KR20150018390A - 체심입방 코발트를 이용하며, 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용하기 적합한 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

체심입방 코발트를 이용하며, 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용하기 적합한 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

자기 장치에 사용할 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 설명된다. 상기 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층 및 자유 층을 포함한다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 있다. 상기 자유 층은 체심입방(body-centered cubic: BCC) 코발트를 포함한다. 상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다.

Description

체심입방 코발트를 이용하며, 스핀 전달 토크 메모리들에서 사용하기 적합한 자기 접합들을 제공하는 방법 및 시스템{Method and system for providing magnetic junctions using bcc cobalt and suitable for use in spin transfer torque memories}
본 발명은 자기 접합들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체심입방 코발트를 이용하는 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 주목 받고 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-RAM)이 있다. STT-RAM은 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.
일 예로, 도 1은 일반적인 STT-RAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기 터널링 접합(Magnetic tunneling junction: 이하 MTJ)(10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 하부 컨택(11) 상에 배치되고, 일반적인 시드 층(seed layer)(들)(12)을 이용하고, 일반적인 반강자성(antiferromagnetic: 이하 AFM) 층(14), 일반적인 피고정 층(pinned layer)(16), 일반적인 터널링 장벽 층(tunneling barrier layer)(18), 일반적인 자유 층(free layer)(20), 및 일반적인 캐핑 층(capping layer)(22)을 포함한다. 또한 상부 컨택(24)도 도시된다.
일반적인 컨택들(11, 24)은 면 수직 전류(current-perpendicular-to-plane: CPP) 방향, 또는 도 1에서 도시된 Z축으로 전류를 구동하기 위해 사용된다. 일반적인 시드 층(들)(12)은 일반적으로, AFM 층(14)과 같은, 원하는 결정 구조를 갖는 그 다음 층들의 성장을 돕는데 활용된다. 일반적인 터널링 장벽 층(18)은 비자성이며, 일 예로 MgO와 같은 얇은 절연체이다.
일반적인 피고정 층(16)과 일반적인 자유 층(20)은 자성을 갖는다. 일반적인 피고정 층(16)의 자화(17)는 일반적으로 AFM 층(14)과의 교환-바이어스(exchange-bias) 상호작용에 의해 특정 방향으로 고정(fixed)되거나 피닝된다(pinned). 비록 단일 층으로 도시되었으나, 일반적인 피고정 층(16)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 피고정 층(16)은 루테늄(Ru)과 같은 얇은 도전 층들을 통하여 반강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic: 이하 SAF) 층일 수 있다. 이와 같은 SAF 층에서, 루테늄(Ru) 박막이 삽입된 복수의 자성 층들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 루테늄(Ru) 층들을 통한 결합은 강자성적일 수 있다. 나아가, 일반적인 MTJ(10)의 다른 형태들은 추가적인 비자성 장벽 층 또는 도전 층(미도시)에 의해 자유 층(20)으로부터 분리된 추가적인 피고정 층(미도시)을 포함할 수 있다.
일반적인 자유 층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일 층으로 도시되었으나, 일반적인 자유 층(20)은 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 일반적인 자유 층(20)은 루테늄(Ru)과 같은 도전성 박막 층들을 통하여 반강자성적 또는 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 층일 수 있다. 비록 일반적인 자유 층(20)의 자화(21)는 면 내(in-plane)로 도시되었지만, 일반적인 자유 층(20)의 자화(21)는 수직 이방성(perpendicular anisotropy)을 가질 수 있다. 따라서, 피고정 층(16) 및 자유 층(20)은 각 층의 면에 수직인 방향의 자기 모멘트들(17, 21)을 각각 가질 수 있다.
일반적인 자유 층(20)의 자화(21)를 스위치(switch) 하기 위하여, 면에 수직인 방향(Z축 방향)으로 전류가 구동된다. 충분한 전류가 상부 컨택(24)으로부터 하부 컨택(11)으로 흐를 때, 일반적인 자유 층(20)의 자화(21)는 일반적인 피고정 층(16)의 자화(17)에 평행하게 스위치(switch)될 수 있다. 충분한 전류가 하부 컨택(11)으로부터 상부 컨택(24)으로 흐를 때, 자유 층의 자화(21)는 피고정 층(16)의 자화(17)에 반평행하게 스위치 될 수 있다. 자기적 배치(magnetic configuration)들의 차이점들은 다른 자기저항들(magnetoresistances)과 이에 따른 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 상응한다.
다양한 응용에 사용 가능한 잠재력 때문에, 자기 메모리들에 대한 연구가 진행 중이다. 일 예로, STT-RAM의 성능을 향상시키기 위한 메커니즘들(mechanisms)이 요구된다. 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(pinned layer), 비자성 스페이서 층(nonmagnetic spacer layer) 및 자유 층(free layer)을 포함한다. 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 있다. 상기 자유 층은 체심입방(body centered cubic: 이하 BCC) 코발트를 포함한다. 상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 자기 접합에 따르면, 성능이 향상된 자기 접합이 제공된다.
도 1은 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 자유 층에 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 자유 층에 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 일 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6는 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12는 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 접합에서 사용될 수 있는 자기 구조의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13은 자유 층에 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 14는 자유 층에 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 15는 저장 셀(들)의 메모리 소자(들)에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 16은 자유 층에 BCC 코발트를 포함하며, 스핀 전달 토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에서 사용될 수 있는 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 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.
