KR20150016162A - 패키지 구조체를 포함하며 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용될 수 있는 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

자기 장치에서 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 설명된다. 상기 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층, 자유 층 및 패키지 구조체(들)을 포함한다. 상기 피고정 층은 피고정 층 둘레 및 상부 면을 갖는다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 상부 면의 적어도 일부 위 및 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치된다. 상기 자유 층은 자유 층 둘레를 갖는다. 상기 패키지 구조체(들)은 강자성을 띠고, 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중 적어도 하나를 둘러싼다. 상기 패키지 구조체(들)은 상기 피고정 층과 강자성적으로 결합된다. 상기 자기 접합은 기록 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다.

Description

패키지 구조체를 포함하며 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용될 수 있는 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템{Method and system for providing magnetic junctions including a package structure usable in spin transfer torque memories}
본 발명은 자기 접합들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패키지 구조체를 포함하는 자기 접합들에 관한 것이다.
자기 메모리들, 특히 자기 램(Magnetic Random Access Memory: 이하 MRAM)들은 높은 읽기/쓰기 속도, 뛰어난 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소모에 대한 잠재력 때문에 점점 더 주목받고 있다. MRAM은 자기 물질들을 정보 저장매체로 이용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 종류로 스핀 전달 토크 램(Spin Transfer Torque Random Access Memory: 이하 STT-MRAM)이 있다. STT-MRAM은 자기 접합을 통과하는 전류에 의하여 적어도 일부가 기록된 자기 접합들을 이용한다. 자기 접합을 통과하는 스핀 분극된(spin polarized) 전류는 자기 접합 내의 자기 모멘트에 스핀 토크를 가한다. 따라서, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트를 갖는 층(들)은 원하는 상태로 스위칭 될 수 있다.
도 1은 일반적인 STT-MRAM에서 사용될 수 있는 일반적인 이중(dual) 자기 터널링 접합(Magnetic tunneling junction: 이하 MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 이중 MTJ(10)는 일반적으로 하부 컨택(미도시) 상에 배치되고, 일반적인 시드 층(seed layer)(들)(미도시)을 이용하고, 피고정 층들의 자기 모멘트를 고정 또는 피닝(pin)하기 위해 일반적인 반강자성(antiferromagnetic: 이하 AFM) 층들(미도시)을 포함할 수 있다. 일반적인 자기 접합(10)은 자기 모멘트(13)를 갖는 일반적인 제 1 피고정 층(12), 일반적인 제 1 터널링 장벽 층(14), 변화 가능한 자기 모멘트(17)를 갖는 일반적인 자유 층(16), 일반적인 제 2 터널링 장벽 층(18), 및 자기 모멘트(21)를 갖는 일반적인 제 2 피고정 층(20)을 포함한다.
일반적인 피고정 층들(12 및 20)과 일반적인 자유 층(16)은 자성을 띤다. 일반적인 피고정 층들(12 및 20)의 자기 모멘트들(13 및 21)은 특정한 방향으로 고정 또는 피닝된다. 일반적인 피고정 층들(12 및 20)에 바람직한, 면에 수직한 고정 방향(pinning direction)을 위해, 일반적인 피고정 층들(12 및 20)은 각각 상당히 안정한 자기 모멘트(13 및 21)를 갖는다. 비록 단일 층들로 도시되어 있지만, 일반적인 자성 층들(12, 16 및 20)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 자성 층들(12, 16 및/또는 20)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전 층들을 통해 반강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic: 이하 SAF) 층일 수 있다. 그러한 SAF에서, Ru와 같은 얇은 층들이 끼워진 다중 자성 층들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, Ru 층들을 통한 결합은 강자성일 수 있다.
일반적인 자유 층(16)의 자화(17)을 스위치하기 위하여, 면에 수직인 방향(z축 방향)으로 전류가 구동된다. 충분한 전류가 자유 층(16)을 통해 흐를 때, 자유 층(16)은 자기 모멘트(13)에 평행하게 또는 역평행하게 스위치될 수 있다. 자기적 배열(magnetic configuration)들에 있어서 이러한 차이들은 다른 자기저항들 및 이에 따른 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 대응된다.
스핀-전달에 기반한 스위칭을 강화하기 위하여, 일반적인 피고정 층들(12 및 20)은 도시된 것과 같이 이중 상태(dual state)에 있는 것이 바람직하다. 달리 말하자면, 일반적인 자유 층(16)에 가장 가까운 일반적인 피고정 층들(12 및 20)의 자성 층들은 반대 방향의 자기 모멘트들을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이러한 이중 상태는 피고정 층들(12 및 20)의 보자성(coercivity)들이 크게 차이 나도록 함으로써 달성된다. 따라서, 자기 모멘트들(13 및 21)을 나란히 하기 위해 강한 자기장이 자화 용이축(easy axis)을 따라 가해질 수 있다. 그리고 나서, 피고정 층(12 또는 20) 중 하나의 자기 모멘트는 그대로 둔 채, 나머지 하나의 자기 모멘트를 스위치하기 위해 더 약한 자기장이 반대 방향으로 가해질 수 있다.
비록 일반적인 이중 MTJ(10)가 스핀 전달을 이용하여 기록되고 STT-MRAM에서 사용된다 할지라도, 몇 가지 문제점들이 있다. 예를 들어, 기록 오류율(write error rates)이 용인 가능한 임계 스위칭 전류(critical current for switching)와 펄스 폭(pulse width)을 갖는 메모리들에 있어 바람직한 범위를 초과할 수 있다. 기록 오류율은 일반적인 스위칭 전류와 적어도 동일한 전류가 가해지더라도 셀(예를 들어, 일반적인 이중 MTJ(10)의 자유 층(16)의 자기 모멘트(17))이 스위치 되지 않을 확률이다. 일 예로, 일반적인 이중 MTJ(10)는 백 호핑(back hopping)이 발생하기 쉽다. 또한, 일반적인 MTJ(10)를 흐르는 기록 전류는 피고정 층들(12 및/또는 20)의 자기 모멘트(들)(13 및/또는 21)을 불안정하게 만들 수 있다. 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치된 일반적인 자유 층(16)의 자기 모멘트(17)는 그것의 원래 상태로 되돌아갈 수 있다(switch back/hop back). 이러한 백 호핑과 이에 수반되는 증가하는 오류율은 바람직하지 않다. 나아가, 도 1에 도시된 피고정 층들(12 및 20)의 자기 모멘트들(13 및 21)의 이중 상태는 일반적인 이중 MTJ(10)들의 어레이(array)를 포함하는 자기 메모리에서 달성되기 어려울 수 있다. 특히, 어레이에 포함된 개개의 일반적인 이중 MTJ(10)들 사이의 차이들은 상술한 것과 같이 두 개의 자기장을 이용하여 대부분의 또는 모든 어레이를 세팅하는 것을 불가능하게 한다. 이는 몇몇 자기 접합들을 사용할 수 없도록 만든다.
이에 따라, 스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다. 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자기 장치에서 사용할 수 있는 자기 접합을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 자기 접합을 사용한 자기 메모리를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
자기 장치에서 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 설명된다. 상기 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층, 자유 층 및 패키지 구조체(들)을 포함한다. 상기 피고정 층은 피고정 층 둘레 및 상부 면을 갖는다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 상부 면의 적어도 일부 위 및 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치된다. 상기 자유 층은 자유 층 둘레를 갖는다. 상기 패키지 구조체(들)은 강자성을 띠고, 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중 적어도 하나를 둘러싼다. 상기 패키지 구조체(들)은 상기 피고정 층과 강자성적으로 결합된다. 상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 자기 접합에 따르면, 성능이 향상된 자기 접합이 제공된다.
도 1은 일반적인 이중 자기 접합을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 일 예시적인 실시예의 단면도 및 사시도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 다른 예시적인 실시예의 단면도 및 사시도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 한번의 설정 과정(setting procedure) 동안의 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도들을 도시한다.
도 5는 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 6은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 8은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 9는 기록 과정 동안의 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 10은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 11은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 일 예시적인 실시예를 제공하는 방법의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12 내지 도 15는 제조되는 동안의 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합의 일 예시적인 실시예의 단면도들을 도시한다.
