KR20130006375A - 반-금속성 강자성체들을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents
반-금속성 강자성체들을 이용한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
자기 소자 내에서 사용 가능한 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템이 제공된다. 상기 자기 접합은 피고정층, 비자성 스페이서층 및 자유층을 포함한다. 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 있다. 상기 자기 접합은, 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통해 흐를 때, 상기 자유층이 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 상기 자유층 및 상기 피고정층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반-금속을 포함한다.
Description
본 발명은 자기메모리에 관한 것으로, 특히 반-금속성 물질들을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
자기메모리들, 특히 자기 임의 추출 메모리들(magnetic random access memories, MRAMs)은 빠른 재생/기록 속도, 탁월한 내구성, 비휘발성 및 동작 중 낮은 전력소모(power consumption)로 각광받고 있다. MRAM은 정보 기록 매체로 자성 물질들을 활용하여 정보를 저장할 수 있다. MRAM의 한 유형이 스핀 전달 토크 임의 추출 메모리(spin transfer torque random access memory, STT-RAM)이다. STT-RAM은 자기 접합을 통해 유도된 전류에 의해 최소한 부분적으로 쓰여진 자기 접합들(magnetic juctions)을 활용한다. 상기 자기 접합을 통해 유도된 스핀분극 전류(spin polarized current)는 상기 자기 접합 내에서 자기 모멘트(moment)들 상에 스핀 토크(spin torque)를 가한다. 그 결과, 스핀 토크에 반응하는 자기 모멘트들을 갖는 층(들)은, 요구되는 상태로 스위치 될 수 있다.
예를 들면, 도 1은 일반적인 STT-RAM에서 사용될 수 있는 일반적인 자기터널접합(magnetic tunneling junction, MTJ, 10)을 도시한다. 일반적인 MTJ(10)는 일반적으로 하부 콘택(11) 상에 배치되고, 일반적인 시드층(들)(seed layer(s), 12)을 이용하며, 일반적인 반강자성층(antiferromagnetic layer, AFM, 14), 일반적인 피고정층(pined layer, 16), 일반적인 터널 배리어층(tunnel barrier layer, 18), 일반적인 자유층(free layer, 20) 및 일반적인 캡핑 층(capping layer, 22)을 포함한다. 또한 상부 콘택(24)도 도시한다.
일반적인 콘택들(11, 24)은 평면에 수직인 전류(current-perpendicular-to-plane, CPP) 방향 내에서 또는 도 1에서 보여진 상기 Z축을 따라, 상기 전류를 인가하는데 사용된다. 상기 일반적인 시드층(들, 12)은 일반적으로, 상기 AFM층(14)과 같은, 요구된 결정 구조를 가지는 그 다음 층들의 성장을 돕는데 활용된다. 상기 일반적인 터널 배리어층(tunneling barrier layer, 18)은 비자성(nonmagnetic)이고, 예를 들면 MgO와 같은 얇은 절연체이다.
상기 일반적인 피고정층(16)과 상기 일반적인 자유층(20)은 자성이다. 상기 일반적인 피고정층(16)의 자화(magnetization, 17)는, 일반적으로 상기 AFM층(14)과의 교환 바이어스(exchange-bias) 상호작용에 의해, 일 특정 방향으로 정해지거나, 고정된다. 비록 단일층으로 도시되었으나, 상기 일반적인 피고정층(16)은 복수 개의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 일반적인 피고정층(16)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 전도성 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는, 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer, SAF)일 수 있다. 이러한 SAF내에, 루테늄의 얇은 층이 끼워진 복수(multiple)의 자성층들이 사용될 수 있다. 나아가, 상기 일반적인 MTJ(10)의 다른 버전들은, 추가적인 비자성 배리어 또는 전도성 층(도시되지 않음)에 의해 상기 자유층(20)으로부터 분리된 추가적인 피고정층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
상기 일반적인 자유층(20)은 변화 가능한 자화(21)를 갖는다. 비록 단일층으로 도시되었으나, 상기 일반적인 자유층(20)은 또한 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 일반적인 자유층(20)은, 루테늄과 같은 얇은 전도성 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는, 합성층일 수 있다. 평면 내(in-plane)로 보여지나, 상기 일반적인 자유층(20)의 상기 자화(21)는 수직 이방성(perpendicular anisotropy)을 가질 수 있다.
상기 일반적인 자유층(20)의 상기 자화(21)를 스위치하기 위해, 전류가 평면에 수직하게(상기 Z 방향으로) 유도된다. 충분한 전류가 상기 상부 콘택(24)으로부터 상기 하부 콘택(11)으로 유도되면, 상기 일반적인 자유층(20)의 상기 자화(21)는, 상기 일반적인 피고정층(16)의 상기 자화(17)에 평행하게 스위치(switch)될 수 있다. 충분한 전류가 상기 하부 콘택(11)으로부터 상기 상부 콘택(24)으로 유도되면, 상기 자유층의 상기 자화(21)는 상기 피고정층(16)의 자화에 반평행하게(antiparallel) 스위치 될 수 있다. 자화배열(magnetic configuration)들의 상기 차이들은, 다른 자기저항들(magnetoresistances)과 이에 따른 상기 일반적인 MTJ(10)의 다른 논리 상태들(예를 들어, 논리 0와 논리 1)에 상응한다.
상기 일반적인 MTJ(10)는 스핀 전달을 사용하여 기록될 수 있고, STT-RAM내에서 사용될 수 있으나, 문제점들이 있다. 예를 들면, 상기 일반적인 자유층(20)의 상기 자기 모멘트(magnetic moment)를 스위치시키는데 필요한 전류는 높을 수 있다. 높은 전류들은 여러 가지 이유로 바람직하지 않다. 높은 전류는 더 많은 전력(power)을 소비하고, 상기 일반적인 터널 배리어(18)에 악영향을 초래할 가능성이 더 높고, 더 낮은 프로그래밍 율을 초래하는 더 큰 상승시간(rise time)을 가질 수 있다. 이렇게, 상기 일반적인 MTJ를 이용하는 메모리의 성능은 여전히 개선이 요구되고 있다.
스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다.
상기 예시적적인 실시예들은 자기 소자 내에서 사용 가능한 자기 접합을 제공한다. 상기 자기접합은 피고정층, 비자성 스페이서층(nonmagnetic spacer layer), 및 자유층을 포함한다. 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층과 상기 자유층 사이에 있다. 상기 자기접합은, 쓰기 전류(write current)가 상기 자기접합을 통하여 흐를 때, 상기 자유층이 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 상기 자유층 및 상기 피고정층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반-금속(half-metal)을 포함한다.
스핀 전달 토크에 기반한 메모리들의 성능을 개선한다.
도 1은 스핀 전달 토크를 이용하여 스위치된 일반적인 자기 접합을 도시한다.
도 2는 자기 접합의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 3은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예의 일 부분을 도시한다.
도 8은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 10A 및 10B는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 11은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 저장 셀(들)(storage cell(s))의 메모리 요소(들)(memory element(s)) 내에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 13은 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적인 일 실시예를 도시하는 플로우 차트이다.
도 2는 자기 접합의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 3은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예의 일 부분을 도시한다.
도 8은 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
도 10A 및 10B는 자기 접합의 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
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도 12는 저장 셀(들)(storage cell(s))의 메모리 요소(들)(memory element(s)) 내에 자기 접합들을 이용하는 메모리의 예시적인 일 실시예를 도시한다.
도 13은 자기 접합을 제공하는 방법의 예시적인 일 실시예를 도시하는 플로우 차트이다.
상기 예시적인 실시예들은, 자기 메모리들과 같은 자기 소자들 내에서 사용할 수 있는 자기 접합들 및 이러한 자기 접합들을 사용하는 상기 소자들과 관련된다. 다음의 설명은 당업자가 상기 발명을 제조하고 사용할 수 있도록 나타내고, 특허출원 및 그 요건들의 맥락 내에서 제공된다. 상기 예시적인 실시예들에 대한 다양한 변경들과 상기 포괄적 이론들 및 여기에서 설명된 특징들은 쉽게 명확할 것이다. 특정 실행들에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들에 대하여 상기 예시적인 실시예들이 주로 설명될 것이다. 그러나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실행들 내에서 효과적으로 수행될 것이다. "예시적인 실시예", "일 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 구문들은 복수의 실시예들은 물론 같거나 다른 실시예들을 나타낼 수 있다. 상기 실시예들은 어떤 구성들을 가지는 시스템들 및/또는 소자들을 고려하여 설명될 것이다. 그러나, 상기 시스템들 및/또는 소자들은 보여진 것보다 더 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 상기 구성들의 배열 및 타입의 변경들은 본 발명의 범위를 벗어남 없이 만들어질 수 있다. 상기 예시적인 실시예들은 또한 어떤 단계들을 가지는 특별한 방법들의 맥락 내에서 설명될 수 있다. 그러나, 상기 방법과 시스템은, 다른 그리고/또는 추가적인 단계들 및 상기 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 가지는 다른 방법들을 위해 효과적으로 수행될 수 있다. 이렇게 하여, 본 발명은 보여진 상기 실시예들에 국한되어 의도되지 않으나, 여기에서 설명된 상기 개념들 및 특성들에 일관되는 가장 넓은 범위에 부합하게 된다.
