in a magnetic body. When current is injected through the domain walls of a magnetic body divided into a large number of regions (or magnetic domains), the domain walls are driven by the current. The magnetization direction of each area is defined as recording data. Such a magnetic shift register is used to write a large amount of serial data, for example.

전류 구동된 도메인 벽 이동에 기초하여 데이터 기록을 달성하는 자기 메모리에서 데이터 기록층으로서 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름을 이용함으로써 기록 전류가 더욱 감소될 수 있다는 것이 본 분야에 알려져 있다. 이와 같은 기술은, 예를 들어, S. Fukami 등의 “Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”, 응용 물리학 저널 제103권, 07E718, (2008)에 개시되어 있다.It is known in the art that by using a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy as the data recording layer in a magnetic memory which achieves data recording based on current driven domain wall movement, the recording current can be further reduced. Such techniques are disclosed, for example, in "Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy" by S. Fukami et al., Journal of Applied Physics, Vol. 103, 07E718, (2008).

또한, 국제 공개 WO2009/001706 A1호는, 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름이 데이터 기록층으로서 사용되고 데이터 기록은 전류 구동된 도메인 벽 이동에 의해 달성되는 자기 메모리를 개시하고 있다. 도 1은 개시된 자기 메모리에 통합된 자기저항 효과 소자(Magnetoresistance Effect Element, 200)를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 자기저항 효과 소자(200)는, 데이터 기록층(110), 스페이서층(120), 및 참조층(130)을 포함한다. 데이터 기록층(110)은 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름으로 형성된다. 스페이서층(120)은 비자성 유전체층으로 형성된다. 참조층(130)은 고정된 자화를 갖는 자성층으로 형성된다.In addition, WO2009 / 001706 A1 discloses a magnetic memory in which a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy is used as a data recording layer and data recording is achieved by current driven domain wall movement. 1 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistance effect element 200 incorporated in the disclosed magnetic memory. The magnetoresistive effect element 200 includes a data recording layer 110, a spacer layer 120, and a reference layer 130. The data recording layer 110 is formed of a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy. The spacer layer 120 is formed of a nonmagnetic dielectric layer. The reference layer 130 is formed of a magnetic layer having fixed magnetization.

데이터 기록층(110)은, 한쌍의 자화 고정 영역(111a 및 111b), 및 자화 자유 영역(113)을 포함한다. 자화 고정 영역(111a 및 111b)은 자화 자유 영역(113) 양단에 배치된다. 자화 고정 영역(111a 및 111b)의 자화는, 각각, 자화 고정층(115a 및 115b)에 의해 서로 반대 방향으로(또는 반평행(antiparallel)으로) 고정된다. 더 구체적으로, 자화 고정 영역(111a)의 자화 방향은, 자화 고정층(115a)과의 자기 결합에 의해 +z 방향으로 고정되고, 자화 고정 영역(111b)의 자화 방향은, 자화 고정층(115b)과의 자기 결합에 의해 -z 방향으로 고정된다. 한편, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향은, 자화 고정 영역들(111a 및 111b) 중 하나에서 다른 하나로 흐르는 기록 전류에 의해 +z 방향과 -z 방향 사이에서 역전가능하다. 그 결과, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향에 따라 데이터 기록층(110)에 도메인 벽(112a 또는 112b)이 형성된다. 데이터는 자화 자유 영역(113)의 자화 방향으로서 저장된다. 데이터는 (참조번호 112a 또는 112b로 표시된) 도메인 벽의 위치로서 저장된다고 생각할 수 있다.The data recording layer 110 includes a pair of magnetization fixing regions 111a and 111b and a magnetization free region 113. The magnetization fixing regions 111a and 111b are disposed at both ends of the magnetization free region 113. The magnetizations of the magnetization fixing regions 111a and 111b are fixed in the opposite directions (or antiparallel) by the magnetization fixing layers 115a and 115b, respectively. More specifically, the magnetization direction of the magnetization fixing region 111a is fixed in the + z direction by magnetic coupling with the magnetization fixing layer 115a, and the magnetization direction of the magnetization fixing region 111b is the magnetization fixing layer 115b. It is fixed in the -z direction by magnetic coupling. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization free region 113 is invertible between the + z direction and the -z direction by the write current flowing from one of the magnetization fixing regions 111a and 111b to the other. As a result, domain walls 112a or 112b are formed in the data recording layer 110 in accordance with the magnetization direction of the magnetization free region 113. The data is stored as the magnetization direction of the magnetization free area 113. Data can be thought of as being stored as the location of the domain wall (indicated by reference numeral 112a or 112b).

데이터 기록층(110)의 참조층(130), 스페이서층(120) 및 자화 자유층(113)은 자기 터널 접합(MTJ; Magnetic Tunnel Junction)을 형성한다. MTJ의 저항은, 자화 자유 영역(113)의 자화 방향, 즉 데이터 기록층(110) 내에 기록된 데이터에 따라 변한다. 데이터는 MTJ의 저항의 크기로서 판독된다.The reference layer 130, the spacer layer 120, and the magnetization free layer 113 of the data recording layer 110 form a magnetic tunnel junction (MTJ). The resistance of the MTJ changes in accordance with the magnetization direction of the magnetization free region 113, that is, the data recorded in the data recording layer 110. The data is read out as the magnitude of the resistance of the MTJ.

수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 이용하는 자기 메모리의 하나의 중요한 문제는, 데이터 기록층의 수직 자기 이방성을 강화하는 것이다. Co/Ni 필름 스택(얇은 Co 필름과 Ni 필름이 교대로 라미네이트되어 있는 스택)이 데이터 기록층으로서 사용될 때, 예를 들어, 높은 fcc (111) 배향을 보이도록 Co/Ni 필름 스택을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성이 달성될 수 있다; 그러나, 충분히 높은 fcc (111) 배향을 갖는 Co/Ni 필름 스택을 형성하는 것은 그렇게 용이하지 않다.One important problem of a magnetic memory using a data recording layer having perpendicular magnetic anisotropy is to enhance the vertical magnetic anisotropy of the data recording layer. When a Co / Ni film stack (a stack in which thin Co films and Ni films are alternately laminated) is used as the data recording layer, for example, by forming a Co / Ni film stack to show a high fcc (111) orientation, Perpendicular magnetic anisotropy can be achieved; However, forming a Co / Ni film stack with a sufficiently high fcc (111) orientation is not so easy.

일본 특허 출원 공개 제2006-114162 A호는, 기판 위에 직렬로 라미네이트된, 점착 층, 연자성 하층, 중간층, 및 수직 기록층을 포함한 수직 자기 기록 매체를 개시한다. 이 특허 문헌은, 연자성 하층의 표면 평탄성과 자기 특성을 개선하고, 기판과의 접착을 더욱 강화하기 위한 기술을 개시하고 있다. 구체적으로, 점착층은 제1 및 제2 하층으로 구성된다. 제1 하층은, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 크롬(Cr), 및 코발트(Co)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 2개 원소의 합금으로 형성되고, 제2 하층은, Ni, Al, Ti, Cr, 및 Zr로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 도핑된 Ta를 포함하는 아몰퍼스 합금 또는 금속 탄탈룸으로 형성된다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-114162 A discloses a vertical magnetic recording medium including an adhesive layer, a soft magnetic underlayer, an intermediate layer, and a vertical recording layer, laminated in series on a substrate. This patent document discloses a technique for improving the surface flatness and magnetic properties of a soft magnetic underlayer, and for further enhancing adhesion to a substrate. Specifically, the pressure-sensitive adhesive layer is composed of first and second lower layers. The first lower layer is formed of an alloy of at least two elements selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), chromium (Cr), and cobalt (Co), The second lower layer is formed of an amorphous alloy or metal tantalum comprising Ta doped with at least one element selected from the group consisting of Ni, Al, Ti, Cr, and Zr.

F.J.A. den Broeder 등의 "Co/Ni 다층의 수직 자기 이방성과 보자력", 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션, 제28권, 제5호, 페이지 2760-2765, (1992)는, 어떠한 하층도 없는 유리 기판 상의 필름 피착 결과 면내(in-plane) 방향으로 강한 이방성을 보이며, 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 하층이 필요하다고 논의하고 있다. 이 비-특허 문헌은 (111) 배향을 갖는 금(Au) 필름이 양호한 하층이라고 개시한다. 이 비-특허 문헌에 개시된 하층은 비자성 재료로 형성되고 20 nm 이상의 두께를 갖는다는 점에 주목해야 한다.F.J.A. "Vertical Magnetic Anisotropy and Coercivity of Co / Ni Multilayers" by den Broeder et al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 28, No. 5, pages 2760-2765, (1992), deposited films on glass substrates without any underlying layers. The results show strong anisotropy in the in-plane direction, and a lower layer is needed to achieve perpendicular magnetic anisotropy. This non-patent document discloses that a gold (Au) film having a (111) orientation is a good underlayer. It should be noted that the underlayer disclosed in this non-patent document is formed of a nonmagnetic material and has a thickness of 20 nm or more.

이 비-특허 문헌에 개시된 바와 같이 하층으로서 두꺼운 비자성층의 사용은, 데이터 기록층의 자화 고정 영역의 자화가 데이터 기록층 아래에 형성된 자화 고정층에 의해 고정되는 도 1에 도시된 자기 메모리에 대해서는 바람직하지 않다. 예를 들어, 하층이 도 1에 도시된 자기 메모리에서 사용될 때, 그 하층은 데이터 기록층(110)과 자화 고정층들(115a, 115b) 사이에 삽입된다. 이 경우, 데이터 기록층(110)과 자화 고정층(115a 및 115b) 사이의 자기 결합은, 하층으로서의 두꺼운 비자성층의 삽입에 의해 깨져, 결과적으로 자화 고정 영역들(111a 및 111b)의 자화가 느슨해진다. 이것은 자기 메모리를 정상적으로 동작시키기 위해서 바람직하지 못하다.The use of a thick nonmagnetic layer as a lower layer as disclosed in this non-patent document is preferable for the magnetic memory shown in Fig. 1 in which the magnetization of the magnetization pinning area of the data recording layer is fixed by a magnetization pinning layer formed below the data recording layer. Not. For example, when a lower layer is used in the magnetic memory shown in Fig. 1, the lower layer is inserted between the data recording layer 110 and the magnetization pinned layers 115a and 115b. In this case, the magnetic coupling between the data recording layer 110 and the magnetization pinning layers 115a and 115b is broken by the insertion of a thick nonmagnetic layer as a lower layer, resulting in loose magnetization of the magnetization pinning regions 111a and 111b. . This is undesirable for normal operation of the magnetic memory.

따라서, 본 발명의 목적은, 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한 자기 메모리를 제공하는 것으로, 데이터 기록층은, 충분히 강한 수직 자기 이방성을 가지며, 데이터 기록층과, 데이터 기록층 아래에 배치된 자화 고정층 사이의 자기 결합은 충분히 강화된다.It is therefore an object of the present invention to provide a magnetic memory including a data recording layer having perpendicular magnetic anisotropy, wherein the data recording layer has a sufficiently strong perpendicular magnetic anisotropy and is disposed below the data recording layer and the data recording layer. Magnetic coupling between the magnetized pinned layers is sufficiently strengthened.

본 발명의 한 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖고, 자화 고정층의 자화 방향이 고정된 자화 고정층; 층간 유전체(interlayer dielectric); 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층(underlayer); 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층(data recording layer)을 포함한다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 층간 유전체 상에 형성된 제1 자성 하층의 일부에서 제1 자성 하층이 면내(in-plane) 자기 이방성을 보이지 않도록 하는 두께로 형성된다.In one aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetizing pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction of the magnetized pinned layer; Interlayer dielectrics; An underlayer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having vertical magnetic anisotropy. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer is formed to a thickness such that the first magnetic underlayer does not exhibit in-plane magnetic anisotropy in a portion of the first magnetic underlayer formed on the interlayer dielectric.

본 발명의 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖는 자화 고정층; 층간 유전체; 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한다. 자화 고정층은 고정된 자화 방향을 가진다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 주성분(major constitution)으로서 NiFe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있다.In another aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy; Interlayer dielectric; A lower layer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy. The magnetization pinned layer has a fixed magnetization direction. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer contains NiFe as a major constitution and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. The thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.

본 발명의 역시 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 수직 자기 이방성을 갖고, 자화 고정층의 자화 방향이 고정된 자화 고정층; 층간 유전체; 자화 고정층과 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한다. 하층은, 제1 자성 하층; 및 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함한다. 제1 자성 하층은, 주성분으로서 Co 또는 Fe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있다.In still another aspect of the present invention, a magnetic memory includes: a magnetizing pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction of the magnetized pinned layer; Interlayer dielectric; A lower layer formed on the upper surfaces of the magnetized pinned layer and the interlayer dielectric; And a data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy. The lower layer is a first magnetic lower layer; And a nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer. The first magnetic underlayer contains Co or Fe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. The thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.

본 발명의 역시 또 다른 양태에서, 자기 메모리는, 자성 재료로 형성된 강자성 하층; 상기 하층 상에 배치된 비자성 중간층; 상기 중간층 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 데이터 기록층; 비자성층을 통해 상기 데이터 기록층에 접속된 참조층; 및 상기 하층의 하부면과 접촉하도록 배치된 제1 및 제2 자화 고정층을 포함한다. 데이터 기록층은, 반전 가능한 자화를 가지며 참조층과 대향하는 자화 자유 영역; 자화 자유 영역의 제1 경계에 결합되고 제1 방향으로 고정된 자화를 갖는 제1 자화 고정 영역; 및 자화 자유 영역의 제2 경계에 결합되고 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 고정된 자화를 갖는 제2 자화 고정 영역을 포함한다. 중간층은, 0.1 내지 2.0 nm의 두께를 갖는 Ta 필름으로 형성된다.In yet another aspect of the invention, a magnetic memory includes: a ferromagnetic underlayer formed of a magnetic material; A nonmagnetic intermediate layer disposed on the lower layer; A ferromagnetic data recording layer formed on the intermediate layer and having perpendicular magnetic anisotropy; A reference layer connected to the data recording layer through a nonmagnetic layer; And first and second magnetized pinned layers disposed to contact the lower surface of the lower layer. The data recording layer includes: a magnetization free region having invertible magnetization and opposing the reference layer; A first magnetization fixing region coupled to the first boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in the first direction; And a second magnetization fixing region coupled to the second boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in a second direction opposite to the first direction. The intermediate layer is formed of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm.

본 발명은, 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층을 포함한 자기 메모리를 제공하며, 데이터 기록층은, 충분히 강한 수직 자기 이방성을 가지며, 데이터 기록층과, 데이터 기록층 아래에 배치된 자화 고정층 사이의 자기 결합은 충분히 강화된다.The present invention provides a magnetic memory including a data recording layer having vertical magnetic anisotropy, wherein the data recording layer has a sufficiently strong vertical magnetic anisotropy, and a magnetic field between the data recording layer and the magnetization pinning layer disposed below the data recording layer. The bond is sufficiently strengthened.

본 발명의 상기 및 기타의 목적, 이점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연계하여 취해지는 소정의 양호한 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은, 종래의 자기저항 효과 소자(magnetoresistance effect element)의 예시적 구성을 나타내는 단면도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3a는, 데이터 "0"이 기록되는 자기저항 효과 소자의 상태를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3b는, 데이터 "1"이 기록되는 자기저항 효과 소자의 상태를 개략적으로 나타내는 도면.
도 4a는, 필름 두께에 대한 NiFeW 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 4b는, 필름 두께에 대한 NiFeZr 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 4c는, 필름 두께에 대한 NiFeTa 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프.
도 5a는, 비자성 하층에 대응하는 Pt 필름을 통해 작용하는 결합장의 Pt 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 5b는, 비자성 하층에 대응하는 Pd 필름을 통해 작용하는 결합장의 Pd 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 5c는, 비자성 하층에 대응하는 Ir 필름을 통해 작용하는 결합장의 Ir 필름 두께에 대한 변화를 나타내는 테이블.
도 6a는, 제2 자성 하층이 제공되지 않는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6b는, 하나의 Co 필름과 하나의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6c는, 2개의 Co 필름과 2개의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6d는, 3개의 Co 필름과 3개의 Pt 필름이 제2 자성 하층에서 적층되는 경우에 대해 제1 실시예의 구현예 1의 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 6e는, 비자성 하층에 대응하는 Pt 필름 상에 형성된 Co/Pt 필름 스택의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 7은, 포화장 Hs의 정의를 나타내는 그래프.
도 8은, 제1 실시예의 구현예 1의 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 포화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프.
도 9는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수, 포화장 Hs 및 기록 전류간의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은, 제1 실시예의 비교예 1의 구조를 나타내는 단면도.
도 11a는, NiFeW 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고, Pt 필름이 비자성 하층으로서 사용되고 있는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 11b는, NiFeV 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고, Au 필름이 비자성 하층으로서 사용되고 있는, 제1 실시예의 구현예 1에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는, 본 발명의 제2 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 13a는, 제1 자성 하층의 재료에 대한 자기 터널 접합의 의존성을 나타내는 그래프.
도 13b는, 제1 자성 하층이 NiFeZr 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13c는, 제1 자성 하층이 NiFeZr 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13d는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 13e는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 데이터 기록층과 자화 고정층간의 결합 상태를 나타내는 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 14a는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 제1 자성 하층의 두께에 대한 자화장 곡선의 변화를 나타내는 도면.
도 14b는, 제1 자성 하층이 CoTa 필름으로 형성되는 경우에 대해 제1 자성 하층의 두께에 대한 자화장 곡선의 변화를 나타내는 도면.
도 15a는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층이 제공되지 않는 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 15b는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 하나인 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 15c는, 제2 실시예에서 제2 자성 하층 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 2개인 경우에 대해 데이터 기록층의 자화장 곡선을 나타내는 그래프.
도 16은, 제2 실시예에서 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 포화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프.
도 17은, 제2 실시예에서 제2 자성 하층에서의 Co 및 Pt 필름의 갯수, 포화장 Hs 및 기록 전류간의 관계를 나타내는 그래프.
도 18은, CoTa 필름이 제1 자성 하층으로서 사용되고 있는 제2 실시예에서, 제2 자성 하층의 Co 및 Pt 필름의 두께 비율과 포화장 Hs간의 관계를 나타내는 그래프.
도 19a 및 19b는, 본 발명의 제3 실시예의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 20a 및 20b는, 비교예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 21a는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 21b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22a는, 데이터 기록층이 열처리(thermal annealing)된 후에 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 22b는, 데이터 기록층이 열처리된 후에 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 23a 및 23b는, 구현예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 24a는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 24b는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 25는, 중간층의 두께, 열처리의 온도, 및 포화장간의 관계를 나타내는 그래프.
도 26은, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가되는 경우에 대해 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프.
도 27은, 본 발명의 한 실시예에서 자기 메모리의 예시적 구성을 나타내는 블록도.
도 28은, 본 발명의 한 실시예에서 메모리 셀의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 회로도.
These and other objects, advantages, and features of the present invention will become more apparent from the following description of certain preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
1 is a cross-sectional view showing an exemplary configuration of a conventional magnetoresistance effect element.
Fig. 2 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element of the first embodiment of the present invention.
3A is a diagram schematically showing a state of a magnetoresistive element in which data "0" is recorded.
Fig. 3B is a diagram schematically showing the state of the magnetoresistive element in which data " 1 " is recorded.
4A is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeW film with respect to film thickness.
4B is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeZr film with respect to film thickness.
4C is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeTa film with respect to film thickness.
FIG. 5A is a table showing the change in Pt film thickness of the bonding field acting through the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
FIG. 5B is a table showing the change in Pd film thickness of the bonding field acting through the Pd film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
Fig. 5C is a table showing the change in the Ir film thickness of the bonding field acting through the Ir film corresponding to the nonmagnetic underlayer.
Fig. 6A is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of Embodiment 1 of the first embodiment when the second magnetic underlayer is not provided.
Fig. 6B is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of Embodiment 1 of the first embodiment for the case where one Co film and one Pt film are laminated in the second magnetic underlayer.
Fig. 6C is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of Embodiment 1 of the first embodiment for the case where two Co films and two Pt films are laminated in the second magnetic underlayer.
Fig. 6D is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer of Embodiment 1 of the first embodiment for the case where three Co films and three Pt films are laminated in the second magnetic underlayer.
FIG. 6E is a graph showing a magnetization curve of a Co / Pt film stack formed on a Pt film corresponding to a nonmagnetic underlayer.
7 is a graph showing the definition of a saturated field H s .
FIG. 8 is a graph showing a change in saturation field H s with respect to the number of Co and Pt films of the second magnetic underlayer of Embodiment 1 of Example 1; FIG.
9 is a graph that shows a relation between the first embodiment in the embodiment 1, the second number of magnetic Co and the Pt film in the lower layer, bubble cosmetic H s and the recording current.
10 is a cross-sectional view showing a structure of Comparative Example 1 of the first embodiment.
FIG. 11A shows the thickness ratio and saturation field H s of the Co and Pt films of the second magnetic underlayer in Embodiment 1 of the first embodiment, in which a NiFeW film is used as the first magnetic underlayer and the Pt film is used as the nonmagnetic underlayer. Graph showing the relationship between
FIG. 11B shows the thickness ratio and saturation field H s of the Co and Pt films of the second magnetic underlayer in Embodiment 1 of the first embodiment, in which a NiFeV film is used as the first magnetic underlayer and the Au film is used as the nonmagnetic underlayer. Graph showing the relationship between
Fig. 12 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element of the second embodiment of the present invention.
13A is a graph showing the dependence of the magnetic tunnel junction on the material of the first magnetic underlayer.
FIG. 13B is a graph showing a magnetic field curve showing a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a NiFeZr film. FIG.
FIG. 13C is a graph showing a magnetic field curve showing a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a NiFeZr film. FIG.
FIG. 13D is a graph showing a magnetic field curve indicating a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film; FIG.
Fig. 13E is a graph showing a magnetic field curve indicating a bonding state between a data recording layer and a magnetized pinned layer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
14A is a diagram showing a change in the magnetic field curve with respect to the thickness of the first magnetic underlayer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
14B is a view showing a change in the magnetic field curve with respect to the thickness of the first magnetic underlayer when the first magnetic underlayer is formed of a CoTa film.
Fig. 15A is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer when the second magnetic underlayer is not provided in the second embodiment.
Fig. 15B is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer for the case where the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer is one in the second embodiment.
Fig. 15C is a graph showing the magnetic field curve of the data recording layer when the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer is two in the second embodiment.
16 is the graph showing the change in the make-up H 2 PO s for the number of the magnetic underlayer of Co and the Pt film in the second embodiment.
17 is the graph showing the relation between the second embodiment in a second number of magnetic Co and Pt loaded on the lower layer, bubble cosmetic H s and the recording current.
Figure 18, the first magnetic film CoTa in the second embodiment that is used as a lower layer, the second graph showing a relationship between thickness ratios and fabric makeup H s of the lower layer of magnetic Co and Pt film.
19A and 19B are sectional views schematically showing the exemplary structure of a magnetoresistive element of the third embodiment of the present invention.
20A and 20B are cross-sectional views schematically showing an exemplary structure of the magnetoresistive element of Comparative Example 1. FIG.
21A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 20A and 20B.
21B is a graph showing an example magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 20A and 20B.
Fig. 22A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 20A and 20B after the data recording layer is thermally annealed.
Fig. 22B is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 20A and 20B after the data recording layer is heat-treated.
23A and 23B are sectional views schematically showing the exemplary structure of the magnetoresistive effect element of Embodiment 1;
24A is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 23A and 23B.
FIG. 24B is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in FIGS. 23A and 23B.
25 is a graph showing the relationship between the thickness of an intermediate layer, the temperature of heat treatment, and the saturation field.
Fig. 26 is a graph showing an exemplary magnetization curve for the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer of the structure shown in Figs. 23A and 23B.
Fig. 27 is a block diagram showing an exemplary configuration of a magnetic memory in one embodiment of the present invention.
Fig. 28 is a circuit diagram schematically showing an exemplary configuration of a memory cell in one embodiment of the present invention.

이제 여기서 본 발명이 실시예들을 참조하여 설명될 것이다. 당업자라면, 본 발명의 교시를 이용하여 많은 대안적 실시예들이 달성될 수 있고, 본 발명은 설명을 위해 예시된 실시예들만으로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.The invention will now be described with reference to embodiments. Those skilled in the art will recognize that many alternative embodiments may be achieved using the teachings of the present invention and that the present invention is not limited to the embodiments illustrated for explanatory purposes.

이하에서, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 기술된다.In the following, embodiments of the present invention are described with reference to the accompanying drawings.

제1 First 실시예Example

도 2는 본 발명의 제1 실시예에서 자기저항 효과 소자(100)의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 자기저항 효과 소자(100)는, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20), 참조층(30), 하층(40) 및 자화 고정층(50a 및 50b)을 포함한다.2 is a cross-sectional view schematically showing an exemplary configuration of the magnetoresistive element 100 in the first embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect element 100 includes a data recording layer 10, a spacer layer 20, a reference layer 30, a lower layer 40, and magnetization pinned layers 50a and 50b.

데이터 기록층(10)은 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성된다. 데이터 기록층(10)은 자화 방향이 가역적이고 그 자화 상태로서 데이터를 저장한다. 상세하게는, 데이터 기록층(10)은, 한쌍의 자화 고정 영역(11a 및 11b), 및 자화 자유 영역(13)을 포함한다.The data recording layer 10 is formed of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. The data recording layer 10 stores the data as its magnetization direction is reversible and its magnetization state. In detail, the data recording layer 10 includes a pair of magnetization fixing regions 11a and 11b and a magnetization free region 13.

