KR20140071260A - 열적으로 안정하고 자기 자유막을 스위치하기 용이한 자기 접합들을 제공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

방법 및 시스템은 자기 장치에서 사용 가능한 자기 접합을 제공한다. 자기 접합은 피고정막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함한다. 비자성 스페이서막은 피고정막 및 자유막 사이에 배치된다. 자유막은 다수의 서브 영역들을 포함한다. 서브 영역들 각각은 자기적 내열 상수를 갖는다. 서브 영역들이 강자성적으로 연결되어 자기막은 총 자기적 내열 상수를 갖는다. 자기적 내열 상수는, 동작 온도에서 서브 영역들 각각을 자기적으로 열적으로 불안정하게 할 수 있다. 총 자기적 내열 상수는 자유막을 자기적으로 열적으로 안정하게 할 수 있다. 쓰기 전류가 자기 접합을 통하여 흐를 때, 자기 접합은 자유막이 다수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성된다.

Description

열적으로 안정하고 자기 자유막을 스위치하기 용이한 자기 접합들을 제공하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING MAGNETIC JUNCTIONS HAVING A THERMALLY STABLE AND EASY TO SWITCH MAGNETIC FREE LAYER}
자기 메모리들 및 자기 접합들을 사용하는 장치와 같은 자기 장치들에서 사용 가능한 자기 접합들에 관련된다.
자기 메모리들, 특히 자기 랜덤 엑세스 메모리들(magnetic random access memories, MRAMs)은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비-휘발성 및 작동 중 낮은 전력 소모의 잠재성으로 관심이 증가하고 있다. MRAM은 자성 물질을 저장-기록 매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 일 형태는 스핀 전달 토크 랜덤 엑세스 메모리(spin transfer torque random access memory, STT-RAM)이다. STT-RAM은 자기 접합을 통해 인가되는 전류에 의해 적어도 일부에 쓰여지는 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통해 인가되는 스핀 분극 전류(spin polarized current)는 자기 접합의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 그 결과, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 막(들)은 목적하는 상태로 스위치될 수 있다.
예를 들면, 도 1은 일반적인 SST-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기 터널링 접합(magnetic tunneling junctions, MTJ, 10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)은 통상적으로 하부 콘택(11) 상에 배치되며, 일반적인 시드막(12)을 사용하며, 일반적인 반강자성체 막(antiferromagnetic, AFM, 14), 일반적인 피고정막(16), 일반적인 터널링막(18), 일반적인 자유막(20) 및 일반적인 캡핑막(22)을 포함한다. 또한, 상부 콘택(24)이 도시된다.
일반적인 콘택들(11, 24)는 면수직 전류(current-perpendicular-to-plane, CPP) 방향, 또는 도 1에서 도시된 바와 같이 z-축을 따른 전류를 인가하기 위하여 사용된다. 일반적인 시드막(들)(12)은 통상적으로 AFM 막(14)과 같은 후속막들의 성장을 돕기 위하여 사용되며, 목적하는 결정 구조를 갖는다. 일반적인 터널링 장벽막(18)은 비자성이며, 예를 들면, MgO와 같은 얇은 절연체이다.
일반적인 피고정막(16) 및 일반적인 자유막(20)은 자성이다. 일반적인 피고정막(16)의 자화(17)는, 통상적으로 AFM 막(14)의 자화와의 교환-바이어스 상호 작용(exchange-bias interaction)에 의해 특정 방향으로 고정된다(fixed 또는 pinned). 일반적인 피고정막(16)은 단일막으로 도시되었지만 다층막들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일반적인 피고정막(16)은 Ru과 같은 도전 박막들을 통해 반강자성적으로 결합(couple)된 자성막들을 포함하는 합성 반강자성(SAF)층일 수 있다. SAF의 예로서, Ru박막이 삽입된 다층 자성막들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, Ru막들의 결합은 강자성이다. 게다가, 일반적인 MTJ(10)의 다른 버전들은, 추가적인 비자성 베리어 또는 도전막(도시되지 않음)에 의해 자유막(20)과 이격되는 추가적인 피고정막(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
일반적인 자유막(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 일반적인 자유막(20)이 단일막으로 도시되었지만, 다층막들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일반적인 자유막(20)은 Ru과 같은 도전 박막들을 통해 반강자성적 또는 강자성적으로 결합되는 자성막들을 포함하는 합성막일 수 있다. 일반적인 자유막(20)의 자화(21)가 평면 내(in-plane)로 도시되었으나, 일반적인 자유막(20)의 자화(21)는 수직 이방(perpendicular anisotropy)을 가질 수 있다. 그래서, 피고정막(16) 및 자유막(20)은, 막들의 면에 대하여 각각 수직으로 향하는 그들의 자화들(17, 21)을 가질 수 있다.
일반적인 자유막(20)의 자화(21)를 스위치하기 위하여, 전류가 면에 대하여 수직하게(z-축 방향으로) 인가된다. 상부 콘택(24)으로부터 하부 콘택(11)으로 충분한 전류가 인가될 때, 일반적인 자유막(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정막(16)의 자화(17)와 평행하게 스위치될 수 있다. 하부 콘택(11)으로부터 상부 콘택(24)으로 충분한 전류가 인가될 때, 자유막(20)의 자화(21)은 피고정막(16)의 자화(17)와 반평행하게 스위치될 수 있다. 자기적 배치들에서의 차이는 상이한 자기저항들에 대응되고, 따라서 일반적인 MTJ(10)의 상이한 논리 상태들(예를 들면, 논리 "0" 및 논리 "1")에 대응된다. 따라서, 일반적인 MTJ(10)의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR)의 읽기 동작에 의해, 일반적인 MTJ(10)의 상태가 결정될 수 있다.
일반적인 MTJ(10)가 스핀 전달을 사용하여 쓰기가 되고, 접합의 TMR 센싱에 의한 읽기가 되고, STT-MRAM에서 사용된다 하더라도, 단점들이 있다. 예를 들면, 일반적인 자유막(20)의 임계 스위칭 전류 밀도(critical switching current density, Jc0)는 목적된 것보다 상당히 높을 수 있다. 몇몇 경우들에서, 임계 스위칭 전류 밀도는 목적된 임계 스위칭 전류 밀도보다 대략 3배 내지 5배 이상이다. 임계 스위칭 전류 밀도는, 스핀 전달을 사용하여 일반적인 자유막(20)의 자화 모멘트(21)을 스위치시키기 위하여 필요한 전류 밀도(예를 들면, MA/cm2) 이다. 예를 들면, 스위칭 동안 소모되는 전력을 감소시키고, 및/또는 스위칭 속도 또는 에러율을 개선하기 위하여, 낮은 스위칭 전류가 바람직하다. 스위칭 전류를 감소시키는 일반적인 메커니즘이 존재함에도 불구하고, 이러한 것들은 일반적으로 열적 안정성(thermal stability)에 악영향을 미친다. 일반적인 MTJ(10)의 열적 안정성의 감소는 시간이 지날수록 정보를 확실하게 저장하는 일반적인 MTJ(10) 능력에 부정적인 영역을 준다. 따라서, 일반적인 MTJ(10)의 성능이 나빠진다.
따라서, 필요한 것은 메모리들을 기반으로 하는 스핀 전달 토크의 성능을 개선하기 위한 방법 및 시스템이다. 이하에서 기재되는 방법 및 시스템은 요구와 같은 것을 다룬다.
방법 및 시스템은 자기 장치에서 사용 가능한 자기 접합을 제공한다. 자기 접합은 피고정막, 비자성 스페이서막, 및 자유막을 포함한다. 비자성 스페이서막은 피고정막 및 자유막 사이에 있다. 자유막은 다수의 서브 영역들(subregions)을 포함한다. 서브 영역들 각각은 자기적 내열 상수(magnetic thermal stability constant)을 갖는다. 서브 영역들은 강자성적으로 결합됨으로써, 자유막은 총 자기적 내열 상수를 갖는다. 자기적 내열 상수는 동작 온도에서 서브 영역들 각각이 자기적으로 열적으로 불안정하게 한다. 총 자기적 내열 상수는 자유막이 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 안정하게 한다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 인가될 때 자유막이 다수의 안정된 자기 상태들 사이를 스위칭 가능하도록 구성된다.
자기 접합은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 결합 때문에, 동작 온도 이하에서 자유막은 열적으로 안정할 수 있다. 서브 영역들에 대한 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 내열 인자 때문에, 요구되는 쓰기 전류는 감소될 수 있다. 더욱이, 서브 영역들 각각은 더 용이하게 스위치될 수 있다. WER은 △에 의존하기 때문에, WER 또한 감소된 펄스 길이들에서 그리고 서브 영역들 각각에서 감소될 수 있다. 유사한 이유들로, 서브 영역들은 오버드라이브 없이 또는 오버드라이브로 스위치될 수 있다. 그래서 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 임계 스위칭 전류 밀도에서 구배를 가지며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 11은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 13 및 도 14는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 15는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 16은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 17은 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막의 다른 실시예를 도시한다.
도 18은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들) 내에 자기 접합을 이용하는 메모리의 일 실시예를 도시한다.
도 19는 낮은 자기적 내열성을 가지며 강자성적으로 결합하고 스핀 전달 이용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합을 제조하는 방법의 일 실시예이다.
예시적 실시예들은, 자기 메모리들 및 자기 접합들을 사용하는 장치와 같은 자기 장치들에서 사용 가능한 자기 접합들에 관련된다. 하기의 기재는 당해 기술에서 숙련된 자가 발명을 만들거나 사용하도록 기술되며, 특허 명세서 및 그것의 요건들의 문맥 내에서 제공된다. 예시적 실시예들에 대한 다양한 변경들과 본 명세서에서 기술된 일반적인 개념들과 특징들은 매우 명백할 것이다. 예시적 실시예들은 주로, 특별한 실행들에서 제공되는 특별한 방법들 및 시스템들의 용어들로 기술된다. 그러나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실행들에서 효율적으로 작동할 것이다. "예시적 실시예(exemplary embodiment)", "일 실시예(one embodiment)" 및 "다른 실시예(another embodiment)"와 같은 구문은 복수개의 실시예들뿐만 아니라 동일하거나 상이한 실시예들로 간주될 수 있다. 상기 실시예들은 특정 요소들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 관련하여 기술될 것이다. 그러나, 상기 시스템 및/또는 장치들은 도시된 것보다 많거나 적은 요소들을 포함할 수 있으며, 상기 요소들의 배열 및 형태에 대한 다양성들은 발명의 범위로부터 벗어나지 않도록 만들어질 수 있다. 예시적 실시예들은 또한, 특정 단계들을 갖는 특별한 방법들이 문맥 내에서 기술될 수 있다. 그러나, 상기 방법 및 시스템은 상이하고/또는 추가한 단계들 및 예시적 실시예들과는 불일치하지 않는 다른 순서의 단계들을 갖는 다른 방법에 대하여 효율적으로 작동한다. 그래서, 본 발명은 도시된 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않지만, 본 명세서에서 기술된 원리들 및 특징들을 가지고 일관된 가장 넓은 범위에 부합된다
방법들 및 시스템들은 자기 접합을 이용하는 자기 메모리뿐만 아니라 자기 접합을 제공한다. 자기 접합은 피고정막, 비자성 스페이서막 및 자유막을 포함한다. 비자성 스페이서막은 피고정막 및 자유막 사이에 있다. 자유막은 다수의 서브 영역들을 포함한다. 서브 영역들 각각은 자기적 내열 상수를 갖는다. 서브 영역들이 강자성적으로 결합됨으로써 자유막이 총 자기적 내열 상수를 갖는다. 자기적 내열 상수는 동작 온도에서 서브 영역들 각각이 자기적으로 열적으로 불안정하게 한다. 총 자기적 내열 상수는 자유막이 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 안정하게 한다. 자기 접합은 쓰기 전류가 자기 접합을 통해 인가될 때 자유막이 다수의 안정된 자기 상태들 사이를 스위칭할 수 있도록 구성된다.