상기 예시적인 실시예들은 어떤 구성들을 가지는 특정한 자기 접합들 및 자기 메모리들의 맥락 내에서 설명된다. 당업자는, 본 발명이 본 발명과 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 구성들 및/또는 다른 특성들을 가지는 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용에 일관됨을 쉽게 알 것이다. 상기 방법 및 시스템은 또한 상기 스핀 전달 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상의 현재 이해의 맥락 내에서 설명된다. 그 결과, 당업자는, 상기 방법 및 시스템의 가동에 대한 이론적 설명들이 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상의 이러한 현 이해를 바탕으로 이루어 짐을 쉽게 알 것이다. 그러나, 여기에서 설명된 상기 방법과 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 당업자는 또한, 상기 방법과 시스템은 상기 기판에 특별한 관련을 가지는 구조의 맥락 내에서 설명됨을 쉽게 알 것이다. 그러나, 당업자는 상기 방법과 시스템이 다른 구조들과 일관됨을 쉽게 알 것이다. 또한, 상기 방법과 시스템은 합성된 그리고/또는 단일의 어떤 층들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 당업자는 상기 층들은 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 알 것이다. 나아가, 상기 방법과 시스템은 특별한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 당업자는, 상기 방법과 시스템에 모순되지 않는 추가적인 그리고/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 알 것이다. 게다가, 어떤 구성들은 자성, 강자성 및 페리 자성으로 설명된다. 여기에서 사용된 것과 같이, 상기 용어 자성은 강자성, 페리자성 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 이렇게, 여기에서 사용된 대로, 상기 용어 "자성" 또는 "강자성"은 강자성들 및 페리 자성들을 포함하나, 그에 제한되지 않는다. 상기 방법과 시스템은 또한 단일 자기 접합들과 하부 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 당업자는, 상기 방법과 시스템이, 복수의 자기 접합들을 가지고 복수의 하부 구조들을 사용하는 자기 메모리들의 사용에 일관됨을 쉽게 알 것이다. 나아가, 여기서 사용된 대로, "평면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 상기 층들의 평면 이내에 있거나 평행한 것이다. 반대로, "평면에 수직인(perpendicular-to-plane)" 또는 "평면 외(out-of-plane)"는 상기 자기 접합의 하나 이상의 상기 층들에 대체로 수직한 방향에 해당한다.
도 2는 자기 메모리 또는 다른 소자 내에서 사용 가능한 자기 접합(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 예를 들어, 상기 자기 접합(100)은 자기 터널 접합(MTJ), 스핀 밸브 또는 발리스틱(ballistic) 자기저항 구조 또는 이들의 몇몇 조합일 수 있다. 상기 자기 접합(100)은 다양한 어플리케이션들에 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 자기 접합은 STT-RAM과 같은 자기 메모리 내에서 사용될 수 있다. 명료성을 위해, 도 2는 스케일에 맞지 않는다. 상기 자기 접합(100)은 제1 피고정층(110), 제1 비자성 스페이서층(120), 및 자유층(130)을 포함한다. PtMn과 같은, 반강자성(AFM)층일 수 있는 선택적 고정층(optional pinning layer, 102)이 또한 도시된다. 비록 층들(102, 110, 120, 및 130)은 특별한 방향으로 보여지나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양해 질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 피고정층(110)은 상기 자기 접합(100)의 가장 위에(미도시된 기판으로부터 가장 멀리) 있을 수 있다. 단순화를 위해, 존재할 수 있는 시드(seed) 및/또는 캡핑(capping) 층들과 같은 다른 층들은 도시되지 않는다.
상기 제1 비자성 스페이서층(120)은 터널 배리어층일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 비자성 스페이서층(120)은 산화마그네슘(MgO)이다. 이러한 실시예들에서, 상기 제1 비자성 스페이서층(120)은, 상기 자기 접합(100)의 상기 터널자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR)을 강화시킬 수 있는 결정성 산화 마그네슘(MgO)이다. 다른 실시예들에서, 상기 스페이서층은 구리(Cu)와 같은 전도체일 수 있다. 대체 실시예들에서, 상기 제1 비자성 스페이서층(120)은 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
도시된 상기 실시예에서, 상기 층들(110 및 130)의 상기 자화들(111 및 131)은 평면 내(in-plane)에 있다. 그러나, 다른 방향들도 가능하다. 나아가, 상기 자유층(130)의 상기 자화는 변화 가능하기 때문에, 상기 자화는 자화용이축(easy axis, 131)으로 나타낸다. 상기 자기 접합(100)은, 상기 자기 접합을 통해 유도된 전류를 이용하여 상기 자유층의 자화(131)가 스위치될 수 있도록 구성된다. 이렇게, 상기 자기 접합(100)은 스위칭을 위해 스핀 전달 토크를 사용한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자기 접합을 스위치하기 위해 스핀 전달 토크에 더하여 또는 이를 대신하여 다른 현상들이 이용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 피고정층(110) 및 자유층(130)은 강자성 물질들을 포함할 수 있다. 이렇게, 층들(110 및 130)은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 코발트(Co) 중 하나 이상을, 특히 합급 형태로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층들(110 및 130)은 코발트철(CoFe)을 포함한다. 상기 층들(110 및 130)은 상온에서 안정하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 층들(110 및 130)의 상기 자기이방성 에너지(magnetic anisotropy energy)는 kbT의 최소한 60배가 될 수 있다. 비록 상기 층들(110 및 130)은 단일층들(simple layers)로 도시되었으나, 다른 실시예들에서, 하나 이상의 상기 층들(110 및 130)은 복수층(multilayer)일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 피고정층(110) 및/또는 상기 자유층(130)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF 내에서, 루테늄(Ru) 또는 다른 물질의 얇은 층(들)이 끼워진 복수의 자성 층들이 사용될 수 있다. 상기 층(110) 및/또는 상기 층(130)은 또한 다른 복수층일 수 있다.
상기 제1 피고정층(110) 및/또는 자유층(130)은 반-금속들(half-metals)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 피고정층(110) 및/또는 상기 자유층(130)은 반-금속들(half-metals)로 이루어진다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 피고정층(110) 및/또는 상기 자유층(130) 내 상기 복수층은 반-금속 층들을 포함한다. 예를 들면, 상기 제1 피고정층(110) 및/또는 상기 자유층(130)은 상기 제1 비자성 스페이서층(120)과의 계면에서 반-금속을 포함하는 층을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 피고정층(110) 및/또는 상기 자유층(130)은 하나 이상의 반-금속들을 포함하는 합금일 수 있다. 반-금속은 매우 높은 스핀 분극(spin polarization)을 가질 수 있다. 스핀 분극(P)는 페르미 준위(Fermi level)에서 강자성 물질 내 업(다운) 스핀의 퍼센트에서 다운(업) 스핀의 퍼센트를 뺀 것으로 정의될 수 있다. 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 합금들과 같은, 가장 일반적인 자성 물질들은 50%보다 작은 낮은 P를 갖는다. 반-금속들은 매우 높은 P(100%에 가까운)를 가지는 강자성체들로, 한 스핀 방향 내에서는 금속성이고 다른 한 스핀 방향 내에서는 절연성이다. 발견된 일부 반-금속성 물질들은 CrO2, Sr2FeMoO6, (La0.7Sr0.3)MnO3, Fe3O4, 및 NiMnSb를 포함한다. 이용될 수 있는 다른 반-금속성 물질들은 T=XYZ 타입의 모든 화합물들(compounds)을 포함하는데, 여기서 X는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, 또는 Au; Y는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu; 및 Z는 Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, 또는 Bi이다. 반-금속성 물질들은 또한, TM 화합물을 만들기 위해 상기된 T에 물질 M을 더한 일 또는 모든(any or all) 화합물들을 포함할 수 있는데, 여기서 M은 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, 또는 Bi이다. 나아가, 산화 망간(manganese oxides)과 같은 반-금속성 산화물들은 RE1 - xMxMnO3를 포함하는데, 여기서 x는 1보다 작거나 같고, M은 Ca, Sr, Ba, 또는 Pb이고, RE는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu와 같은 희토류 금속(rare earth metal) 또는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 Ra와 같은 알칼리토류 금속(alkaline-earth metal)이다. 사용될 수 있는 다른 반-금속성 산화물들(half-metallic oxides)은 이중 페로프스카이트들(double perovskites) A2MM'O6을 포함하는데, 여기서 A는 위에서 설명된 희토류 또는 알칼리토류 금속이고(예를 들어, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 Ra), M과 M'는 이하에서 선택된 두 개의 다른 원소들이다: Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, 또는 Hg. 상기 반 금속들은 또한 CrO2 또는 Fe3O4를 포함할 수 있다.