자화 고정 영역(11a 및 11b)은 자화 자유 영역(13)에 인접하게 배치된다. 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 서로 반대 방향으로(또는 반평행) 고정된다. 도 2에 도시된 예에서, 자화 고정 영역(11a)의 자화 방향은 +z 방향으로 고정되어 있고 자화 고정 영역(11b)의 자화 방향은 -z 방향으로 고정되어 있다.The magnetization fixing regions 11a and 11b are disposed adjacent to the magnetization free region 13. The magnetizations of the magnetization fixing regions 11a and 11b are fixed in opposite directions (or antiparallel) to each other. In the example shown in Fig. 2, the magnetization direction of the magnetization fixing region 11a is fixed in the + z direction and the magnetization direction of the magnetization fixing region 11b is fixed in the -z direction.

자화 자유 영역(13)의 자화는 +z 방향과 -z 방향 사이에서 가역적이다. 따라서, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 따라 데이터 기록층(10)에 도메인 벽이 형성된다. 상세하게는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 +z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11b) 사이에는 도메인 벽(12)이 형성된다. 반면, 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 -z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11a) 사이에 도메인 벽(12)이 형성된다. 즉, 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)을 포함하고, 도메인 벽(12)의 위치는 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 의존한다.The magnetization of the magnetization free region 13 is reversible between the + z direction and the -z direction. Thus, domain walls are formed in the data recording layer 10 in accordance with the magnetization direction of the magnetization free area 13. Specifically, as shown in FIG. 3A, when the magnetization direction of the magnetization free region 13 is directed in the + z direction, a domain wall 12 is formed between the magnetization free region 13 and the magnetization fixing region 11b. Is formed. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization free region 13 is directed in the -z direction, the domain wall 12 is formed between the magnetization free region 13 and the magnetization fixing region 11a. That is, the data recording layer 10 includes a domain wall 12, and the position of the domain wall 12 depends on the magnetization direction of the magnetization free area 13.

스페이서층(20)은 데이터 기록층(10)에 인접하게 배치된다. 스페이서층(20)은, 데이터 기록층(10)의 적어도 자화 자유 영역(13)의 상부면에 접촉하게 배치된다. 스페이서층(20)은 비자성 유전체 재료로 형성된다.The spacer layer 20 is disposed adjacent to the data recording layer 10. The spacer layer 20 is disposed in contact with at least the upper surface of the magnetization free region 13 of the data recording layer 10. The spacer layer 20 is formed of a nonmagnetic dielectric material.

참조층(30)은 스페이서 층(20)의 상부면에 접촉하게 배치된다. 즉, 참조층(30)은, 스페이서 층(20)을 통해 데이터 기록층(10)(자화 자유 영역(13))에 결합된다. 데이터 기록층(10)의 경우에서와 같이, 참조층(30)은 또한, 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성되며, 그 자화 방향은 +z 또는 -z 방향으로 고정된다. 도 2의 예에서, 참조층(30)의 자화 방향은 +z 방향으로 고정된다. The reference layer 30 is disposed in contact with the top surface of the spacer layer 20. That is, the reference layer 30 is coupled to the data recording layer 10 (magnetization free region 13) via the spacer layer 20. As in the case of the data recording layer 10, the reference layer 30 is also formed of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, and its magnetization direction is fixed in the + z or -z direction. In the example of FIG. 2, the magnetization direction of the reference layer 30 is fixed in the + z direction.

전술된 데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13), 스페이서층(20), 및 참조층(30)은 자기 터널 접합(MTJ)을 형성한다. 즉, 데이터 기록층(10)(자화 자유 영역(13)), 스페이서층(20), 및 참조층(30)은, MTJ에서 각각, 자유층, 장벽층 및 고정층(pinned layer)으로서 기능한다. The magnetization free region 13, spacer layer 20, and reference layer 30 of the above-described data recording layer 10 form a magnetic tunnel junction MTJ. That is, the data recording layer 10 (magnetization free region 13), spacer layer 20, and reference layer 30 function as free layers, barrier layers, and pinned layers, respectively, in the MTJ.

하층(40)은 (기판과 대향하는) 데이터 기록층(10)의 하부면에 배치된다. 하층(40)은, 데이터 기록층(10)에서 강한 수직 자기 이방성을 달성하도록 데이터 기록층(10)의 결정 배향을 개선하기 위해 사용된다. 하층(40)의 구조와 기능은 나중에 상세히 논의될 것이다.The lower layer 40 is disposed on the lower surface of the data recording layer 10 (facing the substrate). The lower layer 40 is used to improve the crystal orientation of the data recording layer 10 to achieve strong perpendicular magnetic anisotropy in the data recording layer 10. The structure and function of the lower layer 40 will be discussed in detail later.

자화 고정층(50a 및 50b)은, 수직 자기 이방성을 갖는 자기적으로-강한 강자성 재료로 형성되며, 자화 고정층(50a 및 50b)의 자화 방향은 각각 +z 및 -z 방향으로 고정된다. 자화 고정층(50a 및 50b)은, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화를 고정시키는데 사용된다. 자화 고정 영역(11a)의 자화는, 자화 고정층(50a)과의 자기 결합에 의해 고정되고, 자화 고정 영역(11b)의 자화는, 자화 고정층(50b)과의 자기 결합에 의해 고정된다. 이 실시예에서, 자화 고정층(50a 및 50b)은 층간 유전체(60) 상에 형성된 그루브(groove)에 임베딩되어 있다. 이 실시예에서, CoPt 합금 필름 또는 Co/Pt 필름 스택(얇은 Co 필름 및 Pt 필름이 교대로 라미네이트되어 있는 필름 스택)이 자화 고정층(50a 및 50b)으로서 사용된다. 이들 강한 자성 재료는 강한 수직 자기 이방성을 보인다. The magnetized pinned layers 50a and 50b are formed of a magnetically-strong ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetization directions of the magnetized pinned layers 50a and 50b are fixed in the + z and -z directions, respectively. The magnetization pinning layers 50a and 50b are used to fix the magnetization of the magnetization fixing regions 11a and 11b of the data recording layer 10. The magnetization of the magnetized pinned region 11a is fixed by magnetic coupling with the magnetized pinned layer 50a, and the magnetization of the magnetized pinned region 11b is fixed by magnetic coupling with the magnetized pinned layer 50b. In this embodiment, the magnetization pinned layers 50a and 50b are embedded in grooves formed on the interlayer dielectric 60. In this embodiment, CoPt alloy films or Co / Pt film stacks (film stacks in which thin Co films and Pt films are alternately laminated) are used as the magnetization pinned layers 50a and 50b. These strong magnetic materials show strong perpendicular magnetic anisotropy.

층간 유전체(60)는, 대체로 반도체 집적 회로에서 사용되는 층간 분리를 위한 유전체 필름이다. SiOx 필름, SiN 필름, 또는 이들 필름들의 필름 스택이 층간 유전체(60)로서 사용된다.Interlayer dielectric 60 is generally a dielectric film for interlayer separation used in semiconductor integrated circuits. SiO x film, SiN film, or a film stack of these films is used as the interlayer dielectric 60.

전극층들(미도시)은, 각각 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)에 전기적으로 접속된다는 것에 주목해야 한다. 이들 전극층들은 데이터 기록층(10) 내에 기록 전류를 도입하기 위해 사용된다. 한 실시예에서, 전극층들은 전술된 자화 고정층(50a 및 50b)을 통해 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)에 접속될 수 있다. 또한, 또 다른 전극층(미도시)은 참조층(30)에 전기적으로 접속된다.It should be noted that the electrode layers (not shown) are electrically connected to the magnetization fixing regions 11a and 11b of the data recording layer 10, respectively. These electrode layers are used to introduce a recording current into the data recording layer 10. In one embodiment, the electrode layers may be connected to the magnetization pinning regions 11a and 11b of the data recording layer 10 through the magnetization pinning layers 50a and 50b described above. Further, another electrode layer (not shown) is electrically connected to the reference layer 30.

자기저항 효과 소자(100)에서, 데이터 기록층(10)의 2개의 자화 상태, 즉, 데이터 기록층(10)의 도메인 벽의 2개의 허용된 위치에 대응하는 2개의 메모리 상태가 허용된다. 데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 도 3a에 도시된 바와 같이 +z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11b) 사이의 경계에 도메인 벽(12)이 형성된다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 서로 평행하다. 따라서, MTJ의 저항은 상대적으로 감소된다. 이와 같은 자화 상태는, 예를 들어, 데이터 "0"의 메모리 상태와 상관되어 있다.In the magnetoresistive effect element 100, two magnetization states of the data recording layer 10, that is, two memory states corresponding to two allowed positions of the domain wall of the data recording layer 10 are allowed. When the magnetization direction of the magnetization free area 13 of the data recording layer 10 is directed in the + z direction as shown in Fig. 3A, the domain wall at the boundary between the magnetization free area 13 and the magnetization fixed area 11b. (12) is formed. In this case, the magnetization directions of the magnetization free region 13 and the reference layer 30 are parallel to each other. Thus, the resistance of the MTJ is relatively reduced. This magnetization state is correlated with, for example, the memory state of data "0".

데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13)의 자화 방향이 도 3b에 도시된 바와 같이 -z 방향으로 향할 때, 자화 자유 영역(13)과 자화 고정 영역(11a) 사이의 경계에 도메인 벽이 형성된다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 서로 반평행(anti-parallel)이다. 따라서, MTJ의 저항은 상대적으로 증가된다. 이와 같은 자화 상태는, 예를 들어, 데이터 "1"의 메모리 상태와 상관되어 있다.When the magnetization direction of the magnetization free area 13 of the data recording layer 10 is directed in the -z direction as shown in Fig. 3B, the domain wall at the boundary between the magnetization free area 13 and the magnetization fixed area 11a Is formed. In this case, the magnetization directions of the magnetization free region 13 and the reference layer 30 are anti-parallel. Thus, the resistance of the MTJ is relatively increased. This magnetization state is correlated with, for example, the memory state of data "1".

데이터 기록층(10)의 자화 상태와 2개의 메모리 상태간의 상관관계는 전술된 것으로만 제한되는 것이 아님에 주목해야 한다. 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)을 포함하고, 도메인 벽(12)의 위치는 자화 자유 영역(13)의 자화 방향에 대응한다. 그 결과, 데이터 기록층(10)은 도메인 벽(12)의 위치로서 데이터를 저장한다.It should be noted that the correlation between the magnetization state of the data recording layer 10 and the two memory states is not limited to the one described above. The data recording layer 10 includes a domain wall 12, and the position of the domain wall 12 corresponds to the magnetization direction of the magnetization free area 13. As a result, the data recording layer 10 stores data as the position of the domain wall 12.

이 실시예의 자기저항 효과 소자(100)에서, 데이터 기록은 전류 구동된 도메인 벽 이동을 이용함으로써 달성된다. 자기저항 효과 소자(100)가 앞서 데이터 "0"을 저장(이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 평행임)하고 있을 때 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "1"을 기록하기 위해, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11a)으로부터 자화 고정 영역(11b)으로 기록 전류가 흐른다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11b)으로부터 자화 고정 영역(11a)으로 전도 전자들이 이동한다. 그 결과, 자화 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계에 위치한 도메인 벽(12) 상에는 스핀 전달 토크(STT; Spin Transfer Torque)가 가해지고, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11a) 쪽으로 이동한다. 즉, 전류 구동된 도메인 벽 이동이 발생한다. 기록 전류가 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계를 통과할 때, 자화 고정 영역(11a)에서 기록 전류의 전류 밀도가 감소한다. 따라서 도메인 벽(12)의 이동은 경계 부근에서 중지된다. 이런 식으로, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계 부근으로 이동하여 데이터 "1"의 데이터 기록을 달성한다.In the magnetoresistive effect element 100 of this embodiment, data writing is achieved by using current driven domain wall movement. When the magnetoresistive element 100 previously stores data "0" (in this case, the magnetization direction of the magnetization free region 13 and the reference layer 30 are parallel), the data is provided to the magnetoresistive element 100. In order to write " 1 ", a write current flows from the magnetization fixed region 11a to the magnetization fixed region 11b through the magnetization free region 13. In this case, conduction electrons move from the magnetization fixing region 11b to the magnetization fixing region 11a through the magnetization free region 13. As a result, a spin transfer torque (STT) is applied on the domain wall 12 located at the boundary between the magnetization fixing region 11b and the magnetization free region 13, and the domain wall 12 is the magnetization fixing region. Go to (11a). That is, current driven domain wall movement occurs. When the write current passes through the boundary between the magnetized fixed region 11a and the magnetized free region 13, the current density of the write current in the magnetized fixed region 11a decreases. Thus, the movement of the domain wall 12 stops near the boundary. In this way, the domain wall 12 moves to the vicinity of the boundary between the magnetized fixed area 11a and the magnetized free area 13 to achieve data recording of data "1".

반면, 자기저항 효과 소자(100)가 앞서 데이터 "1"을 저장(이 경우, 자화 자유 영역(13)과 참조층(30)의 자화 방향은 반평행임)하고 있을 때 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "0"을 기록하기 위해, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11b)으로부터 자화 고정 영역(11a)으로 기록 전류가 흐른다. 이 경우, 자화 자유 영역(13)을 통해 자화 고정 영역(11a)으로부터 자화 고정 영역(11b)으로 전도 전자들이 이동한다. 그 결과, 자화 고정 영역(11a)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계에 위치한 도메인 벽(12) 상에는 스핀 전달 토크가 가해지고, 도메인 벽(12)은 자화 고정 영역(11b) 쪽으로 이동한다. 즉, 전류 구동된 도메인 벽 이동이 발생한다. 기록 전류가 자화 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계를 통과할 때, 자화 고정 영역(11b)에서 기록 전류의 전류 밀도가 감소한다. 따라서 도메인 벽(12)의 이동은 경계 부근에서 중지된다. 이런 식으로, 도메인 벽(12)은 자기 고정 영역(11b)과 자화 자유 영역(13) 사이의 경계 부근으로 이동하여 데이터 "0"의 데이터 기록을 달성한다.On the other hand, when the magnetoresistive element 100 previously stores the data " 1 " (in this case, the magnetization directions of the magnetization free region 13 and the reference layer 30 are antiparallel). In order to write data " 0 " in < RTI ID = 0.0 > In this case, the conduction electrons move from the magnetization fixing region 11a to the magnetization fixing region 11b through the magnetization free region 13. As a result, a spin transfer torque is applied on the domain wall 12 located at the boundary between the magnetization fixing region 11a and the magnetization free region 13, and the domain wall 12 moves toward the magnetization fixing region 11b. That is, current driven domain wall movement occurs. When the write current passes through the boundary between the magnetized fixed region 11b and the magnetized free region 13, the current density of the write current in the magnetized fixed region 11b decreases. Thus, the movement of the domain wall 12 stops near the boundary. In this way, the domain wall 12 moves near the boundary between the magnetically fixed region 11b and the magnetization free region 13 to achieve a data write of data " 0 ".

이전에 데이터 "0"이 저장된 상태에서 데이터 "0"이 기록될 때, 또는 이전에 데이터 "1"이 저장된 상태에서 데이터 "1"이 기록될 때, 자화 상태에서는 어떠한 변화도 발생하지 않는다는 점에 주목해야 한다. 이것은, 자기저항 효과 소자(100)가 오버라이팅에 적합화된다는 것을 의미한다. When data "0" is recorded with data "0" previously stored, or when data "1" is recorded with data "1" previously stored, no change occurs in the magnetization state. It should be noted. This means that the magnetoresistive effect element 100 is adapted for overwriting.

데이터 판독은 터널링 자기저항(TMR; Tunneling MagnetoResistive) 효과를 이용함으로써 달성된다. 구체적으로, 데이터 판독시 (데이터 기록층(10)의 자화 자유 영역(13), 스페이서층(20), 및 참조층(30)으로 구성된) MTJ를 통해 판독 전류가 흐른다. 판독 전류의 방향은 역전될 수 있다. 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "0"이 저장될 때 MTJ의 저항은 상대적으로 감소된다. 반면, 자기저항 효과 소자(100)에 데이터 "1"이 저장될 때 MTJ의 저항은 상대적으로 증가된다. 따라서, MTJ의 저항을 검출함으로써 데이터가 식별될 수 있다. Data reading is achieved by using the Tunneling MagnetoResistive (TMR) effect. Specifically, in reading data, a read current flows through the MTJ (composed of the magnetization free region 13, the spacer layer 20, and the reference layer 30) of the data recording layer 10. The direction of the read current can be reversed. When data " 0 " is stored in the magnetoresistive effect element 100, the resistance of the MTJ is relatively reduced. On the other hand, when data " 1 " is stored in the magnetoresistive effect element 100, the resistance of the MTJ is relatively increased. Thus, data can be identified by detecting the resistance of the MTJ.

그 다음, 데이터 기록층(10)의 양호한 구조에 대해 설명될 것이다. 데이터 기록층(10)의 원하는 특성은 작은 포화 자화(saturation magnetization) 및 큰 스핀 분극률(spin polarizability)을 포함한다. A. Thiaville 등의 “Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic study”, 응용 물리학 저널, 제95권, 제11호, 페이지 7049-7051, 2004에 개시된 바와 같이, 전류 구동된 도메인 벽 이동은, 파라미터 gμBP/2eMs가 클수록 쉽게 발생하며, 여기서 g는 Lande g 계수이고; μB는 Bohr 마그네톤이고; P는 스핀 분극률이고; e는 기본 전하이고; Ms는 포화 자화이다. g, μB 및 e는 물리 상수이기 때문에, 기록 전류를 감소시키기 위해서는 데이터 기록층(10)의 포화 자화 Ms를 감소시키고, 스핀 분극률 P를 증가시키는 것이 효과적이다.Next, a preferable structure of the data recording layer 10 will be described. Desired characteristics of the data recording layer 10 include small saturation magnetization and large spin polarizability. As disclosed in A. Thiaville et al., “Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic study,” Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 11, pages 7049-7051, 2004, the current driven domain wall movement is The larger the parameter gμ B P / 2eM s , the easier it is to occur, where g is the Lande g coefficient; μ B is Bohr magnetone; P is the spin polarization rate; e is the base charge; M s is saturated magnetization. g, and μ B e is because the physical constants, it is effective to reduce the saturation magnetization M s of the data recording layer 10 in order to reduce the write current and increase the spin polarization rate P.

먼저, Co/Ni, Co/Pt, Co/Pd, CoFe/Ni, CoFe/Pt 및 CoFe/Pd와 같은 천이 금속(transition metal)의 교대하는 필름 스택들이, 포화 자화의 관점에서 데이터 기록층(10)을 위해 사용되는 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름으로서 유망하다. 이들 재료의 포화 자화는 비교적 작다는 것이 공지되어 있다. 더 일반적으로, 데이터 기록층(10)은, 제1 및 제2층이 적층되는 필름 스택으로서 구성될 수 있다. 제1층은, Fe 필름, Co 필름, Ni 필름, 또는 Fe, Co, 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 재료로 형성된 합금 필름 중 임의의 것을 포함한다. 제2층은, Pt 필름, Pd 필름, Au 필름, Ag 필름, Ni 필름, 및 Cu 필름, 또는 Pt, Pd, Au, Ag, Ni 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 재료로 형성된 합금 필름 중 임의의 것을 포함한다.First, alternating film stacks of transition metals, such as Co / Ni, Co / Pt, Co / Pd, CoFe / Ni, CoFe / Pt, and CoFe / Pd, form the data recording layer 10 in terms of saturation magnetization. It is promising as a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy used for). It is known that the saturation magnetization of these materials is relatively small. More generally, the data recording layer 10 may be configured as a film stack in which the first and second layers are laminated. The first layer includes any of an Fe film, a Co film, a Ni film, or an alloy film formed of a plurality of materials selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. The second layer is any of an alloy film formed of a Pt film, a Pd film, an Au film, an Ag film, a Ni film, and a Cu film or a plurality of materials selected from the group consisting of Pt, Pd, Au, Ag, Ni, and Cu. It includes thing of.

전술된 필름 스택 중에서, Co/Ni 필름 스택은 특히 높은 스핀 분극률을 가진다. 따라서, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 필름 스택이 특히 바람직하다. 실제로, 발명자들은, Co/Ni 필름 스택의 사용이, 높은 제어력과 더불어 도메인 벽 이동을 가능케한다는 것을 실험에 의해 확인하였다.Among the film stacks described above, Co / Ni film stacks have particularly high spin polarization rates. Therefore, a Co / Ni film stack is particularly preferable as the data recording layer 10. Indeed, the inventors have confirmed by experiment that the use of Co / Ni film stacks enables domain wall movement with high control.

천이 금속으로 된 교대 필름 스택(예를 들어, Co/Ni 필름 스택)은, 필름 스택이 fcc 구조를 가지며 (111) 면이 기판의 수직 방향으로 적층되는 fcc (111)-배향의 결정 구조로 구조화될 때 수직 자기 이방성을 보인다. G. H. O. Daalderop등의 “Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 제68권, 제5호, 페이지 682-685, 1992에 따르면, 전술된 필름 스택의 수직 자기 이방성은, 그 계면에서의 계면 자기 이방성으로부터 발생한다. 개선된 수직 자기 이방성을 데이터 기록층(10)에 제공하기 위하여, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 천이 금속들의 교대 필름 스택의 성장을 가능케하는 "하층(underlayer)"을 배치하는 것이 바람직하다.Alternating film stacks (e.g. Co / Ni film stacks) of transition metals are structured in an fcc (111) -oriented crystal structure in which the film stack has an fcc structure and the (111) plane is stacked in the vertical direction of the substrate. When it looks perpendicular magnetic anisotropy. According to GHO Daalderop et al., “Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co / Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 68, No. 5, pages 682-685, 1992, the perpendicular magnetic anisotropy of the film stack described above, It arises from the interface magnetic anisotropy at the interface. In order to provide improved perpendicular magnetic anisotropy to the data recording layer 10, it is desirable to dispose an "underlayer" which enables the growth of an alternating film stack of transition metals with improved fcc (111) orientation.

이 실시예의 자기저항 효과 소자(100)는, 개선된 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 데이터 기록층(10)의 성장을 가능케하는 하층(40)을 포함한다.The magnetoresistive effect element 100 of this embodiment includes an underlayer 40 that enables the growth of the data recording layer 10 with improved fcc (111) orientation to achieve improved vertical magnetic anisotropy.

이 실시예에서, 하층(40)은 3개의 층: 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)을 포함한다. 제1 자성 하층(41)은, 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면과, 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에 위치한 층간 유전체(60) 부분의 상부면을 피복하도록 형성된다. 비자성 하층(42)은 제1 자성 하층(41)의 상부면을 피복하도록 형성되고, 제2 자성 하층(43)은 비자성 하층(42)의 상부면을 피복하도록 형성된다.In this embodiment, the lower layer 40 includes three layers: a first magnetic lower layer 41, a nonmagnetic lower layer 42, and a second magnetic lower layer 43. The first magnetic lower layer 41 is formed to cover the upper surfaces of the magnetized pinned layers 50a and 50b and the upper surface of the portion of the interlayer dielectric 60 located between the magnetized pinned layers 50a and 50b. The nonmagnetic lower layer 42 is formed to cover the upper surface of the first magnetic lower layer 41, and the second magnetic lower layer 43 is formed to cover the upper surface of the nonmagnetic lower layer 42.

자성 하층(41)은, 본질적으로 강자성 속성을 보이는 재료로 형성되지만, 자성 하층(41)이 층간 유전체(60)와 같은 아몰퍼스 필름 상에 형성될 때 강자성을 보이지 않도록 하는 감소된 두께로 형성된다. 이 실시예에서, 자성 하층(41)은 주성분으로서 NiFe를 포함하고 Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑되며, 여기서, 자성 하층(41)의 비자성 요소(들)의 농도는 10 내지 25 원자 %이고, 자성 하층(41)의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위이다. 비자성 하층(42)은, fcc 구조를 가지며 강한 (111) 배향을 보이는 비자성 필름으로 형성된다. 이 실시예에서, 비자성 하층(42)은, Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 두께 0.3 내지 4.0 nm로 형성된다. 제2 자성 하층(43)은, 제1 및 제2 층이 적어도 한번 교대로 적층되는 자성 필름 스택으로 형성되고, 여기서 제1 층은 Pt 또는 Pd로 형성되고 제2 층은 Fe, Co, 또는 Ni로 형성된다.The magnetic underlayer 41 is formed of a material that exhibits essentially ferromagnetic properties, but with a reduced thickness that does not show ferromagneticity when the magnetic underlayer 41 is formed on an amorphous film such as the interlayer dielectric 60. In this embodiment, the magnetic underlayer 41 contains NiFe as a main component and is doped with at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V, wherein the magnetic underlayer 41 The concentration of the nonmagnetic element (s) is 10-25 atomic% and the thickness of the magnetic underlayer 41 is in the range of 0.5-3 nm. The nonmagnetic lower layer 42 is formed of a nonmagnetic film having an fcc structure and exhibiting a strong (111) orientation. In this embodiment, the nonmagnetic underlayer 42 is formed of any of Pt, Au, Pd, and Ir with a thickness of 0.3 to 4.0 nm. The second magnetic underlayer 43 is formed of a magnetic film stack in which the first and second layers are alternately stacked at least once, where the first layer is formed of Pt or Pd and the second layer is Fe, Co, or Ni Is formed.