도 16은 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리들은 스핀 전달 토크 자기 램(spin transfer torque magnetic random access memory: 이하 STT-MRAM)들을 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리들을 이용하는 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 그러한 전자 장치들은 핸드폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북 및 다른 휴대용 및 비휴대용 컴퓨터 장치들을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며, 특허 출원 및 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들의 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 관점에서 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시예들을 언급하는 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 구성 요소들의 배치 및 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖는 다른 방법들 및 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
자기 접합을 이용하는 자기 메모리뿐만 아니라 자기 접합을 제공하는 방법들 및 시스템들이 설명된다. 예시적인 실시예들은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합들을 제공하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층, 자유 층 및 패키지 구조체(들)을 포함한다. 상기 피고정 층은 피고정 층 둘레 및 상부 면을 갖는다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 상부 면의 적어도 일부 위 및 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 있다. 상기 자유 층은 자유 층 둘레를 갖는다. 상기 패키지 구조체(들)은 강자성을 띠고, 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중 적어도 하나를 둘러싼다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층이 상기 피고정 층과 상기 패키지 구조체의 사이에 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 패키지 구조체(들)은 상기 피고정 층의 상기 상부 면의 일부 상에 배치되고, 적어도 상기 자유 층을 둘러싼다. 그러한 실시예에서, 상기 비자성 삽입 층 또한 상기 피고정 층의 상기 상부 면 상에 배치된다. 다른 실시예들에서, 상기 패키지 구조체들은 상기 피고정 층만을 둘러싼다. 그러한 실시예들에서, 상기 비자성 삽입 층은 상기 피고정 층 둘레 및 상기 패키지 구조체(들) 사이에 있다. 그럼에도 다른 실시예들에서, 상기 패키지 구조체(들)는 상기 피고정 층 및 상기 자유 층을 둘러싼다. 그러한 실시예들에서, 상기 비자성 삽입 층은 상기 피고정 층 둘레와 상기 패키지 구조체(들) 사이 및 상기 자유 층 둘레와 상기 패키지 구조체(들) 사이에 있다. 상기 패키지 구조체(들)은 상기 피고정 층과 강자성적으로 결합된다. 상기 자기 접합은 기록 전류가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다.
예시적인 실시예들은 일정한 구성요소들을 갖는 특정한 자기 접합들 및 자기 메모리들의 맥락에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명에 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 구성요소들 및/또는 다른 특징들을 갖는 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용과 일관성이 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 스핀 전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 그 결과, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 작동에 대한 이론적 설명들은 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상들에 대한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 하지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템은 또한 다른 구조들과도 일관성을 가짐을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법과 시스템은 합성된 및/또는 단일의 일정 층들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 방법 및 시스템은 특정한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 구성들은 자성(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)으로 설명된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 자성이란 용어는 강자성, 페리자성 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 “자성” 또는 “강자성”이라는 용어는 강자성체들 및 페리자성체들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 대로, “면 내(in-plane)”는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, “수직인(perpendicular)” 및 “면에 수직한(perpendicular-to-plane)은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 2a 및 도 2b는 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합(100)의 일 예시적인 실시예의 단면도 및 사시도를 도시한다. 자기 접합(100)이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 일 예로, 자기 장치와 이에 따른 자기 하부구조는 STT-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다.
자기 접합(100)은 피고정(pinned) 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 선택적 충전제(filler)(152), 및 선택적 패키지 구조체(160)를 포함한다. 비록 층들(110, 120, 130, 140, 150, 152 및 160)이 특정한 방향을 갖도록 도시되어 있으나, 이러한 방향은 다른 실시예들에서 달라질 수 있다. 일 예로, 피고정 층(110)이 자기 접합(100)의 상부에 더 가까울 수 있다(도시되지 않은 기판으로부터 가장 멀 수 있다). 몇몇 실시예들에서, 선택적 고정(pinning) 층(미도시)이 비자성 스페이서 층(120)의 반대편 상에서 피고정 층(110)에 인접한다. 그러한 고정 층(미도시)은 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 피고정 층(110)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM 층 또는 다중 층일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 구조가 사용되거나 또는 피고정 층(110)의 자기 모멘트(들)이 안정하여 고정 층이 생략될 수도 있다. 자기 접합(100)은 또한 기록 전류가 자기 접합(100)을 통과할 때, 자유 층(130)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 상부 면의 일부만을 덮도록 연장된다. 비록 유사한 형태이나(예를 들어, 둘 다 타원형이다), 자유 층(130)의 옆으로의/면-내(lateral/in-plane) 크기는 피고정 층(110)의 옆으로의/면-내 크기보다 작다. 달리 말해, 자유 층(130)의 둘레(perimeter)는 피고정 층(110)의 둘레보다 작다. 도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 또한 실질적으로 피고정 층(110)의 중앙 상에 위치한다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 중앙에 위치하지 않을 수 있고/있거나, 피고정 층(110)의 하나 이상의 가장자리들까지 연장될 수 있다. 자기 접합(100)은 자유 층(130) 및 피고정 층(110)이 결혼 케이크의 층들을 닮았기 때문에 “결혼 케이크” 구조를 가졌다고 칭해질 수 있다.
비록 단일 층으로 도시되어 있지만, 자유 층(130)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 자유 층(130)은 Ru와 같은 얇은 층들을 통해 반강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 그러한 SAF에서, Ru 또는 다른 물질로 이루어진 ?은 층(들)이 끼워진 다중 자성 층들이 사용될 수 있다. 자유 층(130)은 또한 다른 다중 층일 수 있다. 일 예로, 자유 층(130)은 자기 접합(100)의 성능을 향상시키기 위하여, 비자성 스페이서 층(120)에 인접하며 강화된 스핀 분극을 갖는 층(분극 강화 층)을 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out of plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 가질 수 있다. 따라서, 자유 층(130)은 면에 수직한 방향의 자기 모멘트(131)를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)의 자기 모멘트는 면 내에 있을 수 있다. 자유 층(130)의 자기 모멘트의 다른 방향들도 가능하다.
스페이서 층(120)은 비자성을 띤다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 절연체(예를 들어, 터널링 장벽(tunneling barrier))이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: 이하 TMR)을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 도체일 수 있다. 대체적 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 다른 구조, 예를 들면 절연성 매트릭스 내에 도전성 채널들을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수 있다. 스페이서 층(120)이 결정성 MgO인 실시예들에서, 자기 접합(100)의 자기저항 및 자유 층(130)의 수직 이방성이 강화될 수 있다.
자기 접합(100)은 또한 추가적 비자성 스페이서 층(140)을 포함할 수 있다. 비자성 스페이서 층(140)은 자유 층(130)의 수직 자기 이방성을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로, 비자성 스페이서 층(140)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 비자성 스페이서 층(140)은 생략될 수 있다.
도시된 피고정 층(110)은 비자성 층(114)에 의해 구분되는 강자성 층들(112 및 116)을 포함하는 SAF이다. 강자성 층(112)이 피고정 층이라 명명되는 반면, 층(116)은 기준 층(116)이라 명명된다. 비자성 층(114)은 Ru와 같은 물질일 수 있으며, 이를 통해 층들(112 및 116)이 결합된다. 도시된 실시예에서, 강자성 층들(112 및 116)은, 예를 들어 RKKY 상호작용을 통해, 반강자성적으로 결합된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서, 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면에 수직한 방향을 향하는 자신의 자기 모멘트(117 및 113)를 각각 갖는다. 다른 실시예들에서, 층들(112 및 116)의 자기 모멘트들은 면 내에 있을 수 있다. 피고정 층(110)의 자기 모멘트들의 다른 방향들도 가능하다. 하지만, SAF 피고정 층(110)에서는, 자기 모멘트들(113 및 117)이 역평행하게 결합된다.
피고정 층(110)의 상부 면, 및 이에 따른 기준 층(116)의 상부 면은 층들(120, 130 및 140)에 의해 일부만이 점유(occupied)된다. 몇몇 실시예들에서, 피고정 층(110)의 (실질적으로 x-y 평면에 있는) 옆으로의 크기(lateral dimension) 는 자유 층(130)의 옆으로의 크기보다 적어도 1.2배이다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 피고정 층(110)의 옆으로의 크기는 자유 층(130)의 옆으로의 크기보다 적어도 1.5배이다. 하지만, 피고정 층(110)의 옆으로의 크기는 일반적으로 자유 층(130)의 옆으로의 크기의 3배보다는 작다. 다른 실시예들에서, 다른 크기 비율들이 가능하다.