예시적 실시예들은, 특정 요소들을 갖는 특정 자기 접합들 및 자기 메모리들의 문맥 내에서 기술된다. 본 발명이, 다른 요소들 및/또는 추가 요소들 및/또는 본 발명에 모순되지 않은 다른 특성들을 갖는 상기 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용에서 일관된다는 것을 당해 기술에서 숙련된 자는 용이하게 인식할 것이다. 상기 방법 및 시스템은 또한, 스핀 전달 현상, 자기 접합, 및 다른 물리적 현상을 이해하도록 문맥 내에서 기술된다. 결과적으로, 당업자는 상기 방법 및 시스템의 행동의 이론적 설명들은 스핀 전달, 자기 접합, 및 다른 물리적 현상의 이해를 기반으로 만들어진다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 그러나, 본 명세서 내 기술된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 당업자는 또한, 상기 방법 및 시스템이 기판과의 특별한 관계를 갖는 구조의 문맥 내에 기술된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템이 다른 구조들에서도 일관된다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 추가적으로, 상기 방법 및 시스템은 합성 및/또는 단순한 특정 막들을 갖는 어떤 층들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 막들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 더욱이, 상기 방법 및 시스템은 특정 막들을 갖는 자기 접합들 및/또는 자유층들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템에 모순되지 않은 추가적/또는 상이한 막들을 갖는 자기 접합들 및/또는 자유층들이 또한 사용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 요소들은 자성, 강자성, 및 페리자성인 것으로 기술된다. 본 명세서 내에서 사용된 것처럼, 상기 자성이라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 그와 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 그래서, 본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, "자성(magnetic)" 또는 "강자성(ferromagnetic)"은 강자성체(ferromagnets) 및 페리자성체(ferrimagnets) 를 포함하되, 이에 한정되지는 않는다. 상기 방법 및 시스템은 또한, 단일 자기 접합들 및 자유층들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템이 복수개의 자기 접합들 및 자유층들을 갖는 자기 메모리들의 사용에 일관된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 게다가, 본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, "면 내(in-plane)"는 자기 접합의 하나 이상의 막들의 실질적으로 면 내에 또는 면에 대하여 평행하다. 반대로, "수직(perpendicular)"은 자기 접합의 하나 이상의 막들에 대하여 실질적으로 수직인 방향에 대응된다.
도 2는 임계 스위칭 전류 밀도에서의 구배를 가지며 스핀 전달을 사용하여 스위치 가능한 자유막을 포함하는 자기 접합(100)을 도시한다. 예를 들면, 자기 접합은 자기 터널 접합(magnetic tunneling junction, MTJ), 스핀 밸브, 또는 탄도 자기저항 구조체(ballistic magnetoresistance structure), 또는 이들의 조합일 수 있다. 자기 접합(100)은 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 자기 접합은 SST-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 명확성을 위해, 도 2는 스케일에 맞지 않는다. 자기 접합은 자유막(110), 비자성 스페이서막(120) 및 피고정막(또는 기준막, 130)을 포함한다. 자기 접합(100)은 기판(102)상에 배치된 것으로 도시된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(100)은 시드막(들) 및/또는 캡핑막(들)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 막들(110, 120, 130)이 특정 방향으로 도시되었지만, 다른 실시예들에서 상기 방향은 달라 질 수 있다. 예를 들면, 피고정막(130)은 자기 접합(100)의 바닥과 더 근접(기판 102과 가장 근접)할 수 있다. 고정막(도시되지 않음)이 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 고정막은, 피고정막(130)의 자기 모멘트가 면 내에 있는 경우에는 사용될 수 있으나, 피고정막(130)의 자기 모멘트가 면에 대하여 수직인 경우에는 사용되지 않는다. 상기 고정막은 피고정막(130)의 자화(131)을 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 고정막은 교환-바이어스 상화 작용(exchange-bias interaction)에 의해 피고정막(130)의 자화(도시되지 않음)를 고정하는 AFM막 또는 다층막일 수 있다. 또한, 쓰기 전류가 자기 접합(100)에 인가될 때, 자기 접합(100)은 자유막이 안정된 자기 상태들 사이에서 스위칭될 수 있도록 구성된다. 그래서, 자유막(110)의 자기 모멘트(111)은 스핀 전달 토크(spin transfer torque)를 사용하여 스위칭 가능하다. 자기 모멘트(111)가 스위칭 가능하기 때문에 자기 모멘트(111)는 양방향 화살(dual headed arrow)에 의해 표시된다.
비자성 스페이서막(120)은 자기저항이 자유막(110) 및 피고정막(130) 사이에 나타나도록 하는, 터널링 베리어막, 도전체 또는 다른 구조물일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(120)은 결정형 MgO 터널링 베리어막이다. 상기 비자성 스페이서막은 (100) 방향과 같은 바람직한 결정학적 방향을 가질 수 있다.
자유막(110) 및/또는 피고정막(130)이 단일막으로 도시되지만, 다층막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자유막(110) 및/또는 피고정막(130)은 Ru과 같은 박막들을 통과해 비강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성막들을 포함하는 SAF일 수 있다. SAF에서, Ru또는 다른 물질들의 박막(들)이 삽입된 다층 자성막들이 사용될 수 있다. 또한, 자유막(110) 및/또는 피고정막(130)은 다른 다층막일 수 있다.
자유막(110) 및/또는 피고정막(130) 각각은, 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지(perpendicular anisotropy energy)를 가질 수 있다. 그래서, 자유막(110) 및/또는 피고정막(130)은 자기 모멘트들(111, 131)을 각각 갖되, 도 2에서 도시된 바와 같이 자기 모멘트들(111, 131)은 평형 상태에서 면에 대하여 수직방향으로 향한다. 다르게 이야기 하면, 자유막(110, 130))의 자화 용이축은 면에 수직이다. 자유층의 자기 모멘트(111)은 스핀 전달을 사용하여 스위칭 가능하여, 양방향 화살(111)로 도시된다. 피고정막(130)의 자기 모멘트(131)는 특정 방향으로 고정된다. 도시된 실시예에서, 피고정막(130)의 자기 모멘트(131)는 양의 z-축 방향에 있다. 다른 실시예에서, 피고정막(130)의 자기 모멘트(131)는 음의 z-축 방향에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유막(110) 및/또는 피고정막(130)의 자기 모멘트는 면-내를 포함하는 다른 방향에서 안정될 수 있으나, 면-내로 한정되지는 않는다. 자유막(110) 및/또는 피고정막(130)의 자기 모멘트들의 다른 방향들이 가능하다.
자유막(110)은 임계 스위칭 전류 밀도(Jc0) 에서의 구배를 갖는다. 더욱 상세하게, 임계 스위칭 전류 밀도는 비자성 스페이서막(120)에 더 가까운 부분에서 더 낮다. 그래서, 자유막(110)의 제2 부분이 자유막(110)의 제1 부분보다 비자성 스페이서막(120)으로부터 더 떨어져 있는 경우, 자유막(110)의 제1 부분의 제1 Jc0은 자유막(110)의 제2 부분의 제2 Jc0보다 낮다. 자유막(110)은 비자성 스페이서막(120)으로부터 멀어지는 방향(예를 들면, 도 2에서 음의 z-축 방향)으로 갈수록, Jc0이 증가한다. 몇몇 실시예들에서, Jc0이 단조 증가한다. 변화는 선형적이거나 다른 커브를 따를 수 있다. 몇몇 실시예들에서, Jc0은 자유막(110)의 특정 부분에서 일정할 수 있다. 그러나, Jc0은 전체의 자유막(110)에서 일정하지 않다. 몇몇 실시예들에서, 자유막(110)의 열적 안정성에서의 구배가 있다. Jc0와 같이, 열적 안정성은 비자성 스페이서막(120)으로부터 떨어질수록 증가할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 열적 안정성은 Jc0와 동일한 방식으로 증가한다. 그러나, 다른 실시예에서, 열적 안정성은 다른 방식으로 달라질 수 있다.
자유막(110) 내에서의 Jc0의 구배는 많은 방법으로 획득될 수 있다. 예를 들면, Jc0은 자기 이방성(Hk) 및 포화 자화(Ms)에 따라 달라진다. 몇몇 실시예들에서, 수직 자기 이방성과 같은 자기 이방성은 비자성 스페이서막(120)으로부터 증가하는 거리에 따라 증가할 수 있다. 다른 실시예들에서, 포화 자화는 비자성 스페이서막(120)으로부터 증가하는 거리에 따라 증가할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 이러한 양들은 자유막(110)을 통과하여 증가하거나 감소할 수 있다. 그러나, Jc0에서의 목적하는 구배가 얻어지는 조합이 있다. 예를 들면, 포화 자화가 자유막(110)의 몇 부분에서 증가하는 반면, 자기 이방성은 같은 부분에서 감소될 수 있다. 그러나, 이러한 변수들 및 다른 변수들의 조합은 스위칭 전류 밀도가 비자성 스페이서막(120)으로부터 증가되는 거리에 따라 증가한다.