제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 이와 같은 조합은, 데이터 기록층(10)이 강한 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 한편, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화한다. 개략적으로, 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)의 속성은, 층간 유전체(60) 상에 위치한 부분과 자화 고정층(50a 및 50b) 상에 위치한 부분간에 상이하다. 일반적으로, 아몰퍼스 필름 상에 형성된 필름은 불량한 배향을 보인다. 따라서, 주요 문제는, SiOx 및 SiN 필름과 같은 아몰퍼스 필름으로 형성된 층간 유전체 필름(60) 위에 위치한 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)의 부분들에 대해, 개선된 수직 자기 이방성을 보이도록 fcc (111)-배향의 구조로 데이터 기록층(10)을 형성하는 것이다. 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 놓인 부분들에 대해, 주요 문제는, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화시키는 것이다; 하층(40)의 구조가 부적당할 때(예를 들어, 전술된 종래 기술의 경우에서와 같이 두꺼운 비자성 필름이 하층(40)으로서 사용될 때), 이것은 바람직하지 않게도 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 약화시킨다. 이 실시예에서 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 조합은 동시에 이들 2개 요건을 충족한다.This combination of the first magnetic lower layer 41 and the nonmagnetic lower layer 42 causes the data recording layer 10 to exhibit strong perpendicular magnetic anisotropy, while the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b. Strengthen magnetic coupling between Schematically, the properties of the first magnetic underlayer 41 and the nonmagnetic underlayer 42 differ between the portion located on the interlayer dielectric 60 and the portion located on the magnetization pinned layers 50a and 50b. In general, films formed on amorphous films exhibit poor orientation. Thus, the main problem is improved perpendicular magnetic anisotropy for portions of the first magnetic underlayer 41 and the nonmagnetic underlayer 42 located over the interlayer dielectric film 60 formed of amorphous films such as SiO x and SiN films. The data recording layer 10 is formed in a fcc (111) -oriented structure so as to be shown. For the portions overlying the magnetized pinned layers 50a and 50b, the main problem is to strengthen the magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b; When the structure of the lower layer 40 is inadequate (e.g., when a thick nonmagnetic film is used as the lower layer 40 as in the case of the prior art described above), this is undesirably with the data recording layer 10. The magnetic coupling between the magnetized pinned layers 50a and 50b is weakened. In this embodiment the combination of the first magnetic lower layer 41 and the nonmagnetic lower layer 42 simultaneously meets these two requirements.

먼저, 층간 유전체 필름(60) 위에 놓인 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 부분들이 논의된다. 아몰퍼스 필름인 층간 유전체(60) 상에 형성될 때, 제1 자성 하층(41)은 0.5 내지 3.0 nm의 얇은 필름 두께로 인해 아몰퍼스로서 성장되어, 그 표면 에너지를 확대한다. 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41)의 부분은, 아몰퍼스 성장 프로세스로 인해 실질적으로 자화가 없는 상태로 형성된다. 이렇게 구성된 제1 자성 하층(41)은, 그 표면 상에 형성된 결정의 최밀집 배향(closest packed orientation)(최소한의 표면 에너지면을 갖는 배향)을 촉진한다. 또한, 제1 자성 하층(41) 상에 형성된 비자성 하층(42)은, 그 최밀집 면이 fcc (111) 면을 향하도록 배향되는데, 이것은 비자성 하층(42)이 Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 형성되고, 이들 재료중 임의의 것으로 형성된 필름은 본질적으로 fcc 구조를 가지기 때문이다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42) 위에 자성 필름을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성되며, 여기서 자성 필름은 fcc 구조를 가지며, (111) 배향에 대해 강한 수직 자기 이방성을 보인다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42)이 얇은 필름 두께를 갖는 경우에도, 제1 자성 하층(41)의 제공으로 인해 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성된다는 점에 주목해야 한다.First, portions of the first magnetic underlayer 41 and the nonmagnetic underlayer 42 overlying the interlayer dielectric film 60 are discussed. When formed on the interlayer dielectric 60, which is an amorphous film, the first magnetic underlayer 41 is grown as amorphous due to the thin film thickness of 0.5 to 3.0 nm, thereby expanding its surface energy. The portion of the first magnetic underlayer 41 in contact with the interlayer dielectric 60 is formed in a substantially free magnetization state due to the amorphous growth process. The first magnetic underlayer 41 thus configured promotes a closest packed orientation (orientation with a minimum surface energy surface) of the crystals formed on the surface thereof. In addition, the nonmagnetic underlayer 42 formed on the first magnetic underlayer 41 is oriented so that its closest face faces the fcc (111) plane, which means that the nonmagnetic underlayer 42 has Pt, Au, Pd, And a film formed of any of Ir, and formed of any of these materials has an essentially fcc structure. The data recording layer 10 is formed with strong perpendicular magnetic anisotropy by forming a magnetic film on the nonmagnetic lower layer 42, where the magnetic film has an fcc structure and exhibits strong perpendicular magnetic anisotropy with respect to the (111) orientation. . It should be noted that the data recording layer 10 is formed with strong perpendicular magnetic anisotropy due to the provision of the first magnetic underlayer 41 even when the nonmagnetic underlayer 42 has a thin film thickness.

반면, 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 놓인 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)의 부분은, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 효율적으로 강화한다. 일반적으로-사용되는 자화 고정층의 경우에서와 같이, 자화 고정층(50a 및 50b)이 Co/Pt 필름 스택 및 Co-Pt 합금 필름과 같은 강한 자성 재료로 형성되는 경우에 대해, 제1 자성 하층(41)의 부분들의 자화는, 제1 하층(41)과 비자성 하층(42)이 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 후속해서 적층될 때 자화 고정층(50a 및 50b)으로부터의 자기적 상호작용으로 인해, 각각 자화 고정층(50a 및 50b)의 방향과 동일한 방향인 수직 방향으로 향한다. 이와 같은 자기적 상호작용은, 비자성 하층(42)을 통해 데이터 기록층(10)의 부분들의 자화를 고정시키고, 그 결과 자화 고정 영역(11a 및 11b)이 데이터 기록층(10)에 형성된다. 비자성 하층(42)의 얇은 필름 두께(0.5 내지 4.0 nm)로 인해, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에서 강한 자기 결합이 달성된다는 점에 주목해야 한다.On the other hand, the portions of the first magnetic lower layer 41 and the nonmagnetic lower layer 42 on the magnetized pinned layers 50a and 50b efficiently maintain the magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b. To strengthen. As in the case of the generally-used magneto-fixed layer, the first magnetic underlayer 41 for the case where the magnetized-fixed layers 50a and 50b are formed of a strong magnetic material such as a Co / Pt film stack and a Co-Pt alloy film. The magnetization of the portions of Nm) is due to the magnetic interaction from the magnetized pinned layers 50a and 50b when the first lower layer 41 and the nonmagnetic lower layer 42 are subsequently stacked on the magnetized pinned layers 50a and 50b. It faces in the vertical direction which is the same direction as the direction of the magnetization pinned layer 50a and 50b, respectively. This magnetic interaction fixes the magnetization of the portions of the data recording layer 10 through the nonmagnetic lower layer 42, and as a result, the magnetization fixing regions 11a and 11b are formed in the data recording layer 10. . It should be noted that due to the thin film thickness (0.5 to 4.0 nm) of the nonmagnetic underlayer 42, strong magnetic coupling is achieved between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b.

층간 유전체(60) 상에서의 제1 자성 하층(41)의 직접적 피착이 수직 자기 이방성을 열화시키는 바람직하지 못한 자기적 영향을 유발할 가능성이 있다는 것을 생각해 볼 수 있다. 즉, 아몰퍼스 층간 유전체(60) 상에서의 제1 자성 하층(41)의 형성은 제1 자성 하층(41)이 면내 자기 이방성을 보이도록 하여, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시킬 수 있다는 점을 생각해 볼 수 있다; 그러나, 제1 자성 하층(41)은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시키는 바람직하지 못한 자기적 영향을 실제로는 유발하지 않는데, 이것은 제1 자성 하층(41)이, 층간 유전체(60) 상에 배치된 부분에서 제1 자성 하층(41)이 실질적으로 자화되지 않도록 형성되기 때문이다. 따라서, 데이터 기록층(10)에서 개선된 수직 자기 이방성이 또한 달성된다.It is contemplated that the direct deposition of the first magnetic underlayer 41 on the interlayer dielectric 60 may potentially cause undesirable magnetic effects that degrade vertical magnetic anisotropy. That is, formation of the first magnetic underlayer 41 on the amorphous interlayer dielectric 60 causes the first magnetic underlayer 41 to exhibit in-plane magnetic anisotropy, thereby degrading the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10. You can think of it; However, the first magnetic lower layer 41 does not actually cause an undesirable magnetic effect of degrading the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10, which means that the first magnetic lower layer 41 is formed of an interlayer dielectric ( This is because the first magnetic lower layer 41 is formed so as not to be substantially magnetized in the portion disposed on the portion 60). Thus, improved perpendicular magnetic anisotropy in the data recording layer 10 is also achieved.

제2 자성 하층(43)은, 데이터 기록층(10)의 fcc (111) 배향을 개선시켜 수직 자기 이방성을 강화하는, 데이터 기록층(10)의 결정 배향의 템플릿으로서 기능한다. 이 실시예에서, 제2 자성 하층(43)은, 제1 및 제2 층이 적어도 한번 적층되는 필름 스택으로 형성되고, 여기서 제1 층은 Pt 또는 Pd로 형성되고 제2 층은 Fe, Co, 또는 Ni로 형성된다. 이렇게 구성된 제2 자성 하층(43)은, Co/Ni 필름 스택으로 형성된 데이터 기록층(10)의 fcc 배향(111)을 효과적으로 개선하여, 그 수직 자기 이방성을 강화시킨다. 또한, 이렇게 구성된 제2 자성 하층(43)은, 제2 자성 하층(43)에서 적층되는 제1 및 제2 층들의 갯수를 조정함으로써, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 조정을 허용한다. 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성은 적절한 범위 내로 조정되는 것이 바람직한데, 이것은 만일 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성이 과도하게 강할 경우 기록 전류가 증가되기 때문이다.The second magnetic lower layer 43 functions as a template for the crystal orientation of the data recording layer 10, which improves the fcc (111) orientation of the data recording layer 10 to enhance vertical magnetic anisotropy. In this embodiment, the second magnetic underlayer 43 is formed from a film stack in which the first and second layers are laminated at least once, where the first layer is formed of Pt or Pd and the second layer is formed of Fe, Co, Or Ni. The second magnetic underlayer 43 thus constructed effectively improves the fcc orientation 111 of the data recording layer 10 formed of the Co / Ni film stack, thereby enhancing its vertical magnetic anisotropy. In addition, the second magnetic underlayer 43 thus configured allows adjustment of the vertical magnetic anisotropy of the data recording layer 10 by adjusting the number of the first and second layers stacked in the second magnetic underlayer 43. . The vertical magnetic anisotropy of the data recording layer 10 is preferably adjusted within an appropriate range because the recording current increases if the vertical magnetic anisotropy of the data recording layer 10 is excessively strong.

fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 자성 필름이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 제2 자성 하층(43)은 불필요할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들어, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, Pt, Au, Pd, 또는 Ir로 형성된 비자성 하층(42) 상에서의 데이터 기록층(10)의 직접적 피착은 강한 수직 자기 이방성으로 이어지지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해, fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 않는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 제2 자성 하층(43)의 이용은 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 반면, fcc (111)-배향의 구조가 용이하게 형성되는 자성 필름(예를 들어, Pt 또는 Pd로 구성된 적어도 하나의 제1 층과, Fe, Co, 또는 Ni로 구성된 적어도 하나의 제2 층을 포함하는 자성 필름 스택)이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)은 비자성 하층(42) 상에 직접 형성될 수 있다.It should be noted that the second magnetic underlayer 43 may be unnecessary when the magnetic film in which the fcc 111-oriented structure is easily formed is used as the data recording layer 10. For example, when a Co / Ni film stack is used as the data recording layer 10, the direct deposition of the data recording layer 10 on the nonmagnetic lower layer 42 formed of Pt, Au, Pd, or Ir is strongly vertical. It does not lead to magnetic anisotropy. In order to solve this problem, when a Co / Ni film stack in which an fcc (111) -oriented structure is not easily formed is used as the data recording layer 10, the use of the second magnetic underlayer 43 is a strong vertical magnetic field. Effectively achieves anisotropy. On the other hand, a magnetic film (e.g., at least one first layer composed of Pt or Pd and at least one second layer composed of Fe, Co, or Ni) is easily formed with an fcc (111) -oriented structure. When the containing magnetic film stack) is used as the data recording layer 10, the data recording layer 10 can be formed directly on the nonmagnetic underlayer 42.

앞서 논의된 바와 같이, 제1 자성 하층(41)과 비자성 하층(42)과 제2 자성 하층(43)으로 구성된 필름 스택으로 구성된 필름 스택으로서 형성된 하층(40)의 사용은, 데이터 기록층(10)이 강한 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 한편, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 강화한다. 발명자들은 전술된 사실들을 실험을 통해 확인하였다. 그 실험 결과는 아래에서 설명된다.As discussed above, the use of the underlayer 40 formed as a film stack composed of a film stack composed of the first magnetic underlayer 41, the nonmagnetic underlayer 42, and the second magnetic underlayer 43 is a data recording layer ( 10 shows strong perpendicular magnetic anisotropy, while enhancing magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b. The inventors have confirmed the above facts through experiments. The experimental results are described below.

(실험 1: 제1 자성 하층(41)의 자기 속성)(Experiment 1: magnetic property of the first magnetic lower layer 41)

먼저, 제1 자성 하층(41)의 자기 속성과 양호한 두께 범위에 대해 설명될 것이다. 일반적으로, 제1 자성 하층(41)의 속성은, 전술된 바와 같이, (SiN 또는 SiOx 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 부분과, 자화 고정층(50a 및 50b)과 접촉하는 부분 사이에서 상이하다.First, the magnetic properties and the good thickness range of the first magnetic underlayer 41 will be described. In general, the properties of the first magnetic underlayer 41 are, as described above, in contact with the interlayer dielectric 60 (formed of SiN or SiO x film) and in contact with the magnetization pinned layers 50a and 50b. It is different between.

(SiN 또는 SiO2 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41)의 부분을 연구하기 위하여, Si 기판 상에 형성된 SiN 필름 또는 SiOx 필름을 각각 포함하는 기판들 상에 NiFeW 필름이 피착되었고, NiFeW의 자화가 측정되었다. 피착된 NiFeW 필름의 두께는 1 내지 10 nm 범위에 있었다. NiFeW 필름은, 12.5 원자 %의 텅스텐(W)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속(base metal)이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. 모든 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다. 각 샘플의 자화의 측정시에 필름 표면에 수직한 방향으로 자기장이 인가되었다. 1 내지 10 nm 범위의 두께에 대하여, NiFeW 필름은 직사각형 형상의 M-H 히스테리시스 루프를 보이지 않으며, 이것은 이와 같은 NiFeW 필름이 비-강자성 필름이거나 면내 자화 필름이라는 것을 확인시킨다.To study the portion of the first magnetic underlayer 41 in contact with the interlayer dielectric 60 (formed of SiN or SiO 2 film), on substrates comprising SiN film or SiO x film, respectively, formed on a Si substrate. NiFeW films were deposited and the magnetization of NiFeW was measured. The thickness of the deposited NiFeW film was in the range of 1 to 10 nm. The NiFeW film contained 12.5 atomic% tungsten (W), with the remainder being a NiFe base metal. The ratio of Ni to Fe in the NiFe base metal is Ni: Fe = 77.5: 22.5. All samples were heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuo. In measuring the magnetization of each sample, a magnetic field was applied in the direction perpendicular to the film surface. For thicknesses in the range of 1 to 10 nm, the NiFeW film does not show a rectangular shaped MH hysteresis loop, confirming that such NiFeW film is a non-ferromagnetic film or an in-plane magnetization film.

도 4a는 필름 두께에 대한 NiFeW 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, SiN 및 SiOx 필름 중 어느 것이 NiFeW 필름 바로 아래에 배치되는지에 관계없이, 자화는 필름 두께 4 nm 이상에 대하여 필름 두께가 증가함에 따라 단조 증가하는 경향이 있다. 한편, 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께에 대하여, 특히 2 nm보다 작은 필름 두께에 대하여, SiN 필름 SiOx 필름 양자 모두의 경우에서, 4 nm 이상의 필름 두께의 NiFeW 필름의 경우에 비해, 상당히 감소된 자화가 관찰되었다. 이 결과는, NiFeW 필름이 층간 유전체(60) 상에 피착될 때, NiFeW 필름은 얇은 필름 두께에서 자화를 보이지 않는다는 것을 나타낸다.4A is a graph showing the size change of magnetization of a NiFeW film versus film thickness. As shown in FIG. 4A, magnetization tends to monotonically increase as the film thickness increases for film thickness 4 nm or more, regardless of which of the SiN and SiO x films is disposed directly below the NiFeW film. On the other hand, for film thicknesses of 0.5 nm to 3 nm, in particular for film thicknesses smaller than 2 nm, in the case of both SiN film SiO x films, significantly reduced compared to the case of NiFeW films having a film thickness of 4 nm or more. Magnetization was observed. This result indicates that when the NiFeW film is deposited on the interlayer dielectric 60, the NiFeW film does not show magnetization at a thin film thickness.

이와 같이 논의된 것처럼, 제1 자성 하층(41)으로서 0.5 내지 3 nm의 두께의 NiFeW 필름의 이용은, 비자성 하층(42)을 통해 제2 자성 하층(43) 상에 미치는 자기 영향을 제거함으로써, 제2 자성 하층(34)의 수직 자기 이방성에서의 교란을 피하고, Co/Ni 필름 스택으로서 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 이것은, 개선된 fcc (111) 배향을, Co/Ni 필름 스택으로서 형성된 데이터 기록층(10)에 제공하는 것을 허용한다.As discussed above, the use of a NiFeW film with a thickness of 0.5 to 3 nm as the first magnetic underlayer 41 is achieved by removing the magnetic influence on the second magnetic underlayer 43 through the nonmagnetic underlayer 42. This avoids disturbance in the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetic lower layer 34 and does not have any influence on the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 formed as a Co / Ni film stack. This allows to provide an improved fcc (111) orientation to the data recording layer 10 formed as a Co / Ni film stack.

반면, 제1 자성 하층(41)으로서 3 nm보다 큰 필름 두께를 갖는 NiFeW의 이용은 바람직하지 못한데, 이것은, 이와 같은 NiFeW 필름의 이용은, 바람직하지 못하게도, 비자성 하층(42)을 통한 제2 자성 하층(43) 및 데이터 기록층(10)에 미치는 자기 영향으로 인해, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 약화시키기 때문이다.On the other hand, the use of NiFeW having a film thickness greater than 3 nm as the first magnetic underlayer 41 is undesirable, which is not preferred, although the use of such a NiFeW film is not preferred. This is because the magnetic influence on the lower magnetic layer 43 and the data recording layer 10 weakens the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10.

또한, 제1 자성 하층(41)으로서 0.5 nm보다 작은 필름 두께를 갖는 NiFeW 필름의 이용은, 바람직하지 못하게도, 데이터 기록층(10)의 fcc (111) 배향을 열화시키는데, 이것은 층간 유전체(60)의 표면 불균일성이 제1 자성 하층(41)을 통해 비자성 하층(42)에 영향을 미치기 때문이다. 전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 자성 하층(41)에 대한 NiFeW 필름의 양호한 두께 범위는 0.5 내지 3 nm이다.In addition, the use of a NiFeW film having a film thickness smaller than 0.5 nm as the first magnetic underlayer 41 undesirably degrades the fcc (111) orientation of the data recording layer 10, which is an interlayer dielectric (60). This is because the surface non-uniformity of c) affects the nonmagnetic lower layer 42 through the first magnetic lower layer 41. As can be appreciated from the discussion above, the preferred thickness range of the NiFeW film for the first magnetic underlayer 41 is 0.5 to 3 nm.

Zr, Ta, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소가 W를 대신하여 NiFe 비천 금속에 도핑되는 경우에도 마찬가지로 적용된다. 예를 들어, 도 4b는 필름 두께에 대한 NiFeZr 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4c는 필름 두께에 대한 NiFeTa 필름의 자화의 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4b 및 4c는, Si 기판 상에 형성된 SiN 필름을 포함하는 기판들 상에 NiFeZr 필름과 NiFeTa 필름을 피착하고, NiFeZr 필름 및 NiFeTa 필름의 자화를 측정함으로써 얻어졌다는 점에 주목해야 한다. NiFeZr 및 NiFeTa 필름에 대해서도, 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께, 특히 2 nm보다 작은 필름 두께에서 상당히 감소된 자화가 관찰되었다. 이 결과는, NiFeZr 및 NiFeTa 필름이 층간 유전체(60) 상에 피착될 때, NiFeZr 및 NiFeTa 필름은 얇은 필름 두께에서 자화를 보이지 않는다는 것을 나타낸다.The same applies to the case where at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, Hf and V is doped in place of W to the NiFe base metal. For example, FIG. 4B is a graph showing the size change of the magnetization of the NiFeZr film with respect to the film thickness, and FIG. 4C is a graph showing the size change of the magnetization of the NiFeTa film with respect to the film thickness. It should be noted that FIGS. 4B and 4C were obtained by depositing a NiFeZr film and a NiFeTa film on substrates including a SiN film formed on a Si substrate and measuring the magnetization of the NiFeZr film and the NiFeTa film. Even for NiFeZr and NiFeTa films, significantly reduced magnetization was observed at film thicknesses of 0.5 nm to 3 nm, especially at film thicknesses less than 2 nm. This result indicates that when the NiFeZr and NiFeTa films are deposited on the interlayer dielectric 60, the NiFeZr and NiFeTa films do not show magnetization at a thin film thickness.

전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 자성 하층(41)은, 양호하게는 0.5 nm 내지 3 nm의 필름 두께, 더욱 양호하게는 2 nm보다 작은 필름 두께를 가진다.As can be appreciated from the foregoing discussion, the first magnetic underlayer 41 preferably has a film thickness of 0.5 nm to 3 nm, more preferably a film thickness of less than 2 nm.

(실험 2: 제1 자성 하층(41)의 결정 구조)(Experiment 2: Crystal structure of the first magnetic lower layer 41)

다음으로, 주성분으로서의 NiFe와, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 제1 자성 하층(41)의 결정 구조와 비자성 도펀트(dopant) 농도간의 관계에 관한 실험 결과에 대해 설명할 것이다. 이 실험에서, Zr, Ta, W, Hf 및 V 중 임의의 것으로 도핑된 NiFe 비천 금속으로 구성된 필름들이 형성되었다. 형성된 필름들의 결정 구조가 X-선 회절계(diffractometer)를 이용하여 분석되었다. 주요 성분이 되는 NiFe 비천 금속의 구성은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. 형성된 필름의 두께는 15 nm였다.Next, between the crystal structure and the nonmagnetic dopant concentration of the first magnetic underlayer 41 containing NiFe as a main component and at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V We will explain the results of the experiment on the relationship. In this experiment, films consisting of NiFe base metals doped with any of Zr, Ta, W, Hf and V were formed. The crystal structure of the formed films was analyzed using an X-ray diffractometer. The composition of the NiFe base metal which is a main component is Ni: Fe = 77.5: 22.5. The thickness of the formed film was 15 nm.

결과는, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑된 NiFeX 필름(X: Zr, Ta, W, Hf 또는 V)은, 10 내지 25 원자 %의 비자성 도펀트 농도에 대해 넓은 피크를 갖는 회절 프로파일을 보였다; 이것은 NiFeX 필름은 아몰퍼스 구조를 가진다는 것을 나타낸다. 10 원자 %보다 낮은 비자성 도펀트 농도에 대해, NiFe로부터 생긴 결정 구조가 관찰되었다. 25 원자 %보다 높은 비자성 도펀트 농도에 대해, NiFe와 비자성 원소의 합성물 및 혼합물의 회절 피크가 관찰되었다. 이것은, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소로 도핑된 NiFeX(X: Zr, Ta, W, Hf 및 V)가 제1 자성 하층(41)으로서 사용될 때, 비자성 원소의 양호한 농도는 10 내지 25 원자 %라는 것을 암시한다.The result is that a NiFeX film (X: Zr, Ta, W, Hf or V) doped with at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V has a ratio of 10-25 atomic% Showed a diffraction profile with broad peaks for the sexual dopant concentration; This indicates that the NiFeX film has an amorphous structure. For nonmagnetic dopant concentrations lower than 10 atomic%, a crystal structure resulting from NiFe was observed. For nonmagnetic dopant concentrations higher than 25 atomic%, diffraction peaks of compounds and mixtures of NiFe and nonmagnetic elements were observed. This is because when NiFeX (X: Zr, Ta, W, Hf and V) doped with at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V is used as the first magnetic underlayer 41, , Suggests that a good concentration of nonmagnetic element is 10 to 25 atomic%.