도시된 실시예에서, 패키지 구조체(160)는 피고정 층(110) 상에 놓인 스택(stack)(예를 들어, 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130) 및 비자성 스페이서 층(140))이 점유하지 않는 피고정 층(110)의 일부 상에 배치된다. 삽입 층(150)은 패키지 구조체(160)와 피고정 층(110) 사이에 배치된다. 충전제(152)는 패키지 구조체(160)를 자유 층(130) 및 비자성 스페이서 층들(120 및 140)로부터 분리시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 충전제(152) 및 삽입 층(150)은 같은 물질로 만들어질 수 있다. 충전제(152)는 일부 층들을 패키지 구조체(160)로부터 분리시키기 때문에, 삽입 층과 같은 물질을 포함하든 아니든 관계없이 삽입 층(150)의 일부로 여겨질 수 있다. 패키지 구조체(160)는 층들(110, 120, 130 및 140)과 전기적으로 분리되고, 자유 층(130)과 자기적으로 결합되지 않는 것이 바람직하다. 충전제(152)는 절연성 또는 도전성을 띨 수 있다. 삽입 층(150)은 패키지 구조체(160)가 기준 층(116)으로부터 전기적으로 절연되도록 절연성을 띠는 것이 바람직하다. 그러한 실시예들에서, 충전제(152)는 절연성 또는 도전성을 띨 수 있다. 만약 절연성을 띤다면, 충전제(152)는 삽입 층(150)과 같은(또는 다른) 물질들로 이루어졌을 수 있다. 만약 충전제(152)가 도전성을 띤다면, 충전제(152)는 Ru, Rh, Ir 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(150)은 비자성을 띠는 반면, 다른 실시예들에서, 삽입 층(150)은 자성을 띤다. 삽입 층(150)이 비자성을 띠는 실시예들에서, 또한, 삽입 층(150)이 패키지 구조체(160)과 자유 층(130) 사이로 연장되는 것이 고려될 수 있다(예를 들어, 충전제(152)를 포함할 수 있다). 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 비자성 물질이 이 영역에 사용될 수 있다.
패키지 구조체(160)는 강자성을 띠고, 자유 층(130)을 둘러싼다. 일 예로, 패키지 구조체(160)에 사용될 수 있는 물질들은 CoxFeyBz(x+y+z=1), Co/Pt(다중 층 또는 합금), Fe/Pt(다중 층 또는 합금), Fe/Pd(다중 층 또는 합금), Co/Pd(다중 층 또는 합금), Co/Ni(다중 층 또는 합금) 및/또는 희토류 기반 다중 층들 또는 합금들을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 희토류 기반 다중 층들 또는 합금들은 CoFeTb, CoFeGd, FeTb, FeGd, CoTb, 및/또는 CoGd를 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 도 2b에 도신된 것과 같이, 패키지 구조체(160)는 자유 층(130)의 측면들을 둘러싼다. 도시된 실시예에서, 패키지 구조체(160)는 충전제(152)에 의해 자유 층(130)으로부터 분리되어 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 배열들이 가능하다. 일 예로, 충전제(152)는 생략, 다른 물질로 대체, 및/또는 삽입 층(150)의 일부로 여겨질 수 있다. 패키지 구조체(160)는 자유 층(130)과 자기적으로 비결합될 수 있으나, 피고정 층(110)과는 강자성적으로 결합될 수 있다. 좀 더 상세히 말하자면, 패키지 구조체(160)는 기준 층(116)과 강자성적으로 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 패키지 구조체(160)는 기준 층(116)에 교환 결합(exchange coupled)될 수 있다. 다른 실시예들에서, 구조체(160)는 기준 층(116)과 정자기적으로(magnetostatically) 결합될 수 있다. 다른 자기적 결합들도 가능할 수 있다. 삽입 층(150)이 비자성을 띠는 실시예들에서, 삽입 층(150)은 패키지 구조체(160)와 피고정 층(110) 사이의 결합을 허용하기에 충분한 만큼 얇을 수 있다. 도시된 실시예에서, 패키지 구조체(160)는 비자성 스페이서 층(140)의 상부까지 연장된다. 다른 실시예들에서, 패키지 구조체(160)는 다른 높이들을 가질 수 있다. 하지만, 패키지 구조체(160)는 일반적으로 적어도 자유 층(130)의 상부까지는 연장되는 것이 바람직하다. 패키지 구조체(160)의 바깥 둘레는 피고정 층(110)의 바깥 둘레와 실질적으로 나란하다. 하지만, 패키지 구조체(160)의 내부 둘레는 자유 층(130)의 둘레보다 크다. 따라서, 패캐지 구조체(160)는 자유 층(130)으로부터 공간적으로 떨어져 있고, 자기적으로 비결합된다.
자기 접합(100)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 피고정 층(110)은 자유 층(130)보다 큰 옆으로의 크기를 갖는다. 자기 모멘트들(113 및 117)은 더 안정할 수 있다. 결과적으로, 자기 모멘트들(113 및 117)은 면에 수직한 전류를 이용하여 자유 층(130)이 프로그래밍 되는 동안 덜 교란된다. 이러한 안정성은 피고정 층(110)과 자기적으로 결합되는 패키지 구조체(160)의 존재로 인해 더 향상된다. 따라서, 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 나아가, 기준 층(116) 및 피고정 층(112)의 더 큰 옆으로의 크기들은 자기 접합(100)이 메모리 어레이에 사용될 때 감소된 소자들 사이의 차이(cell-to-cell variation)를 의미할 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110)에 SAF를 사용하는 것은 자유 층(130) 상에 감소된, 자기 접합(100)의 다른 자성 층들로 인한, 총(net) 정자기장을 야기한다. 이는 기준 층(116)에 의한 자유 층(130)에서의 자기장이 피고정 층(112)에 의한 자기장에 의한 자기장으로 인해 적어도 일부가 상쇄되기 때문이다. 따라서, 자기 접합(100)의 성능이 향상될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 자기 접합(100')의 다른 예시적인 실시예의 단면도 및 사시도를 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(100')은 자기 접합(100)과 유사하다. 따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100')은 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 선택적 충전제(152), 및 선택적 패키지 구조체(160)에 각각 유사한 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 충전제(152) 및 선택적 패키지 구조체(160')을 포함한다. 자기 접합(100')은 또한 자기 모멘트(171)을 갖는 추가적 피고정 층(170)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(100')은 이중 자기 접합이다. 자기 접합(100)과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 사용될 수 있다. 자기 접합(100')은 기록 전류가 자기 접합(100')을 통과할 때, 자유 층(130)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다. 100'
자기 접합(100')은 결혼 케이크 구조를 포함한다. 따라서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 상부 면의 일부만을 덮도록 연장된다. 도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 또한 실질적으로 피고정 층(110)의 중앙 상에 위치한다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 중앙에 위치하지 않을 수 있고/있거나, 피고정 층(110)의 하나 이상의 가장자리들까지 연장될 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있지만, 상술한 바와 같이 자유 층(130)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자유 층(130)은 면에 수직한 방향의 자기 모멘트(131)를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)의 자기 모멘트는 면 내에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)의 자기 모멘트의 다른 방향들도 가능하다.
스페이서 층들(120 및 140)은 비자성을 띤다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층들(120 및/또는 140)은, 예를 들어 터널링 장벽과 같은, 절연체들이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 TMR을 강화할 수 있다. 그러한 물질(들)을 사용하는 것은 또한 자유 층(130)의 수직 자기 이방성을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)은 도전체(들)을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 물질(들)일 수 있다.
도시된 피고정 층(110)은 비자성 층(114)에 의해 분리되는 강자성 층들(112 및 116)을 포함하는 SAF이다. 하지만, 다른 실시예들에서, 피고정 층(110)은 단일 층일 수 있다. 일 예로, 기준 층(116)이 피고정 층(110)으로 사용되고, 층들(112 및 114)은 생략될 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 실시예에서, 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면에 수직한 방향을 향하는 자신의 자기 모멘트(117 및 113)를 각각 갖는다. 다른 실시예들에서, 층들(112 및 116)의 자기 모멘트들은 다른 방향들을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 피고정 층(110)의 옆으로의 크기는 자유 층(130)의 옆으로의 크기보다 클 수 있다.