예시적인 실시예들은 자기 장치(들)에서 사용될 수 있는 자기 접합(들)을 포함한다. 일 예로, 자기 접합(들)은 스핀 전달 토크(spin transfer torque)를 이용하여 프로그램 가능한 자기 메모리에 쓰이는 자기 저장 셀들 내에 있을 수 있다. 자기 메모리들은 비휘발성 저장을 활용한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 그러한 전자 장치들은 핸드폰, 태블릿 및 다른 휴대용 컴퓨터 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층 및 자유 층을 포함한다. 비자성 스페이서 층은 피고정 층과 자유 층 사이에 있다. 자유 층은 체심입방(body-centered cubic: 이하 BCC) 코발트(Co)를 포함한다. 자기 접합은 기록 전류(write current)가 자기 접합을 통과할 때, 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 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. 방법 및 시스템은 또한 단일 자기 접합들과 하부 구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템이 복수의 자기 접합들을 가지고 복수의 하부 구조들을 사용하는 자기 메모리들의 사용에도 부합됨을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 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)”은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 자기 접합(100)과 주변 구조들의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(100)은 스핀 전달 토크 램(Spin Transfer Torque Random Access Memory: 이하 STT-RAM)와 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(100)은 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120) 및 자유 층(130)을 포함한다. 또한, 트랜지스터(이에 한정되지는 않는다)를 포함하는 장치들이 형성될 수 있는 하부 기판(101)이 도시되어 있다. 비록 층들(110, 120, 130)이 기판(101)에 대해 특정한 방향으로 도시되어 있지만, 이 방향은 다른 실시예들에서 달라질 수 있다. 일 예로, 피고정 층(110)은 자기 접합(100)의 상부 근처(기판으로부터 가장 멀리)에 있을 수 있다. 또한, 선택적인(optional) 시드 층(seed layer, 104), 선택적인(optional) 고정 층(pinning layer, 106) 및 선택적인(optional) 캐핑 층(capping layer, 108)이 도시되어 있다. 선택적인 고정 층(106)은 피고정 층(110)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정 층(106)은 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 피고정 층(110)의 자화(미도시)를 고정하는 반강자성(antiferromagnetic: 이하 AFM) 층 또는 다중 층일 수 있다. 하지만 다른 실시예들에서는, 선택적인 고정 층(106)은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 일 예로, 피고정 층(110)의 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)가 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out of plane demagnetization energy)를 초과한다면, 피고정 층(110)의 자기 모멘트는 면에 수직일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 선택적인 고정 층(106)은 생략될 수 있다. 또한 자기 접합(100)은 기록 전류(write current)가 자기 접합(100)을 통과할 때, 자유 층(130)이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
피고정 층(110)은 자성을 가지며, 피고정 층(110)의 자화는 자기 접합의 작동 중 적어도 일부 동안 특정 방향으로 고정되거나(fixed) 피닝 될(pinned) 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있기는 하나, 피고정 층(110)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 피고정 층(110)은 루테늄(Ru)과 같은 박막들을 통하여 반강자성적으로 또는 강자성적으로 결합된 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnetic: 이하 SAF)일 수 있다. 그러한 SAF에서, 루테늄(Ru) 또는 다른 물질로 이루어진 박막(들)이 삽입된 복수의 자기 층들이 사용될 수 있다. 비록 도 2에 자화(magnetization)가 도시되어 있지는 않지만, 피고정 층(110)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(110)의 자기 모멘트는 면 내(in plane)에 있을 수 있다. 다른 방향을 갖는 피고정 층(110)의 자화도 가능하다.
스페이서 층(120)은 비자성을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 터널링 장벽(tunneling barrier)과 같은 부도체이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 자유 층(130)의 수직 자기 이방성뿐만 아니라 자기 접합의 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: 이하 TMR)을 강화시킬 수 있는 결정성(crystalline) 산화마그네슘(magnesium oxide: 이하 MgO)을 포함할 수 있다. 결정성 MgO 비자성 스페이서 층(120)은 또한 자유 층(130)의 코발트에 BCC 결정 구조를 제공하는 것을 도울 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 구리와 같은 도전체일 수 있다. 다른 대체 실시예들에서, 스페이서 층(120)은 다른 구조, 예를 들면 절연성 매트릭스 내에 도전성 채널들을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수 있다.
자유 층(130)은 자성을 가지고, 작동 온도에서 열적으로(thermally) 안정하다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 자유 층(130)의 내열성 계수(thermal stability coefficient, Δ)는 작동 온도(즉, 실온 내지 실온보다 다소 높은 온도)에서 적어도 60이다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(130)은 다중 층이다. 일 예로, 자유 층(130)은 SAF 이고/또는, 교환 결합된(exchange coupled) 인접한 다중 강자성체 층을 포함할 수 있다.
자유 층(130)은 또한 BCC 코발트를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, BCC 코발트는 자유 층(130) 내의 층(들) 형태이다. 비록 BCC라 명명하긴 했으나, 단위 격자(unit cell)의 모든 축의 길이가 같지 않을 수 있으므로, 실제 구조는 정방정계(tetragonal)로 여겨질 것이다. 달리 말하면, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, BCC 코발트는 체심입방(body-centered cubic) 코발트, 체심정방(body-centered tetragonal, 이하 BCT) 코발트 및 유사한 결정 구조들을 포함할 수 있다. 또한, 벌크(bulk) 코발트의 경우, 결정 구조가 조밀육방구조(hexagonal closed packed: 이하 HCP)임을 유의해야 한다. 따라서, BCC 코발트는 HCP 결정 구조를 제외하는 것으로 여겨질 것이다. 자유 층(130)의 적어도 일부는 BCC 코발트를 포함함을 보장하기 위해서, 자유 층(130)은 하나 이상의 BCC 코발트 층을 포함할 수 있다.
자유 층(130)에 BCC 코발트를 제공하기 위하여 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 일 예로 낮은 두께가, 특히 에피택시얼 성장(epitaxial growth)과 함께, 사용될 수 있다. 일 예로, 자유 층(130)은 20 옹스트롬(Angstrom) 보다 얇은 두께를 갖는 BCC 코발트층(들)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(130) 내의 BCC 코발트 층(들)은 12 옹스트롬 보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 코발트 층들은 적어도 6 옹스트롬 이상의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 코발트 층들은 6 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 코발트 층들은 8 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 코발트의 두께는 사용된 단층막들(monolayers)의 개수로 측정될 수 있다. 일 예로, 몇몇 실시예들에서, 2개 내지 16개의 BCC 코발트 단층막들이 자유 층(130)에 존재할 수 있다. 다른 실시예들에서, 4개 내지 12개의 BCC 코발트 단층막들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 4개 내지 8개의 BCC 코발트 단층막들이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 두께들도 가능할 수 있다. 일 예로, 분자선 에피택시얼 법(molecular beam epitaxy)을 증착 방법으로 사용하여 40 옹스트롬 내지 80 옹스트롬의 두께를 갖는 BCC 코발트 층들을 얻는 것이 가능할 수 있다.
나아가, 자유 층(130)은 BCC 코발트의 성장을 촉진하는 물질(들)을 포함할 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 크롬(Cr), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 텅스텐(W), 희토류(Re) 및/또는 오스뮴(Os)과 같은 물질로 이루어진 층들이 포함될 수 있다. 이러한 물질들은 코발트 및 BCC 결정 구조보다 큰 표면 에너지를 가지고 있다. 이러한 점이 코발트의 BCC 결정 구조 성장을 촉진할 수 있다. 몇몇의 이러한 자유 층(130)들에서, BCC 코발트의 성장을 촉진하기 위해 사용된 물질들은 하나 이상의 철(Fe), 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)일 수 있다.