전술된 바와 같이, Zr, Ta, W, Hf 및 V 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소와 주성분으로서 NiFe를 포함하는 제1 자성 하층(41)은, 제1 자성 하층(41)의 필름 두께가 0.5 내지 3 nm로 조정될 때, 실질적으로 어떠한 자화도 보이지 않는다. 비자성 원소(Zr, Ta, W, Hf 또는 V)의 도펀트 농도는, 양호하게는, 10 내지 25 원자 % 범위이다.As described above, the first magnetic underlayer 41 including at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V and NiFe as a main component is a film of the first magnetic underlayer 41. When the thickness is adjusted to 0.5 to 3 nm, substantially no magnetization is seen. The dopant concentration of the nonmagnetic element (Zr, Ta, W, Hf or V) is preferably in the range of 10 to 25 atomic%.

(실험 3: 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b)간의 자기 결합)(Experiment 3: magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetization pinned layers 50a and 50b)

다음으로, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b)간의 자기 결합의 크기와 비자성 하층(42)의 두께간의 관계에 관한 실험 결과에 대해 설명한다. 이 실험에서, 자화 고정층(50a 및 50b), 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 제2 자성 하층(43), 및 데이터 기록층(10)에 대응하는 필름을 각각 포함하는 필름 스택들이 형성되었다. Co와 Pt 필름이 교대로 적층되는 Co/Pt 필름 스택이 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름으로서 사용되었다. 두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름이 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 사용되었고, Pt 필름이 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 Co/Pt 필름 스택이, 제2 자성 하층(43)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 마지막으로, 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)에 대응하는 필름으로서 사용되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름들이 0.3 내지 5 nm 범위의 상이한 두께를 갖고 있는 전술된 구조의 샘플들이 준비되었고, 그 자기 속성이 측정되었다. 준비된 모든 샘플들은 앞서 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.Next, an experimental result regarding the relationship between the magnitude of the magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b and the thickness of the nonmagnetic lower layer 42 will be described. In this experiment, the films corresponding to the magnetized pinned layers 50a and 50b, the first magnetic lower layer 41, the nonmagnetic lower layer 42, the second magnetic lower layer 43, and the data recording layer 10 are respectively included. Film stacks were formed. Co / Pt film stacks in which Co and Pt films are alternately laminated were used as magnetic films corresponding to the magnetization pinned layers 50a and 50b. A NiFeZr film with a thickness of 1.5 nm was used as the film corresponding to the first magnetic underlayer 41, and a Pt film was used as the film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42. A Co / Pt film stack in which a plurality of 0.4 nm thick Co films and a plurality of 0.8 nm thick Pt films were alternately laminated was used as the film corresponding to the second magnetic underlayer 43. Finally, a Co / Ni film stack in which five Co films 0.3 nm thick and five Ni films 0.6 nm thick were alternately stacked was used as the film corresponding to the data recording layer 10. Samples of the above-described structure were prepared in which the Pt films corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 had different thicknesses in the range of 0.3 to 5 nm, and their magnetic properties were measured. All prepared samples were previously heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuum.

도 5a는, Pt 필름의 필름 두께에 대한 (비자성 하층(42)에 대응하는) Pt 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께 범위에서 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 가로질러 1900 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 발명자들은, 이 결과가 다음과 같은 이유로 발생되었다고 생각한다: 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택은 제1 자성 하층(41)에 대응하는 NiFeZr의 하층으로서 기능하기 때문에, 얇은 NiFeZr 필름은 Co/Pt 필름 스택의 자화의 영향으로 인해 수직 자기 이방성을 보인다. 또한, Co/Pt 필름 스택과 NiFeZr 필름의 수직 자화는 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 제2 자성 하층(43)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택에 영향을 미쳐, 결과적으로 Pt 필름의 감소된 두께에 대해 자기 결합을 초래한다. 또한, 제2 자성 하층(43)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택은, 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택에 자기적으로 결합된다. 그 결과, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 약 1900 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 생성된다. 이것은, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합에 의해 고정될 수 있다는 것을 암시한다.FIG. 5A is a table showing the combined magnetic field change exerted through the Pt film (corresponding to the nonmagnetic underlayer 42) relative to the film thickness of the Pt film. As shown in FIG. 5A, a combined magnetic field of 1900 to 1975 (Oe) was observed across the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 in the film thickness range of 0.5 to 4.0 nm. The inventors believe that this result occurred for the following reason: Since the Co / Pt film stack corresponding to the magnetized pinned layers 50a and 50b functions as a lower layer of NiFeZr corresponding to the first magnetic underlayer 41, it is thin. NiFeZr films exhibit perpendicular magnetic anisotropy due to the influence of magnetization of the Co / Pt film stacks. In addition, the vertical magnetization of the Co / Pt film stack and the NiFeZr film affects the Co / Pt film stack corresponding to the second magnetic underlayer 43 through the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42, and consequently the Pt This results in magnetic bonding for the reduced thickness of the film. In addition, the Co / Pt film stack corresponding to the second magnetic underlayer 43 is magnetically coupled to the Co / Ni film stack corresponding to the data recording layer 10. As a result, a combined magnetic field of about 1900 to 1975 (Oe) is generated through the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42. This implies that the magnetization of the magnetization fixing regions 11a and 11b of the data recording layer 10 can be fixed by magnetic coupling between the magnetization fixing layers 50a and 50b and the data recording layer 10.

한편, 4.5 nm 이상의 필름 두께에 대하여, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름을 통해 가해지는 결합 자기장은 제로였다. 이것은, 비자성 하층(42)으로서 4.5 nm 이상의 두께의 Pt 필름의 이용 결과, 자화 고정층(50a 및 50b) 및 데이터 기록층(10)의 자화가 자기적으로 결합되지 않는다, 즉, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 고정되지 않는다는 것을 암시한다.On the other hand, for a film thickness of 4.5 nm or more, the combined magnetic field applied through the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 was zero. This results in the use of a Pt film having a thickness of 4.5 nm or more as the nonmagnetic underlayer 42, and as a result, the magnetization of the magnetization pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 is not magnetically coupled, that is, the data recording layer ( It suggests that the magnetization of the magnetization fixing regions 11a and 11b of 10) is not fixed.

자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 Co/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택에 자기적으로 결합되더라도, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pt 필름의 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때 결합 자기장은 비교적 작다는 점에 주목해야 한다. 이것은, Pt 필름이 충분한 fcc (111) 배향을 보이지 않고, 따라서 그 상에 피착된 Co/Ni 필름 스택이 불량한 fcc (111) 배향을 보이기 때문이다. 전술된 논의로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 비자성 하층(42)으로서 Pt 필름이 사용될 때, Pt 필름은 양호하게는 0.5 내지 4.0 nm의 두께를 가진다.Although the Co / Pt film stacks corresponding to the magnetization pinned layers 50a and 50b are magnetically coupled to the Co / Ni film stacks corresponding to the data recording layer 10, the thickness of the Pt film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 It should be noted that the coupling magnetic field is relatively small when is as thin as 0.3 nm. This is because the Pt film does not exhibit sufficient fcc (111) orientation, and therefore the Co / Ni film stack deposited thereon exhibits poor fcc (111) orientation. As can be appreciated from the foregoing discussion, when a Pt film is used as the nonmagnetic underlayer 42, the Pt film preferably has a thickness of 0.5 to 4.0 nm.

Pt 필름을 대신해 Au 필름, Pd 필름, 및 Ir 필름 중 임의의 것이 사용되는 경우에 대해 유사한 결과가 얻어졌다. 예를 들어, 도 5b는, 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 두께 1.5 nm의 NiFeTa 필름이 사용되고, 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 Pd 필름이 사용될 때, Pd 필름의 필름 두께에 대한, Pd 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께에 대해 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름을 통해 1910 내지 1975 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름의 필름 두께가 4.5 nm 이상일 때, 결합 자기장은 제로 또는 제로에 가까운 값이었다. 또한, 비자성 하층(42)에 대응하는 Pd 필름의 필름 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때, 1630 (Oe)의 비교적 감소된 결합 자기장이 관찰되었다.Similar results were obtained for the case where any of Au films, Pd films, and Ir films were used in place of Pt films. For example, FIG. 5B shows a film of a Pd film when a NiFeTa film having a thickness of 1.5 nm is used as the film corresponding to the first magnetic lower layer 41 and a Pd film is used as the film corresponding to the nonmagnetic lower layer 42. Table showing the combined magnetic field change exerted through the Pd film relative to the thickness. As shown in FIG. 5B, a binding magnetic field of 1910 to 1975 (Oe) was observed through the Pd film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 for a film thickness of 0.5 to 4.0 nm. When the film thickness of the Pd film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 was 4.5 nm or more, the combined magnetic field was zero or near zero. In addition, when the film thickness of the Pd film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 was as thin as 0.3 nm, a relatively reduced combined magnetic field of 1630 (Oe) was observed.

또한, 도 5c는, 제1 자성 하층(41)에 대응하는 필름으로서 두께 1.5 nm의 NiFeTa 필름이 사용되고, 비자성 하층(42)에 대응하는 필름으로서 Ir 필름이 사용될 때, Ir 필름의 필름 두께에 대한, Ir 필름을 통해 가해지는 결합 자기장 변화를 나타내는 테이블이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 0.5 내지 4.0 nm의 필름 두께에 대하여 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름을 통해 1930 내지 1965 (Oe)의 결합 자기장이 관찰되었다. 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름의 필름 두께가 4.5 nm 이상일 때, 결합 자기장은 제로였다. 또한, 비자성 하층(42)에 대응하는 Ir 필름의 필름 두께가 0.3 nm 정도로 얇을 때, 1700 (Oe)의 비교적 감소된 결합 자기장이 관찰되었다.5C shows the film thickness of the Ir film when a NiFeTa film having a thickness of 1.5 nm is used as the film corresponding to the first magnetic lower layer 41 and an Ir film is used as the film corresponding to the nonmagnetic lower layer 42. Table 1 shows the coupling magnetic field change applied through the Ir film. As shown in FIG. 5C, a combined magnetic field of 1930 to 1965 (Oe) was observed through the Ir film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 for a film thickness of 0.5 to 4.0 nm. When the film thickness of the Ir film corresponding to the nonmagnetic lower layer 42 was 4.5 nm or more, the combined magnetic field was zero. In addition, when the film thickness of the Ir film corresponding to the nonmagnetic underlayer 42 was as thin as 0.3 nm, a relatively reduced combined magnetic field of 1700 (Oe) was observed.

전술된 결과는, 비자성 하층(42)은 양호하게는 0.5 내지 4.0 nm의 두께를 가진다는 것을 나타낸다.The above-described results indicate that the nonmagnetic underlayer 42 preferably has a thickness of 0.5 to 4.0 nm.

(실험 4: 자기저항 효과 소자(100)의 자기 속성)(Experiment 4: magnetic property of magnetoresistive effect element 100)

이하에서, 전술된 하층(40)이 적용되는 자기저항 효과 소자(100)의 자기 속성에 관한 실험 결과에 대해 설명한다. 이 실험에서, 전술된 하층(40)이 적용되는 자기저항 효과 소자(100)가 실제로 제조되었고, 데이터 기록층(10)의 자기 속성이 측정되었다.Hereinafter, the experimental results regarding the magnetic properties of the magnetoresistive effect element 100 to which the above-described lower layer 40 is applied will be described. In this experiment, the magnetoresistive effect element 100 to which the lower layer 40 described above was applied was actually manufactured, and the magnetic properties of the data recording layer 10 were measured.

다음과 같은 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 구현예 1로서 준비되었다. 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 각각의 자기저항 효과 소자(100)의 하층(40)으로서 이 순서대로 순차적으로 적층되었다. 제1 자성 하층(41)으로서 두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 전술된 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 준비되었고, 여기서, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 자기저항 효과 소자(100)의 폭은 100 nm였다. 이들 자기저항 효과 소자(100)는, 하층(40)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.A magnetoresistive effect element 100 having the following structure was prepared as Embodiment 1. The first magnetic lower layer 41, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 were sequentially stacked as the lower layer 40 of each magnetoresistive element 100 in this order. A 1.5 nm thick NiFeZr film was used as the first magnetic underlayer 41, and a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42. A magnetic film stack in which a plurality of 0.4 nm thick Co films and a plurality of 0.8 nm thick Pt films were alternately laminated was used as the second magnetic underlayer 43. A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. A magnetoresistive element 100 having the above-described structure has been prepared, wherein the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 varies from 0 to 4. The magnetoresistive effect element 100 had a width of 100 nm. These magnetoresistive effect elements 100 were heat-treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuum after the lower layer 40 and the data recording layer 10 were formed.

도 6a 내지 6d는, 제2 자성 하층(43) 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 0 내지 3인 경우에 대해 데이터 기록층(10)의 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로인 경우에 대해(즉, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않은 경우), 도 6a에 도시된 바와 같이, 데이터 기록층(10)은 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였고, 면내 자화 성분을 포함했다. 도 6b 내지 6d에 도시된 바와 같이, M-H 루프가 더욱 직사각형이 되었고, 적층된 Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되는 경향이 있었다. 이것은, 제2 자성 하층(43)의 이용은, 2시간 동안 350°C에서의 열처리 후에도, fcc (111) 배향을 달성하기가 비교적 어려운 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되는 경우에 대하여 강한 수직 자기 이방성의 달성을 가능케한다는 것을 암시한다.6A to 6D are diagrams showing magnetic field curves of the data recording layer 10 when the number of Co and Pt films in the second magnetic lower layer 43 is 0 to 3. FIG. For the case where the number of Co and Pt films is zero (ie, when the second magnetic underlayer 43 is not provided), as shown in FIG. 6A, the data recording layer 10 exhibited relatively weak perpendicular magnetic anisotropy. And in-plane magnetization. As shown in FIGS. 6B-6D, the M-H loops became more rectangular, and the vertical magnetic anisotropy tended to be enhanced as the number of laminated Co and Pt films increased. This means that the use of the second magnetic underlayer 43 is relatively difficult to achieve fcc (111) orientation even after heat treatment at 350 ° C. for 2 hours, in which a Co / Ni film stack is used as the data recording layer 10. It suggests that it allows for the achievement of strong perpendicular magnetic anisotropy for the case.

각각 제1 자성 하층(41) 및 비자성 하층(42)으로서 1.5 nm 두께의 NiFeZr 필름과 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되고, 0.4 nm 두께의 Co 필름과 0.8 nm 두께의 Pt 필름이 적층된 Co/Pt 자성 필름 스택이 비자성 하층(42) 상에 피착된 경우에 대하여, 비슷한 측정이 이루어졌다. Co/Pt 자성 필름 스택에서 Co 필름과 Pt 필름의 갯수는 1이었다. 도 6e는 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. 도 6e에 도시된 바와 같이, fcc (111) 배향이 비교적 용이하게 형성되는 Co/Pt 자성 필름 스택에 대하여, 개선된 직사각형 형상을 갖는 자화장 곡선이 얻어졌다.As the first magnetic underlayer 41 and the nonmagnetic underlayer 42, 1.5 nm thick NiFeZr films and 2 nm thick Pt films were used, and 0.4 nm thick Co films and 0.8 nm thick Pt films were laminated. For the case where the Pt magnetic film stack was deposited on the nonmagnetic underlayer 42, similar measurements were made. The number of Co films and Pt films in the Co / Pt magnetic film stack was one. FIG. 6E is a diagram showing a magnetization curve for a case where a Co / Pt magnetic film stack is used. As shown in FIG. 6E, for a Co / Pt magnetic film stack in which an fcc (111) orientation is formed relatively easily, a magnetic field curve with improved rectangular shape was obtained.

이 사실은 2가지 기술적 의미를 가진다. 첫째, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 데이터 기록층(10)에 대해 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 두번째, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 제2 자성 하층(43)의 형성을 가능케하고, (예를 들어, Co/Ni 자성 필름 스택으로 형성된) 그 표면 상에 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 개선한다.This fact has two technical meanings. First, the use of the Co / Pt magnetic film stack as the data recording layer 10 effectively achieves strong perpendicular magnetic anisotropy with respect to the data recording layer 10. Second, the use of a Co / Pt magnetic film stack as the second magnetic underlayer 43 enables the formation of a second magnetic underlayer 43 having an improved fcc (111) orientation and, for example, Co / Ni It effectively improves the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 formed on its surface (formed from the magnetic film stack).

또한, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용되고 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 포화장 Hs가 측정되었다. 도 7은, 본 출원에서의 포화장 Hs의 정의를 나타낸다. 본 출원에서, 포화장 Hs는, 외부 자기장이 데이터 기록층(10)의 면내 방향으로 인가될 때 데이터 기록층(10)의 자화가 외부 자기장의 방향으로 완전하게 향해지는 외부 자기장의 크기로서 정의된다. 도 7에서, 예를 들어, Hs1은, 샘플(1)의 포화장을 나타내고, Hs2는 샘플(2)의 포화장을 나타낸다. 큰 포화장은 수직 자기 이방성이 크다는 것을 암시한다. 도 7에서, 예를 들어, 샘플(1)의 포화장 Hs(즉, 그 자신의 방향으로 완전하게 자화를 지시하는 자기장)는 샘플(2)의 포화장보다 크고, 이것은 샘플(1)의 수직 자기 이방성이 샘플(2)의 수직 자기 이방성보다 크다는 것을 암시한다.In addition, the second magnetic underlayer 43, as a make-up port for the H s when the Co / Pt as a magnetic film stack is used and the data recording layer (10), Co / Ni magnetic film stack used was measured. 7 shows the definition of the saturation field H s in the present application. In the present application, the saturation field H s is defined as the magnitude of the external magnetic field in which the magnetization of the data recording layer 10 is completely directed in the direction of the external magnetic field when the external magnetic field is applied in the in-plane direction of the data recording layer 10. do. In FIG. 7, for example, H s1 represents the saturation field of the sample 1, and H s2 represents the saturation field of the sample 2. Large saturation fields imply large vertical magnetic anisotropy. In FIG. 7, for example, the saturation field H s of the sample 1 (ie, the magnetic field indicating complete magnetization in its own direction) is greater than the saturation field of the sample 2, which is the It suggests that the perpendicular magnetic anisotropy is greater than the perpendicular magnetic anisotropy of the sample 2.

도 8은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs의 변화를 나타내며, 여기서, Co 및 Pt의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 도 8로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 따라 증가하였다; 이것은 Co 및 Pt 필름의 개수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되었다는 것을 암시한다.Figure 8 shows a second port change makeup H s of the data storage layer 10 with respect to the magnetic underlayer 43, a number of Co and Pt film, wherein the number of Co and Pt is variable from 0 to 4. As can be appreciated from FIG. 8, the saturation field H s increased with the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43; This suggests that the perpendicular magnetic anisotropy is enhanced as the number of Co and Pt films increases.

도 9는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한, 포화장 Hs 및 기록 전류에서의 변화를 나타낸다. 기록 전류의 크기는, 데이터 기록층(10)에서 도메인 벽 이동을 유발하기 위해 필요한 최소한의 기록 전류로서 정의된다. 실험 절차의 세부사항은, 본 명세서에서 참조용으로 인용하는 T. Suzuki 등의 “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”, 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션 제45권, 제10호, 페이지 3776-3779, (2009)에 개시되어 있다.9 shows a variation in the second magnetic from the lower layer (43) of the number of Co and Pt film, bubble cosmetic H s and the recording current. The magnitude of the write current is defined as the minimum write current required to cause domain wall movement in the data recording layer 10. Details of the experimental procedure are described in T. Suzuki et al., "Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co / Ni Multilayer Strip for Memory Applications," IEEE Transactions on Magnetics, 45. Vol. 10, pp. 3776-3779, (2009).

제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로였던(이것은 제2 자성 하층(43)이 피착되지 않았다는 것을 의미) 샘플들에 대해, 전류에 의한 도메인 벽 이동은 명확히 관찰되지 않았고, 그 결과 기록 전류의 측정이 성공적이지 못하였다. 이것은, 데이터 기록층(10)이 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였으며 도 6a에 도시된 바와 같이 면내 자화 성분을 포함하였다는 사실로부터 발생한 것으로 생각할 수 있다.For samples where the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 was zero (which means that the second magnetic underlayer 43 was not deposited), domain wall movement by current was not clearly observed, As a result, the measurement of the recording current was not successful. This may be considered to arise from the fact that the data recording layer 10 exhibited relatively weak perpendicular magnetic anisotropy and contained an in-plane magnetization component as shown in Fig. 6A.

제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로가 아닌 경우에 대하여, 기록 전류는, Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 점진적으로 증가하였다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 4인 경우에 대하여, 포화장 Hs는 약 10000 (Oe)까지 증가하였고, 기록 전류는 가파르게 증가하여 0.5 mA를 초과하였다. N. Sakimura 등의 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에 따르면, 기록 전류를 0.5 mA 아래로 감소시킴으로써, 기존의 임베딩형 SRAM의 레벨로 셀 영역을 감소시킬 수 있다.For the case where the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 is not zero, the recording current gradually increased as the number of Co and Pt films increased. For the case where the number of Co and Pt films was 4, the saturation field H s increased to about 10000 (Oe) and the recording current increased steeply to exceed 0.5 mA. According to N. Sakimura et al., “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, No. 4, pages 830-838, 2007, by reducing the write current below 0.5 mA, It is possible to reduce the cell area to the level of the embedded SRAM of.

이와 같이 기술된 것처럼, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 필름 스택의 이용은, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 강화한다. 또한, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수의 조정은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 제어를 가능케하였고, 도메인 벽 이동을 유발하는데 필요한 기록 전류(또는 도메인 벽 이동 전류)를 충분히 감소시켰다. 수직 자기 이방성을 적절한 값으로 조정하기 위해 바람직한 포화장 Hs의 범위는, 3000 (Oe) ≤ HS ≤ 10000 (Oe)였고, 이 범위에서 포화장 Hs를 달성하기 위한 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 1 내지 3이었다.As described above, the use of the Co / Pt film stack as the second magnetic underlayer 43 is characterized by the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 when the Co / Ni film stack is used as the data recording layer 10. Strengthens effectively. In addition, adjustment of the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 enabled the control of the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10, and the write current (or domain wall movement required to induce domain wall movement). Current) is sufficiently reduced. In order to adjust the perpendicular magnetic anisotropy to an appropriate value, the preferred range of saturation field H s was 3000 (Oe) ≤ H S ≤ 10000 (Oe), in which the second magnetic lower layer 43 for achieving the saturation field H s ), The number of Co and Pt films was 1-3.

비교예 1로서, 자기저항 효과 소자(300)가 도 10에 도시된 바와 같이 추가로 준비되었고, 여기서 하층(70)은 제1 자성 하층(71) 및 비자성 하층(72)으로 구성되었고, 두께 2 nm의 NiFeB 필름이 제1 자성 하층(71)으로서 사용되었고, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(72)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택으로서 하층(70) 상에 데이터 기록층(10)이 형성되었다. 자기저항 효과 소자(300)는, 구현예 1의 경우에서와 같이, 하층(70)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.As Comparative Example 1, a magnetoresistive effect element 300 was further prepared as shown in FIG. 10, where the lower layer 70 was composed of the first magnetic lower layer 71 and the nonmagnetic lower layer 72, and the thickness thereof. A 2 nm NiFeB film was used as the first magnetic underlayer 71, and a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 72. The data recording layer 10 was formed on the lower layer 70 as a Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm were alternately stacked. The magnetoresistive effect element 300 was heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuum after the lower layer 70 and the data recording layer 10 were formed, as in the case of Embodiment 1.

자기저항 효과 소자(300)의 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs는 약 1050 (Oe)로서 측정되었다. 또한, 필름 표면의 수직 방향으로 자기장을 인가함으로써 측정된 자화장 루프로부터 자기저항 효과 소자(300)의 데이터 기록층(10)은 면내 자화 성분을 포함하고 매우 약한 수직 자기 이방성을 보인다는 것이 판정되었다. NiFeB 필름은 필름 두께에 관계없이 면내 자기 이방성을 보이며, 그 자화는 열처리에 의해 증가된다. 이것은, 제1 자성 하층(71)이 비자성 하층(72)을 통해 면내 방향으로 데이터 기록층(10)(Co/Ni 필름 스택)의 자화를 지시하는 효과를 유발했기 때문이며, 그 결과, 데이터 기록층(10)은 약한 수직 자기 이방성을 보인 면내 자화 필름으로서 형성되었다.Four magnetic makeup H s of the resistive elements 300 of the data storage layer 10 was measured as about 1050 (Oe). In addition, it was determined from the magnetic field loop measured by applying the magnetic field in the vertical direction of the film surface that the data recording layer 10 of the magnetoresistive effect element 300 contained an in-plane magnetization component and exhibits very weak vertical magnetic anisotropy. . NiFeB films exhibit in-plane magnetic anisotropy regardless of film thickness, and their magnetization is increased by heat treatment. This is because the first magnetic lower layer 71 caused the effect of instructing the magnetization of the data recording layer 10 (Co / Ni film stack) in the in-plane direction through the nonmagnetic lower layer 72, and as a result, the data recording. Layer 10 was formed as an in-plane magnetization film that exhibited weak perpendicular magnetic anisotropy.