또한, 피고정 층(170)이 면을 벗어나는 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(171)은 면에 수직하다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(170)은 다른 방향을 향하는 자기 모멘트(171)를 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 피고정 층(170)의 옆으로의 크기는 자유 층(130)의 옆으로의 크기와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 피고정 층(170)은 자유 층(130)의 둘레보다 크지 않은 둘레를 갖는다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 구성들도 가능하다. 일 예로, 피고정 층(170)의 적어도 일부가 패키지 구조체(160') 상으로 연장될 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 패키지 구조체(160')는 피고정 층(170)의 하부 면까지 연장되지 않는다. 다른 그러한 실시예들에서, 피고정 층(170)은 피고정 층(170)의 일부는 패키지 구조체(160')에 의해 둘러싸이고, 피고정 층(170)의 다른 부분은 패키지 구조체(160') 상으로 연장되도록 구성될 수 있다. 여전히 다른 실시예들에서, 피고정 층(170)은 자유 층(130)의 옆으로의 크기보다는 크지만, 패키지 구조체(160')의 내부 옆으로의 크기보다는 작은 옆으로의 크기를 가질 수 있다. 두 경우 모두에서, 피고정 층(170)은 패키지 구조체(160')과 공간적으로 떨어져 있다. 또한 피고정 층(170)단일 층으로 도시되어 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 피고정 층(170)은 다중 층일 수 있다. 일 예로, 피고정 층(170)은 SAF일 수 있다.
삽입 층(150)은 패키지 구조체(160')와 피고정 층(110) 사이에 배치될 수 있다. 충전제(152)는 패키지 구조체(160')와 층들(120, 130, 140 및 170) 사이에 있을 수 있다. 충전제(152)의 일부 또는 전부는 삽입 층(150)의 일부로 여겨질 수 있다. 삽입 층(150)의 부분(들) 및 충전제(152)는 절연성이거나 도전성, 및 비자성이거나 자성일 수 있다. 하지만, 패키지 구조체(160')는 층들(110, 120, 130, 140 및 170) 전기적으로 분리되고, 자유 층(130)과 자기적으로 결합되지 않는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(150) 및 충전제(152)는 비자성 절연체인 것이 바람직하다. 삽입 층(150)이 비자성을 띠는 실시예들에서, 또한, 삽입 층(150)이 자유 층(130)과 패키지 구조체(160') 사이의 충전제(152)를 포함하는 것이 고려될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 비자성 물질들이 사용될 수 있다.
패키지 구조체(160')는 피고정 층(110) 상에 놓인 스택(stack)이 점유하지 않는 피고정 층의 일부 상에 배치된다. 패키지 구조체(160')는 강자성을 띠고, 적어도 자유 층(130)을 둘러싼다. 패키지 구조체(160')는 자유 층(130)과 자기적으로 비결합될 수 있으나, 피고정 층(110)과는 강자성적으로 결합될 수 있다. 좀 더 상세히 말하자면, 패키지 구조체(160')는 기준 층(116)과 강자성적으로 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 패키지 구조체(160')는 기준 층(116)에 교환 결합(exchange coupled)될 수 있다. 다른 실시예들에서, 패키지 구조체(160')는 기준 층(116)과 정자기적으로(magnetostatically) 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 결합들도 가능할 수 있다. 도시된 실시예에서, 패키지 구조체(160')는 피고정 층(170)의 상부까지 연장된다. 상술한 바와 같이, 패키지 구조체(160')는 다른 높이들을 가질 수 있다. 하지만, 패키지 구조체(160')는 일반적으로 적어도 자유 층(130)의 상부까지는 연장되는 것이 바람직하다. 패키지 구조체(160')의 바깥 둘레는 피고정 층(110)의 바깥 둘레와 실질적으로 나란하다. 하지만, 패키지 구조체(160')의 내부 둘레는 자유 층(130)의 둘레 및, 도시된 실시예에서, 피고정 층(170)의 둘레보다 크다. 따라서, 패캐지 구조체(160')는 자유 층(130) 및 피고정 층(170)으로부터 공간적으로 떨어져 있고, 자기적으로 비결합된다.
자기 접합(100')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 피고정 층(110)과 자유 층(130)의 옆으로의 크기에 있어서의 차이 때문에, 자기 모멘트들(113 및 117)은 더 안정할 수 있다. 이러한 안정성은 피고정 층(110)과 자기적으로 결합되는 패키지 구조체(160')의 존재로 인해 더 향상된다. 결과적으로, 피고정 층(110)은 자유 층(130)이 프로그래밍 되는 동안 덜 교란될 수 있다. 따라서, 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 나아가, 피고정 층(110)의 더 큰 옆으로의 크기들은 자기 접합(100')이 메모리 어레이에 사용될 때 감소된 소자들 사이의 차이(cell-to-cell variation)를 야기할 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110)에 SAF를 사용하는 것은 자유 층(130) 상에 감소된 총 정자기장을 야기한다. 따라서, 자기 접합(100')의 성능이 향상될 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110 및 170)에서의 차이들은 더 자연적으로 스페이서 층들(120 및 140)에 걸쳐 다른 터널링 자기저항들을 야기한다. 자유 층 자기 모멘트(131)가 기준 층 자기 모멘트(117)와 평행할 때의 자기 접합(100')의 자기 저항은 자유 층 자기 모멘트(131)가 기준 층 자기 모멘트(117)와 역평행할 때의 자기 접합(100')의 자기 저항과 다를 수 있다. 따라서, 도시된 것과 같이 피고정 층들(110 및 170)이 이중 상태에 있을 때라도 자기 접합(100')이 더 쉽게 읽혀질 수 있다.
나아가, 피고정 층(110)(예를 들어, 기준 층(116)) 및 피고정 층(170)은 더 쉽게 도 3a에 도시된 이중 상태로 설정될 수 있다. 이는 패키지 구조체(160')가 이중 상태를 위한 플럭스 폐쇄(flux closure)을 돕기 때문이다. 플럭스 폐쇄 때문에, 자기 접합(100')의 더 낮은 에너지 상태가 이중 상태가 된다. 결과적으로, 자기 접합(100')은 설정 과정(setting procedure) 없이 이중 상태에 더 쉽게 놓일 수 있다. 그 외에, 자기 모멘트들(113, 117 및 171)의 방향에 실질적으로 수직한 단일 필드(field)의 적용을 이용하여, 설정 과정이 단순해질 수 있다. 따라서, 자기 접합(100')을 기록을 위한 이중 상태로 설정하기 위하여 다중 필드들이 필요하지 않을 수 있다.
이러한 이점을 더 상세히 설명하기 위하여, 도 4a 내지 도 4c는 그러한 설정 과정 동안의 자기 접합(100')의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 단일 필드(Hext)가 자기 접합(100')에 가해진다. 이러한 필드는 상온에서 또는 어닐링(anneal) 중 가해질 수 있다. 이러한 필드는 도 4a에 도시되어 있다. 필드(Hext)가 가해진 결과, 자기 모멘트들(113', 117', 161'' 및 171')이 필드(Hext)와 나란히 배열될 수 있다. 필드(Hext)는 따라서 구조들(112, 116, 160' 및 170)의 보자성들보다 클 수 있다. 필드(Hext)는 또한 층들(112 및 116) 사이의 결합 필드(coupling field)보다 클 수 있다. 가해진 필드(Hext)는 또한 가장 작은 자기 모멘트를 갖는 층(112, 116, 160' 또는 170)이 포화될 수 있도록 충분히 큰 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서, 이러한 층은 피고정 층(170)일 수 있다.
도 4b는 필드가 0(zero)을 향해 감소될 때, 자기 접합(100')의 상태를 도시한다. 필드가 0에 도달한 것은 아니기 때문에, 필드(Hext)보다 작은 필드(Hext2)가 가해지는 것으로 도시되어 있다. 필드(Hext2)는 층들(112 및 116) 사이의 결합 필드보다 작다. 그 결과, 자기 모멘트들(117'' 및 113'')은 역평행하다. 또한 층들(112 및 116)의 수직 이방성 에너지가 그들의 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하기 때문에, 자기 모멘트들(117'' 및 113'')은 면을 벗어나도록 비스듬하다. 유사하게, 패키지 구조체(160')의 자기 모멘트(161''')이 또한 면을 벗어나도록 비스듬하다. 패키지 구조체(160')와 기준 층(116') 사이의 강자성 결합 때문에, 자기 모멘트(161''')는 자기 모멘트(117'')에 실질적으로 나란하다. 패키지 구조체(160')로부터의 결과적인 플럭스 라인들이 또한 도시되어 있다. 도시된 자기 모멘트(161''')의 방향 및 플럭스 라인들은 자기 모멘트(171'')를 면을 벗어나도록 자기 모멘트들(117'' 및 161''')의 반대 방향으로 비스듬하게 하는 경향이 있다.