동작 중에, 쓰기 전류(write current)가 상기 자기 접합(100)을 통해 유도된다. 상기 쓰기 전류의 상기 방향에 의존하여, 상기 자유층(130)은 스위치되어 상기 자유층의 자화(131)는 상기 자화(111)에 평행 또는 반-평행할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자유층(130)의 상기 스위칭 특성들을 개선하기 위해, 상기 자유층이 스위치되도록 요구되는 방향으로, 외부 자기장과 같은 자기장이 인가된다. 이렇게 하여, 상기 자유층(130)은 스핀 전달을 이용하여 스위치될 수 있다. 상기 자기 접합(100)에 의해 저장된 상기 데이터를 읽기 위해, 읽기 전류(read current)가 상기 자기 접합(100)을 통해 인가될 수 있다. 상기 제1 피고정층(110) 및 상기 자유층(130)의 상기 자화들(111 및 131)의 상대적인 방향들에 기반하여, 자기저항이 제공된다.
상기 자기 접합(100)은 성능을 개선시킬 수 있다. 높은 스핀-분극(spin-polarization)의 반-금속성 물질들이 자기 접합 내에서 자성층들로 이용되는 경우, 적은 수(완전한 반-금속에 대하여 이론적으로 0인)의 소수 스핀들(minority spins)로부터 야기되는 전체 각운동량의 차감은 또한 작을 수 있다. 각운동량의 감소는 더 작은 스위칭 전류를 야기할 수 있다. 상기 스위칭 전류는 스핀 전달을 이용하여 상기 자유층(130)의 상기 자화를 스위치하는데 요구되는 전류이다. 상기 스위칭 전류의 감소는 중요할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 코히렌트 전자가 상기 자유 자성층 내에서 스캐터링(scattering)되는 것을 가정하고, 35% 스핀 분극의 물질들에서 80% 스핀 분극의 물질들로 가는 경우, 상기 스위칭 전류는 이론적으로 5배 이하로 감소할 수 있다.
도 3은 자기 접합 100'의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 3은 스케일에 맞지 않다. 상기 자기 접합 100'는 상기 자기 접합(100)과 유사할 수 있다. 그 결과, 유사한 구성들이 비슷하게 표시될 수 있다. 상기 자기 접합(100 )은 이렇게 상기 제1 피고정층(110), 상기 제1 비자성 스페이서층(120), 및 상기 자유층(130)과 유사한 제1 피고정층(110'), 제1 비자성 스페이서층(120'), 및 자유층(130')을 포함한다. 상기 자기 접합(100')은 또한 제2 비자성 스페이서층(140), 및 제2 피고정층(150)을 포함한다. 제2 선택적 고정층(160) 또한 제공될 수 있다.
상기 층들(110', 120', 및 130')의 구조 및 기능은 상기 층들(110, 120, 및 130)의 구조 및 기능과 각각 유사하다. 또한, 선택적 고정층(160)과 함께, 제2 비자성 스페이서층(140) 및 제2 피고정층(150)이 도시된다. 상기 제2 비자성 스페이서층(140)은 상기 제1 비자성 스페이서층(120')과 유사하다. 상기 제2 비자성 스페이서층(140)은, 산화마그네슘(MgO)과 같은 터널 배리어 층일 수 있다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 상기 제2 비자성 스페이서층(140)은 결정성 산화마그네슘(MgO)이다. 다른 실시예들에서, 상기 제2 비자성 스페이서층(140)은 구리(Cu)와 같은 전도체일 수 있다. 대체 실시예들에서, 상기 제2 비자성 스페이서층(140)은 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
상기 제2 피고정층(150)은 상기 제1 피고정층(110')과 유사하다. 상기 제2 피고정층(150)의 구조 및 기능은 상기 제1 피고정층(110')의 구조 및 기능과 유사할 수 있다. 이렇게 상기 제2 피고정층(150)의 상기 자화(151)는 고정된다. 나아가, 그리고 상기 제2 피고정층(150)은 반-금속(들)을 포함할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 제1 피고정층(110'), 상기 자유층(130'), 및 상기 제2 피고정층(150) 중 하나 이상은 반-금속들을 포함한다. 상기 층(들)(110', 130' 및/또는 150)은 반-금속(들)로 구성되거나, 반-금속(들)을 포함하는 하나 이상의 층(들)을 포함하거나, 또는 반-금속(들)이 포함된 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 자기 접합(100')은 상기 자기 접합(100)에 유사한 방식으로 동작한다. 상기 자기 접합(100')은 상기 자기 접합(100)에 유사한 장점들을 가진다. 예를 들면, 하나 이상의 상기 층들(110', 130' 및 150) 내에서의 반-금속(들)의 사용은 더 낮은 스위칭 전류를 야기할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(100')의 성능은 개선될 수 있다. 나아가, 상기 자기 접합(100')은 이중 접합(dual junction)이다. 그 결과, 상기 자기 접합(100')의 상기 스핀 전달 토크는 상기 자기 접합(100)의 스핀 전달 토크보다 클 수 있다. 상기 자기 접합(100')의 성능은 이렇게 하여 강화될 수 있다.
도 4는 자기 접합(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 4는 스케일에 맞지 않다. 상기 자기 접합(200)은 상기 자기 접합(100)과 유사할 수 있다. 그 결과, 유사한 구성들이 비슷하게 표시될 수 있다. 상기 자기 접합(200)은 이렇게 상기 제1 피고정층(110), 상기 제1 비자성 스페이서층(120), 및 상기 자유층(130)과 각각 유사한 제1 피고정층(210), 제1 비자성 스페이서층(220), 및 자유층(230)을 포함한다.
상기 층들(210, 220, 및 230)의 구조 및 기능은 상기 층들(110, 120, 및 130)의 구조 및 기능과 각각 유사하다. 상기 제1 비자성 스페이서층(220)은 터널 배리어 층, 전도성 층이거나, 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층과 같은 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 피고정층(210) 및 자유층(230)은 상기 층들(110 및 130)과 각각 유사하다. 이렇게 하여, 하나 이상의 상기 층들(210 및 230)은 반-금속(들)을 포함한다. 상기 층들(210 및/또는 230)은 반-금속(들)로 구성되거나, 반-금속(들)을 포함하는 하나 이상의 층(들)을 포함하거나, 또는 반-금속(들)이 포함된 다른 구조를 가질 수 있다. 그러나, 상기 층들(210 및 230)의 상기 자화들은 평면에 수직이다.
상기 자기 접합(200)은 상기 자기 접합(100)에 유사한 방식으로 동작한다. 상기 자기 접합(200)은 상기 자기 접합(100)에 유사한 장점들을 가진다. 예를 들면, 하나 이상의 상기 층들(210 및 230) 내에서 반-금속(들)의 사용은 더 낮은 스위칭 전류를 야기할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(200)의 성능은 개선될 수 있다. 나아가, 상기 자화들(211 및 231)은 평면 외로(out-of-plane) 오리엔트(oriented)된다. 그 결과, 상기 자기 접합(200)의 스위칭은 더 낮은 전류에서 이루어질 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(200)의 성능은 더 강화될 수 있다.
도 5는 자기 접합(200')의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 5는 스케일에 맞지 않다. 상기 자기 접합 200'는 상기 자기 접합(200)과 유사하다. 그 결과, 유사한 구성들이 비슷하게 표시된다. 상기 자기 접합(200')은 이렇게 상기 제1 피고정층(210), 상기 제1 비자성 스페이서층(220), 및 상기 자유층(230)과 유사한 제1 피고정층(210'), 제1 비자성 스페이서층(220'), 및 자유층(230')을 포함한다. 상기 자기 접합(200')은 또한 제2 비자성 스페이서층(240), 및 제2 피고정층(250)을 포함한다.
상기 층들(210', 220' 및 230')의 구조 및 기능은 상기 층들(210, 220, 및 230)의 구조 및 기능과 각각 유사하다. 또한, 제2 비자성 스페이서층(240) 및 제2 피고정층(250)이 도시된다. 상기 제2 비자성 스페이서층(240)은 상기 제1 비자성 스페이서층(220')과 유사하다. 상기 제2 비자성 스페이서층(240)은, 산화마그네슘(MgO)(결정 또는 그 반대)과 같은 터널 배리어 층, 구리(Cu)와 같은 전도체이거나, 또는 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
상기 제2 피고정층(250)은 상기 제1 피고정층(210')과 유사하다. 상기 제2 피고정층(250)의 구조 및 기능은 상기 제1 피고정층(210')의 구조 및 기능과 유사할 수 있다. 이렇게 상기 제2 피고정층(250)의 상기 자화(251)는 고정된다. 나아가, 그리고 상기 제2 피고정층(250)은 반-금속(들)을 포함할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 제1 피고정층(210'), 상기 자유층(230'), 및 상기 제2 피고정층(250) 중의 하나 이상은 반-금속들을 포함한다. 상기 층(들)(210', 230' 및/또는 250)은 반-금속(들)로 구성되거나, 반-금속(들)을 포함하는 하나 이상의 층(들)을 포함하거나, 또는 반-금속(들)이 포함된 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 자기 접합(200')은 상기 자기 접합(200)에 유사한 방식으로 동작한다. 상기 자기 접합(200')은 상기 자기 접합(200)에 유사한 장점들을 가진다. 예를 들면, 하나 이상의 상기 층들(210', 230', 및 250) 내에서 반-금속(들)의 사용은, 평면에 수직한 방향의 자화에서 더 낮은 스위칭 전류를 야기할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(200')의 성능은 개선될 수 있다. 나아가, 상기 자기 접합(200')은 이중 접합이다. 그 결과, 상기 자기 접합(200')의 상기 스핀 전달 토크는 상기 자기 접합(200)의 스핀 전달 토크보다 더 클 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(200')의 성능은 더 강화될 수 있다.