임계 스위칭 전류 밀도에 영향을 주는 Hk, Ms 및/또는 다른 특성들의 변화는 많은 방법들에서 획득될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유막(110)은 Co 및/또는 Fe같은 자성 구성성분들의 다양한 농도들을 갖는 합금일 수 있다. 구성성분의 농도에서의 이러한 구배는 많은 방식으로 획득될 수 있다. 예를 들면, 자성 및 다른 물질들은 다중 타깃으로부터 동시-스퍼터링(co-sputterd)될 수 있다. 특정 타깃으로부터의 스퍼터링 비율의 변화를 통해, 합금의 화학양론을 변화시킬 수 있다. 또한, 구배는, 자유막(110)을 적층한 후 고온 어닐링에 기인하는 원자 확산을 통해 획득될 수 있다. 어닐링은 인-시튜(in situ) 또는 엑스-시튜(ex situ)로 수행될 수 있다. 이러한 그리고 다른 기술들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 붕소(B)와 같은 도펀트(붕소로 한정하는 것은 아니다)를 포함하는 다른 물질들의 농도는 자기 이방성 및/또는 포화 자화에서의 목적하는 구배(들)를 획득하는데 조절될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자유막(110)은 다층 자성막들을 포함하는 다층막일 수 있다. 상기 몇몇 실시예들에서, 자성막들은 비자성막들로 삽입될 수 있다. 비자성막들은 MgO와 같은 절연체, Pt 또는 Pd와 같은 도전체 또는 이들의 조합일 수 있다. 그러나, 자성막들은 비자성막들을 통해 강자성적으로 결합된다. 자성막들은, 자성막들 사이에서 Jc0 의 구배가 존재하도록 구성된다. 그래서, 비자성 스페이서막(120)에 더 가까운 자성막은 비자성 스페이서막에서 더 떨어진 다른 막보다 낮은 Jc0을 갖는다. 자성막들 사이에서 Jc0의 구배는 자성 및/또는 비자성 물질들의 적절한 선택, 자성막들 두께의 다양성들, 비자성막들 두께의 다양성 및 다른 유사한 메커니즘 중 하나 이상에 의해 획득될 수 있다.
자기 접합(100)은 성능을 향상시킬 수 있다. Jc0의 구배에 의해, 자유막(110)에서의 전체적인 스위칭 전류가 감소될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전체 임계 스위칭 전류 밀도는 1 x 106 A/cm2일 수 있다. 비자성 스페이서막(120)에 인접한 자유막(110) (예를 들면, 자성막들)의 일부는 스스로 용이하게 스위칭할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유막(110)의 상기 부분은 열적으로 안정하지 않다. 자성막(110)의 다른 자성 부분은 스위칭 전류가 더 높고, 열적으로 더 안정하다. 비자성 스페이서막(120)으로부터 가장 떨어진 자유막(110)의 부분은 열적으로 가장 안정하고 가장 큰 Jc0을 가질 수 있다. 비자성 스페이서막(120)으로부터 더 떨어진 자유막(110)의 자성 부분들이 열적으로 안정하고 비자성 스페이서막(120)에 더 인접한 자유막(110)의 부분들과 강자성적으로 결합되기 때문에, 자유막(110)은 전체적으로 열적으로 안정하다. 비자성 스페이서막(120)에 더 인접한 자유막(110)의 자성 부분들이 더 낮은 Jc0을 갖고 자유막(110)의 다른 부분들과 강자성으로 결합하기 때문에, 자유막(110)은 전체적으로 더 낮은 Jc0에서 스위칭한다. 그래서, 열적 안정성 및 더 낮은 Jc0이 획득될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)의 성능이 개선될 수 있다.
자기 접합(100)이 그것의 의도된 목적에 잘 기능하더라도, 쓰기 오류 발생 비율(write error rate, WER), 스위칭 시간 및 스위칭 전류에서 더욱 개선된 점들이 요구될 수 있다. WER은 적어도 통상적인 스위칭 전류와 동일한 전류가 인가될 때 셀(예를 들면, 자기 접합의 자유막(110)의 자화(111))이 스위치되지 않을 가능성이다. WER는 10-9 이하가 바람직하다. WER는 자기 접합을 오버드라이빙(overdriving)하여 개선시킬 수 있는데, 자기 접합을 오버드라이빙하는 것은 과잉의 스위칭 전류를 쓰기 전류로 사용하는 것이다. 그러나, 더 짧은 쓰기 전류 펄스들에서 WER를 개선하기 어렵다. 다르게 말하면, 많은 자기 접합들은 전류 크기에 따른 스위칭을 기반으로 하는 스핀 전달을 이용하여 스위치되고, 전류 펄스 길이는 롱 테일(long tail)을 가질 수 있다. 그래서 목적하는 WER은 오버드라이브 및 더 긴 펄스 길이를 요구할 수 있다. 결과적으로, 일반적인 MTJ(10)를 적용한 메모리들은, 짧은 펄스 길이들에서의 MTJ의 오버드라이빙에 의하여 극복되지 않는, 용납할 수 없을 정도로 높은 WER를 가질 수 있다
더욱이, 자유막은 자기적으로 열적으로 안정한 것이 바람직하다. 열적 안정성은, 자유막(110)의 자기적 내열 상수(magnetic thermal stability constant, △)에 의해 결정될 수 있다. 자유막의 자화 모멘트를 안정하게 하기 위하여, 볼츠만 상수(Boltzmann's constant) 및 동작 온도(kbT)의 곱으로 나누기한 자기적 내열 상수는 일반적으로 80초과(예를 들면, △/kbT > 80) 인 것이 바람직하다. 그래서 더 큰 △은 열적 안정성에 바람직하다. 그러나 스위칭 전류는 △에 정비례한다. 그래서, 더 높은 △은 더 높은 스위칭 전류에 대응한다. 본질적으로, 더 높은 △은 목적하는 WER를 성취하기 위하여 더 큰 양의 자기 접합의 오버드라이빙에 대응된다. 이것은 바람직하지 못하다. 댐핑(damping) 또는 다른 메커니즘들이 스위칭 전류를 감소시키도록 기능한다. 그러나, 여전히 자기적 내열 상수는 스위칭 전류를 감소시키기는 양을 한정할 수 있다.
도 3은, 다수의 서브 영역들을 갖는 자유막을 포함하는 자기 접합(200)의 일 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기적 결합할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 또한, 자유막은 스핀 전달을 이용하여 스위칭 가능하다. 예컨대, 자기 접합(200)은 MTJ, 스핀 밸브, 또는 탄도 자기저항 구조체, 또는 이들의 조합일 수 있다. 자기 접합(200)은 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 자기 접합(200)은 SST-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 메모리는 휴대폰들 또는 비휘발성 메모리를 사용할 수 있는 다른 시스템들을 포함하는 다양한 장치에서 사용될 수 있으나, 이로 한정하는 것을 아니다. 명확하게는, 도 3은 스케일에 맞지 않다.
자기 접합(200)은 피고정 또는 기준막(210), 비자성 스페이서막(220) 및 자유막(230)을 포함한다. 자기 접합(200)은 기판(202) 상에 배치되는 것으로 도시한다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(200)은 시드막(들) 및/또는 캡핑막(들)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 막들(210, 220, 230)이 특정 방향으로 도시되었지만, 다른 실시예들에서 상기 방향은 달라 질 수 있다. 예를 들면, 피고정막(210)은 자기 접합(200)의 바닥과 더 근접(기판 202과 가장 근접)한 것으로 도시된다. 고정막(도시되지 않음)이 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 도시된 바와 같이, 고정막은, 피고정막(210)의 자기 모멘트가 면 내에 있는 경우에는 사용될 수 있으나, 피고정막(210)의 자기 모멘트가 면에 대하여 수직인 경우에는 사용되지 않을 수 있다. 이러한 고정막은 피고정막(210)의 자화(도시되지 않음)을 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 고정막은 교환-바이어스 상화 작용(exchange-bias interaction)에 의해 피고정막(210)의 자화(도시되지 않음)를 고정하는 AFM막 또는 다층막일 수 있다. 또한, 쓰기 전류가 자기 접합(200)을 통과하여 흐를 때, 자기 접합(200)은 자유막이 안정된 자기 상태들 사이에서 스위칭될 수 있도록 구성된다. 그래서, 자유막(230)의 자기 모멘트(도 3에서 정확하게 도시되지 않음)는 스핀 전달 토크(spin transfer torque)를 사용하여 스위칭 가능하다.
비자성 스페이서막(220)은 자기저항이 자유막(230) 및 피고정막(210) 사이에 나타나도록 하는, 터널링 베리어막, 도전체 또는 다른 구조물일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)은 결정형 MgO 터널링 베리어막이다. 그러한 비자성 스페이서막은 (100) 방향과 같은 바람직한 결정학적 방향을 가질 수 있다. 그러나, 추가 및/또는 다른 실시예들에서, 다른 물질(들)이 사용될 수 있다.
자유막(230) 및/또는 피고정막(210)이 단일막으로 도시되지만, 다층막들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자유막(230) 및/또는 피고정막(210)은 Ru과 같은 박막들을 통하여 비강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성막들을 포함하는 SAF일 수 있다. SAF에서, Ru또는 다른 물질들의 박막(들)이 삽입된 다층 자성막들이 사용될 수 있다. 자유막(230) 및/또는 피고정막(210)은 다른 다층막일 수 있다.
자유막(230) 및/또는 피고정막(210) 각각은, 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지(perpendicular anisotropy energy)를 가질 수 있다. 그래서, 평형 상태에서, 자유막(230) 및/또는 피고정막(210) 각각은 면에 대하여 수직 방향으로 향하는 자기 모멘트들을 가질 수 있다. 다시 말해서, 막들(210, 230)의 자화 용이축은 면에 수직이다. 다른 실시예에서, 자유막(230) 및/또는 피고정막(210)은 다른 방향, 예를 들면 면 내에서 안정될 수 있으나, 이로 한정하지는 않는다. 자유막(230) 및/또는 피고정막(210)의 자기 모멘트들의 다른 방향들이 가능하다.
자유막(230)은 다수의 서브 영역들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 자유막(230) 내의 강자성막들에 대응할 수 있다. 다른 실시예들에서, 서브 영역들은 단일막 내의 그레인들 또는 다른 강자성 영역들일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 서브 영역들은 이러한 두 타입들의 조합일 수 있다. 각 서브 영역은 내열 인자, △/kbT을 갖되, kb은 볼츠만 상수이며, T은 켈빈 온도이고, △은 서브 영역의 자기적 내열 상수다. 서브 영역들 각각에서의 내열 인자(△/kbT)는 동작 온도 범위 내에서 낮을 수 있다. 즉, 자기적 내열 상수(△)가 낮을 수 있다. 동작 온도에서 각각 서브 영역이 열적으로 불안할수록, 내열 인자/낮은 자기적 내열 상수는 충분히 낮을 수 있다. 예를 들면, 각 서브 영역들은 실온에서 열적으로 불안정할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이것은 동작 온도에서 60이하의 △/kbT에 대응한다. 몇몇 실시예들에서, △/kbT은 동작 온도에서 40이하일 수 있다. 그래서, 다른 서브 영역들이 없으면, 자유막(230) 내의 각 서브 영역들은 상온에서 열적으로 불안정할 수 있다.