가해지는 자기 필드는 0(zero)으로 계속하여 감소한다. 그 결과, 자성 층들(112, 116, 160' 및 170)의 자기 모멘트들은 그들의 자기 이방성 때문에 더욱 면을 벗어나는 방향을 향하게 된다. 도 4c는 가해지는 필드가 0까지 감소된 후의 평형 상태의 자기 접합(100')을 도시한다. 자기 접합(100')은 따라서 자기 모멘트(117)가 자기 모멘트(171)의 반대 방향에 있는 이중 상태에 있다. 따라서, 도 4c에 도시된 자기 접합(100')은 도 3a에 도시된 자기 접합과 실질적으로 동일하다. 하지만, 패키지 구조체(160')와 피고정 층(170) 사이에 플럭스 폐쇄 라인들이 또한 도시되어 있다.
따라서, 자기 접합(100')은 (예를 들어, 자화 용이축의 수직인) 자화 곤란축(hard axis) 방향으로 단일 필드를 가함으로써 이중 상태로 설정될 수 있다. 자기 접합(100')의 설정 과정은 따라서 단순화될 수 있다. 자기 접합(100')이 이중 상태에 있을 때, 스핀 전달 토크는 강화된다. 스핀 전달 토크를 이용하여 자기 접합(100')에 기록하는 것은 따라서 더 쉽게 향상될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100')의 성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 5는 자기 접합(100'')의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 도 5는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(100'')은 자기 접합들(100 및 100')과 유사하다. 따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100'')은 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 선택적 충전제(152), 선택적 패키지 구조체(160/160'), 및 피고정 층(170)에 각각 유사한 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 충전제(152'), 선택적 패키지 구조체(160') 및 피고정 층(170')을 포함한다. 따라서, 자기 접합(100'')은 이중 자기 접합이다. 자기 접합들(100 및 100')과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 자기 접합(100'')은 기록 전류가 자기 접합(100'')을 통과할 때, 자유 층(130)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(100'')은 결혼 케이크 구조를 포함한다. 따라서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 상부 면의 일부만을 덮도록 연장된다. 도시된 실시예에서, 자유 층(130)은 또한 실질적으로 피고정 층(110)의 중앙 상에 위치한다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)은 피고정 층(110)의 중앙에 위치하지 않을 수 있고/있거나, 피고정 층(110)의 하나 이상의 가장자리들까지 연장될 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있지만, 상술한 바와 같이 자유 층(130)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 자유 층(130)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자유 층(130)은 면에 수직한 방향의 자기 모멘트(131)를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유 층(130)의 자기 모멘트의 다른 방향들도 가능하다.
스페이서 층들(120 및 140)은 비자성을 띤다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층들(120 및/또는 140)은, 예를 들어 터널링 장벽과 같은, 절연체들이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 TMR을 강화할 수 있다. 그러한 물질(들)을 사용하는 것은 또한 자유 층(130)의 수직 자기 이방성을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)은 도전체(들)을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 물질(들)일 수 있다.
도시된 피고정 층(110)은 비자성 층(114)에 의해 분리되는 강자성 층들(112 및 116)을 포함하는 SAF이다. 하지만, 다른 실시예들에서, 피고정 층(110)은 단일 층일 수 있다. 일 예로, 기준 층(116)이 피고정 층(110)으로 사용되고, 층들(112 및 114)은 생략될 수 있다. 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 기준 층(116) 및 피고정 층(112) 각각은 면에 수직한 방향을 향하는 자신의 자기 모멘트(117 및 113)를 각각 갖는다. 다른 실시예들에서, 층들(112 및 116)의 자기 모멘트들은 다른 방향들을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 피고정 층(110)의 옆으로의 크기는 자유 층(130)의 옆으로의 크기보다 클 수 있다.
피고정 층(170')은 비자성 층(174)에 의해 분리되는 강자성 층들(172 및 176)을 포함하는 SAF이다. 강자성 층들(172 및 176)의 자기 모멘트들(173 및 177)은 반강자성적으로 결합된다. 또한, 자기 모멘트들(173 및 177)은 면에 수직하다. 강자성 층들(172 및 176) 각각은 따라서 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 다른 실시예들에서, 자기 모멘트들(173 및 177)은 다른 방향을 향할 수 있다.
도시된 실시예에서, 강자성 층(172) 및 비자성 층(174)의 옆으로의 크기는 자유 층(130)의 옆으로의 크기와 실질적으로 동일하다. 하지만, 강자성 층(176)의 일부는 패키지 구조체(160') 상으로 연장된다. 강자성 층(176)의 다른 일부는 좁아져 패키지 구조체(160')에 의해 둘러싸일 수 있다. 강자성 층(176)은 자신의 엣지(edge) 근처에서 직각의 모서리를 갖는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 강자성 층(176)의 일부가 좁아지는 것은 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 층(176)은 강자성 층(172)에 가까울수록 좁아지는 사다리꼴일 수 있다. 다른 실시예에서, 강자성 층(176) 전체가 패키지 구조체(160') 위로 연장될 수 있다. 하지만, 피고정 층(170')은 여전히 패키지 구조체(160')과 공간적으로 떨어져 있다. 다른 실시예들에서, 다른 구조들이 가능하다.
패키지 구조체(160')는 피고정 층(110) 상에 놓인 스택(stack)이 점유하지 않는 피고정 층(110)의 일부 상에 배치된다. 삽입 층(150)은 패키지 구조체(160')와 피고정 층(110) 사이에 배치될 수 있다. 충전제(152')는 패키지 구조체(160')와 층들(120, 130, 140 및 170') 사이에 있다. 따라서, 충전제(152')의 일부는 강자성 층(176)과 패키지 구조체(160')의 사이에 있다. 나아가, 상술한 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 충전제(152')는 삽입 층(150)의 일부로 여겨질 수 있다. 패키지 구조체(160')는 강자성을 띠고, 적어도 자유 층(130)을 둘러싼다. 패키지 구조체(160')는 자유 층(130)과 자기적으로 비결합될 수 있으나, 피고정 층(110)과는 강자성적으로 결합될 수 있다. 좀 더 상세히 말하자면, 패키지 구조체(160')는 기준 층(116)과 강자성적으로 결합된다. 패키지 구조체(160')는 강자성 층(172)의 상부보다는 높으나, 강자성 층(176)의 적어도 일부의 하부보다는 낮다. 상술한 바와 같이, 패키지 구조체(160')는 다른 높이들을 가질 수 있다. 패키지 구조체(160')의 바깥 둘레는 피고정 층(110)의 바깥 둘레와 실질적으로 나란하다. 하지만, 패키지 구조체(160')의 내부 둘레는 자유 층(130)의 둘레 및, 도시된 실시예에서, 강자성 층(172)의 둘레보다 크다.
자기 접합(100'')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 피고정 층(110)과 자유 층(130)의 옆으로의 크기에 있어서의 차이 때문에, 강자성 층(176)과 자유 층(130)의 옆으로의 크기에 있어서의 차이 때문에, 그리고 패키지 구조체(160')의 존재 때문에 피고정 층들(110 및 170)의 안정성은 향상될 수 있다. 따라서, 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 나아가, 피고정 층(110)의 더 큰 옆으로의 크기들은 자기 접합(100'')이 메모리 어레이에 사용될 때 감소된 소자들 사이의 차이(cell-to-cell variation)를 야기할 수 있다. 그 외에, 피고정 층들(110 및 170)에 SAF를 사용하는 것은 자유 층(130) 상에 감소된 총 정자기장을 야기할 수 있다. 따라서, 자기 접합(100'')의 성능이 향상될 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110 및 170')에서의 차이들은 더 자연적으로 스페이서 층들(120 및 140)에 걸쳐 다른 터널링 자기저항들을 야기한다. 따라서, 도시된 것과 같이 피고정 층들(110 및 170)이 이중 상태에 있을 때라도 자기 접합(100'')이 더 쉽게 읽혀질 수 있다.