도 6은 자기 소자, 예를 들면 STT-RAM과 같은 자기 메모리 내에서 사용되는 자기 접합(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 6은 스케일에 맞지 않는다. 상기 자기 접합(300)은 피고정층(310), 비자성 스페이서층(320), 및 자유층(330)을 포함한다. 상기 피고정층(310)의 자화(미도시)를 고정시키기 위해 사용될 수 있는 선택적 고정층(304)이 또한 도시된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 선택적 고정층(304)은 교환-바이어스 상호작용에 의해 상기 피고정층(310)의 상기 자화(미도시)를 고정시키는 AFM층 또는 복수층일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 선택적 고정층(304)은 생략될 수 있거나, 다른 구조가 사용될 수 있다. 나아가, 상기 자기 접합(300)은 선택적 시드층(들)(302) 및/또는 선택적 캡핑층(들)(340)과 같은 다른 및/또는 추가적인 층들을 포함할 수 있다. 상기 자기 접합(300)은 또한, 쓰기 전류가 상기 자기 접합(300)을 통해 흐를 때 상기 자유층(330)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 되도록 구성된다. 이렇게 하여, 상기 자유층(330)은 스핀 전달 토크를 사용하여 스위치될 수 있다.
상기 피고정층(310)은 자성이고, 이렇게 하나 이상의 니켈(Ni), 철(Fe), 및 코발트(Co)를, 특히 합금 형태로 포함할 수 있다. 단일층(simple layer)과 같이 도시되었으나, 상기 피고정층(310)은 복수의 층들(multiple layers)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 피고정층(310)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF 내에서, 루테늄(Ru) 또는 다른 물질의 얇은 층(들)이 끼워진 복수의 자성층들이 사용될 수 있다. 상기 피고정층(310)은 또한 다른 복수층(multilayer)일 수 있다. 비록 도 6에서 자화가 도시되어 있지 않지만, 상기 자유층은 평면 외 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)를 초과하는 수직 이방성 에너지를 가질 수 있다. 도시된 상기 실시예에서, 이지 콘(easy cone)의 대칭축은 상기 자유층의 상기 평면에 대하여 실질적으로 수직이다. 다른 실시예에서, 상기 자유층의 수직 이방성은 상기 평면 외 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 작을 수 있다. 이러한 유형에서, 상기 이지 콘(easy cone)의 상기 대칭축은 실질적으로 상기 자유층의 평면 내에 있다.
상기 스페이서층(320)은 비자성이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 스페이서층(320)은 절연체, 예를 들면 터널 배리어이다. 이러한 실시예들에서, 상기 스페이서층(320)은 상기 자기 접합의 상기 터널 자기저항을 강화시킬 수 있는 결정성 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 스페이서층은 구리(Cu)와 같은 전도체일 수 있다. 대체 실시예들에서, 상기 스페이서층(320)은 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
상기 자유층(330)은 자성이고, 이렇게 철(Fe), 니켈(Ni), 및/또는 코발트(Co) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 자유층(330)은 스핀 전달을 통해 스위치될 수 있는 변화 가능한 자화(미도시)를 가진다. 상기 자유층(330)은 단일층(single layer)으로 도시된다. 아래에 설명된, 다른 실시예들에서는 상기 자유층(330)은 다른 층(들)을 포함할 수 있다.
상기 자유층(330)은 이지 콘 자기 이방성(easy cone magnetic anisotropy)을 갖는다. 이지 콘 자기 이방성은 도 6 내에서 상기 자화 M에 의해 도시된다. 상기 이지 콘 자기 이방성 때문에, 상기 자유층(330)의 상기 총 자화는 상기 자기 접합(100)의 상기 층들의 상기 평면에 수직인 방향(즉, 도 6의 상기 z-축)으로부터의 일 각도에서 동일한 에너지의 안정한 상태들을 가진다. 상기 각도는 또한 상기 z축으로부터 90도보다 작다. 이렇게 하여, 상기 자화의 평면에 수직인 성분이 있다. 도시된 상기 실시예에서, 상기 이지 콘의 상기 대칭축은 z 방향에 따른다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 이지 콘의 상기 대칭축은 다른 방향 내, 예를 들면 평면 내의 x 또는 y 방향들에 따를 수 있다.
상기 이지 콘 이방성은 이하와 같이 이해될 수 있다. 이지 콘 이방성에서, 상기 자기 이방성 에너지는 상기 자기 접합(300)의 상기 평면에 수직 또는 그 가까이에서 로컬 최대값(local maximum)을 갖는다. 도시된 상기 실시예에서, 상기 로컬 최대값은 상기 z축으로부터 0o 또는 그에 가깝다. 몇몇 실시예들에서, 상기 로컬 최대값은 kbT의 적어도 10배인데, 여기서 kb는 볼츠만 상수이고 T는 상기 자기 접합의 동작 온도이다. 다른 실시예들에서, 상기 로컬 최대값은 kbT의 적어도 20배이다. 또한, 상기 자기 이방성 에너지(345)는 상기 로컬 최대값으로부터 일 각도(some angle)에서 로컬 최소값(local minimum)을 갖는다. 상기 자유층(330)의 상기 자화는 상기 로컬 최소값을 따라 안정하다. 이렇게, 도 6에서 상기 자화 M에 의해 보여질 수 있는 것과 같이, 상기 에너지, 상기 자유층의 자화는 상기 z축 주위의 일 각도에서 안정하다. 이러한 안정한 상태들은 상기 자기 접합(300)의 상기 층들의 상기 평면에 수직한 주위에서 콘을 형성한다. 이런 이유로, 상기 자유층(330) 자기 이방성은 "이지 콘 이방성"으로 일컬어 진다.
상기 피고정층(310) 및/또는 자유층(330)은 반-금속(들)(half-metal(s))을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 피고정층(310) 및/또는 상기 자유층(330)은 반-금속들(half-metals)로 이루어진다. 다른 실시예들에서, 상기 피고정층(310) 및/또는 상기 자유층(330) 내의 상기 복수층은 반-금속 층들을 포함한다. 그러한 결과로, 상기 층들(310 및 330)은 상기 층들(110 및 130)에 각각 유사하다. 예를 들면, 상기 피고정층(310) 및/또는 상기 자유층(330)은 상기 스페이서층(320)과의 계면에서 반-금속을 포함하는 층을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 피고정층(310) 및/또는 상기 자유층(330)은 하나 이상의 반-금속들을 포함하는 합금일 수 있다. 이용될 수 있는 일부 반-금속성 물질들은 위에서 설명된 하나 이상의 상기 반-금속성 물질들을 포함한다.
상기 자유층(330) 내에 상기 이지 콘 이방성의 도입은 상기 자유층(330)의 상기 스위칭 특성들을 개선시킬 수 있다. 상기 이지 콘 이방성 때문에, 상기 자유층(330)의 자화는 상기 자기 접합(300)의 상기 층들에 수직인 일직선으로부터 경사진(예를 들어 상기 z축으로부터 경사진) 안정한 상태를 가질 수 있다. 이러한 초기의 0이 아닌 각도는 상기 자유층(330)의 상기 자화가 스핀 전달 토크에 의해 더 쉽게 스위치되도록 한다. 이러한 특성은 더 낮은 쓰기 에러 율(write error rate)와 관련된다. 상기 더 낮은 쓰기 에러 율은 좁은 펄스 폭(높은 데이터율: high date rates)에서도 달성될 수 있다. 특히, 상기 쓰기 에러 율 대 쓰기 전류의 기울기는 10ns보다 좁은 펄스 폭에서도 상당히 크게 남아있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 10-9 또는 그 이하의 수용 가능한 쓰기 에러 율은 10 내지 30ns 또는 그 이하의 펄스 폭에서 달성될 수 있다. 이렇게, 외부 자기장과 같은 메커니즘을 이용하여 스위칭을 보조하는 것을 대신하여, 상기 이지 콘 이방성은 상기 높은 에러 율의 물리적 원인을 다룬다. 그 결과, 상기 자유층(330)은 더 좁은 펄스 폭에서도 개선된 쓰기 에러 율을 가질 수 있다.