BCC 코발트의 성장은 또한 아래와 같이 더 일반적으로 이해될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예들은 BCC 코발트의 성장에 대한 특정한 물리적 설명에 의존하지 않음을 유의해야 한다. BCC 코발트의 존재는 시스템 내의 에너지들의 관점에서 이해될 수 있다. BCC 코발트는 일반적으로 면심입방(face-centered cubic: 이하 FCC)보다 큰 총 에너지를 가지고 있을 것으로 예측된다. 또한, FCC 코발트 격자는 HCP 코발트 격자보다 큰 에너지를 갖는다. 결과적으로 다른 것이 없다면, 벌크(bulk) 코발트는 HCP 결정 구조를 가지려는 경향을 보인다. 에피택시얼 성장(epitaxial growth)의 경우, 갈륨비소(GaAs) 기판의 그것과 같이, BCC 상(phase)이 FCC 상에 비해 작은 격자 불일치(lattice mismatch, 약 0.2%)를 갖는다. 코발트 층의 두께가 상대적으로 얇을 때, 기판과의 에피택시얼 관계(epitaxial relationship)에 기인한 계면 에너지는 FCC 또는 HCP 상으로의 전환을 위한 벌크 에너지(bulk energy)를 극복하기에 충분할 수 있다. 결과적으로, 코발트의 BCC 결정 구조는 위에서 논의한 바와 같이, 얇은 두께들에서 안정화될 수 있다. 마찬가지로, BCC 코발트 격자 내의 변형 에너지(strain energy) 또한 위에서 논의한 에너지 계산에 고려될 수 있다. 일반적으로, BCC 상이 에너지적으로 선호되도록 코발트가 구성된다면, 코발트는 BCC 결정 구조를 가질 것이다.
BCC 상을 유지하기 위해 더 얇은 두께의 코발트를 사용하는 대신 또는 이에 부가하여, 다른 방법들이 시스템의 에너지가 BCC 성장을 선호하도록 구성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 코발트의 계면 에너지가 조정될 수 있다. 이를 실행하기 위한 일 방법은 특정한 기판(들), 시드 층(seed layer)(들) 및/또는 캐핑 층(capping layer)들을 선택하는 것이다. 마찬가지로, 층들은 BCC 코발트 층들 사이에 삽입될 수 있다. BCC 코발트와 나머지 층들 사이의 표면들에서의 계면 에너지는 BCC 상이 가장 안정되도록 하는 결과를 야기할 수 있다. 결함들(defects) 및 분순물들(impurities)/도펀트들(dopants)은 또한 BCC 상의 총 에너지 줄이고 BCC 상이 존재하는데 도움을 줄 수 있는 추가적인 에너지 항(term)에 기여한다. 위에서 논의한 바와 같이, 변형(strain)은 또한 BCC 코발트가 에너지적으로 선호되는 구성(configuration)을 얻기 위해 사용될 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 많은 실시예들에서, 계면 에너지 및 얇은 두께는 BCC 코발트가 에너지적으로 더 선호되도록 하는 다른 방법들과 함께 사용될 수 있다.
결함들(defects)은 또한 코발트 층의 에너지가 BCC 결정 구조를 선호하도록 구성하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 결함들을 만들기 위한 방법들은 증착 및 공정 변수의 변화를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 증착 속도, 증착 온도, 증착 압력, 증착 후 어닐링(annealing), 및 다른 공정 조건들이 조정될 수 있다. 원자들의 유입량을 증가시키면서 원자들의 표면 확산을 제한하는 것은 일반적으로 높은 결함 밀도(higher defect density)로 이어지는 적절한 이완(adequate relaxation) 없는 막 성장의 원인이 된다.
도펀트들(dopants)도 또한 BCC 구조가 더 선호되도록 하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도펀트들은 결함들을 만들기 위해 도입될 수 있다. 이러한 결함들은 BCC 상이 더 안정할 수 있도록 해준다. 도펀트들은 또한 BCC 상을 강화하기 위해 도입될 수 있다. 일 예로, 구조적(structural) 도펀트들은 벌크 화합물들(bulk compounds)에서 BCT/FCT 구조를 형성하는 것으로 알려진 화합물들의 BCC 성향을 강화할 수 있다. 그러한 구조적 도펀트들은 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 납(Pd), 백금(Pt), 및 로듐(Rh)과 같이 순수한 벌크 형태에서 FCC인 도펀트들뿐만 아니라 크롬(Cr), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 및 텅스텐(W)과 같이 순수한 벌크 형태에서 BCC인 도펀트들을 포함할 수 있다. 어떠한 범용 도펀트들이 도입되었는지와 관계없이, 그것들은 성장 중에, 어닐링 시에, 그리고 그 후의 공정 시에 박막의 거동에 영향을 미친다. 몇몇 도펀트들은 또한 원자 운동에 대한 에너지 장벽들을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 이 효과는 특히 성장 중에 특정 결정 면들에 따른 확산 속도를 선택적으로 증가시키거나 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 일 예로, 100면에서의 성장을 돕기 위하여 에너지 장벽들은 111면과 110면에 대해 우선적으로 감소할 수 있다. 이는 계면 활성제의 도움을 받는 성장과 유사하다. BCC 코발트의 이론적인 모멘트(theoretical moment)는 상대적으로 높은 약 1.6 내지 1.7 보어마그네톤(bohr magneton)이라는 점에 유의해야 한다. 이 값은 FCC 및 HCP 코발트와 큰 차이가 나지 않는 것이다. 불순물들/결함들의 또 다른 효과는 모멘트를 낮추는 것일 수 있는데, 이는 STT 스위칭을 용이하게 하기 위해 포화 자화(saturation magnetization: Ms)를 원하는 레벨로 조정하는 것을 허용한다.
바람직한 자기 저항 및 스위칭 전류와 같이 바람직한 자기적 특성들을 제공하기 위해 다른 물질들도 또한 자유 층(130)에 포함될 수 있다. 일 예로, 자유 층(130)은 하나 이상의 Fe, CoFe 및/또는 CoFeB 층들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, CoFeB는 일반적으로 10 원자 퍼센트(atomic percent) 이하의 보론(B)을 포함함에 유의해야 한다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(130)은 MgO와 같은 시드 층 또는 캐핑 층을 포함할 수 있는데, 이는 자유 층(130)의 수직 자기 이방성을 강화한다. 몇몇 실시예들에서, MgO는 자유 층(130)의 코발트가 BCC 구조를 갖는 것을 돕는다. 따라서, 자유 층(130)에 BCC 코발트를 사용하는 것은 바람직한 특성들을 가지는 자유 층(130)을 설계하는 것의 일부일 수 있다.
자기 접합(100) 및 자유 층(130)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위치될 수 있다. 따라서, 더 국부적인 물리 현상이 자유 층(130)에 기록하는데 사용될 수 있다. 자유 층(130) 및 자기 접합(100)의 자기적 성질들도 또한 설정될 수 있다. 일 예로, 강화된 자기 저항 내지 터널링 자기 저항, 낮은 스위칭 전류, 및/또는 수직 이방성이 달성될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100)은 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 3은 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합(100')의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 접합(100')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 일 예로, 자기 장치는, 따라서 자기 접합은, STT-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 3은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(100')은 자기 접합(100)과 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 따라서 자기 접합(100')은 도 2에 도시된 것과 유사하게 피고정 층(110), 비자성 스페이서 층(120) 및 자유 층(130)을 포함한다. 도 2와 유사하게 하부 기판(101), 하부 컨택(102), 선택적인 시드 층(들)(104), 선택적인 캐핑 층(들)(108) 및 상부 컨택(103)이 또한 도시되어 있다. 층들(110, 120, 130)이 기판(101)에 대해 특정한 방향으로 도시되어 있지만, 이 방향은 다른 실시예들에서 달라질 수 있다. 일 예로, 피고정 층(110)은 자기 접합(100)의 상부 근처(기판으로부터 가장 멀리)에 있을 수 있다. 자기 접합(100)은 또한 기록 전류(write current)가 자기 접합(100)을 통과할 때, 자유 층(130)이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위치 될 수 있다.