자기 접합(100'')은 또한 더 쉽게 이중 상태로 설정될 수 있다. 이중 상태는 어닐링과 함께 또는 어닐링 없이 단일 필드를 가함으로써 설정될 수 있다. 하지만, 가해지는 단일 필드는 자화 곤란축으로부터 조금 벗어난 각도인 것이 바람직할 수 있다. 달리 말하자면, 가해지는 필드는 면으로부터 조금 벗어난 각도일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 각도는 10도 내지 40도일 수 있다. 피고정 층(110) 및 강자성 층(176)의 더 큰 옆으로의 크기들은 강자성 층(172)보다 더 큰 모멘트 및 가해지는 필드와 나란히 배열되려는 강한 경향성에 상응한다. 일 예로, 가해지는 필드가 충분히 클 때 피고정 층(112), 기준 층(116), 강자성 층(172) 및 강자성 층(176)은 가해지는 필드와 나란히 배열될 수 있다. 필드가 감소되더라도, 기준 층(116) 및 강자성 층(176)은 필드와 거의 나란한 방향으로 배열된 채로 남는다. 피고정 층들(110 및 170') 사이의 상호작용은 자기 모멘트들(117 및 177)에 역평행하게 배열되는 더 작은 강자성 층(172)을 야기한다. 필드가 계속하여 감소함에 따라, 층들(112, 116, 172 및 176)의 수직 자기 이방성들은 자기 모멘트들(113, 117, 173 및 177)이 면을 벗어나도록 한다. 더 큰 층들(112, 116 및 176)과의 상호작용 때문에, 자기 모멘트(173)는 자기 모멘트(177)에 역평행하다. 그들 모두 반강자성적으로 결합되기 때문에, 자기 모멘트들(113 및 117) 또한 역평행하다. 따라서, 자기 접합(100'')은 이중 상태로 더 쉽게 설정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 큰 층들(112, 116 및 176)의 자기 모멘트들의 크기 및 층들(112, 116, 172 및 176) 사이의 상호작용들은 (예를 들어, 퀴리 온도(Curie temperature) 이상의) 높은 온도 어닐링만을 이용하여 이중 상태를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 설정 과정은 상술한 바와 유사한 방식으로 기능한다. 하지만, 특히 어닐링과 함께, 가해지는 자기 필드를 사용하는 것은 일반적으로 바람직하다. 따라서, 스핀 전달 토크를 이용하여 자기 접합(100'')에 기록하는 것은 더 쉽게 향상될 수 있다.
도 6은 자기 접합(100''')의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 도 6은 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(100''')은 자기 접합들(100, 100' 및 100'')과 유사하다. 따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100''')은 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 선택적 충전제(152/152'), 선택적 패키지 구조체(160), 및 피고정 층(170)에 각각 유사한 피고정 층(110'), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150), 충전제(152), 선택적 패키지 구조체(160') 및 피고정 층(170)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(100''')은 이중 자기 접합이다. 자기 접합들(100, 100' 및 100'')과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 자기 접합(100''')은 또한 기록 전류가 자기 접합(100''')을 통과할 때, 자유 층(130)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(100''')에서, 피고정 층(110')은 단일 피고정 층이다. 따라서, 자기 모멘트(117)를 갖는 하나의 단일 자성 층만이 사용된다. 비록 피고정 층(170)이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는, 피고정 층(170')이 대신할 수 있다. 하지만, 층들의 구조 및 기능은 실질적으로 동일하게 유지된다.
자기 접합(100''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 피고정 층(110')과 자유 층(130)의 옆으로의 크기에 있어서의 차이 및 패키지 구조체(160')의 존재 때문에 피고정 층들(110' 및 170)의 안정성은 향상될 수 있다. 따라서, 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 나아가, 피고정 층(110')의 더 큰 옆으로의 크기들은 자기 접합(100''')이 메모리 어레이에 사용될 때 감소된 소자들 사이의 차이(cell-to-cell variation)를 야기할 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110' 및 170)에서의 차이들은 더 자연적으로 스페이서 층들(120 및 140)에 걸쳐 다른 터널링 자기저항들을 야기한다. 따라서, 도시된 것과 같이 피고정 층들(110' 및 170)이 이중 상태에 있을 때라도 자기 접합(100''')이 더 쉽게 읽혀질 수 있다. 나아가, 패키지 구조체(160')의 존재 때문에 자기 접합(100''')은 이중 상태로 더 쉽게 설정될 수 있다. 따라서, 스핀 전달 토크를 이용하여 자기 접합(100''')에 기록하는 것은 더 쉽게 향상될 수 있다.
도 7은 자기 접합(100'''')의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 도 7은 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(100'''')은 자기 접합들(100, 100', 100'' 및 100''')과 유사하다. 따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(100'''')은 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150)/선택적 충전제(152/152'), 선택적 패키지 구조체(160), 및 피고정 층(170)에 각각 유사한 피고정 층(110'), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150'), 선택적 패키지 구조체(160'') 및 피고정 층(170)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(100'''')은 이중 자기 접합이다. 자기 접합들(100, 100', 100'' 및 100''')과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 자기 접합(100'''')은 또한 기록 전류가 자기 접합(100'''')을 통과할 때, 자유 층(130)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(100'''')에서, 피고정 층들(110' 및 170)은 각각 단일 피고정 층이다. 하지만, 다른 실시예들에서, 층들(110' 및 170) 중 하나 또는 모두는 SAF를 포함하나 이에 한정되지는 않는 다중 층일 수 있다. 하지만, 층들의 구조 및 기능은 실질적으로 동일하게 유지된다.
그 외에, 패키지 구조체(160'')는 피고정 층(110')과 자유 층(130) 모두를 둘러싼다. 따라서, 층들(110', 120, 130, 140 및 170)의 바깥 둘레들은 패키지 구조체(160'')의 내부 둘레보다 작다. 하지만, 패키지 구조체(160'')는 여전히 피고정 층(110')과 강자성적으로 결합된다. 그 외에, 패키지 구조체(160'')는 여전히 적어도 자유 층(130)의 상부까지는 연장되도록 충분히 높은 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서, 패키지 구조체(160'')는 피고정 층(170)의 상부까지 연장된다. 다른 실시예들에서, 다른 높이들도 가능하다. 또한 도시된 실시예에서, 피고정 층(110')과 패키지 구조체(160'') 사이의 삽입 층(150')은 패키지 구조체(160'')와 층들(120, 130, 140 및 170) 사이의 충전제를 포함하는 것으로 명백하게 여겨질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(150')은 다중 층들 및/도는 다중 물질들을 포함할 수 있다.
자기 접합(100'''')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 피고정 층(110')과 자유 층(130)의 옆으로의 크기에 있어서의 차이 및 패키지 구조체(160'')의 존재 때문에 피고정 층들(110' 및 170)의 안정성은 향상될 수 있다. 따라서, 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 나아가, 피고정 층(110')의 더 큰 옆으로의 크기들은 자기 접합(100'''')이 메모리 어레이에 사용될 때 감소된 소자들 사이의 차이(cell-to-cell variation)를 야기할 수 있다. 그 외에, 피고정 층(110' 및 170)에서의 차이들은 더 자연적으로 스페이서 층들(120 및 140)에 걸쳐 다른 터널링 자기저항들을 야기한다. 따라서, 도시된 것과 같이 피고정 층들(110' 및 170)이 이중 상태에 있을 때라도 자기 접합(100'''')이 더 쉽게 읽혀질 수 있다. 나아가, 패키지 구조체(160'')의 존재 때문에 자기 접합(100'''')은 이중 상태로 더 쉽게 설정될 수 있다. 따라서, 스핀 전달 토크를 이용하여 자기 접합(100'''')에 기록하는 것은 더 쉽게 향상될 수 있다.
도 8은 자기 접합(200)의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 도 8은 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(200)은 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''' 및 100'''')과 유사하다. 따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(200)은 피고정 층(110/110'), 비자성 스페이서 층(120), 자유 층(130), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(140), 선택적 삽입 층(150/150')/선택적 충전제(152/152') 및 선택적 패키지 구조체(160/160'/160'')에 각각 유사한 피고정 층(210), 비자성 스페이서 층(220), 자유 층(230), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(240), 삽입 층(250) 및 패키지 구조체(260)를 포함한다. 따라서 유사한 물질(들)이 사용될 수 있다. 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''' 및/또는 100'''')과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 기록 전류가 자기 접합(200)을 통과할 때, 자유 층(230)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(230)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(200)은 자유 층(230)이 자기 접합(200)의 일부 너비까지만 연장되는 결혼 케이크 구조를 포함한다. 도시된 실시예에서, 자유 층(230)은 실질적으로 피고정 층(210) 위로 연장되며, 실질적으로 피고정 층(210)의 중앙 상에 위치한다. 하지만, 후술할 바와 같이, 패키지 구조체(260)는 자유 층(230)과 피고정 층(210) 모두를 둘러싼다. 달리 말하자면, 패키지 구조체(260)의 내부 둘레는 자유 층(230) 및 피고정 층(210)의 둘레들보다 크다. 따라서, 자기 접합(200)은 비록 수정된 것일지라도 결혼 케이크 구조를 갖는 것으로 여겨질 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있으나, 상술한 바와 같이, 자유 층(230)은 다중 층들을 포함할 수 있다. 자유 층(230)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자유 층(230)은 면에 수직한 자기 모멘트(231)를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 자유 층(230)의 자기 모멘트의 다른 방향들도 가능하다.