상기 자기 접합(300)의 다른 특성들 또한 강화될 수 있다. 상기 자기 접합(300)의 상기 열적 안정성과 대칭성(symmetry)은 불리하게 영향을 미치지 않을 수 있다. 상기 z축으로부터 0도에서의 상기 자기 이방성 에너지의 로컬 최대값의 크기는 kbT의 20배 또는 그 이상일 수 있다. z축으로부터 90도인 곳에서의 전체적인 최대값(global maximum)은 kbT의 최소한 60배이다. 몇몇 실시예들에서, 이 전체적인 최대값은 kbT의 최소한 80배 또는 그 이상일 것이다. 이러한 크기의 전체적인 최대값은 상기 자기 접합(300)의 열적 안정성을 보장하기에 충분할 수 있다. 나아가, 외부 자기장이 상기 자기 접합(300)을 스위치하는데 필요하지 않을 수 있기 때문에 상기 자기 접합(300)은 더 높은 메모리 밀도들에 더 잘 적용(scalable)될 수 있다. 상기 자기 접합(300) 및 상기 자기 접합(300)을 사용하는 메모리의 성능 및 유연성(flexibility)은 이렇게 하여 개선될 수 있다.
성능은 반-금속들의 사용에 의해 더 향상될 수 있다. 특히, 상기 스위칭 전류는 상기 피고정층(310) 및/또는 상기 자유층(330) 내의 반-금속들의 존재에 의해 더 감소될 수 있다. 이렇게, 상기 접합(300)의 성능이 더 향상될 수 있다.
상기 이지 콘 이방성은 상기 자유층(330) 내에서 다양한 방법들로 얻어질 수 있다. 도 7은 상기 자기 접합(300) 내에서 사용될 수 있는 다른 자유층(330')의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 7은 스케일에 맞지 않는다. 상기 자유층(330')은 상기 자유층(330)과 유사하고 따라서 유사한 구조들을 포함한다. 상기 자유층(330')은 네가티브 수직 이방성층(negative perpendicular anisotropy layer, 331) 및 선택적 네가티브 수직 이방성층(335), 높은 수직 이방성층(333), 및 교환 상호작용 제어층(interaction control layer, 332) 및 선택적 교환 상호작용 제어층(334)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 상기 자유층(330')은 다른 수의 층들을 가질 수 있다. 강자성층들은 비자성, 교환 상호작용 제어층들(332)로 대체된다. 나아가, 네가티브 수직 이방성층들(331)은 높은 수직 이방성층들(333)로 대체된다. 예를 들면, 상기 층(330')이 오직 세 층들만을 포함해야 하는 경우, 이 때 층들(331, 332, 및 333)이 포함될 것이다. 상기 층(330')이 두 개의 추가적인 층들을 포함하는 경우, 이 때 선택적 상호작용 제어층 (334)이 선택적 네가티브 수직 이방성층(335)과 높은 수직 이방성층(333)을 분리할 것이다.
도시된 실시예에서, 두 자성층들(331 및 335)은 네가티브 수직 이방성, Hk 을 갖는다. 이렇게 하여, 저절로, 이 층들의 상기 자화는 상기 막(film)의 평면 내에 머물 것이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층들(331 및 335)은 부분 수직 이방성(partial perpendicular anisotropy)의 효과를 포함할 수 있다. 다르게 말하면, 층들(331 및 335)의 상기 수직 이방성은 높으나, 상기 평면 외 반자화 에너지를 극복하는데는 충분하지 않다. 상기 부분 수직 이방성은 상기 z 방향을 따라 이 층의 상기 자화를 포화시키는데 필요한 자기장을 감소시킨다. 몇몇 실시예들에서, 상기 부분 수직 이방성 장(filed)은 4πMs의 최소한 20%이고 4πMs의 90%보다 작다. 다른 자성층(333)은 높은 수직 이방성 Hk를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 상기 높은 수직 이방성의 크기는 상기 자기 접합의 크기에 의존한다. 예를 들면, 대략 100nm 단위(order)의 직경을 가지는 더 큰 자기 접합(300)에서, 상기 큰 Hk는 1 kOe 보다 더 클 수 있다. 반대로, 대략 10nm 단위(order)의 직경을 가지는 더 작은 자기 접합(300)에서, Hk는 상기 자유층의 두께 및 포화 자화(saturation magnetization)에 의존하여 약 5 kOe이거나 그보다 크다. 상기 층들(331, 333 및 335)은 강자성이고 따라서 하나 이상의 철(Fe), 코발트(Co), 및 니켈(Ni)을 포함한다. B, Ta, Cs, Zr, Pt, Pd, Tb, 및/또는 Ru을 포함하는 다른 물질들 또한 상기 층들(331, 333 및 335)에 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나아가, 하나 이상의 상기 층들(331, 333 및 335)은 위에서 설명된 상기 반-금속을 포함할 수 있다. 같은 또는 다른 물질들이 상기 층들(331, 333 및 335)에 사용될 수 있음을 주의한다. 상기 교환 상호작용 제어층들(332 및 334)은 물론, 상기 층들(331, 333 및 335)의 사용되는 물질(들)의 조합 및/또는 두께가 조절되어 상기 요구되는 이방성들이 상기 층들(331, 333 및 335)내 에서 만들어질 수 있다. 상기 자유층(330') 내에서, 상기 높은 수직 이방성층(333)은 두 개의 네가티브 이방성 층들(331 및 335) 사이에 끼워진다. 최종적으로 상기 자유층(330')은 이지 콘 이방성을 가질 수 있다. 이렇게 하여, 자기 접합 내에서 사용될 때, 상기 자유층(330')은, 열적 안정성, 확장성(scalability), 또는 낮은 임계 스위칭 전류를 희생함 없이, 개선된 쓰기 에러 율을 가질 수 있다. 나아가, 상기 임계 스위칭 전류는, 하나 이상의 상기 층들(331, 333 및 335) 내에서의 반-금속들의 사용을 통해, 더 감소될 수 있다.
도 8은 이지 콘 이방성을 가지는 자유층을 포함하는 다른 자기 접합(300')의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 8은 스케일에 맞지 않는다. 상기 자기 접합(300')은 STT-RAM과 같은 자기 메모리 내에서 사용될 수 있다. 상기 자기 접합(300')은 상기 자기 접합(300)과 유사하고 따라서 유사한 구조들을 포함한다. 상기 자기 접합(300')은, 상기 선택적 시드 층(들)(302), 상기 선택적 고정층(304), 상기 피고정층(310), 상기 비자성 스페이서층(320), 상기 자유층(330), 및 선택적 캡핑층(들)(340)에 각각 유사한, 선택적 시드 층(들)(302'), 선택적 고정층(304'), 피고정층(310'), 비자성 스페이서층(320'), 자유층(330''), 및 선택적 캡핑층(들)(340')을 포함한다. 또한, 상기 자기 접합(300')은 추가적인 비자성 스페이서층(350), 추가적인 피고정층(360), 및 추가적인 선택적 고정층(370)을 포함한다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(300')은 이중 접합이다. 상기 추가적인 비자성 스페이서층(350), 추가적인 피고정층(360), 및 추가적인 선택적 고정층(370)은 상기 비자성 스페이서층(320/320'), 상기 피고정층(310/310'), 및 상기 선택적 고정층(304/304')과 유사하다. 상기 피고정층(360)은 또한 하나 이상의 반-금속(들)을 포함할 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(300')은 상기 접합(300)의 상기 장점을 공유할 수 있다. 나아가, 상기 자기 접합(300')은, 이중 터널 접합과 같은, 이중 접합일 수 있기 때문에, 상기 자기 접합(300')의 상기 스위칭 전류는 감소될 수 있고 상기 스위칭 특성들이 개선될 수 있다.
도 9는 자기 메모리 또는 다른 소자 내에서 사용 가능한 자기 접합(400)의 예시적인 실시예를 도시한다. 예를 들면, 상기 자기 접합(400)은 자기 터널 접합(MTJ), 스핀 밸브, 또는 탄도 자기저항 구조, 또는 이들의 몇몇 조합일 수 있다. 상기 자기 접합(400)은 다양한 어플리케이션들에 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 자기 접합은 STT-RAM과 같은 자기 메모리 내에서 사용될 수 있다. 명확성을 위해, 도 9는 스케일에 맞지 않는다. 상기 자기 접합(400)은 제1 피고정층(410), 제1 비자성 스페이서층(420), 자유층(430), 제2 비자성 스페이서층(440), 제2 피고정층(450), 및 바이어스 구조(460)을 포함한다. 상기 바이어스 구조(460)는 자성 바이어스 층(480), 비자성층(470) 및 상기 자성 바이어스 층(480)의 자화를 원하는 방향으로 고정시키는데 사용될 수 있는 선택적 AFM층(490)을 포함한다. 상기 비자성층(470)은 상기 피고정층(450)과 상기 자성 바이어스층(480) 사이의 상기 자성 교환 결합(magnetic exchange coupling)을 감소시키거나 정지시키도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 비자성층은 Ta, Ru, 및/또는 MgO를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 물질들이 사용될 수 있다. 대체 실시예에서, 상기 층들(450 및 480) 사이의 교환 결합은 다른 방식으로 정지될 수 있다. 비록 층들(410, 420, 430, 440, 450, 470, 및 480)이 특정 방향을 따라 도시되나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양할 수 있다. 예를 들면, 상기 피고정층(410)은 상기 자기 접합(400)의 가장 위에(도시되지 않은 기판으로부터 가장 멀리) 있을 수 있다.