서브 영역들 각각이 열적으로 불안정하더라도, 자유막(230)은 전체적으로 열적으로 안정하다. 서브 영역들은 약하게 자기적으로 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 강자성적으로 결합된다. 이러한 약한 강자성적 결합 때문에, 자유막(230) 내의 서브 영역들의 자기 모멘트들은 일반적으로 동일한 방향으로 정렬되고, 동일한 통상적인 방향으로 정렬되는 것을 유지하려는 경향이 있다. 결과적으로, 자유층(230)은 상온에서 전체적으로 열적으로 안정하다. 이것은 적어도 60인 △total/kbT 에 대응된다고 간주될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유막은 적어도 80의 내열 인자, △total/kbT을 가질 수 있다. 이것은 쓰기 전류가 인가될 때 서브 영역들 사이의 자기 결합이 서브 영역들 각각의 △ 의 일부가 아닌 △total의 일부일 수 있기 때문이다.
두 개의 서브 영역들 사이에서의 강자성 결합은 하기와 같이 결정될 수 있다. 무한 결합 변수(dimensionless coupling parameter), Ac는 각 서브 영역들에 대하여 정의된다. 이러한 무한 결합 변수는 하기와 같이 주어진다:
Ac = 결합 에너지/(△*kb*T*Z)
이때, "결합 에너지"는 두 개의 서브 영역들 사이의 결합 에너지의 총합이고, △은 서브 영역 자체의 열적 안정성이며, Z은 각 서브 영역에 인접한 서브 영역들의 수이다. 전술한 바와 같이 각 서브 영역은 그들 스스로가 열적으로 안정하지 않기 때문에, △은 의미 있게 60이하이다. Z은 일반적으로 적어도 4개 이상 6개 이하이며, 또한 Z은 서브 영역에 대한 배위수(coordination number)를 나타낼 수 있다. Ac는 적어도 0.2 이상이고 3.0을 넘지 않는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, Ac는 적어도 0.5 이상이고 1.2를 넘지 않는다.
그래서, 쓰기 동작이 아닐 때, 자유막(230)은 열적으로 안정하다. 게다가, 읽기 동작 시 자유막(230)은 안정하다. 예를 들면, 쓰기 전류의 1/3 정도까지의 읽기 전류에서 자유막(230)의 자기 모멘트는 안정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쓰기 전류의 1/2 이하까지의 읽기 전류에서, 자유막(230)의 자기 모멘트는 안정할 수 있다. 따라서, 이러한 읽기 전류는 서브 영역들 사이의 자기적 상호 작용을 극복하기에 불충분할 수 있다. 그러나 자유막(230)의 자기 모멘트는 쓰기 전류를 이용하여 스위치될 수 있다. 선택적인 실시예들에서, 자유막(230)의 자기 모멘트는 쓰기 전류 및 자기장의 조합으로 스위치될 수 있다.
읽기 동작에서, 읽기 전류는 자기 접합(200)을 통해 인가된다. 자기 접합(200)의 저항을 기반으로, 자유막(230)의 상태가 결정될 수 있다. 쓰기 동작에서, 목적된 방향으로의 쓰기 전류가 자기장을 대신하거나 자기장에 추가하여 인가될 수 있다. 그래서, 쓰기 전류에 기인한 토크에 의해 유도된 스핀 전달은 서브 영역들 사이의 자기 결합을 극복하기에 충분하다. 약한 자기 결합은 극복했기 때문에, 서브 영역들 각각은 스핀 전달 토크를 사용하여 용이하게 스위치될 수 있다. 이는 서브 영역들이 낮은 내열 인자/낮은 자기적 내열 상수를 갖기 때문이다. 예를 들면, 하나 이상의 각 서브 영역들의 자기 모멘트들은 자유막(230)의 전체 자기 모멘트에 정렬되지 않고/또는 낮은 쓰기 전류를 가질 수 있다. 결과적으로, 스핀 전달 토크는 자유막(230)의 자기 모멘트를 더 용이하게 스위치할 수 있다. 그래서, 자유막(110)의 막들과 유사한 방식으로, 자유막(230)의 서브 영역들은 다른 전류들 및/또는 시간들에서 스위치할 수 있다. 그러나, 자유막(230)의 서브 영역들이 스위치되는 순서는 자유막(110)의 막들과 동일한 방식으로 강요되지 않는다. 예를 들면, 자유막(230)의 서브 영역들이 막들일 경우, 막들이 비자성 스페이서막(220)으로부터 멀어지는 방향에서 증가하는 스위칭 전류 밀도/열적 안정성을 가질 필요 없다. 자유막(230)의 서브 영역들은 무작위적 순서로, 또는 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 서브 영역에서 비자성 스페이서막(220)에 가장 먼 서브 영역까지 순서적으로 스위칭되는 것을 배재한 순서로 스위치될 수 있다.
자기 접합(200)은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 결합 때문에, 동작 온도 이하에서 자유막(230)은 열적으로 안정할 수 있다. 서브 영역들에 대한 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 내열 인자 때문에, 요구되는 쓰기 전류는 감소될 수 있다. 더욱이, 서브 영역들 각각은 더 용이하게 스위치될 수 있다. WER은 △에 의존하기 때문에, WER 또한 감소된 펄스 길이들에서 그리고 서브 영역들 각각에서 감소될 수 있다. 유사한 이유들로, 서브 영역들은 오버드라이브 없이 또는 오버드라이브로 스위치될 수 있다. 그래서 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 4는 서브 영역들을 갖는 자유막(230')을 포함하는 자기 접합(200')의 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기적 결합되고 스핀 전달을 이용하여 스위치할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 4는 스케일에 맞지 않는다. 자기 접합(200')은 자기 접합(200)과 유사한다. 그래서 유사한 막들은 유사한 도면 부호로 기재한다. 자기 접합(200')은, 피고정막(210), 비자성 스페이서막(220) 및 자유막(230)과 각각 유사한 피고정막(210'), 비자성 스페이서막(220') 및 자유막(230')을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 추가 시드막(도시되지 않음), 추가 고정막(도시되지 않음) 및/또는 추가 캡핑막(도시되지 않음)이 포함될 수 있다. 또한 자기 접합(200')은 자기 접합(200')을 통해 쓰기 전류가 인가될 때 자유막(230')의 자화가 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성된다. 그래서, 자유막(230')의 자화는 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(200')에서, 자유막(230')은 피고정막(210')보다 기판(202')에 더 인접하다. 자유막(230')은 자유막(230)의 서브 영역들과 유사한 서브 영역들을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 자유막(230') 내의 강자성막들에 대응할 수 있다. 다른 실시예들에서, 서브 영역들은 단일막 내의 다른 강자성 영역들 또는 그레인들일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 서브 영역들은 상기 두 개의 타입들의 조합일 수 있다. 그래서, 내열 인자 및 자기적 내열 상수는 낮을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 내열 인자/낮은 자기적 내열 상수가 충분히 낮아, 동작 온도에서 서브 영역 각각이 열적으로 불안정할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, △/kbT은 동작 온도에서 60이하의 △/kbT에 대응한다. 몇몇 실시예들에서, 동작 온도에서, △/kbT은 40이하일 수 있다.
서브 영역들 각각이 열적으로 불안정하더라도, 자유막(230)과 유사한 방식으로, 자유막(230')은 전체적으로 열적으로 안정하다. 서브 영역들은 약하게 자기적으로 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 강자성적으로 결합된다. 이러한 약한 강자성적 결합 때문에, 자유막(230') 내의 서브 영역들의 자기 모멘트들은 일반적으로 동일한 방향으로 정렬되고, 동일한 통상적인 방향으로 정렬되는 것을 유지하려는 경항이 있다. 결과적으로, 자유막(230')은 전체적으로, 실온에서 열적으로 안정할 수 있다.
자기 접합(200')은 자기 접합(200)의 효과를 공유할 수 있다. 서브 영역들 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들 사이의 자기 결합 때문에, 자기 접합(200')은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 결합 때문에, 자유막(230')은 동작 온도보다 낮을 때 열적으로 안정할 수 있다. 서브 영역들에서의 더 낮은 자기적 내열 상수 및 더 낮은 내열 인자 때문에, 요구되는 쓰기 전류, WER, 및 오버드라이브가 감소될 수 있으며, 더 빠른 쓰기가 성취될 수 있다. 그래서 더 빠르고 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 5는 서브 영역들을 갖는 자유막(230")을 포함하는 자기 접합(200")의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기적 결합되고 스핀 전달을 이용하여 스위치할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 5는 스케일에 맞지 않는다. 자기 접합(200")은 자기 접합(200, 200')과 유사한다. 그래서 유사한 막들은 유사한 도면 부호로 기재한다. 자기 접합(200")은, 피고정막(210, 210'), 비자성 스페이서막(220, 220') 및 자유막(230, 230')과 각각 유사한 피고정막(210"), 비자성 스페이서막(220") 및 자유막(230")을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 추가 시드막(도시되지 않음), 추가 고정막(도시되지 않음) 및/또는 추가 캡핑막(도시되지 않음)이 포함될 수 있다. 또한 자기 접합(200")은 자기 접합(200")을 통해 쓰기 전류가 인가될 때 자유막(230")의 자화가 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성된다. 그래서, 자유막(230")의 자화는 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(200")은 듀얼 자기 접합(dual magnetic junction)이다. 그래서 자유막(230")은 두 개의 비자성 스페이서막들(220, 240) 사이에 배치된다. 자기 접합(200")은 피고정막(210, 210', 210")과 유사한 추가 피고정막(250)을 포함한다. 자유막(230")은 자유막(230, 230')의 서브 영역들과 유사한 서브 영역들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 자유막(230") 내의 강자성 막들에 대응할 수 있다. 다른 실시예들에서, 서브 영역들은 단일막 내의 다른 강자성 영역들 또는 그레인들일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 서브 영역들은 상기 두 개의 타입들의 조합일 수 있다. 그래서, 내열 인자 및 자기적 내열 상수는 낮을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동작 온도에서 서브 영역 각이 열적으로 불안정할 수 있도록 내열 인자/낮은 자기적 내열 상수가 충분히 낮을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, △/kbT은 동작 온도에서 60이하의 △/kbT에 대응한다. 몇몇 실시예들에서, 동작 온도에서, △/kbT은 40이하일 수 있다.
서브 영역들 각각이 열적으로 불안정하더라도, 자유막(230, 230')과 유사한 방식으로, 자유막(230')은 전체적으로 열적으로 안정하다. 서브 영역들은 약하게 자기적으로 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들은 강자성적으로 결합된다. 이러한 약한 강자성적 결합 때문에, 자유막(230") 내의 서브 영역들의 자기 모멘트들은 일반적으로 동일한 방향으로 정렬되고, 동일한 통상적인 방향으로 정렬되는 것을 유지하려는 경항이 있다. 결과적으로, 자유막(230")은 전체적으로, 실온에서 열적으로 안정할 수 있다.