스페이서 층들(220 및 240)은 비자성을 띤다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층들(220 및/또는 240)은, 예를 들어 터널링 장벽과 같은, 절연체들이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(들)(220 및/또는 240)은 (100) 방향을 갖는 결정성 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 자기 접합의 TMR을 강화할 수 있다. 그러한 물질(들)을 사용하는 것은 또한 자유 층(230)의 수직 자기 이방성을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(들)(220 및/또는 240)은 도전체(들)을 포함하나 이에 한정되지는 않는 다른 물질(들)일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층(240)은 생략될 수 있다.
도시된 피고정 층(210)은 비자성 층(214)에 의해 분리되는 강자성 층들(212 및 216)을 포함하는 SAF이다. 하지만, 다른 실시예들에서, 피고정 층(210)은 단일 층일 수 있다. 일 예로, 기준 층(216)이 피고정 층(210)으로 사용되고, 층들(212 및 214)은 생략될 수 있다.
기준 층(216) 및 피고정 층(212) 각각은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 갖는다. 따라서, 기준 층(216) 및 피고정 층(212) 각각은 면에 수직한 방향을 향하는 자신의 자기 모멘트(217 및 213)를 각각 갖는다. 다른 실시예들에서, 층들(212 및 216)의 자기 모멘트들은 다른 방향들을 가질 수 있다.
패키지 구조체(260)는 피고정 층(210)을 둘러싼다. 삽입 층(250)은 패키지 구조체(260)와 피고정 층(210) 사이에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(250)은 5nm 이하의 두께이다. 따라서, 패키지 구조체(260)와 피고정 층(210)은 3nm이하의 너비로 분리될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(250) 0.5nm 이하의 두께이다. 하지만, 삽입 층(250)은 피고정 층(210)과 패키지 구조체(260) 사이의 자기 결합을 제어하도록 제공되는 것이 바람직하다. 나아가, 패키지 구조체(260)는 연 자성(soft magnetic) 물질들을 포함하고, 면 내에 자화 용이축을 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 자화 용이축은 자기 모멘트(261) 방향에 있을 수 있다. 패키지 구조체(260)는 자유 층(230)과 자기적으로 비결합될 수 있으나, 피고정 층(210)과는 강자성적으로 결합될 수 있다. 좀 더 상세히 말하자면, 패키지 구조체(260)는 피고정 층(210)으로부터 교환 비결합된다. 하지만 반대로, 패키지 구조체(260)는 피고정 층(210)과 정자기적으로 결합될 수 있다. 도시된 실시예에서, 패키지 구조체(260)은 피고정 층(210)의 상부까지 연장된다. 상술한 바와 같이, 패키지 구조체(260)은 다른 높이들을 가질 수 있다. 패키지 구조체(260)의 내부 둘레는 피고정 층(210)의 바깥 둘레보다 크다. 나아가, 피고정 층(210)은 패키지 구조체(260) 내 개구부의 중앙에 위치한다. 따라서, 패키지 구조체(260)는 자유 층(230)과 공간적으로 분리되고, 자기적으로 비결합된다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(210)이 패키지 구조체(260)의 중앙에서 벗어난 것과 같은 다른 구조들이 사용될 수 있다.
자기 접합(200)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 피고정 층(210)과 자기적으로 결합된 패키지 구조체(260)의 존재 때문에, 피고정 층(210)의 안정성이 향상될 수 있다. 이는 기록 과정 동안의 자기 접합을 도시하는 도 9를 참조하여 확인할 수 있다. 면에 수직한 기록 전류를 구동하는 것은 피고정 층(216)의 자기 모멘트를 교란시킬 수 있다. 이는 도 9에서 자화 용이축 주변을 세차 운동하는 기준 층(216)의 자기 모멘트(217')에 의해 보여진다. 하지만, 자기 모멘트들(261' 및 261'')은 자기 모멘트(217')의 교란을 줄이는 경향이 있다. 따라서, 자기 접합(200)은 도 8에 도시된 상태로 되돌아오기 쉽다. 결과적으로, 피고정 층(210)은 면에 수직한 전류를 이용하여 자유 층(230)이 프로그래밍 되는 동안 덜 교란될 수 있다. 따라서 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 그 외에, 피고정 층(210)에 SAF를 사용하는 것은 자유 층(230) 상에 감소된 총 정자기장을 야기한다. 따라서, 자기 접합(200)의 성능이 향상될 수 있다.
도 10은 자기 접합(200')의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 도 10은 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 일 예로, 기판뿐만 아니라 시드 및/또는 캐핑 층들이 생략되었다. 자기 접합(200')은 자기 접합(200)과 유사하다.
따라서, 유사한 층들은 비슷한 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(200')은 피고정 층(210), 비자성 스페이서 층(220), 자유 층(230), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(240), 삽입 층(250) 및 패키지 구조체(260)에 각각 유사한 피고정 층(210), 비자성 스페이서 층(220), 자유 층(230), 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(240), 삽입 층(250') 및 패키지 구조체(260)를 포함한다. 그 외에, 자기 접합(200')은 피고정 층(270)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(200')은 이중 자기 접합이다. 자기 접합(200)과 관련하여 상술한 바와 같이, 다른 및/또는 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 자기 접합(200')은 또한 기록 전류가 자기 접합(200')을 통과할 때, 자유 층(230)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(230)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치될 수 있다.
자기 접합(200')에서, 피고정 층(270)은 단일 피고정 층이다. 따라서, 자기 모멘트(271)를 가지는 하나의 단일 자성 층만이 도시되어 있다. 대체적인 실시예들에서, 피고정 층(270)은 SAF를 포함하나 이에 한정되지는 않는 다중 층일 수 있다. 피고정 층(270)은 또한 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(271)는 면에 수직하다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(270)은 다른 방향을 향하는 자신의 자기 모멘트(271)을 가질 수 있다. 그 외에, 비자성 삽입 층(250')은 피고정 층(270)까지 연장된다. 하지만, 다른 실시예들에서, 비자성 삽입 층(270)은 다른 높이를 가질 수 있다. 하지만, 층들의 구조 및 기능은 실질적으로 동일하게 유지된다.
자기 접합(200')은 향상된 성능을 가질 수 있다. 패키지 구조체(260)의 존재 때문에, 피고정 층들(210 및 270)의 안정성이 향상될 수 있다. 따라서 백 호핑이 완화되거나 예방될 수 있다. 그 외에, 피고정 층(210 및/또는 270)에 SAF를 사용하는 것은 자유 층(230) 상에 감소된 총 정자기장을 야기한다. 따라서, 자기 접합(200')의 성능이 향상될 수 있다.
도 11은 자기 접합을 제조하는 방법(300)의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 간략히 하기 위하여, 몇몇 과정들은 생략되거나 결합될 수 있다. 도 12 내지 도 15는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 크기의 비율이 아니며, 자기 접합의 모든 구성요소들이 도시된 것이 아니다. 제조 방법(300)은 자기 접합(350)의 관점에서 설명된다. 하지만, 제조 방법(300)은 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')과 다른 자기 하부구조에서도 사용될 수 있다. 나아가, 제조 방법(300)은 자기 메모리들의 제조에 포함될 수 있다. 따라서 제조 방법(300)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리의 제조에 사용될 수 있다.