자유층(430)은 물론, 상기 피고정층들(410 및 450)은 강자성이다. 따라서, 층들(410, 430, 및 450)은 하나 이상의 Ni, Fe, 및 Co를, 특히 합금 형태로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)은 CoFe를 포함한다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 상기 층(들)(410, 430, 및 450)은 CoFeB로 이루어진다. 하나 이상의 상기 층들(410, 430, 및 450)은 위에서 설명한 대로 반-금속(들)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층(들)(410, 430, 및/또는 450)은 반-금속(들)로 이루어진다. 다른 실시예들에서, 상기 층(들)(410, 430, 및/또는 450) 내의 상기 복수층은 반-금속 층들을 포함한다. 그 결과, 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)은 상기 층들(110 및 130)과 유사하다. 예를 들면, 상기 층(들)(410, 430, 및/또는 450)은 상기 스페이서층(들)(420 및/또는 440))과의 계면에서 반-금속을 포함하는 층을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 층(들)(410, 430, 및/또는 450)은 하나 이상의 반-금속들을 포함하는 합금일 수 있다. 사용될 수 있는 일부 반-금속성 물질들은 위에서 설명된 하나 이상의 상기 반-금속성 물질들을 포함한다.
상기 층들(410, 430, 및 450)은 상온에서 안정하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)의 상기 자기 이방성 에너지는 kbT의 최소 60배일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)의 상기 자기 이방성 에너지들은 상온에서(약 30oC) kbT의 최소 80배이다. 비록 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)은 단일층들로 도시되었으나, 다른 실시예들에서, 하나 이상의 상기 층들(410, 430, 및/또는 450)은 복수층일 수 있다. 예를 들면, 상기 피고정층(410) 및/또는 상기 자유층(430)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF 내에서, 루테늄(Ru) 또는 다른 물질의 얇은 층(들)이 끼워진 복수의 자성 층들이 사용될 수 있다. 상기 층(들)(410, 430, 및/또는 450)은 또한 다른 복수층일 수 있다.
상기 피고정층(410) 및 자유층(430)은 자성이고 평면 내에 있다. 상기 피고정층(410)은 자화(411)를 갖는다. 상기 자유층(430)의 상기 변화 가능한 자화는 자화용이축(easy axis, 431)에 의해 도시된다. 상기 참조 번호 431은 따라서 상기 자화용이축 및 상기 자유층(430)의 상기 자화 모두를 가리키는데 이용된다. 상기 층들(410 및 430)의 상기 자화들(411 및 431)은 각각 대체로 평면 내에 있다. 따라서, 상기 층들(410 및 430)의 상기 평면 외 반자화 에너지는 상기 평면 외 이방성을 초과한다. 상기 평면 외 반자화 장은 큰 셀들에서 4πMs에 근접하지만, 일반적으로 가장자리(edge)에서 감소되는 반자화 장 때문에 더 작은 셀들에서는 4πMs보다 작다.
상기 자유층(430)의 상기 자화(431)는 평면 내에 있으나, 몇몇 실시예들에서, 상기 자유층(430)은 높은 수직 이방성을 갖는다. 다르게 말하면, 상기 자유층(430)은 약하게 평면 내에 있을 수 있다. 예를 들면, 이러한 몇몇 실시예들에서, 상기 자유층(430)의 상기 수직 이방성 에너지는 상기 평면 외 반자화 에너지에 가까울 수 있거나, 그보다는 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 수직 이방성 에너지는 상기 평면 외 반자화 에너지의 최소한 40%일 수 있다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 상기 수직 이방성 에너지는 상기 평면 외 반자화 에너지의 최소한 80%일 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 상기 수직 이방성 에너지는 상기 반자화 에너지의 90%보다 크지는 않다. 상기 높은 수직 이방성은 상기 비자성 스페이서층(420 및/또는 440)으로 또는 이에 더하여 MgO와 같은, 요구되는 캡핑층의 사용을 포함하는 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 자유층(430)은 또한, 예를 들면 도핑(doping) 또는 복수층의 사용을 통해서 큰 감쇠(high damping)을 가질 수 있다. 상기 자유층(430)은 또한 스핀 전달, 자기저항, 및/또는 다른 요구되는 특성들을 개선시키는 반-금속 강자성 물질들 또는 다른 물질을 사용할 수 있다. 최종적으로, 상기 자기 접합(400)은 상기 자유층의 자화(431)가 상기 자기 접합을 통해 유도된 전류를 이용하여 스위치될 수 있도록 구성된다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(400)은 스핀 전달 토크를 활용한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자기 접합을 스위치하기 위해, 다른 현상들이 스핀 전달 토크에 더하여 또는 이를 대신하여 이용될 수 있다.
상기 비자성 스페이서층들(420 및 440)은 전도성, 터널 배리어 층들, 전도성 채널들을 가지는 절연층들, 또는 상기 자기 접합(400)이 자기 저항을 가지기 위한 다른 비자성층들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 스페이서층들(420 및/또는 440)은 MgO이다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 상기 비자성 스페이서층(들)(420 및/또는 440)은 결정 MgO인데, 이는 상기 자기 접합(400)의 상기 터널 자기저항(TMR)을 강화시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 스페이서층(420 및/또는 440)은 Cu와 같은 전도체일 수 있다. 대체 실시예들에서, 상기 비자성 스페이서층(420 및/또는 440)은 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
상기 바이어스 구조(460)는 상기 자유층(430)에서, 상기 자화용이축(431)에 실질적으로 수직하고 상기 자유층(430)에 수평한(in-plane) 자성 바이어스를 제공한다. 도시된 상기 실시예에서, 상기 자성 바이어스는 상기 바이어스층(480)에 의해 제공된다. 따라서, 상기 바이어스층(480)은 상기 자유층(430)의 상기 자화용이축(431)에 수직하고 평면 내에 있는 자화(481)를 갖는다. 다르게 말하면, 상기 바이어스층의 자화(481)는 상기 자유층(430)의 자화곤란축(hard axis)을 따른다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자기 바이어스는 상기 자유층(430)의 상기 이방성 에너지의 최소한 20% 그리고 60%보다 크지 않은 자기 에너지를 갖는다.
동작 중에, 쓰기 전류가 상기 자기 접합(400)을 통해 인가된다. 생성된 상기 스핀 전달 토크는 상기 자유층(430)의 상기 자화가 상기 자화용이축(431)으로부터 더 멀리 떨어져 기울어지도록 할 수 있다. 따라서 상기 자유층을 위한 상기 반자화장은 0이 아니다. 그 다음 상기 자유층(430)의 자화는 상기 반자화장 주위를 세차운동(precess)한다. 그 다음 상기 쓰기 전류는 제거될 수 있다. 상기 바이어스 구조(460) 및, 더 명확하게는, 상기 바이어스층(480)에 의해 생성된 상기 정적인 바이어스 장(static bias field)은 여전히 상기 자유층(430) 상에서 작용한다. 상기 자화곤란축을 따라 방향이 맞춰진 이 바이어스 장은 상기 자유층(430)의 상기 자화방향을 평면 내로 돌리는 것을 돕는다. 상기 바이어스층(480)으로부터 상기 장(미도시)의 존재 때문에, 상기 자유층(430)의 상기 세차운동하는 자화가 평면 내로 돌아올 것이다. 더 명확하게, 상기 쓰기 전류가 상기 자기 접합(400)으로부터 제거되는 경우, 상기 자유층(430)의 상기 자화는 평면 내 위치로 돌아오려는 경향이 있다. 이는 상기 바이어스층(480)에 의해 생성된 상기 바이어스 장 때문에 일어난다. 상기 바이어스 구조(460)로부터의 상기 바이어스 장이 충분히 크다면, 상기 자유층(430)은 요구되는 상태로 반복적으로 스위치된다. 이러한 실시예들에서, 상기 바이어스 장은 상기 자유층(430)의 최소한 20%이다. 다른 실시예들에서, 상기 쓰기 전류가 특정한 시간에 제거되지 않는 한, 상기 자기 접합(400)은 반복적으로 스위치되지 않을 수 있다. 그러나, 상기 정적인 바이어스 장의 적용은 상기 전류 제거를 위한 시간적인 마진(margin in time)을 여전히 증가시킨다. 따라서, 신뢰할 수 있는 스위칭이 상기 쓰기 전류의 상기 타이밍(timing)에 대한 오차 범위의 여유(relaxed tolerances)를 증가시킬 수 있다.
상기 자기 접합(400)에 의해 저장된 상기 데이터를 읽기 위해, 읽기 전류가 상기 자기 접합(400)을 통해 인가될 수 있다. 상기 피고정층(410) 및 상기 자유층(430)의 상기 자화들(411 및 431)의 상대적인 방향들에 기반하여, 각각, 자기 저항이 제공된다.