자기 접합(200")은 자기 접합들(200, 200')의 효과를 공유할 수 있다. 서브 영역들 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들 사이의 자기 결합 때문에, 자기 접합(200")은 개선된 성능을 가질 수 있다. 자기 결합 때문에, 자유막(230")은 동작 온도보다 낮을 때 열적으로 안정할 수 있다. 서브 영역들에 대한 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 자기 내열 인자 때문에, 요구되는 쓰기 전류, WER, 및 오버드라이브가 감소될 수 있으며, 더 빠른 쓰기가 성취될 수 있다. 그래서 더 빠르고 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 6은 서브 영역들을 갖는 자유막(300)의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 6은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300)은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300)은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다.
자유막(300)은 자성막들(302, 306, 310)과 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 자성막들(302, 306, 310)은 막들(230, 230', 230")의 서브 영역들에 대응된다. 세 개의 자성막들(302, 306, 310) 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 자성막들 및/또는 비자성막들은 다른 개수로 사용될 수 있다. 예를 들면, 두 개 이상의 자성 막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 자성막들(302, 306, 310)은 자성 모멘트들(303, 305, 307)을 각각 갖는다. 도시된 실시예에서, 자유막(300)의 총 자기 모멘트(301)은 실질적으로 면에 대하여 수직(예를 들면, 도 6에서 z-축 방향)일 수 있다. 면에 대하여 실질적으로 수직으로 도시되지만, 다른 실시예들에서 자성 모멘트들(301, 303, 307, 311)은 다른 방향들일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자성막들(302, 306, 310) 각각은 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 내열 인자를 갖는다. 특히, 낮은 내열 인자는 몇몇 실시예들에서의 동작 온도(들)에서 60보다 낮은 내열 인자에 대응되고/또는 다른 실시예들에서 동작 온도(들)에서 40보다 낮은 내열 인자에 대응된다. 또한, 막들(302, 306, 310) 사이의 약한 자기 결합이 있다. 약한 자성 결합은 비자성막들(304, 308)을 통해 제공될 수 있다. 비자성막들(304, 308)의 존재는 자성막들(302, 306, 310)의 자기 모멘트들(303, 307, 311)을 각각 다소 다르게 한다. 그래서, 자성막들(302, 306, 310) 각각이 열적으로 안정하지 않을 수 있더라도, 자유막(300)은 특정 방향에서, 안정한 총 자기 모멘트(301)를 가질 수 있다. 자성막들(302, 306, 310)이 자성을 갖기 때문에, 자성막들(302, 306, 310)은 Co, Fe 및 Ni중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 게다가, 자성막들(302, 306, 310)은, 예를 들면 자성 물질들의 합금에서, B, Ta, W, Ge, V 및 Si중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 비자성막들(304, 308)은 Ta, W, Nb, Mo, Ru, V, Zr, Hf, Al, Si, Cr, Ga, Ge, Mg, Ti; 상기 금속들의 하나 이상의 질화물(들); 상기 금속들의 하나 이상의 산화물(들); 상기 금속들의 하나 이상의 붕소화물(들); 상기 금속들의 하나 이상의 탄화물(들); 및/또는 유사한 물질들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
자성막들(302, 306, 310)은 자성 모멘트들(303, 307, 311)이 정렬되지 않도록 구성된다. 특히, 자성 모멘트들(303, 307, 311)은, 막들의 면의 수직(normal)에 대하여 다른 각도에 있을 수 있다. 예를 들면, 막들(302, 306, 310)의 수직 이방성, 두께, 물질, 자성 모멘트 및/또는 다른 자성 특성들이 개별적으로 맞춰져, 자성 모멘트들(303, 307, 311)은 총 수직 모멘트(301)와 다른 각도들로 될 수 있다. 유사하게, 막들(304, 307)의 두께 및/또는 다른 특성들은 자성막들(302, 306, 310)이 목적하는 상호 작용뿐만 아니라 목적하는 자기 모멘트(크기 및 방향)를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 자기 모멘트들의 방향은 수직 이방성들을 사용하여 조절될 수 있다. 하나의 막의 수직 이방성(Ku)은 그것의 2∏Ms 2(면을 벗어나는 자기소거 에너지, out-of-plane demagnetization energy) 값에 근접하게 조절될 수 있다. Ku이 2∏Ms 2보다 클 때, 막의 자화는 필름에 수직(normal(perpendicular)) 방향이다; Ku이 2∏Ms 2보다 약간 작을 때, 막의 자화는 수직과 면 내 방향 사이에서 경사(tilt)진다. 막들(302, 306, 310)의 수직 이방성을 상기 막의 2∏Ms 2값 근처로 조절하는 것에 의해, 자기 모멘트들(303, 307, 311)의 목적된 방향이 성취될 것이다. 그래서, 막들(302, 306, 310)의 자화 용이 축들은 다르다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300)의 바람직한 총 자성 모멘트(301)의 방향 내에 있다. 이러한 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 그래서, 도시된 실시예에서, 자유막(300)은 막(230)과 유사한 방식으로 비자성 스페이서막 상에 배치될 수 있다. 그러나 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다.
자기 모멘트들(303, 307, 311)이 막들에 수직한 방향(예를 들면, z 방향)에서 다른 각도로 될 수 있기 때문에, 자유막(300)을 사용하는 자기 접합의 스위칭 특성들이 개선될 수 있다. 쓰기 전류가 인가될 때, 적어도 몇 개의 자기 모멘트들(307, 311)은 z-축 방향으로 정렬되지 않는다. 그래서, 대응되는 막들(306, 310)은 정체점(stagnation point)을 따르지 않을 수 있다. 그래서, 스핀 전달 토크는 이러한 막들(306, 310)을 다른 막(302)보다 더 용이하게 스위치할 수 있다. 따라서, 자유막(300)의 막들(302, 306, 310)이, 자유막(110)의 막들과 유사한 방식으로, 다른 전류들 및/또는 시간들에서 스위치할 수 있다. 그러나, 자유막(300)의 막들(302, 306 ~ 310)이 스위치되는 순서는 자유막(110)의 막들과 동일한 방식으로 강요되지 않는다. 예를 들면, 자유막(300)의 막들(302, 306 ~310)은, 비자성 스페이서막(220)으로부터 멀어지는 방향에서 증가하는 스위칭 전류 밀도/열적 안정성을 가질 필요가 없다. 자유막(300)의 막들(302, 306 ~ 310)은 무작위적 순서, 또는 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 서브 영역에서 비자성 스페이서막(220)에 가장 먼 서브 영역까지 순서를 배제하는 순서로 스위칭될 수 있다.
자유막(300)의 스위칭에서의 WER 및 롱 테일이 더 감소될 수 있다. 더욱이, 각 서브 영역들/막들(302, 306, 310)에 대한 낮은 내열 인자와, 서브 영역들/막들(302, 306, 310) 사이에서의 약한 자성 결합은 자유막(300)이 동작 온도 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 허용하며 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취될 수 있다. 그래서, 자유막(300)에서 더 빠르고 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 7은 서브 영역들을 갖는 자유막(300')의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 7은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300')은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300')은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다.
또한, 자유막(300')은 자유막(300)과 유사하다. 그래서, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 번호로 기재한다. 자유막(300')은, 막들(302, 306, 310, 304, 308)과 각각 유사한, 자성막들(302', 306', 310')과 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 자성막들(302', 306', 310')은 막들(230, 230', 230")의 서브 영역들에 대응된다. 세 개의 자성막들(302', 306', 310') 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 자성막들(302', 306', 310') 및/또는 비자성막들(304, 308)은 다른 개수로 사용될 수 있다. 예를 들면, 두 개 이상의 자성 막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 자성막들(302', 306', 310')은 자성 모멘트들(303, 305, 307)과 유사한 자성 모멘트들(303', 305', 307')을 각각 갖는다. 도시된 실시예에서, 자유막(300')의 총 자기 모멘트(301')은 면에 대하여 실질적으로 수직(예를 들면, z-축 방향)일 수 있다. 면에 대하여 실질적으로 수직으로 도시되지만, 다른 실시예들에서 자성 모멘트들(301', 303', 307', 311')은 다른 방향들일 수 있다.
막들(302', 306', 310')이 막들(302, 306, 310)과 유사하기 때문에, 막들(302', 306', 310') 각각은 낮은 자기적 내열 상수, 낮은 내열 인자를 가질 수 있으며, 약하게 자기적으로 결합될 수 있다. 그래서, 자성막들(302', 306', 310') 각각이 열적으로 안정하지 않더라도, 자유막(300')은 특정 방향에서 안정한 총 자기 모멘트(301')을 가질 수 있다. 또한, 자성막들(302', 306', 310')은 자성 모멘트들(303', 307', 311')이 정렬되지 않도록 구성된다. 예를 들면, 막들(302', 306', 310')의 수직 이방성, 두께, 물질, 자성 모멘트 및/또는 다른 자성 특성들이 개별적으로 맞춰져, 자성 모멘트들(303', 307', 311')은 총 수직 모멘트(301')와 다른 각도들로 된다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300')의 목적하는 총 자성 모멘트(301')의 방향 내에 있다. 이러한 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 그래서, 도시된 실시예에서, 자유막(300')은 막(230')과 유사한 방식으로 비자성 스페이서막 상에 배치될 수 있다. 그러나 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다.
자유막(300')은 자유막(300)과 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 막들에 대해 수직 방향(예컨대, z 방향)와 다른 각도들을 향하는 자기 모멘트들(303', 307', 311')에 의해, WER 및 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 더욱이, 서브 영역들/막들(302', 306', 310') 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들/막들(302', 306', 310') 사이의 약한 자성 결합은, 자유막(300')을 동작 온도들 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 하고 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(300')에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 8은 서브 영역들을 갖는 자유막(300")의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 8은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300")은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300")은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다.