또한, 구현예 2로서, 두께 1.5 nm의 NiFeW 필름이 제1 자성 하층(41)으로서 사용된 자기저항 효과 소자(100)가 추가로 준비되었다. 이 양태를 제외하고, 구현예 2의 자기저항 효과 소자(100)의 구성은 구현예 1의 경우와 동일하였다. 상세하게는, 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 하층(40)으로서 이 순서대로 순차적으로 형성되었다. 제1 자성 하층(41)으로서 두께 1.5 nm의 NiFeW 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 복수의 Co 필름과 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 구현예 2의 자기저항 효과 소자(100)는 또한 진공에서 2시간 동안 350˚C에서 열처리되었다. 이렇게 구성된 자기저항 효과 소자(100)에 대해, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화가 검사되었다. 도 11a는, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 11a로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, Co 필름과 Pt 필름의 갯수가 1 내지 3 일 때 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.In addition, as Embodiment 2, a magnetoresistive effect element 100 was further prepared in which a NiFeW film having a thickness of 1.5 nm was used as the first magnetic underlayer 41. Except for this aspect, the configuration of the magnetoresistive element 100 of Embodiment 2 was the same as that of Embodiment 1. In detail, the first magnetic lower layer 41, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 were sequentially formed as the lower layer 40 in this order. A 1.5 nm thick NiFeW film was used as the first magnetic underlayer 41, and a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42. A magnetic film stack in which a plurality of Co films and a plurality of Pt films are alternately laminated was used as the second magnetic underlayer 43. A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. The magnetoresistive element 100 of Embodiment 2 was also heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuum. For the magnetoresistive element 100 thus constructed, the change of the magnetic field H s with respect to the film thickness ratio of the Pt and Co films of the second magnetic underlayer 43 and the number of Pt and Co films was examined. FIG. 11A is a graph showing the change in the magnetic field H s versus the number of Pt and Co films in the second magnetic lower layer 43 with respect to the different film thickness ratios of the Pt and Co films. As can be understood from FIG. 11A, for the case where the film thickness ratio of the Pt film to the Co film of the second magnetic lower layer 43 is 1.0 to 5.0, when the number of Co films and Pt films is 1 to 3, Makeup H s had a range from 3000 to 5500 (Oe); This means that the data recording layer 10 exhibited perpendicular magnetic anisotropy in which current-driven domain wall movement can be achieved.

또한, 예 3으로서, 두께 1.5 nm의 NiFeV 필름이 제1 자성 하층(41)으로 사용되고 두께 2 nm의 Au 필름이 사용된 자기저항 효과 소자(100)가 추가적으로 준비되었다. 이 양태를 제외하고, 예 3의 자기저항 효과 소자(100)의 구성은 구현예 1 및 2의 경우와 동일하였다. 이렇게 구성된 자기저항 효과 소자(100)에 대해, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한, 자화장 Hs의 변화가 검사되었다. 도 11b는, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한, 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 또한 도 11b에서와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.Further, as Example 3, a magnetoresistive element 100 having a 1.5 nm thick NiFeV film as the first magnetic underlayer 41 and an Au film having a thickness of 2 nm was used. Except for this aspect, the configuration of the magnetoresistive element 100 of Example 3 was the same as that of the embodiments 1 and 2. For the magnetoresistive element 100 thus constructed, the change of the magnetic field H s with respect to the film thickness ratio of the Pt and Co films of the second magnetic lower layer 43 and the number of Pt and Co films was examined. FIG. 11B is a graph showing the change in the magnetic field H s with respect to the number of Pt and Co films in the second magnetic lower layer 43 with respect to the different film thickness ratios of the Pt and Co films. In addition, as in FIG. 11B, for the case where the film thickness ratio of the Pt film to the Co film of the second magnetic lower layer 43 is 1.0 to 5.0, the saturation field H s has a range of 3000 to 5500 (Oe); This means that the data recording layer 10 exhibited perpendicular magnetic anisotropy in which current-driven domain wall movement can be achieved.

전술된 결과는, 제2 자성 하층(43)에서 Co 필름과 Pt 필름의 양호한 필름 두께 비율은 1.0 내지 5.0임을 나타낸다.The above result indicates that the good film thickness ratio of the Co film and the Pt film in the second magnetic underlayer 43 is 1.0 to 5.0.

전술된 예들이, NiFeZr 필름 또는 NiFeW 필름이 제1 자성 하층(41)으로서 사용되고, Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되고, Co 및 Pt 필름으로 구성된 필름 스택이 제2 비자성 하층(43)으로 사용된 경우에 관한 것이지만, 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42) 및 제2 자성 하층(43)의 재료는 전술된 것으로만 제한되는 것은 아니다. 발명자들은, (Zr 및 W를 대신하여) Ta, Hf 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 재료로 NiFe 비천 금속을 도핑함으로써 얻어진 얇은 필름 재료를 이용하여 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 발명자들은, Pt 필름을 대신하여 비자성 하층(42)으로서 Au 필름, Pd 필름 또는 Ir 필름을 이용함으로써 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것도 확인하였다. 또한, 발명자들은, Co 필름과 Pt 필름의 조합을 대신하여, 제2 자성 하층(43)으로서 Fe, Co 및 Ni 중 임의의 것으로 형성된 층들과, Pt 및 Pd 중 임의의 것으로 형성된 층들의 조합을 이용하여, 유사한 효과가 달성될 수 있다는 것을 확인하였다.In the above-described examples, a NiFeZr film or NiFeW film is used as the first magnetic underlayer 41, a Pt film is used as the nonmagnetic underlayer 42, and a film stack composed of Co and Pt films is the second nonmagnetic underlayer 43. Although the present invention is related to the case, the materials of the first magnetic lower layer 41, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 are not limited to those described above. The inventors have found that a similar effect can be achieved using thin film materials obtained by doping NiFe base metals with at least one nonmagnetic material selected from the group consisting of Ta, Hf and V (instead of Zr and W). It was. In addition, the inventors have confirmed that similar effects can be achieved by using Au film, Pd film or Ir film as the nonmagnetic underlayer 42 instead of the Pt film. In addition, the inventors use a combination of layers formed of any of Fe, Co, and Ni as the second magnetic underlayer 43, and a combination of layers formed of any of Pt and Pd, instead of the combination of Co film and Pt film. Thus, it was confirmed that similar effects can be achieved.

제2 2nd 실시예Example

도 12는 본 발명의 제2 실시예의 자기저항 효과 소자(100A)의 예시적 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 제2 실시예의 자기저항 효과 소자(100A)는 제1 실시예의 자기저항 효과 소자(100)와 유사하게 구성된다. 차이점은 하층의 구조에 있다. 제1 실시예에서, 전술된 바와 같이, 하층(40)의 제1 자성 하층(41)은, 제1 자성 하층(41)이 강자성을 보이지 않도록 하는 얇은 두께를 갖는 본질적으로 강자성의 재료로 형성된다. 반면, 제2 실시예에서, 하층(40A)의 제1 자성 하층(41A)은, 제1 자성 하층(41A)이 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 얇은 두께로(구체적으로, 0.5 내지 3 nm), 본질적으로 면내 자기 이방성을 보이는 재료로 형성된다. 제1 자성 하층(41A)은, 주성분으로서의 Co 또는 Fe와, Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 아몰퍼스 자성 재료로 형성된다.12 is a sectional view schematically showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element 100A of a second embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect element 100A of the second embodiment is configured similarly to the magnetoresistive effect element 100 of the first embodiment. The difference is in the structure of the lower layer. In the first embodiment, as described above, the first magnetic underlayer 41 of the underlayer 40 is formed of an essentially ferromagnetic material having a thin thickness such that the first magnetic underlayer 41 does not show ferromagneticity. . On the other hand, in the second embodiment, the first magnetic lower layer 41A of the lower layer 40A has a thin thickness (specifically, 0.5 to 3 nm) such that the first magnetic lower layer 41A exhibits perpendicular magnetic anisotropy, It is essentially formed of a material that exhibits in-plane magnetic anisotropy. The first magnetic lower layer 41A is formed of an amorphous magnetic material containing Co or Fe as a main component and at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V.

비자성 하층(42), 제2 자성 하층(43), 및 데이터 기록층(10)의 구조는 제1 실시예에서와 동일하다. 비자성 하층(42)은, fcc 구조를 가지며 강한 (111) 배향을 보이는 비자성 필름으로 형성된다. 이 실시예에서, 비자성 하층(42)은, Pt, Au, Pd, 또는 Ir로 형성되며, 두께 0.3 내지 4.0 nm를 가진다. 제2 자성 하층(43)은, 적어도 하나의 제1 층과 적어도 하나의 제2 층이 교대로 적층되는 자성 필름 스택으로 형성되며, 여기서, 제1 층은 Pt 및 Pd 중 임의의 하나로 형성되고, 제2 층은 Fe, Co, 및 Ni 중 임의의 하나로 형성된다. 수직 자기 이방성을 갖는 자성 필름인 데이터 기록층(10)은 양호하게는, Co/Ni, Co/Pt, Co/Pd, CoFe/Ni, CoFe/Pt 및 CoFe/Pd와 같은 천이 금속들의 교대로-적층되는 필름 스택으로 형성된다. 이들 재료의 포화 자화는 비교적 작다는 것이 공지되어 있다. 더 일반적으로 말하면, 데이터 기록층(10)은, 제1 및 제2층이 적층되는 필름 스택으로서 구성된다. 제1 층은, Fe, Co Ni, 또는 Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수 재료로 된 합금을 포함한다. 제2 층은, Pt, Pd, Au, Ag, Ni, Cu, 또는 Pt, Pd, Au, Ag, Ni, 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수 재료로 된 합금을 포함한다. 전술된 필름 스택 중에서, Co/Ni 필름 스택은 높은 스핀 분극률을 보인다. 따라서, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 필름 스택이 특히 바람직하다.The structures of the nonmagnetic lower layer 42, the second magnetic lower layer 43, and the data recording layer 10 are the same as in the first embodiment. The nonmagnetic lower layer 42 is formed of a nonmagnetic film having an fcc structure and exhibiting a strong (111) orientation. In this embodiment, the nonmagnetic underlayer 42 is formed of Pt, Au, Pd, or Ir, and has a thickness of 0.3 to 4.0 nm. The second magnetic underlayer 43 is formed of a magnetic film stack in which at least one first layer and at least one second layer are alternately stacked, wherein the first layer is formed of any one of Pt and Pd, The second layer is formed of any one of Fe, Co, and Ni. The data recording layer 10, which is a magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy, preferably has alternating transition metals such as Co / Ni, Co / Pt, Co / Pd, CoFe / Ni, CoFe / Pt, and CoFe / Pd- It is formed into a film stack to be laminated. It is known that the saturation magnetization of these materials is relatively small. More generally speaking, the data recording layer 10 is configured as a film stack in which the first and second layers are laminated. The first layer comprises Fe, Co Ni, or an alloy of a plurality of materials selected from the group consisting of Fe, Co and Ni. The second layer comprises an alloy of plural materials selected from the group consisting of Pt, Pd, Au, Ag, Ni, Cu, or Pt, Pd, Au, Ag, Ni, and Cu. Among the film stacks described above, Co / Ni film stacks exhibit high spin polarization. Therefore, a Co / Ni film stack is particularly preferable as the data recording layer 10.

제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)의 잇점이 이하에서 논의된다. 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)의 경우에서와 같이, 층간 유전체(60)와 같은 아몰퍼스 필름 상에 형성될 때, 제1 자성 하층(41A)은, 0.5 내지 3.0 nm의 얇은 필름 두께 범위로 아몰퍼스가 되도록 성장되어, 그 표면 에너지를 확대한다. 이렇게 구성된 제1 자성 하층(41A)은, 그 표면 상에 형성된 결정의 최밀집 배향(최소한의 표면 에너지면을 갖는 배향)을 촉진한다. 또한, 제1 자성 하층(41A) 상에 형성된 비자성 하층(42)은, 그 최밀집 면이 fcc (111) 면을 향하도록 성장되는데, 이것은 비자성 하층(42)이 Pt, Au, Pd, 및 Ir 중 임의의 것으로 형성되고, 이들 재료중 임의의 것으로 형성된 필름은 원래로 fcc 구조를 가지기 때문이다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42) 위에 자성 필름을 형성함으로써 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성될 수 있으며, 여기서 자성 필름은 fcc 구조를 가지며, (111) 배향에 대해 강한 수직 자기 이방성을 보인다. 데이터 기록층(10)은, 비자성 하층(42)이 얇은 필름 두께를 갖는 경우에도, 제1 자성 하층(41A)의 제공으로 인해 강한 수직 자기 이방성을 갖고 형성된다는 점에 주목해야 한다.The advantages of the first magnetic underlayer 41A of the second embodiment are discussed below. When formed on an amorphous film, such as the interlayer dielectric 60, as in the case of the first magnetic underlayer 41 of the first embodiment, the first magnetic underlayer 41A has a thin film thickness range of 0.5 to 3.0 nm. It grows to become amorphous, and expands the surface energy. The first magnetic lower layer 41A thus constituted promotes the closest orientation (orientation with the minimum surface energy plane) of the crystal formed on the surface thereof. Further, the nonmagnetic underlayer 42 formed on the first magnetic underlayer 41A is grown such that its closest face faces the fcc (111) plane, which means that the nonmagnetic underlayer 42 is formed of Pt, Au, Pd, And a film formed of any of Ir, and formed of any of these materials originally have an fcc structure. The data recording layer 10 can be formed with strong perpendicular magnetic anisotropy by forming a magnetic film on the nonmagnetic underlayer 42, where the magnetic film has an fcc structure and strong perpendicular magnetic anisotropy with respect to the (111) orientation. Seems. It should be noted that the data recording layer 10 is formed with strong perpendicular magnetic anisotropy due to the provision of the first magnetic lower layer 41A even when the nonmagnetic lower layer 42 has a thin film thickness.

여기서, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은, 주성분으로서의 Co 또는 Fe와, Zr, Ta, W, Hf, 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는 재료로 형성되며, 이와 같은 재료는 본질적으로 면내 자기 이방성을 보인다. 이것은, 바람직하지 못하게, 데이터 기록층의 수직 자기 이방성의 열화를 초래한다고 생각할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이와 같은 재료의 제1 자성 하층(41A)은 실제로, 제1 자성 하층(41A)의 두께가 0.5 내지 3 nm 정도로 얇을 때 약한 수직 자기 이방성을 갖는 아몰퍼스 자성체로서 형성된다. 실질적으로 자화를 보이지 않도록 형성된 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)의 경우에서와 같이, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 열화시키지 않는다. 따라서, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 또한, 데이터 기록층(10)의 강한 수직 자기 이방성을 달성하기 위해 바람직하다.Here, the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment is formed of a material containing Co or Fe as a main component and at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V; This material, in essence, exhibits in-plane magnetic anisotropy. This can be considered undesirably to cause deterioration of the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer. Nevertheless, the first magnetic underlayer 41A of such a material is actually formed as an amorphous magnetic body having weak perpendicular magnetic anisotropy when the thickness of the first magnetic underlayer 41A is as thin as 0.5 to 3 nm. As in the case of the first magnetic underlayer 41 of the first embodiment formed to be substantially invisible to magnetization, the first magnetic underlayer 41A of the second embodiment does not degrade the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10. . Therefore, the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment is also preferable in order to achieve strong perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10.

반면, 자화 고정층(50a 및 50b) 상에 놓인 제1 자성 하층(41A) 부분은, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이의 자기 결합을 효율적으로 강화한다. 제1 자성 하층(41A)과 비자성 하층(42)이 자화 고정층(50a 및 50b) 위에 후속해서 적층될 때, Co/Pt 필름 스택과 Co-Pt 합금 필름과 같은 강한 자성 재료로 자화 고정층(50a 및 50b)가 형성된 경우에 대하여, 자화 고정층(50a 및 50b) 상의 제1 자성 하층(41A)의 부분들의 자화는, 자화 고정층(50a 및 50b)으로부터의 자기적 상호작용으로 인해, 각각, 자화 고정층(50a 및 50b)의 방향과 동일한 방향인 수직 방향으로 향한다. 이와 같은 자기적 상호작용은, 비자성 하층(42)을 통해 데이터 기록층(10)의 부분들의 자화를 고정시키고, 그 결과 자화 고정 영역(11a 및 11b)이 데이터 기록층(10)에 형성된다. 비자성 하층(42)의 얇은 필름 두께(0.5 내지 4.0 nm)로 인해, 데이터 기록층(10)과 자화 고정층(50a 및 50b) 사이에서 강한 자기 결합이 달성된다는 점에 주목해야 한다.On the other hand, the portion of the first magnetic lower layer 41A on the magnetized pinned layers 50a and 50b effectively strengthens the magnetic coupling between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b. When the first magnetic lower layer 41A and the nonmagnetic lower layer 42 are subsequently stacked on the magnetized pinned layers 50a and 50b, the magnetized pinned layer 50a is made of a strong magnetic material such as a Co / Pt film stack and a Co-Pt alloy film. And 50b), the magnetization of the portions of the first magnetic underlayer 41A on the magnetization pinned layers 50a and 50b is due to the magnetic interaction from the magnetization pinned layers 50a and 50b, respectively. It goes in the vertical direction which is the same direction as the direction of 50a and 50b. This magnetic interaction fixes the magnetization of the portions of the data recording layer 10 through the nonmagnetic lower layer 42, and as a result, the magnetization fixing regions 11a and 11b are formed in the data recording layer 10. . It should be noted that due to the thin film thickness (0.5 to 4.0 nm) of the nonmagnetic underlayer 42, strong magnetic coupling is achieved between the data recording layer 10 and the magnetized pinned layers 50a and 50b.

전술된 실험 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화시켜, 자기저항 효과 소자의 MR 비율 증가를 달성한다. 또한, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은, 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합을 강화한다. 실험 결과는 이하에서 설명된다.As can be understood from the above experimental results, the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment enhances the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 more effectively than the first magnetic lower layer 41 of the first embodiment. , MR ratio increase of the magnetoresistive effect element is achieved. Further, the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment enhances the magnetic coupling between the magnetization pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 more effectively than the first magnetic lower layer 41 of the first embodiment. . The experimental results are described below.

(실험 1: 자기 터널 접합의 MR 비율의 하층 재료 의존성)(Experiment 1: Underlying Material Dependence of MR Ratio of Magnetic Tunnel Junction)

먼저, 제1 자성 하층(41 또는 41A)의 재료에 대한, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20) 및 참조층(30)으로 구성된 자기 터널 접합의 MR 비율의 의존성이 검사되었다. 각각의 자기저항 효과 소자에 대해, 층간 유전체(60)에 대응하는 유전체 필름이 기판 및 하층(40 또는 40A) 상에 형성되었고, 데이터 기록층(10), 스페이서층(20), 및 참조층(30)이 형성되었다. 하층(40 또는 40A), 제1 자성 하층(41 또는 41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 이 순서대로 순차적으로 형성되었다.First, the dependence of the MR ratio of the magnetic tunnel junction composed of the data recording layer 10, the spacer layer 20 and the reference layer 30 on the material of the first magnetic lower layer 41 or 41A was examined. For each magnetoresistive effect element, a dielectric film corresponding to the interlayer dielectric 60 was formed on the substrate and the lower layer 40 or 40A, and the data recording layer 10, spacer layer 20, and reference layer ( 30) was formed. The lower layer 40 or 40A, the first magnetic lower layer 41 or 41A, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 were sequentially formed in this order.

두께 1.5 nm를 갖는 NiFeZr 필름, CoTa 필름, CoZr 필름 또는 FeZr 필름이 제1 자성 하층(41 또는 41A)으로서 사용되었다. NiFeW 필름은, 12.5 원자 %의 텅스텐(W)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. CoZr 필름은, 20 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. FeZr 필름은, 20 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 Fe 비천 금속이었다. NiFeZr 필름은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하고, CoTa 필름, CoZr 필름 및 FeZr 필름은 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응한다.NiFeZr films, CoTa films, CoZr films or FeZr films with a thickness of 1.5 nm were used as the first magnetic underlayer 41 or 41A. The NiFeW film contained 12.5 atomic% tungsten (W), with the remainder being a NiFe base metal. The ratio of Ni to Fe in the NiFe base metal is Ni: Fe = 77.5: 22.5. The CoTa film contained 20 atomic% tantalum (Ta), with the remainder being Co base metal. The CoZr film contained 20 atomic percent zirconium (Zr), with the remainder being Co base metal. The FeZr film contained 20 atomic% zirconium (Zr), and the rest was Fe base metal. The NiFeZr film corresponds to the first magnetic underlayer 41 of the first embodiment, and the CoTa film, CoZr film, and FeZr film correspond to the first magnetic underlayer 41A of the second embodiment.

또한, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되었고, 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 이렇게 준비된 샘플들은 100 nm의 폭을 가졌다. 이들 샘플들은, 하층(40)(또는 40A), 데이터 기록층(10), 스페이서층(20) 및 참조층(30)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 300 내지 350°C에서 열처리되었다.In addition, a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42, and a magnetic film stack in which a plurality of 0.4 nm thick Co films and a plurality of 0.8 nm thick Pt films were alternately laminated was used as the second magnetic underlayer ( 43). A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. The samples thus prepared had a width of 100 nm. These samples were heat-treated at 300 to 350 ° C. for 2 hours in vacuum after the lower layer 40 (or 40A), data recording layer 10, spacer layer 20 and reference layer 30 were formed.

도 13a는 제1 자성 하층(41 또는 41A)의 재료에 대한 MR 비율의 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 13a에 도시된 바와 같이, (제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하는) NiFeZr 필름의 이용 결과, 자기 터널 접합은 약 23 내지 42의 MR 비율을 보였다(주목할 점은, 이 범위의 MR 비율은 실제 구현에 대해 충분하다는 것이다). 반면, (제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응하는) CoTa 필름, CoZr 필름, 또는 FeZr 필름의 이용 결과, 자기 터널 접합은 약 53 내지 65의 MR 비율을 보였고, NiFeZr 필름의 이용에 의해 달성되는 MR 비율보다 높은 MR 비율을 달성했다. MR 비율 개선의 영향은, 열처리 온도가 낮은 경우(특히 300 °C의 열처리 온도에 대해)에 대해 특히 의미있었다. 이 결과는, 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)보다 더 효과적으로 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화시켜, 자기저항 효과 소자의 MR 비율을 효과적으로 증가시킨다는 것을 암시한다.13A is a graph showing the dependence of the MR ratio on the material of the first magnetic lower layer 41 or 41A. As shown in Fig. 13A, as a result of using the NiFeZr film (corresponding to the first magnetic underlayer 41 of the first embodiment), the magnetic tunnel junction showed an MR ratio of about 23 to 42 (note that this range is MR ratio is sufficient for the actual implementation). On the other hand, as a result of using the CoTa film, CoZr film, or FeZr film (corresponding to the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment), the magnetic tunnel junction showed an MR ratio of about 53 to 65, and the use of NiFeZr film MR ratios higher than the MR ratios achieved by The effect of MR ratio improvement was particularly significant for low heat treatment temperatures (especially for heat treatment temperatures of 300 ° C). As a result, the first magnetic lower layer 41A of the second embodiment enhances the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 more effectively than the first magnetic lower layer 41 of the first embodiment, and thus the MR of the magnetoresistive element Suggests increasing the rate effectively.

(실험 2: 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 결합 상태의 평가)(Experiment 2: Evaluation of the bonding state between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10)

또한, 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 결합 상태가 평가되었다. 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름이 기판 상에 형성되었고, 하층(40 또는 40A) 및 데이터 기록층(10)이 이 자성 필름 상에 형성되었다. 하층(40 또는 40A), 제1 자성 하층(41 또는 41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 이 순서대로 순차적으로 형성되었다.In addition, the bonding state between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 was evaluated. A magnetic film corresponding to the magnetization pinned layers 50a and 50b was formed on the substrate, and the lower layer 40 or 40A and the data recording layer 10 were formed on this magnetic film. The lower layer 40 or 40A, the first magnetic lower layer 41 or 41A, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 were sequentially formed in this order.

두께 1.5 nm의 NiFeZr 필름 또는 CoTa 필름이 제1 자성 하층(41 또는 41A)으로서 사용되었다. NiFeZr 필름은 제1 실시예의 제1 자성 하층(41)에 대응하고, CoTa 필름은 제2 실시예의 제1 자성 하층(41A)에 대응한다. NiFeZr 필름은, 12.5 원자 %의 지르코늄(Zr)을 포함하고, 나머지는 NiFe 비천 금속이었다. NiFe 비천 금속에서 Ni 대 Fe의 비율은 Ni : Fe = 77.5 : 22.5이다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다.A NiFeZr film or CoTa film with a thickness of 1.5 nm was used as the first magnetic underlayer 41 or 41A. The NiFeZr film corresponds to the first magnetic underlayer 41 of the first embodiment, and the CoTa film corresponds to the first magnetic underlayer 41A of the second embodiment. The NiFeZr film contained 12.5 atomic% zirconium (Zr), with the remainder being a NiFe base metal. The ratio of Ni to Fe in the NiFe base metal is Ni: Fe = 77.5: 22.5. The CoTa film contained 20 atomic% tantalum (Ta), with the remainder being Co base metal.

또한, 두께 2 nm의 Pt 필름이 비자성 하층(42)으로서 사용되었고, 두께 0.4 nm의 복수의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 샘플들의 폭은 100 nm였다. 이들 샘플들은, 하층(40)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 300 내지 350°C에서 열처리되었다.In addition, a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42, and a magnetic film stack in which a plurality of 0.4 nm thick Co films and a plurality of 0.8 nm thick Pt films were alternately laminated was used as the second magnetic underlayer ( 43). A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. The width of the samples was 100 nm. These samples were heat-treated at 300 to 350 ° C. for 2 hours in vacuum after the lower layer 40 and the data recording layer 10 were formed.