상기 자기 접합(400)은 특성들을 개선시킬 수 있다. 상기 자기 접합(400)은 세차 운동 스위칭을 이용한다. 따라서, 자기 접합(400)은 개선된(더 빠른) 스위칭 시간들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 스위칭 시간들은 대략 50 내지 100 단위(order)의 ps(picoseconds)이다. 상술한 대로, 상기 바이어스 구조(460)에 의한 상기 바이어스 장의 존재는 스핀 전달 토크를 이용하여 상기 자유층(430)의 세차 운동 스위칭을 더 확실하게 만들 수 있다. 더 명확하게, 상기 자유층(430)의 상기 자화는 더 확실하게 평면 내로 돌아올 수 있고/있거나 상기 쓰기 전류의 제거에 대한 시간적 마진이 증가할 수 있다. 나아가, 상기 바이어스 장은 상기 자기 바이어스층(480)으로부터 정적인 장(static field)이다. 따라서, 상기 자기 바이어스는 상기 소자의 상기 단면의 크기를 감소시킴과 함께 확장된다. 따라서 더 작은 크기로의 상기 자기 접합(400)의 확장성은 개선될 수 있다. 상기 자기 접합(400)의 성능은 더 강화될 수 있다. 예를 들어, 상기 자유층(430)의 상기 감쇠(damping)의 증가는 임계 스위칭 전류를 변화시키지는 않지만, 상기 자유층(730)의 상기 자화를 그 최종 상태로 잡아두는 것을 더 쉽게 한다. 따라서, 스위칭이 더 확실해질 수 있다. 상기 자유층(430)의 상기 수직 이방성이 또한 증가될 수 있다(상기 평면 외 반자화 에너지 아래로 유지됨을 통해). 이러한 실시예들에서, 예를 들면 상기 쓰기 전류의 제거에 대한 시간적 마진을 증가시킴으로서 상기 스위칭의 신뢰성이 또한 강화될 수 있다. 상기 층들(410, 430, 및/또는 450) 내에서 반-금속(들)의 사용은 또한 상기 임계/스위칭 전류를 감소시킬 수 있다. 이렇게 하여, 상기 자기 접합(400)의 성능이 개선될 수 있다.
도 10A 내지 도 10B는 세차 운동 스위칭을 사용하는 자기 접합(500)의 예시적인 실시예의 사시도 및 평면도를 도시한다. 명확성을 위해, 도 10A 내지 도 10B는 스케일에 맞지 않다. 상기 자기 접합(500)은 자유층(510), 비자성 스페이서층(520), 및 피고정층(530)을 포함한다. 비록 층들(510, 520, 및 530)은 특정 방향을 따라 도시되었으나, 이 방향은 다른 실시예들에서 다양해질 수 있다. 예를 들면, 상기 자유층(510)은 자기 자기 접합(500)의 상기 상부(미도된 기판으로부터 가장 멀리)에 더 가까울 수 있다. 단일층으로 도시되었으나, 상기 자유층(510)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 피고정층(530)은, 루테늄(Ru)과 같은 얇은 층들을 통해 반강자성으로 또는 강자성으로 결합된 자성층들을 포함하는 SAF일 수 있다. 이러한 SAF 내에서, 루테늄(Ru) 또는 다른 물질의 얇은 층(들)이 끼워진 복수의 자성 층들이 사용될 수 있다. 상기 자유층(510)은 또한 다른 복수층일 수 있다.
상기 자유층(510)은 자화용이축(511)에 의해 도시되는 자화를 갖는다. 상기 자유층(510)은 상기 자유층(430)과 유사하다. 예를 들면, 상기 자유층(510)은 SAF이고, 높은 수직 이방성을 가지고, 및/또는 더 높은 감쇠를 가질 수 있다. 상기 스페이서층(520)은 비자성이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 스페이서층(520)은 절연체, 예를 들면 터널 배리어이다. 이러한 실시예들에서, 상기 스페이서층(520)은 결정성 MgO를 포함할 수 있는데, 이는 상기 자기 접합의 상기 TMR을 강화시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 스페이서층은 Cu와 같은 전도체일 수 있다. 대체 실시예들에서, 상기 스페이서층(520)은 다른 구조, 예를 들면 절연 매트릭스 내에 전도성 채널들을 포함하는 과립층을 가질 수 있다.
상기 피고정층(530)은 상기 피고정층(530)을 가로질러 다양해지는 자화(531)를 갖는다. 일부 영역에서, 상기 자화(511)는 평면 내에 있는데 반해, 다른 자화는 평면에 수직이다. 도시된 상기 실시예에서, 상기 피고정층(530)의 가장자리가 평면에 수직인데 반해 상기 피고정층(530)의 중심은 평면 내에 있는 자화를 가진다. 이는, 예를 들면 높은 수직 이방성을 가짐으로써 달성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 수직 이방성은 상기 반자화 에너지의 최소한 85%이나 100%보다 작다.
상기 층들(510 및/또는 530)은 반-금속들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 층(들)(510 및/또는 530)은 반-금속(들)로 이루어진다. 다른 실시예들에서, 상기 층(들)(510 및/또는 530) 내의 상기 복수층은 반-금속 층들을 포함한다. 그 결과, 상기 층들(510 및/또는 530)은 상기 층들(110 및 130)과 유사하다. 예를 들면, 상기 층(들)(510 및/또는 530)은 상기 스페이서층(520)과의 계면에서 반-금속을 포함하는 층을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 층(들)(510 및/또는 530)은 하나 이상의 반-금속들을 포함하는 합금일 수 있다. 사용될 수 있는 일부 반-금속성 물질들은 위에서 설명된 하나 이상의 상기 반-금속성 물질들을 포함한다.
상기 피고정층(530)의 상기 자화가 상기 피고정층(530)을 가로질러 다양해지기 때문에, 상기 피고정층(530)은 상기 피고정층들(도 9의 410 및 450)의 조합으로 기능할 수 있다. 특히, 평면 외 자화를 가지는 상기 가장자리는 상기 자기 접합(400)의 상기 피고정층(450)과 유사한 방식으로 세차 운동 스위칭을 강화시킬 수 있다. 상기 피고정층(530)의 상기 중심 부분은 읽기에 사용되는 상기 피고정층(530)의 부분으로 고려될 수 있다. 즉, 상기 자유층(510)의 상기 자화 방향 대 상기 피고정층(530)의 상기 중심 부분의 자화 방향은 상기 자기 접합(500)의 상기 자기저항을 일으킨다.
상기 자기 접합(500)은 세차 운동 스위칭을 이용할 수 있기 때문에, 더 빠른 속도의 스위칭이 이루어질 수 있다. 나아가, 더 적은 층들이 사용될 수 있기 때문에, 공정이 단순해질 수 있다. 반-금속들의 사용은 또한 감소된 스위칭 전류를 제공할 수 있다.
도 11은 자기 접합(500')의 예시적인 실시예를 도시한다. 명확성을 위해, 도 11은 스케일에 맞지 않는다. 상기 자기 접합(500')는 상기 자기 접합(500)과 유사하다. 그 결과, 유사한 구성들이 비슷하게 표시될 수 있다. 이렇게 상기 자기 접합(500')는 상기 자유층(510), 상기 비자성 스페이서층(520), 및 상기 피고정층(530)과 각각 유사한, 자유층(510'), 제1 비자성 스페이서층(520'), 및 피고정층(530')을 포함한다. 피고정층(550)은 또한 위에서 설명된 바와 같이 반-금속(들)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 자기 접합(500')은 또한 추가적인 비자성 스페이서층(540) 및 추가적인 피고정층(550)을 포함한다. 따라서, 상기 자기 접합(500')은 이중 자기 접합이다. 상기 자기 접합(500')은 상기 자기 접합(500)의 상기 장점들을 공유한다. 예를 들면, 세차 운동 스위칭이 이루어질 수 있다.
상기 자기 접합들(100, 100', 200, 200', 300, 300', 400, 500, 및/또는 500')은 자기 메모리 내에서 사용될 수 있다. 도 12는 이러한 메모리(600)의 예시적인 실시예를 도시한다. 상기 자기 메모리(600)은 워드 라인 선택 드라이버(604)는 물론 읽기/쓰기 컬럼 선택 드라이버들(602 및 606)을 포함한다. 다른 구성들이 제공될 수 있음에 주의한다. 상기 메모리(600)의 상기 저장 영역은 자기 저장 셀들(610)을 포함한다. 각 자기 저장 셀은 최소한 하나의 자기 접합(612, 613) 및 최소한 하나의 선택 소자(614)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 선택 소자(614)는 트랜지스터이다. 상기 자기 접합(612, 613)은 상기 자기 접합들(100, 100', 200, 200', 300, 300', 400, 500, 및/또는 500') 중 하나일 수 있다. 비록 하나의 자기 접합(612) 및 하나의 선택 소자(614)가 셀(610) 당 도시되나, 다른 실시예들에서, 다른 수의 자기 접합들(612 및/또는 613)이 셀 당 제공될 수 있다. 그렇게, 상기 자기 메모리(600)는, 더 빠르고 더 신뢰성 있는 스위칭 및 더 낮은 임계 스위칭 전류와 같은, 위에서 설명된 상기 이익들을 누릴 수 있다. 도면부호 603은 비트라인 또는 소스 라인일 수 있다. 도면부호 605는 워드 라인일 수 있다. 도면부호 610은 1MTJ 메모리 셀을 지칭한다.