또한, 자유막(300")은 자유막들(300, 300')과 유사하다. 그래서, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 번호로 기재한다. 자유막(300")은, 막들(302/302', 306/306', 310/310', 304, 308)과 각각 유사한, 자성막들(302', 306', 310')과 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 또한, 자성막들(302", 306", 310")은 막들(230, 230', 230")의 서브 영역들에 대응된다. 세 개의 자성막들(302", 306", 310") 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 자성막들(302", 306", 310") 및/또는 비자성막들(304, 308)은 다른 개수로 사용될 수 있다. 두 개 이상의 자성막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 자성 모멘트들(303", 305", 307") 각각은 자성 모멘트들(303/303', 307/307', 311/311')과 유사하다. 도시된 실시예에서, 자유막(300")의 총 자기 모멘트(301")은 실질적으로 면에 대하여 수직(예를 들면, z-축 방향)일 수 있다. 그러나, 자성 모멘트들(301", 303", 307", 311")은 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
막들(302", 306", 310")이 막들(302/302', 306/306', 310/310')과 각각 유사하기 때문에, 막들(302", 306", 310") 각각은 낮은 자기적 내열 상수, 낮은 내열 인자를 가질 수 있으며, 자기적으로 약하게 결합될 수 있다. 그래서, 자성막들(302", 306", 310") 각각이 열적으로 안정하지 않더라도, 자유막(300")은 특정 방향에서 안정한 총 자기 모멘트(301")을 가질 수 있다. 또한, 자성막들(302", 306", 310")은 자성 모멘트들(303", 307", 311")이 정렬되지 않도록 구성된다. 예를 들면, 막들(302", 306", 310")의 수직 이방성, 두께, 물질, 자성 모멘트 및/또는 다른 자성 특성들이 개별적으로 맞춰져, 자성 모멘트들(303", 307", 311")은 총 수직 모멘트(301")와 다른 각도들로 된다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300")의 목적되는 총 자성 모멘트(301")의 방향 내에 있다. 상기 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 도시된 실시예들에서, 자유막(300")은 막(230")과 유사한 방식으로 듀얼 자기 접합을 위한 자유막일 수 있다. 그러나 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다.
자유막(300")은 자유막들(300, 300')과 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 막들에 대해 수직 방향(예컨대, z 방향)와 다른 각도들을 향하는 자기 모멘트들(303", 307", 311")에 의해, WER 및 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 더욱이, 서브 영역들/막들(302", 306", 310") 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들/막들(302", 306", 310") 사이의 약한 자성 결합은, 자유막(300")을 동작 온도들 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 하고 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(300")에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다. 또한, 듀얼 자기 접합의 사용은 증가한 자기 저항성 및/또는 증가된 스핀 전달 토크를 제공할 수 있다.
도 9는 서브 영역들을 갖는 자유막(300"')의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 9는 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300"')은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300"')은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 또한, 자유막(300"')은 자유막들(300, 300', 300")과 유사하다. 그래서, 유사한 구성요소들은 유사한 도면 부호로 기재된다.
자유막(300"')은, 막들(302/302'/302'', 306/306'/306'', 310/310'/310'', 304, 308)과 모멘트들(303/303'/303'', 307/307'/307'', 311/311'/311'')과 각각 유사한 자성 모멘트들(303''', 307''', 311''')을 갖는 자성막들(302''', 306''', 310''') 및 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 자성막들(302''', 306''', 310''')은 막들(230, 230', 230'')의 서브 영역들에 대응한다. 세 개의 자성막들(302"', 306"', 310'") 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 다른 개수로 사용될 수 있다. 두 개 이상의 자성막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유막(300"')의 총 자기 모멘트(301'")은 실질적으로 면에 대하여 수직(예를 들면, z-축 방향)일 수 있다. 그러나, 자성 모멘트들(303''', 307''', 311''')은 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300"')의 목적된 총 자성 모멘트(301"')의 방향 내에 있다. 이러한 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 그래서, 도시된 실시예에서, 자유막(300"')은 막(230")과 유사한 방식으로 듀얼 자기 접합을 위한 자유막일 수 있다. 그러나 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다. 게다가, 막(306"')와 같이 자유막(300"')의 중심에 더 인접한 자기 모멘트들은 z-축 방향으로부터 더 기울어진 자기 모멘트를 가질 수 있다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 막(306"')은 면 내에 있는 자기 모멘트(307'')를 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 자기 모멘트(307"')의 방향은 상이할 수 있다.
자유막(300"')은 자유막들(300, 300', 300")과 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 막들에 대해 수직 방향(예컨대, z 방향)와 다른 각도들을 향하는 자기 모멘트들(303"', 307"', 311"')에 의해, WER 및 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 더욱이, 서브 영역들 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들 사이의 약한 자성 결합은 자유막(300"')을 동작 온도들 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 하고 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(300"')에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다. 또한, 듀얼 자기 접합의 사용은 증가한 자기 저항성 및/또는 증가된 스핀 전달 토크를 제공할 수 있다.
도 10은 서브 영역들을 갖는 자유막(300"")의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 10은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300"'')은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300"'')은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 또한, 자유막(300"'')은 자유막들(300, 300', 300", 300"')과 유사하다. 그래서, 유사한 구성요소들은 유사한 도면 부호로 기재된다.
자유막(300"'')은 막들(302/302'/302''/302''', 306/306'/306''/306''', 310/310'/310''/310''', 304, 308) 및 자기 모멘트들(303/303'/303''/303''', 307/307'/307''/307''', 311/311'/311''/311''')과 각각 유사한 자성 모멘트들(303'''', 307'''', 311'''')을 갖는 자성막들(302'''', 306'''', 310'''') 및 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 또한, 자성막들(302'''', 306'''', 310'''')은 막들(230, 230', 230'')의 서브 영역들에 대응한다. 세 개의 자성막들(302'''', 306'''', 310'''') 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 다른 개수로 사용될 수 있다. 두 개 이상의 자성막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유막(300"'')의 총 자기 모멘트(301'"')은 실질적으로 면에 대하여 수직(예를 들면, z-축 방향)일 수 있다. 그러나, 자성 모멘트들(303'''', 307'''', 311'''')은 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300"'')의 목적된 총 자성 모멘트(301"'')의 방향 내에 있다. 상기 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 그래서, 도시된 실시예에서, 자유막(300"'')은 막(230")과 유사한 방식으로 듀얼 자기 접합을 위한 자유막일 수 있다. 그러나, 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다. 게다가, 자유막(300"")은 그 내에 자기 도메인(magnetic domain)을 갖는다. 다르게 말하면, 자유막(300"")은 수직 자기 도메인(vertical magnetic domain)을 갖는다. 결과적으로, 하부막(302"")의 자기 모멘트(303"")는 상부 자성막(310"")과 반대 방향에 있다. 도시된 실시예에서, 막들의 자기 모멘트들(303"", 311"")은 면에 대하여 수직이다. 결과적으로 몇몇 실시예에서 자기 모멘트들(302"", 310"")은 상이한 것이 바람직하다. 따라서, 자유막(300"")은 적어도 면에 대하여 수직인 성분을 갖는 총 자기 모멘트들 갖는다.
자유막(300"")은 자유막들(300, 300', 300", 300"')과 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 막들에 대해 수직 방향(예컨대, z 방향)과 다른 각도들을 향하는 자기 모멘트들(303"'', 307"'', 311"'')에 의해, WER 및 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 더욱이, 서브 영역들 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들 사이의 약한 자성 결합은 자유막(300"")을 동작 온도들 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 하고 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(300"")에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다. 또한, 듀얼 자기 접합의 사용은 증가한 자기 저항성 및/또는 증가된 스핀 전달 토크를 제공할 수 있다.
도 11은 서브 영역들을 갖는 자유막(300""')의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 11은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(300"''')은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(300"''')은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 또한, 자유막(300"''')은 자유막들(300, 300', 300", 300"', 300""')과 유사하다. 그래서, 유사한 구성요소들은 유사한 도면 부호로 기재된다.
자유막(300"''')은 막들(302/302'/302''/302'''/302'''', 306/306'/306''/306'''/306'''', 310/310'/310''/310'''/310'''', 304, 308) 및 자기 모멘트들(303/303'/303''/303'''/303'''', 307/307'/307''/307'''/307'''', 311/311'/311''/311'''/311'''')과 각각 유사한, 자성 모멘트들(303''''', 307''''', 311''''')을 갖는 자성막들(302''''', 306''''', 310''''') 및 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 또한, 자성막들(302''''', 306''''', 310''''')은 막들(230, 230', 230'')의 서브 영역들에 대응한다. 세 개의 자성막들(302''''', 306''''', 310''''') 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 다른 개수로 사용될 수 있다. 두 개 이상의 자성막들이 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유막(300"''')의 총 자기 모멘트(301'"'')은 실질적으로 면 내(예를 들면, 도시된 바와 같이 x-방향에 있을 수 있다. 자성 모멘트들(303''''', 307''''', 311''''')은 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
자유막(300""')이 실질적으로 면 내에 있는 자기 모멘트(301""')을 갖도록 도시된다. 그래서, 막들(302''''', 306''''', 310''''')은 면 내의 그들의 요소들 몇몇 또는 모두를 갖는 자기 모멘트들(303''''' 307''''', 311''''')을 각각 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 막은 자유막(300"''')의 목적된 총 자성 모멘트(301"''')의 방향 내에 있다. 이러한 실시예들에서, 자기 저항은 증가될 수 있다. 그래서, 도시된 실시예에서, 자유막(300"''')은 막(230)과 유사한 방식으로 비자성 스페이서막 위에 있을 수 있다. 그러나 동일한 배치는 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다.
자유막(300""')은 자유막들(300, 300', 300", 300"', 300"")과 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 막들에 대해 수직 방향(예컨대, z 방향)과 다른 각도들을 향하는 자기 모멘트들(303"''', 307"''', 311"''')에 의해, WER 및 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 더욱이, 서브 영역들 각각의 낮은 내열 인자와 서브 영역들 사이의 약한 자성 결합은 자유막(300""')을 동작 온도들 이하에서 열적으로 안정하도록 허용하고 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(300""')에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다. 또한, 듀얼 자기 접합의 사용은 증가한 자기 저항성 및/또는 증가된 스핀 전달 토크를 제공할 수 있다.
도 12는 서브 영역들을 갖는 자유막(320)의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 12는 스케일에 맞지 않는다. 자유막(320)은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(320)은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다.
자유막(320)은 자성막들(322, 326, 330)과 그들 사이에 삽입된 비자성막들(304, 308)을 포함한다. 자성막들(322, 326, 330)은 막들(230, 230', 230")의 서브 영역들에 대응된다. 세 개의 자성막들(322, 326, 330) 및 두 개의 비자성막들(304, 308)이 도시되지만, 다른 개수로 사용될 수 있다. 예를 들면, 두 개 이상의 자성막들은 다른 실시예들에서 개시될 수 있다. 자성막들(322, 326, 330)은 자기 모멘트들(323, 327, 331)을 각각 갖는다. 도시된 실시예에서, 자유막(320)의 총 자기 모멘트(321)은 면에 대하여 실질적으로 수직(예를 들면, 도 12에서 z-축 방향)일 수 있다. 면에 대하여 실질적으로 수직으로 도시하나, 다른 실시예들에서, 자기 모멘트들(323, 327, 331)은 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자성막들(322, 326, 330)은 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 내열 인자를 각각 갖는다. 특히, 낮은 내열 인자는 몇몇 실시예들에서 동작 온도(들)에서 60보다 낮은 내열 인자에 대응되고/또는 다른 실시예들에서 동작 온도(들)에서 40보다 낮은 내열 인자에 대응된다. 또한, 막들(322, 326, 330) 사이의 약한 자성 결합이 있다. 약한 자성 결합은 비자성 막들(324, 328)을 통하여 의해 제공될 수 있다. 비자성막들(324, 328)의 존재는 자성막들(322, 326, 330)의 자기 모멘트들(323, 327, 331)을 각각 다소 다르게 한다. 자성막들(322, 326, 330) 각각이 열적으로 안정하지 않지만 자유막(320)은 특정 방향에서 안정한 총 자기 모멘트(321)을 가질 수 있다.