도 13b 내지 13e는 이렇게 얻어진 샘플들의 자화장 곡선을 도시한다. 상세하게는, 도 13b 및 13c는 NiFeZr 필름에 기초한 제1 자성 하층(41)을 포함하는 샘플들의 히스테리시스 루프를 도시하며, 도 13d 및 13e는 CoTa 필름에 기초한 제1 자성 하층(41A)을 포함하는 샘플들의 히스테리시스 루프를 도시한다. 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이에 충분히 큰 자기 결합이 있을 때, 한 유닛으로서 자기적으로 결합된 Co/Ni 필름 스택과 자성 필름에서는 자화 역전이 발생하여, 그 결과, 어떠한 계단도 없는 전형적인 히스테리시스 루프가 자화장 곡선으로서 관찰된다. 반면, 자기 결합이 약할 때, 자성 필름과 Co/Ni 필름 스택에서는 개별적으로 자화 역전이 발생하여, 그 결과, 계단식 히스테리시스 루프가 자화장 곡선으로서 관찰된다.13B-13E show the magnetic field curves of the samples thus obtained. Specifically, FIGS. 13B and 13C show a hysteresis loop of samples comprising a first magnetic underlayer 41 based on a NiFeZr film, while FIGS. 13D and 13E include a first magnetic underlayer 41A based on a CoTa film. The hysteresis loop of the samples is shown. Magnetically bonded Co / Ni film stacks as a unit when there is a sufficiently large magnetic bond between the magnetic film corresponding to the magnetized pinned layers 50a and 50b and the Co / Ni film stack corresponding to the data recording layer 10 In the magnetic film, magnetization reversal occurs, and as a result, a typical hysteresis loop without any step is observed as the magnetic field curve. On the other hand, when the magnetic coupling is weak, magnetization reversal occurs separately in the magnetic film and the Co / Ni film stack, so that a stepped hysteresis loop is observed as the magnetic field curve.

도 13b 및 13c에 도시된 바와 같이, NiFeZr 필름에 기초한 제1 자성 하층(41)은 350°C의 열처리 온도에 대해 어떠한 계단도 없는 히스테리시스 루프를 달성했다; 그러나, 300°C의 열처리 온도에 대해서는 계단식 히스테리시스 루프가 관찰되었다. 이것은, 300°C의 열처리 온도에서 제1 자성 하층(41)으로서 NiFeZr 필름의 이용은, 바람직하지 못하게, 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이의 자기 결합을 약화시킨다는 것을 암시한다.As shown in FIGS. 13B and 13C, the first magnetic underlayer 41 based on the NiFeZr film achieved a hysteresis loop without any steps for a heat treatment temperature of 350 ° C .; However, a stepped hysteresis loop was observed for the heat treatment temperature of 300 ° C. This, the use of NiFeZr film as the first magnetic underlayer 41 at a heat treatment temperature of 300 ° C., undesirably, Co corresponding to the magnetic film and data recording layer 10 corresponding to the magnetization pinned layers 50a and 50b Suggests weakening magnetic coupling between the / Ni film stacks.

반면, 도 13d 및 13e에 도시된 바와 같이, CoTa 필름에 기초한 제1 자성 하층(41A)은 300 및 350°C의 열처리 온도에 양자 모두에 대해 어떠한 계단도 없는 히스테리시스 루프를 달성했다. 이것은, 제1 자성 하층(41A)으로서 CoTa 필름의 이용은, 자화 고정층(50a 및 50b)에 대응하는 자성 필름과 데이터 기록층(10)에 대응하는 Co/Ni 필름 스택 사이에 충분히 강한 자기 결합을 달성한다는 것을 암시한다.On the other hand, as shown in FIGS. 13D and 13E, the first magnetic underlayer 41A based on the CoTa film achieved a hysteresis loop without any steps for both the heat treatment temperatures of 300 and 350 ° C. This suggests that the use of the CoTa film as the first magnetic lower layer 41A provides a sufficiently strong magnetic bond between the magnetic film corresponding to the magnetization pinned layers 50a and 50b and the Co / Ni film stack corresponding to the data recording layer 10. Imply that it achieves.

(실험 3: 제1 자성 하층(41A)의 자기 속성)(Experiment 3: magnetic property of the first magnetic lower layer 41A)

다음으로, 제1 자성 하층(41A)의 자기 속성과 양호한 두께 범위에 대해 설명될 것이다. (SiN 또는 SiO2 필름으로 형성된) 층간 유전체(60)와 접촉하는 제1 자성 하층(41A)의 부분을 연구하기 위하여, Si 기판 상에 20 nm의 SiN 필름이 피착된 기판들 상에서 CoTa 필름이 형성되었고, CoTa 필름의 자화가 측정되었다. 형성된 CoTa 필름의 두께는 0.5 내지 5 nm 범위에 있었다. 형성된 CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.Next, the magnetic properties and the good thickness range of the first magnetic lower layer 41A will be described. In order to study the portion of the first magnetic underlayer 41A in contact with the interlayer dielectric 60 (formed of SiN or SiO 2 film), a CoTa film was formed on substrates on which a 20 nm SiN film was deposited on the Si substrate. And the magnetization of the CoTa film was measured. The thickness of the formed CoTa film was in the range of 0.5 to 5 nm. The CoTa film formed contained 20 atomic% of tantalum (Ta), and the remainder was Co base metal. Samples were heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuo.

도 14a는, 자화 측정시 필름 표면의 수직 방향으로 자기장이 인가될 때의 CoTa 필름의 자화장 곡선을 나타내며, 도 14b는 CoTa 필름 두께에 대한 자화의 크기 변화를 나타낸다. 이와 같은 측정은 샘플들의 수직 자기 이방성의 측정과 같다. 도 14a에 도시된 바와 같이, CoTa 필름은 0.5 nm의 두께에 대하여 자화를 보이지 않았다. (면내 자기 이방성을 보이지 않는) 이와 같은 CoTa 필름은, 제1 자성 하층(41A)으로서 적합하기 때문에, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 발생에 어떠한 자기적 영향도 미치지 않는다.FIG. 14A shows the magnetic field curve of the CoTa film when the magnetic field is applied in the vertical direction of the film surface during the magnetization measurement, and FIG. 14B shows the change in size of magnetization with respect to the CoTa film thickness. This measurement is equivalent to the measurement of the perpendicular magnetic anisotropy of the samples. As shown in FIG. 14A, the CoTa film showed no magnetization for a thickness of 0.5 nm. Such a CoTa film (not showing in-plane magnetic anisotropy) is suitable as the first magnetic lower layer 41A, and thus does not have any magnetic influence on the generation of perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10.

1.0 내지 3.0 nm의 필름 두께 범위에서, 자화장 곡선으로서 히스테리시스 루프가 얻어졌다. 주목해야 할 점은, 필름 표면의 수직 방향으로의 CoTa 필름의 자화는, 도 14b에 도시된 바와 같이 1.0 내지 3.0 nm 범위의 필름 두께에서 작았다는 것이다. 필름 표면의 수직 방향 자화는, 필름 두께 증가에 대해 작은 증가를 보였다. 이것은, CoTa 필름은 1.0 내지 3 nm의 필름 두께 범위에서 작은 수직 자기 이방성을 보인다는 것을 암시한다. (면내 자기 이방성을 보이지 않는) 이와 같은 CoTa 필름은, 제1 자성 하층(41A)으로서 적합하기 때문에, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 발생에 어떠한 자기적 영향도 미치지 않는다.In the film thickness range of 1.0 to 3.0 nm, hysteresis loops were obtained as magnetization curves. It should be noted that the magnetization of the CoTa film in the vertical direction of the film surface was small at a film thickness in the range of 1.0 to 3.0 nm, as shown in FIG. 14B. Vertical magnetization of the film surface showed a small increase with increasing film thickness. This suggests that the CoTa film exhibits small perpendicular magnetic anisotropy in the film thickness range of 1.0 to 3 nm. Such a CoTa film (not showing in-plane magnetic anisotropy) is suitable as the first magnetic lower layer 41A, and thus does not have any magnetic influence on the generation of perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10.

주목해야 할 점은, 제1 자성 하층(41A)은 0.5 nm 아래의 필름 두께에서 결정 성장을 강화시키는 원래-의도한 기능을 제공하지 않는다는 것이다. 따라서, CoTa 필름이 제1 자성 하층(41A)으로서 사용될 때, CoTa 필름의 두께는 바람직하게는 0.5 nm 내지 3.0 nm의 범위에 있다.It should be noted that the first magnetic underlayer 41A does not provide the originally-intended function of enhancing crystal growth at film thickness below 0.5 nm. Therefore, when the CoTa film is used as the first magnetic underlayer 41A, the thickness of the CoTa film is preferably in the range of 0.5 nm to 3.0 nm.

반면 필름 두께가 4.0 nm 일 때, 필름 표면의 수직 방향 자화는 도 14a에 도시된 바와 같이 감소하였다. 이것은, CoTa 필름에서 면내 방향으로 큰 자화가 발생, 즉, 큰 면내 이방성이 발생되었다는 사실로부터 나온 것이다. 필름 두께 4.0 nm 이상에 대하여 CoTa 필름에서 큰 면내 자기 이방성이 생성되기 때문에, 이와 같은 CoTa 필름은 제1 자성 하층(41A)으로서 적절하지 않다.On the other hand, when the film thickness was 4.0 nm, the vertical magnetization of the film surface was reduced as shown in FIG. 14A. This is derived from the fact that large magnetization occurred in the in-plane direction in the CoTa film, that is, large in-plane anisotropy occurred. Such a CoTa film is not suitable as the first magnetic underlayer 41A because a large in-plane magnetic anisotropy is produced in the CoTa film for a film thickness of 4.0 nm or more.

전술된 결과는, 제1 자성층(41A)으로서의 CoTa 필름의 양호한 필름 두께 범위는 0.5nm 내지 3.0 nm라는 것을 나타낸다.The above results indicate that the preferred film thickness range of the CoTa film as the first magnetic layer 41A is 0.5 nm to 3.0 nm.

발명자들은, 전술된 CoTa 필름 뿐만 아니라 CoZr 필름, FeTa 필름 및 FeZr 필름에도 마찬가지라는 것을 확인하였다.The inventors confirmed that not only the CoTa film described above but also the CoZr film, the FeTa film, and the FeZr film.

(실험 4: 제2 자성 하층(43)의 구조의 영향)(Experiment 4: Influence of the structure of the second magnetic lower layer 43)

또한, 제2 실시예의 전술된 제1 자성 하층(41A)이 적용되는 경우 자기저항 효과 소자의 제2 자성 하층(43)의 층 갯수의 영향이 검사되었다. 구체적으로, 다음과 같은 구조의 샘플들이 준비되었다: 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 각각의 자기저항 효과 소자의 하층(40A)으로서 이 순서대로 순차적으로 적층되었다. 제1 자성 하층(41A)으로서 두께 1.5 nm의 CoTa 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. CoTa 필름은, 20 원자 %의 탄탈룸(Ta)을 포함하고, 나머지는 Co 비천 금속이었다. 두께 0.4 nm의 하나 이상의 Co 필름과 두께 0.8 nm의 하나 이상의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 전술된 구조의 자기저항 효과 소자(100)가 준비되었고, 여기서, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4로 가변적이다. 샘플들의 폭은 100 nm였다. 이들 샘플들은, 하층(40A)과 데이터 기록층(10)이 형성된 후에, 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다.In addition, when the above-described first magnetic lower layer 41A of the second embodiment is applied, the influence of the number of layers of the second magnetic lower layer 43 of the magnetoresistive effect element was examined. Specifically, samples of the following structure were prepared: first magnetic lower layer 41, nonmagnetic lower layer 42, and second magnetic lower layer 43 as lower layer 40A of each magnetoresistive effect element. It was laminated sequentially in this order. A 1.5 nm thick CoTa film was used as the first magnetic underlayer 41A, and a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42. The CoTa film contained 20 atomic% tantalum (Ta), with the remainder being Co base metal. A magnetic film stack in which one or more Co films of 0.4 nm in thickness and one or more Pt films of 0.8 nm in thickness were alternately stacked was used as the second magnetic underlayer 43. A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. A magnetoresistive element 100 having the above-described structure has been prepared, wherein the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 varies from 0 to 4. The width of the samples was 100 nm. These samples were heat-treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuum after the lower layer 40A and the data recording layer 10 were formed.

도 15a 내지 15c는, 제2 자성 하층(43) 내의 Co 및 Pt 필름의 갯수가 0 내지 2인 경우에 대해 데이터 기록층(10)의 자화장 곡선을 나타내는 도면이다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로인 경우에 대해(즉, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않은 경우), 도 15a에 도시된 바와 같이, 데이터 기록층(10)은 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였고, 면내 자화 성분을 포함했다. 도 15b 내지 15c에 도시된 바와 같이, M-H 루프가 더욱 직사각형이 되고, 적층된 Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되는 경향이 있었다. 이것은, 제2 자성 하층(43)의 이용은, 2시간 동안 350°C에서의 열처리 후에도, fcc (111) 배향을 달성하기가 비교적 어려운 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되는 경우에 대하여 강한 수직 자기 이방성을 가능케한다는 것을 암시한다.15A to 15C are diagrams showing the magnetic field curve of the data recording layer 10 in the case where the number of Co and Pt films in the second magnetic lower layer 43 is 0 to 2. FIG. For the case where the number of Co and Pt films is zero (i.e., no second magnetic underlayer 43 is provided), as shown in Fig. 15A, the data recording layer 10 exhibited relatively weak perpendicular magnetic anisotropy and And in-plane magnetization. As shown in Figs. 15B to 15C, the M-H loops became more rectangular, and the vertical magnetic anisotropy tended to be enhanced as the number of laminated Co and Pt films increased. This means that the use of the second magnetic underlayer 43 is relatively difficult to achieve fcc (111) orientation even after heat treatment at 350 ° C. for 2 hours, in which a Co / Ni film stack is used as the data recording layer 10. It implies strong vertical magnetic anisotropy for the case.

이 사실은 2가지 기술적 의미를 가진다: 첫째, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 데이터 기록층(10)에 대해 강한 수직 자기 이방성을 효과적으로 달성한다. 둘째, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택의 이용은, 개선된 fcc (111) 배향을 갖는 제2 자성 하층(43)의 형성을 가능케하고, (예를 들어, Co/Ni 자성 필름 스택으로 형성된) 그 상에 형성된 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 개선한다.This fact has two technical meanings: First, the use of a Co / Pt magnetic film stack as the data recording layer 10 effectively achieves strong perpendicular magnetic anisotropy with respect to the data recording layer 10. Second, the use of a Co / Pt magnetic film stack as the second magnetic underlayer 43 enables the formation of a second magnetic underlayer 43 having an improved fcc (111) orientation and, for example, Co / Ni It effectively improves the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 formed thereon (formed by a magnetic film stack).

또한, 제1 자성 하층(41A)으로서 CoTa 필름이 사용되고, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 자성 필름 스택이 사용되고, 데이터 기록층(10)으로서 Co/Ni 자성 필름 스택이 사용된 경우에 대해 포화장 Hs가 측정되었다. 도 16은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한 데이터 기록층(10)의 포화장 Hs의 변화를 나타내며, 여기서, Co 및 Pt 필름의 갯수는 0 내지 4까지 가변적이다. 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs는 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 따라 증가하였다; 이것은 Co 및 Pt 필름의 개수가 증가함에 따라 수직 자기 이방성이 강화되었다는 것을 암시한다.Further, when a CoTa film is used as the first magnetic underlayer 41A, a Co / Pt magnetic film stack is used as the second magnetic underlayer 43, and a Co / Ni magnetic film stack is used as the data recording layer 10. Saturated field H s was measured. Figure 16 shows a second port change makeup H s of the data storage layer 10 with respect to the magnetic underlayer 43, a number of Co and Pt film, wherein the number of the Co and the Pt film is variable from 0 to 4; . As can be appreciated from FIG. 16, the saturation field H s increased with the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43; This suggests that the perpendicular magnetic anisotropy is enhanced as the number of Co and Pt films increases.

도 17은 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수에 대한, 포화장 Hs 및 기록 전류에서의 변화를 나타낸다. 기록 전류의 크기는, 데이터 기록층(10)에서 도메인 벽 이동을 유발하기 위해 필요한 최소한의 기록 전류로서 정의된다. 실험 절차의 세부사항은, 본 명세서에서 참조용으로 인용하는 T. Suzuki 등의 “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”, 자기학에 관한 IEEE 트랜잭션, 제45권, 제10호, 페이지 3776-3779, (2009)에 개시되어 있다.Figure 17 shows the changes in the second magnetic from the lower layer (43) of the number of Co and Pt film, bubble cosmetic H s and the recording current. The magnitude of the write current is defined as the minimum write current required to cause domain wall movement in the data recording layer 10. Details of the experimental procedure can be found in T. Suzuki et al., "Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co / Ni Multilayer Strip for Memory Applications," IEEE Transactions on Magnetics, 45, 10, pages 3776-3779, (2009).

제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt의 갯수가 제로였던(이것은 제2 자성 하층(43)이 피착되지 않았다는 것을 의미) 샘플들에 대해, 전류에 의한 도메인 벽 이동은 명확히 관찰되지 않았고, 그 결과, 기록 전류의 측정이 성공적이지 못하였다. 이것은, 데이터 기록층(10)이 비교적 약한 수직 자기 이방성을 보였으며 도 15a에 도시된 바와 같이 면내 자화 성분을 포함하였다는 사실로부터 발생한 것으로 생각할 수 있다.For samples where the number of Co and Pt in the second magnetic underlayer 43 was zero (which means that the second magnetic underlayer 43 was not deposited), the domain wall movement by the current was not clearly observed, and As a result, the measurement of the recording current was not successful. This may be considered to arise from the fact that the data recording layer 10 exhibited relatively weak perpendicular magnetic anisotropy and contained an in-plane magnetization component as shown in Fig. 15A.

제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수가 제로가 아닌 경우에 대하여, 기록 전류는, Co 및 Pt 필름의 갯수가 증가함에 따라 점진적으로 증가하였다. Co 및 Pt 필름의 갯수가 4인 경우에 대하여, 포화장 Hs는 약 10000 (Oe)까지 증가하였고, 기록 전류는 가파르게 증가하여 0.5 mA를 초과하였다. N. Sakimura 등의 “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, 고체 회로 IEEE 저널, 제42권, 제4호, 페이지 830-838, 2007에 따르면, 기록 전류를 0.5 mA 아래로 감소시킴으로써 기존의 임베딩형 SRAM의 레벨로 셀 영역을 감소시킬 수 있다.For the case where the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 is not zero, the recording current gradually increased as the number of Co and Pt films increased. For the case where the number of Co and Pt films was 4, the saturation field H s increased to about 10000 (Oe) and the recording current increased steeply to exceed 0.5 mA. According to N. Sakimura et al., “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, No. 4, pages 830-838, 2007. The cell area can be reduced by the level of the embedded SRAM.

이와 같이 기술된 것처럼, 제2 자성 하층(43)으로서 Co/Pt 필름 스택의 이용은, CoTa 필름이 제1 자성 하층(41A)으로서 사용되고, Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용될 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 효과적으로 강화하였다. 또한, 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수의 조정은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 제어를 가능케하였고, 도메인 벽 이동을 유발하는데 필요한 기록 전류(또는 도메인 벽 이동 전류)를 충분히 감소시켰다. 수직 자기 이방성을 적절한 값으로 조정하기 위해 바람직한 포화장 Hs의 범위는, 3000 (Oe) ≤ HS ≤ 10000 (Oe)였고, 이 범위에서 포화장 Hs를 달성하기 위한 제2 자성 하층(43)에서 Co 및 Pt 필름의 갯수는 1 내지 3이었다.As described above, the use of the Co / Pt film stack as the second magnetic underlayer 43 allows the CoTa film to be used as the first magnetic underlayer 41A and the Co / Ni film stack to be used as the data recording layer 10. At this time, the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 was effectively enhanced. In addition, adjustment of the number of Co and Pt films in the second magnetic underlayer 43 enabled the control of the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10, and the write current (or domain wall movement required to induce domain wall movement). Current) is sufficiently reduced. In order to adjust the perpendicular magnetic anisotropy to an appropriate value, the preferred range of saturation field H s was 3000 (Oe) ≤ H S ≤ 10000 (Oe), in which the second magnetic lower layer 43 for achieving the saturation field H s ), The number of Co and Pt films was 1-3.

또한, 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 필름 두께 비율의 영향이 검사되었다. 상세하게는, 제1 자성 하층(41A), 비자성 하층(42), 및 제2 자성 하층(43)이, 하층(40A)으로서 이 순서대로 순차적으로 형성되었다. 제1 자성 하층(41A)으로서 두께 1.5 nm의 CoTa 필름이 사용되었고, 비자성 하층(42)으로서 2 nm 두께의 Pt 필름이 사용되었다. 복수의 Co 필름과 복수의 Pt 필름이 교대로 적층되는 자성 필름 스택이 제2 자성 하층(43)으로서 사용되었다. 두께 0.3 nm의 5개의 Co 필름과 두께 0.6 nm의 5개의 Ni 필름이 교대로 적층되는 Co/Ni 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었다. 샘플들은 진공에서 2시간 동안 350°C에서 열처리되었다. 이렇게 구성된 샘플들에 대해, 제2 자성 하층(43) 내의 Pt 및 Co 필름의 두께 비율과 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화가 검사되었다.Moreover, the influence of the film thickness ratio of the Pt and Co film of the 2nd magnetic lower layer 43 was examined. In detail, the first magnetic lower layer 41A, the nonmagnetic lower layer 42, and the second magnetic lower layer 43 were sequentially formed in this order as the lower layer 40A. A 1.5 nm thick CoTa film was used as the first magnetic underlayer 41A, and a 2 nm thick Pt film was used as the nonmagnetic underlayer 42. A magnetic film stack in which a plurality of Co films and a plurality of Pt films are alternately laminated was used as the second magnetic underlayer 43. A Co / Ni film stack in which five Co films having a thickness of 0.3 nm and five Ni films having a thickness of 0.6 nm are alternately stacked is used as the data recording layer 10. Samples were heat treated at 350 ° C. for 2 hours in vacuo. For the samples thus constructed, the change in the magnetic field H s for the thickness ratio of the Pt and Co films and the number of Pt and Co films in the second magnetic lower layer 43 was examined.

도 18은, Pt 및 Co 필름의 상이한 필름 두께 비율에 대하여 제2 자성 하층(43)의 Pt 및 Co 필름의 갯수에 대한 자화장 Hs의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 18로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제2 자성 하층(43)의 Co 필름에 대한 Pt 필름의 필름 두께 비율이 1.0 내지 5.0인 경우에 대해, Co 필름과 Pt 필름의 갯수가 1 내지 3 일 때 포화장 Hs는 3000 내지 5500 (Oe)의 범위를 가졌다; 이것은, 데이터 기록층(10)이 전류-구동된 도메인 벽 이동이 달성될 수 있는 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 의미한다.FIG. 18 is a graph showing the change in the magnetic field H s versus the number of Pt and Co films in the second magnetic underlayer 43 with respect to the different film thickness ratios of the Pt and Co films. As can be understood from FIG. 18, when the film thickness ratio of the Pt film to the Co film of the second magnetic lower layer 43 is 1.0 to 5.0, the number of Co films and Pt films is 1 to 3 Makeup H s had a range from 3000 to 5500 (Oe); This means that the data recording layer 10 exhibited perpendicular magnetic anisotropy in which current-driven domain wall movement can be achieved.

제3 The third 실시예Example

도 19a는 본 발명의 제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)의 예시적 구성을 나타내는 단면도이고, 도 19b는 제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)의 자기 기록층의 예시적 구성을 나타내는 단면도이다. 도 19b는 도 19a의 SS' 섹션의 단면도임에 주목해야 한다.19A is a cross-sectional view showing an exemplary configuration of a magnetoresistive element 100B of a third embodiment of the present invention, and FIG. 19B is an exemplary configuration of a magnetic recording layer of the magnetoresistive element 100B of a third embodiment. It is a cross section. It should be noted that FIG. 19B is a cross sectional view of the SS ′ section of FIG. 19A.

제3 실시예의 자기저항 효과 소자(100B)는 제1 실시예의 자기저항 효과 소자(100)와 유사하게 구성된다. 차이점은 하층의 구조에 있다. 제1 실시예에서, 하층(40)은 제1 자성 하층(41), 비자성 하층(42) 및 제2 자성 하층(43)을 포함한다. 반면, 제3 실시예에서, 하층(40B)은 제1 실시예의 제2 자성 하층(43)에 대응하는 요소를 포함하지 못하는 반면, 자성 하층(41) 및 (비자성 하층에 대응하는) 중간층(42B)을 포함한다. 데이터 기록층(10)은 중간층(42B) 상에 형성된다. 제1 실시예에서, 제2 자성 하층(43)은 필수적인 요소가 아니라는 것을 이미 논의하였다; 이 실시예에서, 제2 자성 하층(43)이 제공되지 않는 경우에 대해 양호한 구조가 제시될 것이다.The magnetoresistive effect element 100B of the third embodiment is configured similarly to the magnetoresistive effect element 100 of the first embodiment. The difference is in the structure of the lower layer. In the first embodiment, the underlayer 40 includes a first magnetic underlayer 41, a nonmagnetic underlayer 42, and a second magnetic underlayer 43. On the other hand, in the third embodiment, the lower layer 40B does not include elements corresponding to the second magnetic underlayer 43 of the first embodiment, while the magnetic underlayer 41 and the intermediate layer (corresponding to the nonmagnetic underlayer) ( 42B). The data recording layer 10 is formed on the intermediate layer 42B. In the first embodiment, it has already been discussed that the second magnetic underlayer 43 is not an essential element; In this embodiment, a good structure will be presented for the case where the second magnetic underlayer 43 is not provided.