도 13은 자기 접합을 제조하는 방법(700)의 예시적인 실시예를 도시한다. 단순화를 위해, 일부 단계들은 생략되거나 조합될 수 있다. 상기 방법(700)은 상기 자기 접합(100)의 맥락에서 설명된다. 그러나, 상기 방법(700)은 상기 접합들(100, 100', 200, 200', 300, 300', 400, 500, 및/또는 500') 및/또는 자유층(330')과 같은 다른 가지 접합들에도 사용될 수 있다. 나아가, 상기 방법(700)은 상기 자기 메모리(600)와 같은 자기 메모리들의 제조에 포함될 수 있다. 따라서, 상기 방법(700)은 STT-RAM 또는 다른 자기 메모리를 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 방법(700)은 상기 시드층(들)(미도시) 및 선택적 고정층(102)이 제공된 후에 시작될 수 있다.
단계 702에서, 상기 피고정층(110)이 제공된다. 단계 702는 상기 피고정층(110)의 요구되는 두께에서 요구되는 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 단계 702는 SAF를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 피고정층(110)을 제공하는 상기 단계는 반-금속(들)을 증착하는 것을 포함한다. 단계 704에서, 상기 비자성층(120)이 제공된다. 단계 704는 결정성 MgO를 포함하나 이에 제한되지 않는, 요구되는 비자성 물질들을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 물질의 요구되는 두께가 단계 704에서 증착될 수 있다.
단계 706에서, 상기 자유층(130)이 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 단계 706은 복수층, SAF, 및/또는 다른 구조를 증착하는 것에 의해 완료될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(130)을 제공하는 상기 단계는 반-금속(들)을 증착하는 것을 포함한다. 그 다음 단계 708에서, 제조가 완료된다 예를 들면, 추가적인 스페이서층(140), 추가적인 피고정층(150) 및/또는 선택적 추가적인 고정층이 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 자기 접합의 상기 층들은 스택(stack)으로 증착되고, 그 다음 정의되는 단계 708은 상기 자기 접합(100)을 정의하는 것, 어닐을 수행하는 것, 또는 상기 자기 접합(100)의 제조를 완료하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 자기 접합(100)이 STT-RAM과 같은 메모리에 결합되는 경우, 단계 708은 콘택들, 바이어스 구조들, 및 상기 메모리(600)의 다른 부분들을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
이렇게 하여, 상기 자기 접합들(100, 100', 200, 200', 300, 및/또는 300')이 형성된다. 그 결과, 상기 자기 접합의 상기 이익들이 얻어질 수 있다.
자기 접합과 상기 자기 접합을 이용하여 제조되는 메모리가 설명되었다. 상기 방법 및 시스템은 도시된 상기 예시적인 실시예들에 따라서 설명되었고, 당업자는 상기 실시예들에 변형들이 있을 수 있고, 어떤 변형들이라도 상기 방법 및 시스템의 상기 목적 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그런 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 상기 목적 및 범위를 벗어남 없이 당업자에 의해 많은 변경들이 만들어 질 수 있다.
Claims (23)
- 자기 소자 내에서 사용을 위한 자기 접합에 있어서,
피고정층 자화를 가지는 피고정층;
비자성 스페이서층; 그리고
자화용이축을 가지는 자유층을 포함하되, 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 있고, 상기 자유층 및 상기 피고정층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반-금속을 포함하고,
쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때 상기 자유층은 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 자유층의 자화용이축은 평면에 수직인 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 자유층의 자화용이축은 평면 내에 있는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 CrO2, Sr2FeMoO6, (La0.7Sr0.3)MnO3, Fe3O4, 또는 NiMnSb 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 T = XYZ 를 포함하되, X는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, 또는 Au로부터 선택되고, Y는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu으로부터 선택되고, Z는 Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, 또는 Bi로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 TM을 포함하되, T=XYZ이고, X는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, 또는 Au로부터 선택되고, Y는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu으로부터 선택되고, Z는 Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, 또는 Bi에서 선택되고, M은 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, 또는 Bi에서 선택되는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 RE1 - xMxMnO3를 포함하되, x는 1보다 작거나 같고, M은 Ca, Sr, Ba, 또는 Pb이고, RE는 희토류 금속 또는 알칼리토류 금속으로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 7에 있어서,
상기 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu으로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 7에 있어서,
상기 알칼리토류 금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 Ra 으로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 적어도 하나의 이중 페로프스카이트(double perovskite) A2MM'O6을 포함하되, A는 희토류 또는 알칼리토류 금속으로부터 선택되고, M과 M'는 Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, 또는 Hg로부터 선택된 두 개의 다른 원소들인 자기 접합. - 청구항 10에 있어서,
상기 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd , Pm , Sm, Eu , Gd , Tb , Dy , Ho , Er , Tm , Yb , 또는 Lu으로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 10에 있어서,
상기 알칼리토류 금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 Ra으로부터 선택되는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 반-금속은 CrO2 또는 Fe3O4 중 적어도 하나를 포함하는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 자유층은 이지 콘 자기 이방성을 가지는 자기 접합. - 청구항 14에 있어서,
상기 자유층은 높은 수직 이방성층, 네가티브 수직 이방성층, 및 상기 높은 수직 이방성층과 상기 네가티브 수직 이방성층 사이의 상호작용 제어층을 포함하되, 상기 높은 수직 이방성층 및 상기 네가티브 수직 이방성층은 상기 콘 이방성을 제공하는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
상기 피고정층은 피고정층 자화, 중심, 제1 가장자리, 및 제2 가장자리를 가지고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 자유층 및 상기 피고정층 사이에 있고, 상기 피고정층 자화는 상기 피고정층을 가로질러 다양해짐으로써 상기 피고정층의 자화는 적어도 상기 제1 가장자리 및 상기 제2 가장자리에서는 평면에 수직이고, 상기 중심에서는 평면 내인 자기 접합. - 청구항 16에 있어서,
상기 피고정층은 평면 외 반자화 에너지 및 상기 평면 외 반자화 에너지의 적어도 85%인 수직 이방성을 가지는 자기 접합. - 청구항 1에 있어서,
추가적인 비자성 스페이서층; 그리고
추가적인 피고정층을 더 포함하고,
상기 자유층은 상기 추가적인 비자성 스페이서층 및 상기 비자성 스페이서층 사이에 있고, 상기 추가적인 비자성 스페이서층은 상기 자유층 및 상기 추가적인 피고정층 사이에 있는 자기 접합. - 청구항 18에 있어서,
상기 자유층에 자기 바이어스를 제공하는 바이어스 구조를 더 포함하고,
상기 바이어스 구조는 상기 추가적인 피고정층으로부터 교환 분리된(exchange decoupled) 자기 부분을 가지고, 상기 자기 바이어스는 상기 자유층의 상기 자화용이축에 수직이고,
쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때, 상기 자유층은 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성되는 자기 접합. - 청구항 19에 있어서,
상기 바이어스 구조는 상기 추가적인 피고정층에 인접하는 비자성층 및 바이어스층 자화를 가지는 바이어스층을 포함하고, 상기 바이어스층 자화는 상기 자유층의 상기 자화용이축에 수직이고 평면 내에 있는 자기 접합. - 청구항 18에 있어서,
상기 피고정층은 피고정층 자화, 중심, 제1 가장자리, 및 제2 가장자리를 가지고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 자유층 및 상기 피고정층 사이에 있고, 상기 피고정층 자화는 상기 피고정층을 가로질러 다양해짐으로써 상기 피고정층 자화는 적어도 상기 제1 가장자리 및 상기 제2 가장자리에서는 평면에 수직이고, 상기 중심에서는 평면 내인 자기 접합. - 복수의 자기 저장 셀들; 그리고
복수의 비트 라인들을 포함하고,
복수의 자기 저장 셀들 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고,
상기 적어도 하나의 자기 접합은 피고정층 자화를 가지는 피고정층, 비자성 스페이서층, 및 자화용이축을 가지는 자유층을 포함하고,
상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 있고,
상기 자유층 및 상기 피고정층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반-금속을 포함하고,
상기 자기 접합은, 쓰기 전류가 상기 자기 접합을 통하여 흐를 때 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록, 구성되는 자기 메모리. - 자기 소자 내에서 사용을 위한 자기 접합을 제공하는 방법에 있어서,
피고정층 자화를 가지는 피고정층을 제공하는 것;
비자성 스페이서층을 제공하는 것; 및
자화용이축을 가지는 자유층을 제공하는 것을 포함하되, 상기 비자성 스페이서층은 상기 피고정층 및 상기 자유층 사이에 있고, 상기 자유층 및 상기 피고정층 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반-금속을 포함하고,
쓰기 전류가 자기 접합을 통하여 흐를 때 상기 자유층은 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 방법.
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|---|---|---|---|
| US201161505469P | 2011-07-07 | 2011-07-07 | |
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| US13/517,731 US8766383B2 (en) | 2011-07-07 | 2012-06-14 | Method and system for providing a magnetic junction using half metallic ferromagnets |
Publications (2)
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