자성막들(322, 326 ~ 330)은 실질적으로 동일하게 구성된다. 그래서, 모멘트들의 크기 및 자화 용이축의 방향이 실질적으로 동일할 수 있다. 도시된 실시예에서, 각 막들(322, 326, 330)의 자화 용이축은 면에 대하여 수직(z-축 방향)이다. 그러나, 언제든지 자성 모멘트들(303, 307, 311)은 막들의 면의 수직에서 다른 각도로 향할 수 있다. 그래서, 도 12는 일 시점에서 자유막(320)을 캡쳐한 것으로 간주될 수 있다. 다른 시점에서, 자기 모멘트들(323, 327, 331)은 다른 방향을 가질 수 있다.
자기 모멘트들(323, 327, 331)은 막들의 수직 방향과 다른 각도를 가질 수 있기 때문에, 자유막(320)을 사용하는 자기 접합의 스위칭 특성들이 개선될 수 있다. 쓰기 전류가 인가될 때, 자기 모멘트(323, 327, 331)의 열적 불안정성 때문에, 자기 모멘트(323, 327, 331)의 적어도 몇몇은 z-축 방향에 정렬하지 않는다. 대응되는 막들(322, 326, 330)의 하나 이상은 정체점을 따르지 않을 수 있다. 그래서, 스핀 전달 토크가 상기 막들을 더욱 용이하게 스위치할 수 있다. 자유막(320)의 막들(322, 326, 330)은, 자유막(110)의 막들과 유사한 방식으로, 상이한 전류들 및/또는 시간에서 스위치할 수 있다. 그러나, 자유막(320)의 막들(322, 326 ~ 330)의 순서는 자유막(110)의 막들에서 동일한 방식을 강요하지 않는다. 예를 들면, 자유막(320)의 막들(322, 326, 330)은 비자성 스페이서막(220)으로부터 멀어지는 방향에서 증가하는 스위칭 전류 밀도/열적 안정성을 가질 필요가 없다. 자유막(320)의 막들(322, 326, 330)은 무작위적 순서로, 또는 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 서브 영역에서 비자성 스페이서막(220)에 가장 먼 서브 영역까지의 순서를 배제한 배재한 순서로 스위칭 될 수 있다.
자유막(320)의 스위칭에서의 WER 및 롱 테일이 더 감소될 수 있다. 각 서브 영역들/막들(322, 326, 330)에 대한 낮은 내열 인자와, 서브 영역들/막들(322, 326, 330) 사이에서의 약한 자성 결합은 자유막(320)이 동작 온도 이하에서 열적으로 안정할 수 있도록 허용하며 동시에, 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브의 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서 자유막(320)에 대하여 더 빠르게 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 13은 서브 영역들을 갖는 자유막(340)의 또 다른 실시예를 도시하되, 서브 영역들은 서로 자기 결합하며 스핀 전달을 이용하여 스위치 가능할 뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는다. 명확하게는, 도 13은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(340)은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(340)은 자유막들(230, 230', 230")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다.
자유막(340)은 삽입 영역들(344, 346, 350)에 의해 분리된 자성 서브 영역들(342, 348, 352)을 포함하는 단일 자성 막이다. 세 개의 자성 영역들(342, 348, 352)과 삽입되는 세 영역들(344, 346, 350)이 도시되지만, 다른 실시예에서 다른 개수의 자성 영역들 및 다른 개수의 삽입 영역들이 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유막(340)의 총 자성 모멘트(341)는 면에 대하여 실질적으로 수직일 수 있다. 다른 실시예들에서, 자성 모멘트들(341, 343, 349, 353)은 다른 방향들 내에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 영역들(342, 348, 352)와 유사한 자성 영역들을 각각 갖는 다층막들이 자유막 내에 사용될 수 있다.
자성 서브 영역들(342, 348, 352) 각각은 낮은 자기적 내열 상수 및 낮은 내열 인자를 갖는다. 특히, 낮은 내열 인자는 몇몇 실시예들에서 동작 온도(들)에서 60이하의 내열 인자에 대응되고/또는 다른 실시예들에서 동작 온도(들)에서 40이하의 내열 인자에 대응된다. 또한, 서브 영역들(342, 348, 352) 사이에 약한 자성 결합이 있다. 약한 자성 결합은 삽입 영역들(344, 346, 350)을 통해 제공될 수 있다. 삽입 영역들(344, 346, 350)의 존재는 서브 영역들(342, 348, 352)의 자성 모멘트들(343, 349, 353)를 각각 다소 다르게 한다. 자성 서브 영역들(342, 348, 352) 각각은 열적으로 안정하지 않을 수 있으나, 자유막(340)는 특정 방향에서, 안정한 총 자기 모멘트(341)를 가질 수 있다. 즉, 서브 영역들(342, 348, 352)의 자화 용이축들은 실질적으로 동일한 방향일 수 있다. 모멘트들(343, 349, 353)의 크기들은 동일하거나 다를 수 있다. 도시된 실시예에서, 서브 영역들(342, 348, 352) 각각에 대한 자화 용이축은 면에 대하여 수직(z-축 방향)이다. 그러나, 자성 모멘트들(343, 349, 353)은 막들의 면으로부터 수직에서 다른 각도로 향할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 서브 영역들(342, 348, 352)은 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 상기 실시예들에서, 열적 변동들은 자기 모멘트들(343, 349, 353)의 방향들에서의 차이에 원인이 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 서브 영역들(342, 348, 352)은 다를 수 있다. 상기 실시예들에서, 자기 모멘트들(343, 349, 353)의 방향들에서의 차이는 서브 영역들(342, 348, 352)을 구성하는 일부일 수 있고/또는 모멘트들(343, 349, 353)에서의 열적 변동들에 기인일 수 있다.
자기 모멘트들(343, 349, 353)은 막들에 수직(예를 들면, 모멘트(341)의 자화 용이축/방향)인 방향과 다른 각도로 될 수 있기 때문에, 자유막(340)을 사용하는 자기 접합의 스위칭 특성이 개선될 수 있다. 쓰기 전류가 인가될 때, 적어도 몇몇의 자기 모멘트들(343, 349, 353)은 z-축 방향으로 정렬되지 않는다. 대응하는 영역들(342, 348, 352)의 하나 이상의 자기 모멘트들은 정체점을 따르지 않을 수 있다. 그래서, 스핀 전달 토크가 상기 영역들을 보다 용이하게 스위치할 수 있다. 서브 영역들(342, 348, 352) 사이의 자성 결합 및/또는 스핀 전달 토크는 다른 서브 영역들을 스위치할 수 있다. 그래서, 자유막(340)의 서브 영역들(342, 348, 352)은, 자유막(110)의 막들과 유사한 방식으로, 다른 전류들 및/또는 시간들에서 스위치될 수 있다. 그러나, 자유막(340)의 서브 영역들(342, 348, 352)이 스위치 되는 순서는 자유막(110)의 막들에서와 같이 동일한 방식으로 고정되지 않는다. 자유막(340)의 서브 영역들(342, 348, 352)은 무작위적 순서로, 또는 비자성 스페이서막(220)에 가장 인접한 서브 영역으로부터 비자성 스페이서막(220)으로부터 가장 떨어진 서브 영역의 순서를 배재한 순서로 스위칭할 수 있다.
단일 자유막(340)의 자성 서브 영역들(342, 348~352)은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자성 서브 영역들은 그레인들이다. 일 실시예가 도 14에 도시된다. 도 14는, 자유막(340) 및 서브 영역들(342, 348, 352)와 유사한, 그레인들(342', 348', 352')을 포함하는 자유막(340')의 평면도를 도시한다. 자유막(340')은, 그레인 바운더리들(344', 346', 348')에 의해 분리된 자성 그레인들(342', 348', 352')를 포함한다. 선택적으로, 영역들(342', 348', 352')은, 그레인 바운더리들(grain boundaries) 또는 비자성 매트릭스(nonmagnetic matrix)의 영역들에 의해 분리된 자성 영역들/파티클들(magnetic regions/particles)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 자성 서브 영역들(342', 348', 352')는 다른 방식으로 형성될 수 있다. 도 15는, 자유막(340, 340')과 서브 영역들(342/342', 348/348', 352/352')과 각각 유사한 서브 영역들(342", 348", 352")을 포함하는 자유막(340")의 평면도를 도시한다. 서브 영역들(342", 348", 352")은 포토리소그래피(photolithographically) 또는 다른 유사한 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 서브영역들(342", 348", 352")은 포토리소그래피로 형성된 비자성 영역들(344", 346", 350") 및/또는 그레인 바운더리들에 의해 분리될 수 있다.
도 16은, 자유막(340/340'/340'') 및 서브 영역들342/342'/342'', 348/348'/348'', 352/352'/352''과 각각 유사한, 영역들(342"', 348"', 352"')을 포함하는 자유막(340"')의 평면도를 도시한다. 서브 영역들 (342"', 348"', 352"')은 포토리소그래피 또는 유사한 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 서브 영역들(342"', 348"', 352"')은 포토리소그래피로 형성된 비자성 영역들(344"', 346"', 350"') 및/또는 그레인 바운더리들에 의해 분리될 수 있다. 그러나, 자유막(340")과는 다르게, 서브 영역들(342"', 348"')은, 다른 서브 영역들 내에 있는 자성 영역(352"')을 갖는 다른 자성 영역들을 둘러싼다.
그래서, 자유막들(340, 340', 340'', 340''')의 스위칭에서의 WER 및 롱 테일이 감소될 수 있다. 서브 영역들(342, 348, 352) 낮은 내열 인자와 함께 서브 영역들(342, 348, 352) 사이의 약한 자성 결합은, 동작 온도들 이하에서 자유막(340)를 열적으로 안정하게 하고, 동시에 쓰기 전류, WER 및 오버드라이브를 감소시킨다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 그래서, 자유막(340, 340', 340'', 340'')에 대한 더 빠르고, 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
도 17은, 스핀 전달을 사용하여 스위치 가능한 서브 영역들 사이의 자성 결합뿐만 아니라 낮은 자기적 내열 상수를 갖는 서브 영역들을 포함하는 자유막(340"")의 또 다른 실시예를 도시한다. 명확하게, 도 17은 스케일에 맞지 않는다. 자유막(340"")은 자기 접합(200, 200', 200")의 하나 이상에서 사용될 수 있다. 그래서, 자유막(340"")은 자유막(230, 230', 320")의 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 또한, 자유막(340"")은 자유막(340, 340', 340", 340"')와 유사하다. 그래서 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호로 기재된다.