자기 접합(100')은 또한 비자성 스페이서 층(120) 및 피고정 층(110)과 유사한 추가적인 비자성 스페이서 층(140) 및 추가적인 피고정 층(150)을 포함한다. 선택적인 고정 층(160)이 또한 도시되어 있으나, 이는 생략될 수 있다.
피고정 층(150)은 자성을 가지고, 피고정 층(150)의 자화(magnetization)는 자기 접합의 작동 중 적어도 일부 동안 특정 방향으로 피닝되거나(pinned) 고정(fixed)될 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있기는 하나, 피고정 층(150)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 피고정 층(150)은 SAF일 수 있다. 비록 도 3에 자화(magnetization)가 도시되어 있지는 않지만, 피고정 층(150)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out of plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 피고정 층(150)은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(150)의 자기 모멘트는 면 내(in-plane)에 있을 수 있다. 다른 방향들을 갖는 피고정 층(150)의 자화도 가능하다. 몇몇 실시예들에서, 피고정 층들(110, 150)의 자화들은 역평행 방향(dual state)일 수 있는데, 이는 스핀 전달 토크를 통해 향상된 쓰기를 가져올 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층들(110, 150)의 자화들은 평행 방향일 수 있는데, 이는 자기 저항을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층들(110, 150)의 자기 모멘트들의 방향들은 읽기와 쓰기 작동을 위해 다르게 설정될 수 있다. 그럼에도 다른 실시예들에서는, 다른 방향들도 가능하다.
스페이서 층(140)은 비자성을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층(140)은 터널링 장벽(tunneling barrier)과 같은 부도체이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(140)은 자유 층(130)의 수직 자기 이방성뿐만 아니라 자기 접합의 TMR을 강화시킬 수 있는 결정성 MgO를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, MgO의 사용은 자유 층(130)의 코발트가 BCC 결정 구조를 갖는 것을 도울 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(140)은 구리와 같은 도전체일 수 있다. 다른 대체 실시예들에서, 스페이서 층(140)은 다른 구조, 예를 들면 절연성 매트릭스 내에 도전성 채널들을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 자유 층(130)은 BCC 코발트를 포함할 수 있다. 따라서, 자유 층(130)은 복수의 BCC 코발트 층들 또는 단일의 BCC 코발트 층을 포함할 수 있다. 자유 층(130)은 그러한 BCC 코발트 층들을 하나 이상 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 층들은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 코발트 층들은 적어도 6 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 층들은 6 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 코발트 층들은 8 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. BCC 코발트의 두께는 또한 단층막들의 맥락에서 고려될 수 있다. 일 예로, 4개 내지 16개의 BCC 코발트 단층막들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 12개의 BCC 코발트 단층막들이 자유 층(130)에 존재할 수 있다. 다른 실시예들에서, 4개 내지 8개의 단층막들이 사용될 수 있다.
뿐만 아니라, 자유 층(130)은 BCC 코발트의 성장을 촉진하는 물질(들)을 포함할 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 크롬(Cr), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 텅스텐(W), 희토류(Re) 및/또는 오스뮴(Os)과 같은 물질들이 포함될 수 있다. 몇몇 그러한 자유 층(130)들에서, BCC 코발트의 성장을 촉진하기 위해 사용된 물질들은 하나 이상의 철(Fe), 크롬(Cr) 및 텅스텐(W)일 수 있다. 바람직한 자기 저항 및 스위칭 전류와 같이 바람직한 자기적 특성들을 제공하기 위해 다른 물질들도 또한 자유 층(130)에 포함될 수 있다. 일 예로, 자유 층(130)은 하나 이상의 Fe, CoFe 및/또는 CoFeB 층들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, CoFeB는 일반적으로 10 원자 퍼센트(atomic percent) 이하의 보론(B)을 포함함에 유의해야 한다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(130)은 MgO와 같은 시드 층 또는 캐핑 층을 포함할 수 있는데, 이는 자유 층(130)의 수직 자기 이방성을 강화한다. MgO는 또한 BCC 결정 구조를 갖는 코발트를 제공하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자유 층(130)에 BCC 코발트를 사용하는 것은 바람직한 특성들을 가지는 자유 층(130)을 설계하는 것의 일부일 수 있다
자기 접합(100') 및 자유 층(130)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유 층(130)은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다. 따라서, 더 국부적인 물리 현상이 자유 층(130)에 기록하는데 사용될 수 있다. 자유 층(130) 및 자기 접합(100')의 자기적 성질들도 또한 설정될 수 있다. 일 예로, 강화된 자기 저항 내지 터널링 자기 저항, 낮은 스위칭 전류, 및/또는 수직 이방성이 달성될 수 있다. 따라서, 자기 접합(100')은 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 4는, 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)에서와 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 4는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(200)는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(200)는 선택적인 수직 이방성 시드 층(202) 및/또는 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(204)을 포함할 수 있다. 일 예로, 결정성 MgO는 시드 층(202) 및/또는 캐핑 층(204)으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 시드 층(202) 및/또는 캐핑 층(204)은 생략될 수 있다. 일 예로, 만약 BCC 코발트 자기 구조(200)가 자기 접합(100 및/또는 100')에 사용되고 결정성 MgO가 비자성 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)에 사용된다면, 시드 층(202) 및/또는 캐핑 층(204)은 생략될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 결정성 MgO는 시드 층(202) 및/또는 캐핑 층(204)에 사용될 수 있다. 시드 층(202) 및/또는 캐핑 층(204)에 결정성 MgO를 사용하는 것은 BCC 코발트 층(210)이 BCC 결정 구조를 가짐을 보장하는 데 도움이 된다.