단계(302)를 통해서 피고정 층(360)이 제공된다. 단계(302)는 바람직한 물질들을 강자성 층(360)에 바람직한 두께로 증착하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어 SAF와 같은, 다중 층들이 단계(302)의 일부로서 제공될 수 있다. 단계(304)를 통해, 스택의 나머지 층들이 제공된다. 이러한 층들은 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''' 및/또는 100'''')의 피고정 층보다 작은 옆으로의 크기를 갖는다. 이러한 층들은 자기 접합들(200 및/또는 200')의 피고정 층과 거의 같은 옆으로의 크기를 갖는다. 단계(304)는 따라서 이온 빔 증착(ion beam deposition)을 이용해 층들을 증착하는 것, 스퍼터링 하는 것, 원자 층 증착(atomic layer deposition), 또는 다른 메커니즘을 통해 수행될 수 있다. 그리고 나서 직접적(direction) 식각, 반응성 이온 식각(reactive ion etch) 또는 이온 연마(ion mill)는 스택의 바깥 가장자리들을 제거할 수 있다. 피고정 층(360)이 또한 정의될 수 있다. 일 예로, 도 12는 스택(370)이 제공된 이후의 자기 접합(350)을 도시한다. 스택(370)의 둘레는 피고정 층(360)의 둘레보다 작다. 따라서, 도시된 실시예는 자기 접합(100, 100', 100'', 100''' 및/또는 100'''')에 대응할 수 있다. 그렇지 않으면, 자기 접합(200 및/또는 200')에서, 이러한 층들은 피고정 층과 같은 옆으로의 크기를 가질 수 있다. 따라서, 스택(370) 및 피고정 층(360)의 모든 층들이 실질적으로 동일한 옆으로의 크기를 갖는 스택을 제공하기 위해 연마될 수 있다.
단계(306)를 통해, 층(170, 170' 및/또는 270)과 같은 상부 피고정 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단계(306)는 패키지 구조체가 제조된 이후에 수행된다. 하지만, 만약 추가적인 피고정 층이 패키지 구조체의 내부 크기보다 작은 옆으로의 크기를 갖는다면, 단계(306)는 단계(310) 전에 수행될 수 있다.
단계(308)를 통해, 삽입 층이 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(308)는 바람직한 비자성 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 일 예로, 절연 층이 이온 빔 증착, 스퍼터링, 또는 원자 층 증착을 통해 증착될 수 있다. 그 외에, 단계(308)에서 물질의 바람직한 두께가 증착될 수 있다. 도 13은 단계(308)이 수행된 이후의 자기 접합(350)을 도시한다. 따라서, 삽입 층(380)이 증착되어 있다.
단계(310)을 통해, 패키지 구조체를 위한 물질(들)이 증착된다. 패키지 구조체를 위한 자성 물질들은 전면적으로 증착(blanket deposited)될 수 있다. 일 예로, 자성 물질들은 이온 빔 증착, 스퍼터링, 또는 원자 층 증착을 통해 증착될 수 있다. 도 14는 단계(310)이 수행된 이후의 자기 접합(350)을 도시한다. 따라서, 패키지 구조체를 위한 물질들(390)이 증착되어 있다.
그리고 나서 단계(312)를 통해, 과잉 증착된 물질들이, 예를 들어 이온 연마 또는 평탄화(planarization)를 통해, 제거될 수 있다. 도 15는 단계(312)가 수행된 이후의 자기 접합(350)을 도시한다. 따라서, 패키지 구조체(390') 및 삽입 층(380')이 남아 있다. 따라서, 자기 접합(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')이 형성될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')의 이점들이 달성될 수 있다.
나아가, 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 16은 그러한 메모리(400)의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 메모리(400)는 워드 라인 선택 드라이버(word line select driver)(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 열 선택 드라이버들(reading/writing column select drivers)(402 및 406) 포함한다. 다른(other 및/또는 different) 구성 요소들도 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 자기 메모리(400)의 저장 영역(storage region)은 자기 저장 셀들(410)을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀은 적어도 하나의 자기 접합(412)과 적어도 하나의 선택 장치(selection device)(414)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(414)는 트랜지스터이다. 자기 접합들(412)은 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/도는 200') 중 하나일 수 있다. 비록 셀(410) 당 하나의 자기 접합(412)이 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 셀 당 다른 개수의 자기 접합들(412)이 제공될 수 있다. 이를 통해, 자기 메모리(400)은 위에서 설명된, 더 낮은 소프트 오류율(soft error rate) 및 낮은 임계(critical) 스위칭 전류와 같은 효과들을 누릴 수 있다.
다양한 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')이 개시되었다. 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')의 다양한 특징들이 결합될 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 감소된 쓰기 오류율 및/또는 피고정 층들에 대한 더 안정한 설정 메커니즘과 같은 자기 접합들(100, 100', 100'', 100''', 100'''', 200 및/또는 200')의 하나 이상의 이점들이 달성될 수 있다.
자기 접합 및 자기 접합을 사용하여 제조된 메모리를 제공하는 방법 및 시스템을 설명되었다. 상기 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 부합되게 설명되었고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형들이 있을 수 있고, 어떤 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그런 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 만들어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 자기 장치에 사용되는 자기 접합에 있어서,
    피고정 층 둘레 및 상부 면을 갖는 제 1 피고정 층;
    상기 상부 면의 적어도 제 1 부분 상에 배치되는 비자성 스페이서 층;
    자유 층 둘레를 갖는 자유 층; 및
    강자성을 띠며 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중의 적어도 하나를 둘러싸는 적어도 하나의 패키지 구조체를 포함하되,
    상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치되고, 상기 자유 층 둘레는 상기 피고정 층 둘레보다 크지 않고, 상기 적어도 하나의 패키지 구조체는 상기 제 1 피고정 층과 강자성적으로 결합되며,
    상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 흐를 때, 상기 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태들(stable magnetic states) 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성되는 자기 접합.
  2. 제 1 항에 있어서,
    삽입 층을 더 포함하되, 상기 삽입 층의 적어도 일부는 상기 패키지 구조체와 상기 피고정 층 사이에 있는 자기 접합.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피고정 층의 상기 상부 면의 제 2 부분이 상기 자유 층 둘레와 상기 피고정 층 둘레 사이에 배치되도록 상기 자유 층 둘레는 상기 피고정 층 둘레보다 작고, 상기 적어도 하나의 패키지 구조체는 상기 자유 층을 실질적으로 둘러싸며, 상기 삽입 층의 적어도 일부는 상기 피고정 층의 상기 상부 면의 상기 제 2 부분 상에 배치되는 자기 접합.
  4. 제 3 항에 있어서,
    추가적 비자성 스페이서 층을 더 포함하되, 상기 자유 층은 상기 추가적 비자성 스페이서 층과 상기 비자성 스페이서 층 사이에 있는 자기 접합.
  5. 제 4 항에 있어서,
    추가적 피고정 층을 더 포함하되, 상기 추가적 비자성 스페이서 층은 상기 자유 층과 상기 추가적 피고정 층 사이에 있는 자기 접합.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가적 피고정 층은:
    제 1 강자성 층;
    비자성 층; 및
    상기 제 1 강자성 층과 자기적으로 결합되는 제 2 강자성 층을 포함하되, 상기 적어도 하나의 패키지 구조체의 적어도 일부는 상기 피고정 층의 일부 및 상기 제 2 강자성 층의 일부 사이에 직접적으로 배치되는 자기 접합.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 피고정 층은:
    강자성 기준 층;
    비자성 층; 및
    상기 강자성 기준 층과 자기적으로 결합되는 강자성 피고정 층을 포함하되, 상기 비자성 층은 상기 강자성 피고정 층과 상기 강자성 기준 층 사이에 있는 자기 접합.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중 상기 적어도 하나는 면에 수직한 자기 모멘트를 갖는 자기 접합.
  9. 복수의 자기 저장 셀들; 및 복수의 비트 라인들을 포함하되,
    상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 제 1 피고정 층, 비자성 스페이서 층, 자유 층, 및 적어도 하나의 패키지 구조체를 포함하고,
    상기 제 1 피고정 층은 피고정 층 둘레 및 상부 면을 가지고, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 상부 면의 적어도 제 1 부분 상에 배치되고, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 상기 자유 층 사이에 배치되고, 상기 자유 층은 자유 층 둘레를 가지고, 상기 자유 층 둘레는 상기 피고정 층 둘레보다 크지 않고, 상기 적어도 하나의 패키지 구조체는 강자성을 띠며 상기 자유 층 및 상기 피고정 층 중 적어도 하나를 둘러싸고, 상기 적어도 하나의 패키지 구조체는 상기 제 1 피고정 층과 강자성적으로 결합되고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 기록 전류가 상기 자기 접합을 흐를 때, 상기 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성되는 자기 메모리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 삽입 층을 더 포함하되, 상기 삽입 층의 적어도 일부는 상기 패키지 구조체와 상기 피고정 층 사이에 있는 자기 메모리.
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