자화 고정층(50a 및 50b)은 층간 유전체(60) 상에 형성된 그루브에 임베딩되어 있다. (SiO2 및 SiNx와 같은) 층간 유전체(60) 아래에는 (선택 트랜지스터 Tra 및 Trb와 같은) 요소들과 (워드 라인 WL 및 비트 라인 BL 및 /BL과 같은) 상호접속이 임베딩되어 있다.The magnetized pinned layers 50a and 50b are embedded in grooves formed on the interlayer dielectric 60. Below the interlayer dielectric 60 (such as SiO 2 and SiN x ), elements (such as select transistors Tra and Trb) and interconnects (such as word lines WL and bit lines BL and / BL) are embedded.

자성 하층(41)은, 층간 유전체(60)와 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면 상에 형성된다. 자성 하층(41)은, (x 방향의) 끝부분의 하부면(-z 측)에서 자화 고정층(50a 및 50b)의 상부면과 접촉한다. 자성 하층(41)은 자성 재료로 형성된다. 전술된 바와 같이, 자성 하층(41)의 강자성은 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합을 강화한다.The magnetic lower layer 41 is formed on the upper surfaces of the interlayer dielectric 60 and the magnetization pinned layers 50a and 50b. The magnetic lower layer 41 is in contact with the upper surfaces of the magnetized pinned layers 50a and 50b at the lower surface (-z side) of the end portion (in the x direction). The magnetic lower layer 41 is formed of a magnetic material. As described above, the ferromagneticity of the magnetic lower layer 41 enhances the magnetic coupling between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10.

자성 하층(41)은 아몰퍼스이거나 마이크로결정 구조를 갖는 것이 바람직한데, 이것은, 이와 같은 구조가 자성 하층(41)의 표면 평탄성을 개선하기 때문이다. 자성 하층(41)의 마이크로결정 구조는, 예를 들어, 수 나노 내지 20 nm의 입자 크기(grain size)를 갖는 결정으로 형성된 결정 상(crystalline phase)으로 있을 수 있다. 대안으로서, 자성 하층(41A)은 결정상 및 아몰퍼스상의 혼합으로서 형성될 수 있다. 데이터 기록층(10)이 원하는 결정도(crystallinity)를 갖도록, 중간층(42B)을 통해 자성 하층(41) 위에 피착되는 데이터 기록층(10)의 형성을 위해 자성 하층(41)의 평활한 표면이 바람직하다. 예를 들어, 데이터 기록층(10)이 [Co/Ni]n/Pt 필름일 때, [Co/Ni] 필름 스택이 높은 수직 자기 이방성을 유발하는 fcc (111) 배향을 보이도록 하기 위해 자성 하층(41)의 평활한 표면이 바람직하다.The magnetic underlayer 41 is preferably amorphous or has a microcrystalline structure, because such a structure improves the surface flatness of the magnetic underlayer 41. The microcrystalline structure of the magnetic underlayer 41 may be, for example, in a crystalline phase formed from crystals having a grain size of several nano to 20 nm. Alternatively, the magnetic lower layer 41A may be formed as a mixture of the crystalline phase and the amorphous phase. In order for the data recording layer 10 to have a desired crystallinity, the smooth surface of the magnetic lower layer 41 is formed to form the data recording layer 10 deposited over the magnetic lower layer 41 through the intermediate layer 42B. desirable. For example, when the data recording layer 10 is a [Co / Ni] n / Pt film, the magnetic underlayer is such that the [Co / Ni] film stack exhibits an fcc (111) orientation that causes high perpendicular magnetic anisotropy. The smooth surface of (41) is preferable.

자성 하층(41)은, 주성분으로서 Ni, Fe 및 Co 중 적어도 하나와, Zr, Hf, Ti, V, Nb, Ta, W, B 및 N으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함한다. "주성분"이란 자성 하층(41)에서 가장 많이 존재하는 구성을 의미한다는 점에 주목해야 한다. 자성 하층(41)은, 예를 들어, NiFeZr, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 또는 CoTi로 형성될 수 있다.The magnetic lower layer 41 includes at least one of Ni, Fe, and Co as a main component, and at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Hf, Ti, V, Nb, Ta, W, B, and N. . It should be noted that "main component" means a configuration that most exists in the magnetic lower layer 41. The magnetic underlayer 41 may be formed of, for example, NiFeZr, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi or CoTi.

중간층(42B)은 자성 하층(41)을 피복하도록 형성된 비자성체이다. 중간층(42B) 상에 형성되는 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성을 강화하기 위하여, 중간층(42B)은, 결정 배향을 개선하도록 양호하게는 작은 표면 에너지를 갖는 재료로 형성된다. 한 예에서, 중간층(42B)은 Ta 필름으로 형성된다. 중간층(42B)이 Ta 필름으로 형성될 때, 중간층(42B)은 양호하게는 후술되는 바와 같이 0.1 내지 2.0 nm의 두께를 가진다. 중간층(42B)의 두께가 0.1 nm보다 작을 때, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성의 강화 효과는 상당히 열화된다. 중간층(42B)의 두께가 2.0 nm보다 클 때, 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합이 소실된다.The intermediate layer 42B is a nonmagnetic material formed to cover the magnetic lower layer 41. In order to enhance the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 formed on the intermediate layer 42B, the intermediate layer 42B is preferably formed of a material having a small surface energy to improve crystal orientation. In one example, the intermediate layer 42B is formed of a Ta film. When the intermediate layer 42B is formed of a Ta film, the intermediate layer 42B preferably has a thickness of 0.1 to 2.0 nm as described below. When the thickness of the intermediate layer 42B is smaller than 0.1 nm, the enhancement effect of the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 is considerably deteriorated. When the thickness of the intermediate layer 42B is larger than 2.0 nm, the magnetic coupling between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 is lost.

데이터 기록층(10)은, 중간층(42B)을 피복하도록 형성된 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체이다. 자화 고정층(11a, 11b) 및 자화 자유 영역(13)은 데이터 기록층(10) 내에 형성된다. 즉, 데이터 기록층(10)은, 도메인 벽이 형성되고 데이터가 자화 자유 영역(13)의 자화 방향으로서 저장되거나 도메인 벽의 위치로서 저장되는 영역이다. 기록층(10)은, 제1 및 제2 실시예에서 기술된 바와 같은, 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 재료로 형성될 수 있다.The data recording layer 10 is a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy formed to cover the intermediate layer 42B. The magnetization pinned layers 11a and 11b and the magnetization free region 13 are formed in the data recording layer 10. That is, the data recording layer 10 is an area in which a domain wall is formed and data is stored as the magnetization direction of the magnetization free area 13 or stored as a location of the domain wall. The recording layer 10 may be formed of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, as described in the first and second embodiments.

이하에서, 제3 실시예의 자기저항 효과 소자의 예가 비교예들과의 비교와 함께 설명된다. 포화장은 수직 자기 이방성의 크기의 인덱스로서 사용된다. 포화장의 정의는 도 7을 참조하여 정의된 바와 같다.In the following, an example of the magnetoresistive effect element of the third embodiment is described together with the comparison with the comparative examples. The saturation field is used as an index of the magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy. The definition of the saturation field is as defined with reference to FIG. 7.

[비교예 1]Comparative Example 1

도 20a 및 20b는 비교예 1의 자기저항 효과 소자(300B)의 구성을 나타내는 단면도이다. 주목해야 할 점은, 스페이서층(20) 및 참조층(30)은 도시되어 있지 않다는 것이다. 한 예에서, SiO2 필름이 층간 유전체(60)로서 사용되었다. Pt 필름(10b)과 Co/Ni 필름 스택(10a)이 적층된 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었고, 여기서, Co/Ni 필름 스택(10a)은, 적층된 Co 필름과 Ni 필름으로 형성되었다; [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보이며 도메인 벽 이동에 적합하다. Pt 필름(10c)은 추가적으로 캡 층으로서 피착되었다.20A and 20B are sectional views showing the configuration of the magnetoresistive element 300B of Comparative Example 1. FIG. It should be noted that the spacer layer 20 and the reference layer 30 are not shown. In one example, a SiO 2 film was used as the interlayer dielectric 60. [Co / Ni] n / Pt film stacks in which a Pt film 10b and a Co / Ni film stack 10a were laminated were used as the data recording layer 10, where the Co / Ni film stack 10a was Formed of laminated Co film and Ni film; [Co / Ni] n / Pt film stacks exhibit perpendicular magnetic anisotropy and are suitable for domain wall movement. Pt film 10c was additionally deposited as a cap layer.

[Co/Ni]n/Pt 필름은, 그 내부에 포함된 Co/Ni 필름 스택이 fcc (111) 배향을 가질 때 수직 자기 이방성을 보인다. 그러나, Co/Ni 필름 스택의 결정 배향은, 하층의 재료와 구조에 의존하며; 수직 자기 이방성의 크기는 또한, 하층의 재료 및 구조에 의존한다. 비교예 1에서, 데이터 기록층(10)은 중간층(42B)을 이용하지 않고 자성 하층(41)에 직접 피착되었다. 두께 2.0 nm의 NiFeZr 필름이 자성 하층(41)으로서 사용되었다. 이 실험에서, 샘플들은 고유 자기 속성을 평가하기 위해 패터닝되지 않았다. 즉, 데이터 기록층(10)의 자기 속성은 피착된 그대로의 상태로(피착된 Pt/[Co/Ni]n/Pt/NiFeZr 필름 스택의 상태로) 평가되었다. 자기 속성의 평가를 위해 진동 샘플 자력계(VSM; Vibrating Sample Magnetometer)가 사용되었다(이하에서도 마찬가지로 적용된다).[Co / Ni] n / Pt films exhibit perpendicular magnetic anisotropy when the Co / Ni film stack contained therein has an fcc (111) orientation. However, the crystal orientation of the Co / Ni film stack depends on the material and structure of the underlying layer; The magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy also depends on the material and structure of the underlying layer. In Comparative Example 1, the data recording layer 10 was deposited directly on the magnetic lower layer 41 without using the intermediate layer 42B. A NiFeZr film with a thickness of 2.0 nm was used as the magnetic underlayer 41. In this experiment, samples were not patterned to assess intrinsic magnetic properties. That is, the magnetic property of the data recording layer 10 was evaluated in the state of being deposited (in the state of the deposited Pt / [Co / Ni] n / Pt / NiFeZr film stack). A Vibrating Sample Magnetometer (VSM) was used for the evaluation of the magnetic properties (the same applies hereafter).

우선, 피착후 열처리 되기 이전에 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다. 도 21a 및 21b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 21a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 21b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다는 것이다. 수직 자기장의 자화 곡선(도 21a에 도시된 수직 루프)은 가파른 형상을 보인 반면, 면내 자기장의 자화 곡선(도 21b에 도시된 면내 루프)은 비스듬한 형상을 보였다. 이것은 데이터 기록층(10)이 수직 자기 이방성을 보였다는 것을 암시한다. 즉, NiFeZr 필름 상의 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보였고, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 도메인 벽 이동에 대해 적합할 가능성이 있었다.First, the magnetic property of the data recording layer 10 will be described before the heat treatment after deposition. 21A and 21B are graphs showing exemplary magnetization curves when an external magnetic field is applied to the data recording layer 10 of the structure shown in FIGS. 20A and 20B. The vertical axis represents the product of magnetization M and the film thickness t (in arbitrary units), and the horizontal axis represents the applied external magnetic field H (Oe). It should be noted that FIG. 21A shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the vertical direction of the film surface, and FIG. 21B shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the in-plane direction of the film surface. will be. The magnetization curve of the vertical magnetic field (vertical loop shown in FIG. 21A) shows a steep shape, while the magnetization curve of the in-plane magnetic field (in-plane loop shown in FIG. 21B) shows an oblique shape. This suggests that the data recording layer 10 exhibited perpendicular magnetic anisotropy. That is, the [Co / Ni] n / Pt film stack on the NiFeZr film showed perpendicular magnetic anisotropy, and the [Co / Ni] n / Pt film stack was likely to be suitable for domain wall movement.

다음으로, 2시간 동안 300 °C에서 불활성 개스에서 열처리된 후에 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다. 도 22a 및 22b는, 도 20a 및 20b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)이 열처리된 후에 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 22a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 22b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다. 도 21a 및 21b에 비해, 수직 루프는 도 22a에 도시된 바와 같이 더 비스듬한 형상으로 변형된 반면, 면내 루프는 도 22b에 도시된 바와 같이, 더 가파른 형상으로 수정되었다. 이것은, 데이터 기록층(10)의 수직 자기 이방성이 300°C에서의 열처리 의해 열화되었다는 것을 암시한다. 또한, 도 21a 및 22a간의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화 자화와 두께의 곱(Ms x t)은 도 22a에 도시된 바와 같이 열처리 후에 증가하였다. 이것은, 본질적으로 면내 자기 이방성을 갖는 NiFeZr 필름은, 300°C에서의 열처리에 의해 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택에 자기적으로 결합되어, 자화 증가를 유발하였다는 사실로부터 비롯된 것이다. NiFeZr 필름과 [Co/Ni]n/Pt 필름간의 자기 결합은, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 수직 자기 이방성을 열화시킨다.Next, the magnetic properties of the data recording layer 10 after heat treatment in an inert gas at 300 ° C. for 2 hours will be described. 22A and 22B are graphs showing exemplary magnetization curves when an external magnetic field is applied to the data recording layer 10 after the data recording layer 10 of the structure shown in FIGS. 20A and 20B is heat-treated. The vertical axis represents the product of magnetization M and the film thickness t (in arbitrary units), and the horizontal axis represents the applied external magnetic field H (Oe). It should be noted that FIG. 22A shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the vertical direction of the film surface, and FIG. 22B shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the in-plane direction of the film surface. Compared to FIGS. 21A and 21B, the vertical loop was modified to a more oblique shape as shown in FIG. 22A, while the in-plane loop was modified to a steeper shape, as shown in FIG. 22B. This suggests that the perpendicular magnetic anisotropy of the data recording layer 10 has been degraded by heat treatment at 300 ° C. Also, as can be understood from the comparison between FIGS. 21A and 22A, the product of saturation magnetization and thickness (M s xt) increased after heat treatment as shown in FIG. 22A. This is derived from the fact that NiFeZr films, which have essentially in-plane magnetic anisotropy, are magnetically bonded to the [Co / Ni] n / Pt film stack by heat treatment at 300 ° C., causing an increase in magnetization. Magnetic coupling between the NiFeZr film and the [Co / Ni] n / Pt film degrades the perpendicular magnetic anisotropy of the [Co / Ni] n / Pt film stack.

[비교예 2]Comparative Example 2

비교예 2에서, 데이터 기록층(10)의 구조는, Ta 필름이 자성 하층(41)을 대신하여 사용되었다는 점을 제외하고는, (NiFeZr 필름이 자성 하층(41)으로서 사용된) 비교예 1의 경우와 동일하였다. Ta 필름이 사용될 때, Ta 필름의 두께는 Co/Ni 필름 스택의 fcc (111) 배향을 달성하기 위하여, 4.0 nm 이상일 것이 요구되었다. 이 두께는, 비교예 1에서의 NiFeZr 필름의 필름 두께(2.0 nm)의 2배 정도로 매우 크다. 비자성 재료인 Ta 필름의 큰 두께로 인해, 비교예 2에서 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 간의 자기 결합을 달성하는 것이 어려웠다. 이것은 잠재적으로, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 고정되지 않고 데이터가 데이터 기록층(10)에 저장될 수 없는 결과를 초래한다.In Comparative Example 2, the structure of the data recording layer 10 is Comparative Example 1 (a NiFeZr film was used as the magnetic lower layer 41) except that a Ta film was used in place of the magnetic lower layer 41. Same as the case. When a Ta film was used, the thickness of the Ta film was required to be at least 4.0 nm to achieve the fcc (111) orientation of the Co / Ni film stack. This thickness is very large at about twice the film thickness (2.0 nm) of the NiFeZr film in Comparative Example 1. Due to the large thickness of the Ta film, which is a nonmagnetic material, it was difficult to achieve magnetic coupling between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 in Comparative Example 2. This potentially leads to the result that the magnetization of the magnetization fixed areas 11a and 11b is not fixed and data cannot be stored in the data recording layer 10.

비교예 1 및 2로부터, 발명자들은, 열처리 후 NiFeZr 필름과 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택간의 불필요한 자기 결합을 피하고, 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합의 분리를 피하는 것을 고려하여, 다음과 같은 구현예를 생성했다.From Comparative Examples 1 and 2, the inventors avoided unnecessary magnetic coupling between the NiFeZr film and the [Co / Ni] n / Pt film stack after heat treatment, and the magnetic coupling between the magnetized pinned layers 50a, 50b and the data recording layer 10 In consideration of avoiding the separation of, we have created the following implementation.

[구현예 1][Example 1]

도 23a 및 23b는 구현예 1의 자기저항 효과 소자의 예시적 구조를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 스페이서(20) 및 참조층(30)은 도시되어 있지 않다는 것이다. 한 예에서, SiO2 필름이 층간 유전체(60)로서 사용되었다. 비교예 1의 경우에서와 같이, Pt 필름(10b)과 Co/Ni 필름 스택(10a)이 적층된 [Co/Ni]n/Pt 필름 스택이 데이터 기록층(10)으로서 사용되었고, 여기서, Co/Ni 필름 스택(10a)은, 교대로 적층된 Co 필름과 Ni 필름으로 형성되었다; [Co/Ni]n/Pt 필름 스택은 수직 자기 이방성을 보이며 도메인 벽 이동에 적합하다. Pt 필름(10c)이 또한 추가적으로 캡 층으로서 피착되었다.23A and 23B show an exemplary structure of the magnetoresistive effect element of Embodiment 1. FIG. It should be noted that the spacer 20 and the reference layer 30 are not shown. In one example, a SiO 2 film was used as the interlayer dielectric 60. As in the case of Comparative Example 1, a [Co / Ni] n / Pt film stack in which a Pt film 10b and a Co / Ni film stack 10a was laminated was used as the data recording layer 10, where Co The / Ni film stack 10a was formed of Co films and Ni films laminated alternately; [Co / Ni] n / Pt film stacks exhibit perpendicular magnetic anisotropy and are suitable for domain wall movement. Pt film 10c was also additionally deposited as a cap layer.

구현예 1은 비교예 1로부터 수정되어, 자성 하층(41)(NiFeZr 필름)과 데이터 기록층(10)([Co/Ni]n/Pt 필름 스택) 사이에 중간층(42B)이 삽입되어, 이들이 자기적으로 결합되지 않도록 하였다. 두께 2.0 nm의 Ta 필름이 중간층(42B)으로서 사용되었다. 샘플들은, Pt/[Co/Ni]n/Pt/Ta/NiFeZr 필름 스택으로 형성된 후에, 불활성 개스에서 2시간 동안 300 °C에서 열처리되었다.Embodiment 1 was modified from Comparative Example 1, in which an intermediate layer 42B was inserted between the magnetic lower layer 41 (NiFeZr film) and the data recording layer 10 ([Co / Ni] n / Pt film stack), It is not magnetically coupled. A Ta film with a thickness of 2.0 nm was used as the intermediate layer 42B. Samples were formed into a Pt / [Co / Ni] n / Pt / Ta / NiFeZr film stack and then heat treated at 300 ° C. for 2 hours in an inert gas.

다음으로, 2시간 동안 300 °C에서 불활성 개스에서 열처리된 후 데이터 기록층(10)의 자기 속성에 대해 설명한다.Next, the magnetic properties of the data recording layer 10 after heat treatment in an inert gas at 300 ° C. for 2 hours will be described.

도 24a 및 24b는, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층(10)에 외부 자기장이 인가된 경우 예시적 자화 곡선을 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 24a는 필름 표면의 수직 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타내고, 도 24b는 필름 표면의 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선을 나타낸다는 것이다. 도 21a, 21b, 22a, 및 22b와의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 구현예 1의 데이터 기록층(10)은 더 비스듬한 면내 루프를 보였으며, 이것은, 350°C에서의 열처리 후에도 더 큰 수직 자기 이방성이 달성된다는 것을 의미한다. 또한, 도 22b와의 비교로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 포화장 Hs(도 7 참조)는, 도 24b에 도시된 바와 같이 구현예 1에서 증가되었다. 즉, 구현예 1의 데이터 기록층(10)은, 도 24b에 도시된 바와 같은 외부 자기장의 방향으로 자화를 지시하기 위해 필요한 큰 외부 자기장을 보였다. 이와 같이 기술된 것처럼, 도 23a 및 23b에 도시된 바와 같은 중간층(42B)으로서 Ta 필름이 삽입된 데이터 기록층(10)은, 중간층(42B)이 배제된 도 20a 및 20b에 도시된 데이터 기록층(10)보다 큰 수직 자기 이방성을 보였다.24A and 24B are graphs showing exemplary magnetization curves when an external magnetic field is applied to the data recording layer 10 of the structure shown in FIGS. 23A and 23B. The vertical axis represents the product of magnetization M and the film thickness t (in arbitrary units), and the horizontal axis represents the applied external magnetic field H (Oe). It should be noted that FIG. 24A shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the vertical direction of the film surface, and FIG. 24B shows the magnetization curve when the external magnetic field H is applied in the in-plane direction of the film surface. will be. As can be understood from the comparison with FIGS. 21A, 21B, 22A, and 22B, the data recording layer 10 of Embodiment 1 showed a more oblique in-plane loop, which was larger vertical magnetic field even after heat treatment at 350 ° C. It means that anisotropy is achieved. In addition, as can be appreciated from the comparison with FIG. 22B, the saturation field Hs (see FIG. 7) was increased in embodiment 1 as shown in FIG. 24B. That is, the data recording layer 10 of Embodiment 1 exhibited a large external magnetic field necessary for directing magnetization in the direction of the external magnetic field as shown in FIG. 24B. As described above, the data recording layer 10 into which the Ta film is inserted as the intermediate layer 42B as shown in FIGS. 23A and 23B is the data recording layer shown in FIGS. 20A and 20B in which the intermediate layer 42B is excluded. It showed greater vertical magnetic anisotropy than (10).

이하에서, 열처리 온도와 중간층(42B)의 두께에 대한 포화장 Hs의 변화에 대해 설명한다. 도 25는, 중간층(42B)의 두께와 열처리 온도에 대한 포화장 Hs의 변화의 한 예를 나타내는 그래프이다. 수직축은 포화장 Hs(Oe)를 나타내고, 수평축은 중간층(42B)으로서 사용된 Ta 필름의 두께를 나타낸다. 원형 점들은 200°C에서의 열처리 후에 얻어진 포화장 Hs를 나타내고, 삼각형 마크는 350°C에서의 열처리 후에 얻어진 포화장 Hs를 나타낸다. 200°C 및 350°C에서의 열처리 양자 모두에 대해, 두께 0.1 nm 이상의 Ta 필름이 제공된 데이터 기록층(10)은, Ta 필름이 제공되지 않은 데이터 기록층(10)에 비해 더 높은 포화장 Hs를 보였고, 더 높은 수직 자기 이방성을 보였다. 포화장 Hs는 Ta 필름의 두께가 2.0 nm 이상인 구성에 대해 포화되었다. 이것은, Ta 필름의 두께를 2.0 nm보다 두껍게 증가시키는 것이 불필요하다는 것을 암시한다. 오히려, 만일 비자성의 Ta 필름의 두께가 과도하게 증가하면, 자화 고정층(50a 및 50b)은 데이터 기록층(10)에 자기적으로 결합될 수 없다. 이것은 잠재적으로, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화가 고정되지 않고 데이터가 데이터 기록층(10)에 저장될 수 없는 결과를 초래한다. 또한, 자성 하층(41)과 중간층(42B)의 두께 증가는, 데이터 기록층(10)을 포함한 기록 전류의 경로의 단면적을 증가시키며, 이것은 제조 편차로 인해 기록 전류의 제어시에 어려움을 유발할 수 있다. 따라서, Ta 필름은 양호하게는 0.1 내지 2.0 nm의 두께, 더 양호하게는 0.2 nm 내지 1.0 nm의 두께를 가진다.Hereinafter, a description will be given of a change in the port make-up H s on the thickness of the heat treatment temperature and the intermediate layer (42B). 25 is a graph showing an example of a change in the port make-up H s on the thickness and heat treatment temperature of the intermediate layer (42B). The vertical axis represents the PO makeup s H (Oe), the horizontal axis represents the thickness of the Ta film used as the intermediate layer (42B). Circular dots indicate the saturated field H s obtained after the heat treatment at 200 ° C., and the triangle mark indicates the saturated field H s obtained after the heat treatment at 350 ° C. For both heat treatment at 200 ° C. and 350 ° C., the data recording layer 10 provided with a Ta film having a thickness of 0.1 nm or more has a higher saturation field H compared to the data recording layer 10 provided with no Ta film. s and higher vertical magnetic anisotropy. Saturated field H s was saturated for the configuration where the thickness of the Ta film is at least 2.0 nm. This suggests that it is unnecessary to increase the thickness of the Ta film thicker than 2.0 nm. Rather, if the thickness of the nonmagnetic Ta film is excessively increased, the magnetized pinned layers 50a and 50b cannot be magnetically coupled to the data recording layer 10. This potentially leads to the result that the magnetization of the magnetization fixed areas 11a and 11b is not fixed and data cannot be stored in the data recording layer 10. In addition, increasing the thickness of the magnetic lower layer 41 and the intermediate layer 42B increases the cross-sectional area of the path of the recording current including the data recording layer 10, which may cause difficulty in controlling the recording current due to manufacturing variation. have. Thus, the Ta film preferably has a thickness of 0.1 to 2.0 nm, more preferably 0.2 nm to 1.0 nm.