BCC 코발트 층(210)은 벌크 HCP 결정 구조로 변하지 않고 BCC로 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, BCC 코발트 층(210)은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 코발트 층(210)은 적어도 6 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 코발트 층(210)은 6 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 코발트 층(210)은 8 옹스트롬 내지 10 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. BCC 코발트 층(210)의 두께는 또한 단층막들의 맥락에서 고려될 수 있다. 일 예로, 4개 내지 16개의 BCC 코발트 단층막들이 BCC 코발트 층(210)에 존재할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 12개 이하의 BCC 코발트 단층막들이 BCC 코발트 층(210)에 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 4개 내지 8개의 단층막들이 사용될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(200)를 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 결과적으로, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 5는 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)에서와 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(200')의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 5는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(200')는 자유층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다. BCC 코발트 자기 구조(200')는 자기 구조(200)와 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 일 예로, BCC 코발트 자기 구조(200')는 자기 구조(200) 내의 층들(202 및 204)과 유사한 선택적인(optional) 수직 이방성 시드 층(202) 및 선택적인(optional) 수직 이방성 캐핑 층(204)을 포함할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 선택적인(optional) 수직 이방성 시드 층(202) 및 선택적인(optional) 수직 이방성 캐핑 층(204)은 생략될 수 있다.
BCC 코발트 층(210)은 도 4에 도시된 BCC 코발트 층(210)과 유사하다. BCC 코발트 층(230)은 BCC 코발트 층(210)과 유사하다. 따라서, BCC 코발트 층(230)은 벌크 HCP 결정 구조로 변하지 않고 BCC로 유지되는 것이 바람직하다. 따라서 BCC 코발트 층(230)의 두께는 BCC 코발트 층(210)과 같은 범위를 가질 수 있다. 시드 층(들)(202 및 204)은 BCC 촉진 층(220)에 추가하여 또는 BCC 촉진 층(220)을 대신하여 BCC 결정 구조를 촉진하기 위해 사용될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(200')는 또한 BCC 촉진 층(220)을 포함할 수 있다. BCC 촉진 층(220)은 BCC 코발트 층들(210 및 230)이 BCC 결정구조를 갖는 두께의 간격을 증가시킬 수 있다. 일 예로, BCC 촉진 층(220)은 크롬(Cr), 철(Fe), 및/또는 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 촉진 층(220)은 코발트의 표면 에너지보다 큰 표면 에너지를 가지고, BCC 결정 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 그러한 물질들은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 텅스텐(W), 희토류(Re) 및 오스뮴(Os)을 포함할 수 있다. 이 중에서 크롬(Cr)과 텅스텐(W)이 선호될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 촉진 층(220)은 BCC 코발트의 격자 상수와 10퍼센트 이내의 격자 상수(들)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 다른 격자 상수들도 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, BCC 촉진 층(220)은 5 옹스트롬 내지 100 옹스트롬의 두께를 갖는다. 몇몇 그러한 실시예들에서, BCC 촉진 층(220)의 두께는 5 옹스트롬 내지 20 옹스트롬이다. BCC 촉진 층(220)의 사용 덕분에, BCC 코발트 층(들)(210 및/또는 230)은 더 넓은 범위의 두께에서 BCC 결정 구조를 유지할 수 있다. 일 예로, 몇몇 실시예들에서, BCC 코발트 층(들)(210 및/또는 230)은 20 옹스트롬 이상의 두께에서도 BCC 결정 구조를 유지할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(200')을 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 결과적으로, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 6은 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)에서와 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(200'')의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 6은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(200'')는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다. BCC 코발트 자기 구조(200'')는 자기 구조(200 및/또는 200')와 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 일 예로, BCC 코발트 자기 구조(200'')는 자기 구조(들)(200 및/또는 200') 내의 층들(202 및 204)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(202) 및 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(204)을 포함한다. 하지만, 다른 실시예들에서, 선택적인 수직 이방성 시드 층(202) 및/또는 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(204)은 생략될 수 있다.
BCC 코발트 층(210), BCC 촉진 층(220), 및 BCC 코발트 층(230)은 도 3 및 도 4에 도시된 층들(210, 220, 및 230)과 유사하다. 따라서, 층들(210, 220, 및 230)의 구조 및 기능은 위에서 설명한 바와 유사하다. 그 외에, BCC 코발트 구조는 BCC 촉진 층(240) 및 BCC 코발트 층(242)을 포함한다. BCC 촉진 층(240)은 BCC 촉진 층(220)과 유사하다. BCC 촉진 층(220)은 층들(210, 230 및 242)이 BCC 결정구조를 갖는 두께의 간격을 증가시킬 수 있다. BCC 촉진 층(240)도 또한 BCC 촉진 층(220)을 위한 것으로 설명된 물질들과 유사한 물질들을 포함할 수 있다. BCC 코발트 층(242)은 BCC 코발트 층(들)(210 및/또는 230)과 유사하다. BCC 촉진 층들(220 및 240)의 존재 덕분에, BCC 코발트 층들(210, 230 및 242)은 더 두꺼운 두께에서도 BCC 결정 구조를 유지할 수 있다. 시드 층(들)(202 및 204)은 BCC 촉진 층들(220 및/또는 240)에 추가하여 또는 BCC 촉진 층들(220 및/또는 240)을 대신하여 BCC 결정 구조를 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, BCC 코발트 및 BCC 촉진 층들은 더 두꺼운 자기 구조(200'')을 제공하기 위해 삽입될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(200'')을 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 7은 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(250)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 7은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(250)는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(250)는 도 4 내지 도 6에 도시된 층들(202 및/또는 204)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층 및/또는 선택적인 수직 이방성 캐핑 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 결정성 MgO가 상기 층으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 시드 층 및/또는 캐핑 층은 생략될 수 있다. 일 예로, 만약 BCC 코발트 자기 구조(250)가 자기 접합(100 및/또는 100')에 사용되고 결정성 MgO가 비자성 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)에 사용된다면, 시드 층 및/또는 캐핑 층은 생략될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 결정성 MgO는 시드 층 및/또는 캐핑 층에 사용될 수 있다. 시드 층 및/또는 캐핑 층에 결정성 MgO를 사용하는 것은 BCC 코발트 층이 BCC 결정 구조를 가짐을 보장하는 데 도움이 될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(250)은 Fe 또는 CoFeB 층(252), BCC 촉진/보론 유인(boron attracting) 층(254) 및 BCC 코발트 층(256)을 포함할 수 있다. BCC 촉진 층(254)은 BCC 촉진 층(220)과 유사하다. CoFeB의 보론 도펀트(B dopant) 농도는 0(zero) 원자 퍼센트(atomic percent) 내지 30 원자 퍼센트(atomic percent)일 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 보론 도펀트(B dopant)의 농도는 20 원자 퍼센트(atomic percent) 이하일 수 있다. Fe/CoFeB 층(252)은 연성(softness) 및 자기 저항과 같은 바람직한 자기적 특성들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, Fe/CoFeB 층(252)은 5 옹스트롬 내지 30 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, Fe/CoFeB 층(252)의 두께는 8 옹스트롬 내지 20 옹스트롬일 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(250)는 또한 삽입 층(intervening layer, 254)을 포함할 수 있다. 삽입 층(254)은 위에서 설명한 BCC 촉진 층들(220 및 240)과 유사한 방법으로 BCC 코발트 층(256)의 BCC 결정 구조를 촉진하기 위해 사용될 수 있다. BCC 코발트 층(256)의 결정화를 촉진하는 것 이외에, 삽입 층(254)은 또한 보론(B)을 유인할 수 있다. 일 예로, 삽입 층(254)은 하나 이상의 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 및 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 삽입 층(254)은 하나 이상의 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 및 비스무트(Bi)로 이루어질 수 있다. 그 결과, 삽입 층(254)은 CoFeB 층(252)에서 BCC 코발트 층(256)으로의 보론(B) 확산을 줄이거나 방지할 수 있다. BCC 코발트 층(256)은 벌크 HCP 결정 구조로 변하지 않고 BCC로 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, BCC 코발트 층(256)은 위에서 설명한 범위의 두께를 가질 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(250)을 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 8은 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(260)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 8은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(260)는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(260)는 BCC 코발트 자기 구조(250)를 포함한다. 그 외에, BCC 코발트 자기 구조(260)는 선택적인 시드 층(262) 및 캐핑 층(264)을 포함한다. 선택적인 시드 층(262) 및 캐핑 층(264)은 각각 도 4 내지 도 6에 도시된 선택적인 시드 층(202) 및 선택적인 캐핑 층(204)과 유사하다. 일 예로, 결정성 MgO가 상기 층으로 사용될 수 있다. Fe/CoFeB 층(252), BCC 촉진/삽입(intervening) 층(254) 및 BCC 코발트 층(256)은 도 7에 도시된 층들(252, 254 및 256)과 유사하다.