자유막(340"")은, 막들(342/342'/342''/342''', 348/348'/348''/348''', 352/352'/352''/352''', 344/344'/344''/344''', 346/346'/346''/346''', 350/350'/350''/350''')과, 자기 모멘트들(343/343'/343''/343''', 349/349'/349''/349''', 353/353'/353''/353''')과 각각 유사한 삽입 영역들(344"", 346"", 350"")을 갖는 자성 서브 영역들(342"", 348"", 352"")을 포함하며, 자성 서브 영역들(342"", 348"", 352"")은 자기 모멘트들(343"", 349"", 353"")을 갖는다. 또한, 자성 서브 영역들(344"", 346"", 350"")은 막들(230, 230', 230")의 서브 영역들에 대응한다. 세 개의 자성 영역들(344"", 346"", 350"")이 도시되지만, 다른 개수가 개시될 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유막(340"")의 총 자기 모멘트(341"")는 실질적으로 면 내(예를 들면, 모멘트(341"")의 방향 내)에 있을 수 있다. 그러나, 자기 모멘트들(341"", 343"", 349"", 353"")는 다른 방향들 내에 있을 수 있다.
자유막(340"")은 자유막들(340, 340', 340", 340"')에 대한 유사한 효과를 가질 수 있다. 특히, 자화 용이축(예를 들면, 모멘트 341"")의 방향에 대하여 서로 다른 각도로 형성된 자기 모멘트들(343"", 349"", 353"")에 의해WER가 감소될 수 있으며, 쓰기 속도가 증가할 수 있다. 게다가 서브 영역들 각각에 대한 낮은 내열 인자가, 동작 온도들 이하에서 자유막(340"")을 열적으로 안정하게 하며, 동시에 쓰기 전류, WER 및 오버 드라이브를 감소시킬 수 있다. 더 빠른 쓰기가 성취된다. 따라서, 자유막(340"")에 대하여 더 빠르고 더 적은 오류의 스위칭이 성취될 수 있다.
또한, 자기 접합들(200, 200', 200") 및 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 18은 일 메모리(400)의 일 실시예를 도시한다. 자기 메모리(400)은 워드 라인 선택 드라이버(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 칼럼 선택 드라이버들(402, 408)을 포함한다. 다른 구성 요소들이 더 제공될 수 있다. 메모리(400)의 저장 영역은 자기 저장 셀들(410)을 포함한다. 자기 저장 셀 각각은 적어도 하나의 자기 접합(412) 및 적어도 하나의 선택 소자(414)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 선택 소자(414)는 트랜지스터(transistor)이다. 자기 접합들(412)는 하나 이상의 자기 접합들(200, 200', 200") 및 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')을 포함할 수 있다. 하나의 자기 접합(412)이 셀(410)마다 도시되지만, 다른 실시예들에서, 다른 개수의 자기 접합들(412)이 셀마다 제공될 수 있다.
자기 메모리(400)이 자기 접합들(200, 200', 200") 및 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')을 사용하기 때문에, 성능이 개선될 수 있다. 특히, 더 낮은 스위칭 전류가 메모리(400)의 열적 안정성을 유지하는 동안 사용될 수 있다.
도 19는 자기 접합, 예를 들면, 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')을 사용하는 자기 접합(200, 200', 200")을 제조하기 위한 방법(500)의 일 실시예를 도시한다. 단순함을 위해, 몇몇 단계들은 생략되고 결합되며, 다른 단계에서 수행되고/또는 삽입될 수 있다. 방법(500)은 자기 접합(200)의 맥락에서 기술된다. 그러나 방법(500)은 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')을 사용하는 자기 접합(200, 200', 200")과 같은 다른 자기 접합들에서 사용될 수 있다. 더욱이, 방법(500)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리를 제조하는데 사용될 수 있다. 방법(500)은 또한, 추가 시드막(들), 추가 캡핑막(들) 및 추가 피고정막(도시되지 않음)을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
피고정막(210)이 단계 502를 통해 제공된다. 단계 502는 목적하는 물질로 목적하는 두께로 피고정막(210)을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 단계 502는 SAF를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
비자성막(220)은 단계 504를 통해 제공된다. 단계 504는 결정화된 MgO를 포함하는 목적하는 비자성 물질을 적층하는 것을 포함하지만, 결정화된 MgO로 한정하는 것을 아니다. 추가적으로 단계504에서 목적된 두께의 물질이 적층될 수 있다.
자유막(230)이 단계 506을 통해 제공된다. 단계 506은 목적하는 물질로 목적하는 두께의 자유막(230)을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 제공되는 자유막은 목적하는 낮은 자기적 내열성과 약한 반강자성 결합을 갖는다. 단계 506은 막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')이 제조될 수 있다.
단계 508을 통해 제조가 완료된다. 몇몇 실시예들에서, 단계 508은 막(240)과 같은 추가 스페이서막 및 막(250)과 같은 추가 피고정막의 제조를 포함한다. 추가 캡핑 및/또는 다른 막들이 또한 단계 508에서 적층될 수 있다. 그래서, 방법(500)을 사용하면, 자기 접합들(200, 200', 200") 및 자유막들(230, 230', 230'', 300, 300', 300'', 300''', 300'''', 300''''', 320, 340, 340', 340'', 340''', 340'''')의 효과들을 성취할 수 있다.
자유막의 스위칭 용이, 자유막을 사용하는 자기 접합과 자기 접합을 사용하여 제조된 메모리를 제공하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들과 함께 기술되고, 당해 기술에서 통상의 기술자는 실시예들에 대한 다양한 변형들을 용이하게 인식하며, 변형들은 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에 있다. 따라서, 많은 변형들은 당업자에 의해 첨부된 청구항들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면 만들어질 수 있다.
202: 기판
210: 피고정막/기준막
220: 비자성 스페이서막
230: 자유막

Claims (20)

  1. 피고정막;
    비자성 스페이서막; 및
    다수의 서브 영역들을 갖는 자유막을 포함하되,
    상기 다수의 서브 영역들 각각은 자기적 내열 상수를 가지며, 상기 다수의 서브 영역들은 상기 자유막이 총 자기적 내열 상수를 가지도록 강자성적으로 결합되며;
    상기 자기적 내열 상수는 상기 다수의 서브 영역들 각각이 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 불안정하게 하며, 상기 총 자기적 내열 상수는 상기 자유막이 상기 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 안정하게 하며,
    쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때, 상기 자유막이 다수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하도록 상기 자기 접합이 구성되는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은 적어도 하나의 비자성막이 삽입된 다수의 자성막들을 포함하는 자기 접합.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 자성막들은 제1막 및 제2 막을 포함하되,
    상기 제1막은 제1막 자화를 가지며, 상기 비자성 스페이서막과 가장 인접하며,
    상기 제2 막은 제2막 자화를 가지며 상기 비자성 스페이서막과 가장 멀게 배치되며,
    상기 제1 막 자화는 면에 대하여 수직인 자기 접합.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2막은, 상기 제1 막 자화와 실질적으로 반평행한 상기 제2 막 자화를 가지며, 상기 제1 막 자화는 상기 제2 막 자화의 제2 크기와는 상이한 제1 크기를 갖는 자기 접합.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 자유막은 그 내부에 도메인 벽을 갖는 자기 접합.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 막 자화는 상기 제2 막 자화와 평행한 자기 접합.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 자성막들은 동일한 자기 접합.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은 적어도 하나의 그레인 바운더리에 의해 이격된 다수의 그레인들에 대응되는 자기 접합.
  9. . 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들 각각의 상기 자기적 내열 상수가 △ 일 때, 상기 동작 온도(T)에서 의 내열인자(△/kbT)는 80 이하인 자기 접합.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 △/kbT는 40이하인 자기 접합.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은 상기 비자성 스페이서막으로부터 이격 거리와는 관계 없는 순서로 스위치하도록 구성되는 자기 접합.
  12. 적어도 하나의 자기 접합을 포함하는 다수의 자기 저장 셀들; 및
    상기 자기 저장 셀들과 결합된 다수의 비트 라인들을 포함하되,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 피고정막, 비자성 스페이서막 및 다수의 서브 영역들을 포함하는 자유막을 포함하며,
    상기 다수의 서브 영역들 각각이 자기적 내열 상수를 가지며, 상기 다수의 서브 영역들이 강자성적으로 결합되어 상기 자유막은 총 자기적 내열 상수를 가지며;
    상기 자기적 내열 상수는 상기 다수의 서브 영역들 각각이 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 불안정하게 하며, 상기 총 자기적 내열 상수는 상기 자유막이 상기 동작 온도에서 자기적으로 열적으로 안정하게 하며,
    쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때, 상기 자유막이 다수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하도록 상기 자기 접합이 구성되는 자기 메모리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은, 적어도 하나의 비자성막이 삽입된 다수의 자성막들을 포함하는 자기 메모리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다수의 자성막들은 제1막 및 제2 막을 포함하되,
    상기 제1막은 제1막 자화를 가지며, 상기 비자성 스페이서막과 가장 인접하며,
    상기 제2 막은 제2막 자화를 가지며 상기 비자성 스페이서막과 가장 멀게 배치되며,
    상기 제1 막 자화는 면에 대하여 수직인 자기 메모리.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 제2막은, 상기 제1 막 자화와 반평행한 제2 막 자화를 가지며, 상기 제1 막 자화는 상기 제2 막 자화의 제2 크기와는 상이한 제1 크기를 갖는 자기 메모리.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 자유막은 그 내부에 도메인 벽을 갖는 자기 메모리.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은 적어도 하나의 그레인 바운더리에 의해 이격된 다수의 그레인들에 대응되는 자기 메모리.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들 각각은 80 이하의 열적 안정 상수를 갖는 자기 메모리.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브 영역들은 상기 비자성 스페이서막으로부터 이격 거리와는 관계 없는 순서로 스위치하도록 구성되는 자기 메모리.
  20. 피고정막을 제공하는 단계;
    비자성 스페이서막을 제공하는 단계; 및
    다수의 서브 영역들을 포함하는 자유막을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 다수의 서브 영역들은 자기적 내열 상수를 포함하며, 상기 다수의 서브 영역들은 강자성적으로 결합되어 상기 자유막이 총 자기적 내열 상수를 가지며;
    상기 자기적 내열 상수는 동작 온도에서 상기 다수의 서브 영역들이 자기적으로 열적으로 불안정하게 하고, 상기 총 자기적 내열 상수는 상기 동작 온도에서 상기 자유막이 자기적으로 열적으로 안정하게 하며;
    쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때, 상기 자기 접합은 상기 자유막이 다수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 가능하도록 구성되는 자기 장치에서 사용하기 위한 자기 접합을 제공하기 위한 방법.
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