전술된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 중간층(42B)(예를 들어, Ta 필름)의 삽입은, 도 23a 및 23b의 데이터 기록층(10)이, 350°C에서의 고온의 열처리 후에도, 중간층(42B)이 삽입되지 않은(즉, Ta 필름의 두께가 제로) 데이터 기록층(10)에 비해, 높은 수직 자기 이방성을 나타내는 것을 허용했다. 이것은, 면내 자기 이방성을 갖는 NiFeZr 필름(자성 하층(41))과, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택(데이터 기록층(10)) 사이의 자기 결합이, Ta 필름(중간층(42B))에 의해 억제되었다는 사실로부터 비롯된 것으로 생각할 수 있다.As can be seen from the above-described results, the insertion of the intermediate layer 42B (for example, Ta film) shows that the data recording layer 10 of FIGS. 23A and 23B, even after a high temperature heat treatment at 350 ° C., Compared with the data recording layer 10 in which 42B is not inserted (that is, the thickness of the Ta film is zero), it was allowed to exhibit high perpendicular magnetic anisotropy. The magnetic coupling between the NiFeZr film (magnetic lower layer 41) having in-plane magnetic anisotropy and the [Co / Ni] n / Pt film stack (data recording layer 10) is a Ta film (intermediate layer 42B). It can be thought of as originating from the fact that it was suppressed by.

또한, 중간층(42B)과 자성 하층(41)의 두께의 합이 4.0 nm 정도로 큰 경우에도 자화 고정층(50a, 50b)과 데이터 기록층(10) 사이에서 자기 결합이 유지되었다는 것이 확인되었다. 즉, 자화 고정 영역(11a 및 11b)의 자화는 자화 고정층(50a 및 50b)에 의해 고정되었다. 이것은, 4.0 nm에 이르는 총 두께의 증가가 비자성 Ta 필름과 자성 NiFeZr 필름 양자 모두의 두께 증가의 결과이지, 비자성 Ta 필름 단독의 두께 증가의 결과는 아니기 때문인 것이다. 자성 NiFeZr 필름은 아마도, 자화 고정층(50a 및 50b)과 데이터 기록층(10) 사이의 자기 결합에 어느 정도 기여를 한다.It was also confirmed that magnetic coupling was maintained between the magnetized pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10 even when the sum of the thicknesses of the intermediate layer 42B and the magnetic lower layer 41 was as large as about 4.0 nm. That is, the magnetization of the magnetization fixing regions 11a and 11b is fixed by the magnetization fixing layers 50a and 50b. This is because the increase in total thickness up to 4.0 nm is a result of the increase in the thickness of both the nonmagnetic Ta film and the magnetic NiFeZr film, not the increase in thickness of the nonmagnetic Ta film alone. The magnetic NiFeZr film probably contributes to some degree the magnetic coupling between the magnetization pinned layers 50a and 50b and the data recording layer 10.

전술된 바와 같이, 자성 하층(41)과 데이터 기록층(10) 사이에 중간층(42B)으로서의 두께 0.1 내지 2.0 nm의 Ta 필름의 삽입은, 수직 자기 이방성과, 데이터 기록층(10)의 도메인 벽 이동에 대한 적합성을 효과적으로 개선시킨다. Ta 필름의 삽입은 또한, 데이터 기록층(10)에 열 저항을 제공하여, 자화 고정층과 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역 사이의 자기 결합에 미치는 바람직하지 못한 영향을 피한다. 그 결과, 자기 메모리의 제조 프로세스의 완료 후에 데이터 기록층이 강한 수직 자기 이방성을 보이는 자기 메모리가 얻어질 수 있다.As described above, the insertion of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm as the intermediate layer 42B between the magnetic lower layer 41 and the data recording layer 10 has a perpendicular magnetic anisotropy and a domain wall of the data recording layer 10. Effectively improves fitness for movement Insertion of the Ta film also provides thermal resistance to the data recording layer 10, thereby avoiding the undesirable effect on the magnetic coupling between the magnetized pinned layer and the magnetized pinned area of the data record layer 10. As a result, a magnetic memory in which the data recording layer exhibits strong perpendicular magnetic anisotropy after completion of the manufacturing process of the magnetic memory can be obtained.

[구현예 2][Example 2]

구현예 2의 데이터 기록층(10)의 구조는, 구현예 1의 구조와 유사하다; 중간층(42B)이 Ta 필름으로 형성된 구현예 1로부터의 구현예 2의 차이점은, Ru 필름 또는 Mg 필름이 중간층(42B)으로서 사용되었다는 것이다. 도 26은, 도 23a 및 23b에 도시된 구조의 데이터 기록층에 외부 자기장이 인가된 경우에 대해 자화 곡선의 예를 나타내는 그래프이다. 수직축은 자화 M과 필름 두께 t(임의 단위)의 곱을 나타내고, 수평축은 인가된 외부 자기장 H(Oe)를 나타낸다. 주목해야 할 점은, 도 26은, 면내 방향으로 외부 자기장 H가 인가된 경우의 자화 곡선인 면내 루프를 도시한다는 것이다. 도 26에서, 자화 곡선 E는 Ta 필름이 중간층(42B)으로서 사용되는 경우(구현예 1)를 나타낸다. 자화 곡선 F는 Ru 필름이 중간층(42B)으로서 사용되는 경우를 나타내고, 자화 곡선 G는 Mg 필름이 사용되는 경우를 나타낸다. Ru 필름, Mg 필름, 및 Ta 필름의 두께는 1.0 nm였고, 샘플들은 열처리되지 않았다.The structure of the data recording layer 10 of Embodiment 2 is similar to that of Embodiment 1; The difference from Embodiment 2 from Embodiment 1 in which the intermediate layer 42B is formed of a Ta film is that a Ru film or an Mg film was used as the intermediate layer 42B. FIG. 26 is a graph showing an example of a magnetization curve in the case where an external magnetic field is applied to the data recording layer having the structure shown in FIGS. 23A and 23B. The vertical axis represents the product of magnetization M and the film thickness t (in arbitrary units), and the horizontal axis represents the applied external magnetic field H (Oe). It should be noted that FIG. 26 shows an in-plane loop which is a magnetization curve when an external magnetic field H is applied in the in-plane direction. In Fig. 26, the magnetization curve E shows the case where a Ta film is used as the intermediate layer 42B (embodiment 1). The magnetization curve F shows the case where the Ru film is used as the intermediate layer 42B, and the magnetization curve G shows the case where the Mg film is used. The thickness of the Ru film, Mg film, and Ta film was 1.0 nm, and the samples were not heat treated.

도 26에 도시된 바와 같이, Ta 필름에 대한 면내 루프(자화 곡선 E)는 가장 작은 경사 각도와 높은 포화장 Hs를 보였다. Ru 필름 및 Mg 필름의 Ta 필름과의 자기 속성에서의 차이는, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 fcc (111) 배향에서의 차이로부터 비롯된 것으로 생각할 수 있다. 전술된 결과는, Ta 필름은, [Co/Ni]n/Pt 필름 스택의 수직 자기 이방성과 강하게 관련되어 있는 fcc (111) 배향을 향상시키기 위한 중간층(42B)으로서 상당히 적절하다는 것을 보여준다. 결과는 또한, Ru 필름과 Mg 필름이 적어도 이들이 개별적으로 사용될 때, 중간층(42B)으로서 반드시 적절하지는 않다는 것을 보여주었다. Ru 필름 또는 Mg 필름은, Ta 필름을 포함하는 필름 스택의 형태로 사용가능할 수 있다.As shown in FIG. 26, the in-plane loop (magnetization curve E) for the Ta film showed the smallest tilt angle and high saturation field H s . The difference in the magnetic properties of the Ru film and the Mg film with the Ta film can be considered to be derived from the difference in the fcc (111) orientation of the [Co / Ni] n / Pt film stack. The above results show that Ta films are quite suitable as interlayer 42B for improving the fcc (111) orientation, which is strongly related to the perpendicular magnetic anisotropy of the [Co / Ni] n / Pt film stack. The results also showed that Ru films and Mg films are not necessarily suitable as the intermediate layer 42B, at least when they are used separately. The Ru film or Mg film may be usable in the form of a film stack comprising a Ta film.

자기 메모리 및 메모리 셀의 구성Configuration of Magnetic Memory and Memory Cells

전술된 실시예들의 자기저항 효과 소자(100, 100A 및 100B)는 자기 메모리의 메모리 셀로서 사용될 수 있다. 이하에서, 한 실시예에서 자기 메모리 및 메모리 셀의 예시적 구조에 대해 설명할 것이다.The magnetoresistive effect elements 100, 100A and 100B of the above-described embodiments can be used as memory cells of the magnetic memory. In the following, an exemplary structure of a magnetic memory and a memory cell will be described in one embodiment.

도 27은, 본 발명의 한 실시예에서 자기 메모리(90)의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다. 자기 메모리(90)는, 메모리 셀 어레이, X 구동기(92), Y 구동기(93) 및 제어기(94)를 포함한다. 메모리 셀 어레이(91)는, 어레이로 배열된 복수의 메모리 셀(80), 복수의 워드 라인(WL), 복수의 비트라인쌍(BLa, BLb), 복수의 접지 라인(GL)을 포함한다. 각각의 메모리 셀(80)은, 대응하는 워드 라인(WL), 대응하는 접지 라인(GL) 및 대응하는 비트라인쌍(BLa, BLb)에 접속된다. X 구동기(92)는, 액세스될 메모리 셀(80)에 접속된 워드 라인을 구동하고, 이 워드 라인은 복수의 워드 라인(WL)으로부터 선택된다. Y 구동기(93)는 비트라인쌍(BLa 및 BLb)에 접속되고, 각각의 비트 라인을 기록 동작 및 판독 동작에 따라 원하는 상태로 구동한다. 제어기(94)는, 기록 동작 및 판독 동작에 따라 X 구동기(92) 및 Y 구동기(93)를 제어한다.27 is a block diagram illustrating an exemplary configuration of the magnetic memory 90 in one embodiment of the present invention. The magnetic memory 90 includes a memory cell array, an X driver 92, a Y driver 93, and a controller 94. The memory cell array 91 includes a plurality of memory cells 80 arranged in an array, a plurality of word lines WL, a plurality of bit line pairs BLa and BLb, and a plurality of ground lines GL. Each memory cell 80 is connected to a corresponding word line WL, a corresponding ground line GL, and a corresponding bit line pair BLa, BLb. The X driver 92 drives a word line connected to the memory cell 80 to be accessed, which word line is selected from the plurality of word lines WL. The Y driver 93 is connected to the bit line pairs BLa and BLb and drives each bit line to a desired state in accordance with the write operation and the read operation. The controller 94 controls the X driver 92 and the Y driver 93 in accordance with the write operation and the read operation.

도 28은 본 발명의 한 실시예에서 메모리 셀(80)의 예시적 구성을 나타내는 개략적 회로도이다. 2T-1MTJ 구조(2개의 트랜지스터 - 하나의 자기 터널 접합)로서 구성된 각각의 메모리 셀은, 전술된 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B) 및 한쌍의 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 포함한다. 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B)는 3개의 단자를 포함한다. 자기저항 효과 소자(100, 100A 또는 100B)의 참조층(30)에 접속된 단자는 대응하는 접지 라인(GL)에 접속된다. 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11a)에 접속된 단자는 트랜지스터(TRa)를 통해 대응하는 비트 라인(BLa)에 접속되고, 데이터 기록층(10)의 자화 고정 영역(11b)에 접속된 단자는 트랜지스터(TRb)를 통해 대응하는 비트 라인(BLb)에 접속된다. 트랜지스터(TRa 및 TRb)의 게이트들은 워드라인(WL)에 공통 접속된다.28 is a schematic circuit diagram illustrating an exemplary configuration of a memory cell 80 in one embodiment of the present invention. Each memory cell configured as a 2T-1MTJ structure (two transistors-one magnetic tunnel junction) includes the magnetoresistive effect elements 100, 100A or 100B described above and a pair of transistors TRa and TRb. The magnetoresistive effect element 100, 100A or 100B includes three terminals. The terminal connected to the reference layer 30 of the magnetoresistive element 100, 100A or 100B is connected to the corresponding ground line GL. The terminal connected to the magnetization fixing region 11a of the data recording layer 10 is connected to the corresponding bit line BLa through the transistor TRa and connected to the magnetization fixing region 11b of the data recording layer 10. The connected terminal is connected to the corresponding bit line BLb through the transistor TRb. Gates of the transistors TRa and TRb are commonly connected to the word line WL.

메모리 셀(80)로의 액세스는 다음과 같이 달성된다: 기록 동작에서, 워드 라인(WL)은 하이 레벨로 설정되어 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 턴온한다. 또한, 비트 라인들(BLa 및 BLb) 중 하나는 하이 레벨로 설정되고 다른 하나는 로우 레벨(접지 레벨)로 설정된다. 그 결과, 트랜지스터들(TRa, TRb)과 데이터 기록층(10)을 통해 비트 라인들(BLa 및 BLb) 사이에는 기록 전류가 흐른다. 이것은 데이터 기록층(10) 내에 원하는 데이터를 기록하는 것을 달성한다.Access to the memory cell 80 is achieved as follows: In the write operation, the word line WL is set to a high level to turn on the transistors TRa and TRb. In addition, one of the bit lines BLa and BLb is set to a high level and the other is set to a low level (ground level). As a result, a write current flows between the bit lines BLa and BLb through the transistors TRa and TRb and the data recording layer 10. This achieves recording the desired data in the data recording layer 10.

반면, 판독 동작에서, 워드 라인(WL)은 하이 레벨로 설정되어 트랜지스터(TRa 및 TRb)를 턴온한다. 비트 라인(BLa)은 고 임피던스 상태(high impedance state)로 설정되고, 비트 라인(BLb)은 하이 레벨로 설정된다. 그 결과, 자기저항 효과 소자(100, 100A, 또는 100B)의 MTJ를 통해 비트 라인(BLb)으로부터 접지 라인(GL)으로 판독 전류(Iread)가 흐른다. 자기저항 효과 소자의 데이터 기록층(10)에 저장된 데이터는 판독 전류(Iread)를 검출함으로써 식별된다.In contrast, in the read operation, the word line WL is set to a high level to turn on the transistors TRa and TRb. The bit line BLa is set to a high impedance state and the bit line BLb is set to a high level. As a result, a read current Iread flows from the bit line BLb to the ground line GL through the MTJ of the magnetoresistive effect elements 100, 100A, or 100B. Data stored in the data recording layer 10 of the magnetoresistive effect element is identified by detecting the read current Iread.

본 발명의 실시예 및 구현예들이 앞서와 같이 구체적으로 설명되었지만, 본 발명은 전술된 실시예 및 구현예들만으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명은 당업자에게 명백한 다양한 변경 및 수정과 함께 구현될 수 있다는 것에 주목해야 한다.Although the embodiments and embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention should not be construed as being limited to only the above-described embodiments and embodiments. It should be noted that the present invention may be implemented with various changes and modifications apparent to those skilled in the art.

Claims (21)

자기 메모리로서,
수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층(magnetization fixed layer);
층간 유전체(interlayer dielectric);
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층(underlayer); 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층(data recording layer)
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층(non-magnetic underlayer)을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은, 상기 층간 유전체 상에 형성된 상기 제1 자성 하층의 일부에서 상기 제1 자성 하층이 면내 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 보이지 않도록 하는 두께로 형성되는, 자기 메모리.
As magnetic memory,
A magnetization fixed layer having a perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectrics;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on the upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A non-magnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
And the first magnetic underlayer is formed to a thickness such that the first magnetic underlayer does not show in-plane magnetic anisotropy in a portion of the first magnetic underlayer formed on the interlayer dielectric.
제1항에 있어서, 상기 제1 자성 하층의 두께는, 상기 층간 유전체 상에 형성된 상기 제1 자성 하층의 일부에서 상기 제1 자성 하층이 강자성(ferromagnetism)을 보이지 않도록 조정되는, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 1 wherein the thickness of the first magnetic underlayer is adjusted such that the first magnetic underlayer does not show ferromagnetism in a portion of the first magnetic underlayer formed on the interlayer dielectric. 제2항에 있어서, 상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 NiFe를 포함하고, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소(non-magnetic element)를 포함하는, 자기 메모리. The magnetic material of claim 2, wherein the first magnetic underlayer includes NiFe as a main component and includes at least one non-magnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. 4. Memory. 제3항에 있어서, 상기 제1 자성 하층은 0.5 내지 3 nm 범위의 두께를 갖는, 자기 메모리.4. The magnetic memory of claim 3 wherein the first magnetic underlayer has a thickness in the range of 0.5 to 3 nm. 제4항에 있어서, 상기 제1 자성 하층의 두께는 2 nm보다 작은, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 4 wherein the thickness of the first magnetic underlayer is less than 2 nm. 제3항에 있어서, 상기 제1 자성 하층 내의 상기 적어도 하나의 비자성 원소의 농도는 10 내지 25 원자 %의 범위에 있는, 자기 메모리.4. The magnetic memory of claim 3 wherein the concentration of the at least one nonmagnetic element in the first magnetic underlayer is in the range of 10-25 atomic percent. 자기 메모리로서,
수직 자기 이방성을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층;
층간 유전체;
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 NiFe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하고,
상기 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있는, 자기 메모리.
As magnetic memory,
A magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectric;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on an upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
The first magnetic underlayer includes NiFe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V,
And the thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
제7항에 있어서, 상기 제1 자성 하층의 두께는 2 nm보다 작은, 자기 메모리.8. The magnetic memory of claim 7 wherein the thickness of the first magnetic underlayer is less than 2 nm. 제7항에 있어서, 상기 제1 자성 하층 내의 상기 적어도 하나의 비자성 원소의 농도는 10 내지 25 원자 %의 범위에 있는, 자기 메모리.8. The magnetic memory of claim 7 wherein the concentration of the at least one nonmagnetic element in the first magnetic underlayer is in the range of 10-25 atomic percent. 제1항에 있어서, 상기 제1 자성 하층은 본질적으로 면내 자기 이방성을 보이는 자성 재료로 형성되고, 상기 층간 유전체 상에 배치된 상기 제1 자성 하층의 일부가 수직 자기 이방성을 보이도록 하는 두께로 형성되는, 자기 메모리.2. The method of claim 1, wherein the first magnetic underlayer is formed of a magnetic material that exhibits essentially in-plane magnetic anisotropy, and is formed to a thickness such that a portion of the first magnetic underlayer disposed on the interlayer dielectric exhibits vertical magnetic anisotropy. Being, magnetic memory. 제10항에 있어서, 상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 Co 또는 Fe를 포함하고, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 10 wherein the first magnetic underlayer includes Co or Fe as a main component and comprises at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf and V. 12. 제11항에 있어서, 상기 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있는, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 11 wherein the thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm. 자기 메모리로서,
수직 자기 이방성을 갖고, 자화 방향이 고정된 자화 고정층;
층간 유전체;
상기 자화 고정층과 상기 층간 유전체의 상부면들 상에 형성된 하층; 및
상기 하층의 상부면 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 데이터 기록층
을 포함하고,
상기 하층은,
제1 자성 하층; 및
상기 제1 자성 하층 상에 형성된 비자성 하층을 포함하고,
상기 제1 자성 하층은 주성분으로서 Co 또는 Fe를 포함하며, Zr, Ta, W, Hf 및 V로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하고,
상기 제1 자성 하층의 두께는 0.5 내지 3 nm 범위에 있는, 자기 메모리.
As magnetic memory,
A magnetization pinned layer having perpendicular magnetic anisotropy and having a fixed magnetization direction;
Interlayer dielectric;
An underlayer formed on the magnetization pinned layer and upper surfaces of the interlayer dielectric; And
A data recording layer formed on an upper surface of the lower layer and having perpendicular magnetic anisotropy
Including,
The lower layer,
A first magnetic underlayer; And
A nonmagnetic underlayer formed on the first magnetic underlayer,
The first magnetic underlayer contains Co or Fe as a main component and includes at least one nonmagnetic element selected from the group consisting of Zr, Ta, W, Hf, and V,
And the thickness of the first magnetic underlayer is in the range of 0.5 to 3 nm.
제1항에 있어서, 상기 비자성 하층과 상기 데이터 기록층 사이에 배치된 제2 자성 하층을 더 포함하고,
상기 제2 자성 하층은, Pt 또는 Pd의 층과, Fe, Co 또는 Ni의 층을 포함하는 적어도 하나의 필름 스택을 포함하는, 자기 메모리.
The method of claim 1, further comprising a second magnetic lower layer disposed between the nonmagnetic lower layer and the data recording layer,
And the second magnetic underlayer comprises at least one film stack comprising a layer of Pt or Pd and a layer of Fe, Co or Ni.
제1항에 있어서, 상기 비자성 하층은 Pt, Au, Pd 및 Ir로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 1 wherein the nonmagnetic underlayer is formed of a material selected from the group consisting of Pt, Au, Pd and Ir. 제15항에 있어서, 상기 비자성 하층의 두께는 0.5 nm 이상 3.0 nm 미만인 자기 메모리.The magnetic memory according to claim 15, wherein the thickness of the nonmagnetic underlayer is 0.5 nm or more and less than 3.0 nm. 제1항에 있어서, 상기 비자성 하층은 0.1 내지 2.0 nm의 두께를 갖는 Ta 필름으로 형성되는, 자기 메모리.The magnetic memory of claim 1 wherein the nonmagnetic underlayer is formed of a Ta film having a thickness of 0.1-2.0 nm. 자기 메모리로서,
자성 재료로 형성된 강자성 하층;
상기 하층 상에 배치된 비자성 중간층;
상기 중간층 상에 형성되고 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 데이터 기록층;
비자성 층을 통해 상기 데이터 기록층에 접속된 참조층; 및
상기 하층의 하부면과 접촉하도록 배치된 제1 및 제2 자화 고정층들
을 포함하고,
상기 데이터 기록층은,
반전 가능한 자화를 가지며 상기 참조층과 대향하는 자화 자유 영역;
상기 자화 자유 영역의 제1 경계에 결합되고 제1 방향으로 고정된 자화를 갖는 제1 자화 고정 영역; 및
상기 자화 자유 영역의 제2 경계에 결합되고 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 고정된 자화를 갖는 제2 자화 고정 영역을 포함하며,
상기 중간층은 두께 0.1 내지 2.0 nm를 갖는 Ta 필름으로 형성되는, 자기 메모리.
As magnetic memory,
A ferromagnetic underlayer formed of a magnetic material;
A nonmagnetic intermediate layer disposed on the lower layer;
A ferromagnetic data recording layer formed on the intermediate layer and having perpendicular magnetic anisotropy;
A reference layer connected to the data recording layer through a nonmagnetic layer; And
First and second magnetized pinned layers disposed in contact with the lower surface of the lower layer
Including,
The data recording layer,
A magnetization free region having invertible magnetization and opposing the reference layer;
A first magnetization pinning region having magnetization fixed to a first direction and coupled to a first boundary of the magnetization free region; And
A second magnetization fixing region coupled to a second boundary of the magnetization free region and having magnetization fixed in a second direction opposite to the first direction,
And the intermediate layer is formed of a Ta film having a thickness of 0.1 to 2.0 nm.
제18항에 있어서, 상기 하층은 아몰퍼스(amorphous)이거나, 마이크로결정 구조(microcrystalline structure)를 갖는, 자기 메모리.19. The magnetic element of claim 18 wherein the underlying layer is amorphous or has a microcrystalline structure. 제18항에 있어서, 상기 하층은, 주성분으로서 Ni, Fe 및 Co 중 적어도 하나를 포함하고, Zr, Hf, Ti, V, Nb, Ta, W, B 및 N으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 비자성 원소를 포함하는, 자기 메모리.19. The method of claim 18, wherein the lower layer comprises at least one of Ni, Fe, and Co as a main component, and at least one non- selected from the group consisting of Zr, Hf, Ti, V, Nb, Ta, W, B and N Magnetic memory containing sex elements. 제18항에 있어서, 상기 데이터 기록층은 n개의 필름 스택들로 형성되고, 필름 스택들 각각에서, 제1 층 및 제2 층이 적층되며, n은 자연수이고,
상기 제1 층은 Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하며,
상기 제2 층은 상기 제1 층의 재료와는 상이한 재료로 형성되고, Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 자기 메모리.
19. The apparatus of claim 18, wherein the data recording layer is formed of n film stacks, in each of the film stacks, a first layer and a second layer are stacked, n is a natural number,
The first layer comprises at least one material selected from the group consisting of Fe, Co and Ni,
And the second layer is formed of a material different from the material of the first layer and comprises at least one material selected from the group consisting of Fe, Co and Ni.
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