BCC 코발트 자기 구조(260)를 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 9는 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(260')의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 9는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(260')는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다. BCC 코발트 자기 구조(260')는 자기 구조(260)와 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 일 예로, BCC 코발트 자기 구조(260')는 자기 구조(260) 내의 층들(262 및 264)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(262) 및 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(264)을 포함할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 층들(262 및/또는 264)은 생략될 수 있다.
Fe 또는 CoFeB 층(252), 선택적인 BCC 촉진(promoting)/삽입(intervening) 층(254) 및 BCC 코발트 층(256)은 도 7 및 도 8에 도시된 그것들과 유사하다. 그 외에, BCC 코발트 자기 구조(260')는 추가적인 BCC 촉진/삽입 층(258) 및 BCC 코발트 층(259)를 포함할 수 있다. BCC 촉진 층(258)은 선택적인 BCC 촉진/삽입 층(254) 및/또는 도 4 내지 도 6에 도시된 층들(220, 240)과 유사할 수 있다. 따라서, 층들(258 및 259)의 구조, 기능 및 사용된 물질들은 층들(254/220/240 및 210, 230, 240 및/또는 256)의 그것들과 유사할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(260')를 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 10은 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(260'')의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 10은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(260'')는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다. BCC 코발트 자기 구조(260'')는 자기 구조(들)(260 및/또는 260')와 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 일 예로, BCC 코발트 자기 구조(260'')는 자기 구조(260) 내의 층들(262 및 264)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(262) 및 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(264)을 포함할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 층들(262 및/또는 264)은 생략될 수 있다.
Fe 또는 CoFeB 층(252) 및 BCC 코발트 층(256)은 도 7 내지 도 9에 도시된 그것들과 유사하다. 그 외에, BCC 코발트 자기 구조(260'')는 추가적인 Fe 또는 CoFeB 층(253)을 포함할 수 있다. 추가적인 Fe 또는 CoFeB 층(253)은 Fe 또는 CoFeB 층(252)과 유사할 수 있다. 따라서, 층들(252, 253 및 256)의 구조, 기능 및 사용된 물질들은 층들(252 및 256)의 그것들과 유사할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(260'')를 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 11은 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(260''')의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 11은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(260''')는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다. BCC 코발트 자기 구조(260''')는 자기 구조(들)(260, 260' 및/또는 260'')와 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 일 예로, BCC 코발트 자기 구조(260'')는 자기 구조(260) 내의 층들(262 및 264)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(262) 및 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(264)을 포함할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 층들(262 및/또는 264)은 생략될 수 있다.
Fe 또는 CoFeB 층들(252 및 253), BCC 코발트 층(256) 및 BCC 촉진/삽입 층들(254 및 258)은 도 7 내지 도 10에 도시된 그것들과 유사하다. 따라서, 층들(252, 253, 254, 256 및 258)의 구조, 기능 및 사용된 물질들은 위에서 언급한 그것들과 유사할 수 있다.
도 12는 예를 들어 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)과 같이, 자기 접합의 자유 층에서 사용될 수 있는 BCC 코발트를 포함하는 자기 구조(280)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 12는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. BCC 코발트 자기 구조(280)는 자유 층으로 사용되거나, 자유 층의 일부를 구성할 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(280)은 도 4 내지 도 6에 도시된 층들(202 및/또는 204)과 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(281) 및/또는 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(282)을 포함할 수 있다. 일 예로, 결정성 MgO가 그 층으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 시드 층 및/또는 캐핑 층들은 생략될 수 있다. 일 예로, 만약 BCC 코발트 자기 구조(280)가 자기 접합(100 및/또는 100')에 사용되고 결정성 MgO가 비자성 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)에 사용된다면, 시드 층 및/또는 캐핑 층들은 생략될 수 있다. 시드 층 및/또는 캐핑 층에 결정성 MgO를 사용하는 것은 BCC 코발트 층이 BCC 결정 구조를 가짐을 보장하는 데 도움이 될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(280)는 Fe 또는 CoFeB 층(284), BCC 촉진/보론 유인(boron attracting) 층(286), 제 1 BCC 코발트 층(288), 초박막 MgO 층(290), 제 2 BCC 코발트 층(292), 제 2 BCC 촉진/보론 유인(294) 층 및 제 2 Fe 또는 CoFeB 층(296)을 포함한다. Fe 또는 CoFeB 층들(284 및 296)은 층들(252 및 253)과 유사하다. BCC 촉진/보론 유인 층들(286 및 294)은 층들(254 및 258)과 유사하다. BCC 코발트 층들(288 및 292)은 층들(210, 230, 242, 및/또는 256)과 유사하다. BCC 코발트 자기 구조(280)은 따라서 자기 구조(250)와 유사한 두 개의 구조들을 포함하는 것으로 여겨질 수 있다.
그 외에, BCC 코발트 자기 구조(280)는 초박막 MgO 층(290)을 포함할 수 있다. 초박막 MgO 층(290)은 하나 내지 두 개의 단층막들 이하의 두께를 가질 수 있다. 일 예로, 몇몇 실시예들에서, 초박막 MgO 층은 2 옹스트롬 이하의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 초박막 MgO 층은 연속적인 층을 이루지 않을 수 있다. 초박막 MgO 층은 자기 접합의 저항이 너무 높아지지 않도록 하기 위해 얇은 것이 바람직하다. 초박막 MgO 층(290)은 BCC 코발트 층들(288 및 292)이 결정 체계를 갖는 것을 도울 수 있고, 자기 저항을 강화시킬 수 있다. 초박막 MgO 층(290)의 두께는 충분히 얇아서, 접합의 저항-면적 곱(resistance-area product)은 바람직한 범위인 1 내지 100 Ω-μm2이 유지된다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 접합의 저항-면적 곱은 2 내지 50 Ω-μm2일 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(280)은 도 4 내지 도 6에 도시된 층들(202 및/또는 204)와 유사한 선택적인 수직 이방성 시드 층(281) 및/또는 선택적인 수직 이방성 캐핑 층(282)를 포함할 수 있다. 일 예로, 결정성 MgO가 그 층으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 시드 층 및/또는 캐핑 층들은 생략될 수 있다. 일 예로, 만약 BCC 코발트 자기 구조(280)가 자기 접합(100 및/또는 100')에 사용되고 결정성 MgO가 비자성 스페이서 층(들)(120 및/또는 140)에 사용된다면, 시드 층 및/또는 캐핑 층은 생략될 수 있다. 시드 층 및/또는 캐핑 층에 결정성 MgO를 사용하는 것은 BCC 코발트 층이 BCC 결정 구조를 가짐을 보장하는 데 도움이 될 수 있다.
BCC 코발트 자기 구조(280)를 사용하여, 자기 접합(100 및/또는 100')의 자유 층(130)이 제공될 수 있다. 그 결과, 본 명세서에 기재된 효과들이 달성될 수 있다.
도 13은 자기 접합(300)과 주변 구조들의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 13은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300)은 STT-RAM와 같은 자기 장치에서 사용될 수 있고, 이에 따라 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다. 자기 접합(300)은 피고정 층(310), 비자성 스페이서 층(320) 및 자유 층(330)을 포함한다. 또한, 트랜지스터(이에 한정되지는 않는다)를 포함하는 장치들이 형성될 수 있는 하부 기판(301)이 도시되어 있다. 간략하게 나타내기 위하여, 컨택들은 도시하지 않았다. 층들(310, 320 및 330)이 기판(301)에 대해 특정한 방향으로 도시되어 있지만, 이 방향은 다른 실시예들에서 달라질 수 있다. 일 예로, 피고정 층(310)은 자기 접합(300)의 상부 근처(기판으로부터 가장 멀리)에 있을 수 있다. 또한, 선택적인 시드 층(304), 선택적인 고정 층(306) 및 선택적인 캐핑 층(308)이 도시되어 있다. 선택적인 고정 층(306)은 피고정 층(310)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적인 고정 층(306)은 교환-바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)을 통해 피고정 층(310)의 자화(미도시)를 고정하는 AFM 층 또는 다중 층일 수 있다. 하지만 다른 실시예들에서는, 선택적인 고정 층(306)은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 피고정 층(310) 및 자유 층(330)의 자기 모멘트들은 면 내(in-plane)에 있거나, 면에 수직이거나, 또 다른 방법으로 배열될 수 있다.
피고정 층(310) 및 자유 층(330)은 각각의 층들(110 및 130)과 유사하다. 따라서, 자유 층(330)은 BCC 코발트를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(330)은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'', 250, 260, 260', 260'', 260''' 및/또는 280)을 포함한다. 그 외에, 피고정 층(310)은 BCC 코발트를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 피고정 층(310)은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'' 250, 260, 260', 260'', 260''', 및/또는 280)을 포함한다.
자기 접합(300)은 따라서 피고정 층(310) 및/또는 BCC 코발트를 내포하는 자유 층(330)을 포함한다. 이를 통해, 자기 접합(100)에 의해 누릴 수 있는 효과들과 유사한 효과들이 달성될 수 있다.
도 14는 자기 장치에서 사용될 수 있는 자기 접합(300')의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 접합(300')이 사용되는 자기 장치는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 일 예로, 자기 장치는, 따라서 자기 접합은, STT-MRAM과 같은 자기 메모리에서 사용될 수 있다. 도 14는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(300')은 자기 접합(300)과 유사하다. 그 결과, 비슷한 구성 요소들은 유사한 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(300')은 따라서 도 13에 도시된 것과 유사하게 피고정 층(310), 비자성 스페이서 층(320) 및 자유 층(330)을 포함한다. 도 13과 유사하게 하부 기판(301), 선택적인 시드 층(들)(304) 및 선택적인 캐핑 층(들)(308)이 또한 도시되어 있다. 자기 접합(300')은 또한 기록 전류(write current)가 자기 접합(300')을 통과할 때, 자유 층(330)이 복수의 안정한 자기 상태(stable magnetic state)들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 따라서, 자유 층(330)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위치 될 수 있다.
자기 접합(300')은 또한 비자성 스페이서 층(320) 및 피고정 층(310)과 유사한 추가적인 비자성 스페이서 층(340) 및 추가적인 피고정 층(350)을 포함한다. 선택적인 고정 층(360)이 또한 도시되어 있으나, 이는 생략될 수 있다.
피고정 층(350)은 자성을 가지고, 피고정 층(350)의 자화(magnetization)는 자기 접합의 작동 중 적어도 일부 동안 특정 방향으로 고정(pinned or fixed)될 수 있다. 비록 단일 층으로 도시되어 있기는 하나, 피고정 층(350)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 일 예로, 피고정 층(350)은 SAF일 수 있다. 비록 도 14에 자화(magnetization)가 도시되어 있지는 않지만, 피고정 층(350)은 면을 벗어나는 자기소거 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 피고정 층(350)은 면에 수직한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층(350)의 자기 모멘트는 면 내(in plane)에 있을 수 있다. 다른 방향들을 갖는 피고정 층(350)의 자화도 가능하다. 몇몇 실시예들에서, 피고정 층들(310, 350)의 자화들은 역평행 방향(dual state)일 수 있는데, 이는 스핀 전달 토크를 통해 향상된 쓰기를 가져올 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층들(310, 350)의 자화들은 평행 방향일 수 있는데, 이는 자기 저항을 강화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 피고정 층들(310, 350)의 자기 모멘트들의 방향들은 읽기와 쓰기 작동을 위해 다르게 설정될 수 있다. 그럼에도 다른 실시예들에서는, 다른 방향들도 가능하다.
추가적인 스페이서 층(340)은 비자성을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 스페이서 층(340)은 터널링 장벽(tunneling barrier)과 같은 부도체이다. 그러한 실시예들에서, 스페이서 층(340)은 자유 층(330)의 수직 자기 이방성뿐만 아니라 자기 접합의 TMR을 강화시킬 수 있는 결정성 MgO를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, MgO의 사용은 자유 층(330)의 코발트가 BCC 결정 구조를 갖는 것을 도울 수 있다. 다른 실시예들에서, 스페이서 층(340)은 구리와 같은 도전체일 수 있다. 다른 대체 실시예들에서, 스페이서 층(340)은 다른 구조, 예를 들어 절연성 매트릭스 내에 도전성 채널들을 포함하는 과립층(granular layer)을 가질 수 있다.
피고정 층(310), 자유 층(330) 및 피고정 층(350) 중 적어도 하나는 BCC 코발트를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 자유 층(330)은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'', 250, 260, 260', 260'', 260''' 및/또는 280)을 포함한다. 그 외에, 피고정 층(310)도 BCC 코발트를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 피고정 층(310)은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'', 250, 260, 260', 260'', 260''' 및/또는 280)을 포함한다. 이와 유사하게, 몇몇 실시예들에서, 피고정 층(350)은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'', 250, 260, 260', 260'', 260''' 및/또는 280)을 포함한다.
자기 접합(300')은 따라서 BCC 코발트를 내포할 수 있는 자유 층(330)뿐만 아니라 BCC 코발트를 내포할 수 있는 피고정 층(들)(310 및 350)을 포함한다. 이를 통해, 자기 접합(100')에 의해 누릴 수 있는 효과들과 유사한 효과들이 달성될 수 있다.
도 15는 하나 이상의 자기 접합들(100, 100', 200 및/또는 300')을 사용할 수 있는 자기 메모리(400)의 예시적인 실시예를 도시한다. 자기 메모리(400)은 워드 라인 선택기/드라이버(word line selector/driver)(404)뿐만 아니라 읽기/쓰기 열 선택기/드라이버들(reading/writing column selectors/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 본 명세서에서 개시된 BCC 코발트를 이용하는 자기 접합들(100, 100', 300, 300') 중 하나일 수 있다. 따라서, 자기 접합들(412)의 자유 층 및/또는 피고정 층은 하나 이상의 BCC 코발트 자기 구조들(200, 200', 200'', 250, 260, 260', 260'', 260''' 및/또는 280)을 포함할 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 효과들을 누릴 수 있다.
도 16은 자기 하부 구조를 제조하는 방법(500)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 간략하게 나타내기 위해서, 몇몇 단계들은 생략되거나 결합될 수 있다. 제조 방법(500)은 자기 접합들(100, 100', 300 및 300')의 맥락에서 설명된다. 하지만 제조 방법(500)은 다른 자기 접합들에도 사용될 수 있다. 또한, 제조 방법(500)은 자기 메모리들의 제조에도 포함될 수 있다. 따라서 제조 방법(500)은 STT-MRAM 또는 다른 자기 메모리의 제조에 사용될 수 있다.
BCC 코발트를 포함할 수 있는 피고정 층(110/110'/310/310')은 단계(502)를 통해서 제공된다. 단계(502)는 피고정 층(110/110'/310/310')의 바람직한 두께로 바람직한 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 비자성 층(120/320)은 단계(504)를 통해서 제공된다. 단계(504)는 바람직한 비자성 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 물질의 바람직한 두께가 단계(504)에서 증착될 수 있다. 자유 층(130/130'/330/330')이 단계(506)을 통해서 제공된다. 비자성 스페이서 층(140/340)이 단계(508)을 통해서 선택적으로 제공될 수 있다. 바람직한 피고정 층(150/350)이 단계(510)을 통해서 선택적으로 제공될 수 있다. 자기 접합(100, 100', 300 및/또는 300')의 제조는 단계(512)를 통해서 완료될 수 있다. 그 결과, 자기 접합(들)(100, 100', 300 및/또는 300')의 효과들이 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 사용하기 위한 자기 접합에 있어서,
    피고정 층;
    비자성 스페이서 층; 및
    자유 층을 포함하고,
    상기 피고정 층 및 상기 자유 층의 적어도 하나 이상은 체심입방(body-centered cubic: BCC) 코발트를 포함하고, 상기 비자성 스페이서 층은 상기 피고정 층과 상기 자유 층 사이에 배치되며,
    상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태들(stable magnetic states) 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성되는 자기 접합.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 층은:
    제 1 층;
    제 2 층; 및
    상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 체심입방 코발트 촉진 층을 포함하되, 상기 체심입방 코발트 촉진 층은 적어도 하나 이상의 크롬(Cr), 철(Fe) 또는 텅스텐(W)을 포함하고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 체심입방 코발트를 포함하는 자기 접합.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 체심입방 코발트로 이루어지고, 상기 제 1 층은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 제 1 두께를 가지고, 상기 제 2 층은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 제 2 두께를 가지는 자기 접합.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 층은:
    제 1 층;
    제 2 층; 및
    상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 산화 마그네슘(magnesium oxide: MgO) 층을 포함하되, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 체심입방 코발트를 포함하는 자기 접합.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자유 층은:
    제 1 코발트-철-보론(CoFeB) 층; 및
    제 2 코발트-철-보론(CoFeB) 층을 포함하되, 상기 제 1 코발트-철-보론 층은 상기 제 1 층 및 상기 피고정 층 사이에 있고, 상기 제 2 층은 상기 산화 마그네슘 층과 상기 제 2 코발트-철-보론 층 사이에 있는 자기 접합.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 제 1 체심입방 코발트 층을 포함하고, 상기 제 2 층은 제 2 체심입방 코발트 층을 포함하고, 상기 제 1 체심입방 코발트 층은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 제 1 두께를 가지고, 상기 제 2 체심입방 코발트 층은 6 옹스트롬 내지 12 옹스트롬의 제 2 두께를 가지는 자기 접합.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 체심입방 코발트 층과 상기 제 1 코발트-철-보론 층 사이에 보론 유인 층을 포함하는 자기 접합.
  8. 복수의 자기 저장 셀들; 및 상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 복수의 비트 라인들을 포함하되,
    상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 피고정 층, 비자성 스페이서 층 및 자유 층을 포함하고,
    상기 피고정 층 및 상기 자유 층의 적어도 하나는 체심입방 코발트를 포함하고,
    상기 비자성 스페이서 층은 상기 자유 층과 상기 피고정 층 사이에 있고,
    상기 자기 접합은 기록 전류(write current)가 상기 자기 접합을 통과할 때, 상기 자유 층이 복수의 안정한 자기 상태들(stable magnetic states) 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된 자기 메모리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자유 층은:
    제 1 층;
    제 2 층; 및
    상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 체심입방 코발트 촉진 층을 포함하되, 상기 체심입방 코발트 촉진 층은 적어도 하나 이상의 크롬(Cr), 철(Fe) 또는 텅스텐(W)을 포함하고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 체심입방 코발트를 포함하는 자기 메모리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 자유 층은:
    제 1 층;
    제 2 층; 및
    상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 산화 마그네슘 층을 포함하되, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 체심입방 코발트를 포함하는 자기 메모리.
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