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KR102291612B1 - Magnetoresistive Device - Google Patents

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KR102291612B1
KR102291612B1 KR1020150043084A KR20150043084A KR102291612B1 KR 102291612 B1 KR102291612 B1 KR 102291612B1 KR 1020150043084 A KR1020150043084 A KR 1020150043084A KR 20150043084 A KR20150043084 A KR 20150043084A KR 102291612 B1 KR102291612 B1 KR 102291612B1
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KR
South Korea
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layer
magnetic
magnetic layer
free layer
curie temperature
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KR1020150043084A
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Korean (ko)
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KR20160051524A (en
Inventor
에이지 키타
요시아키 소노베
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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    • H01L43/08
    • H01L43/02
    • H01L43/10

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  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

저소비 전력화 및 안정성 향상을 실현하는 자기 저항 소자를 제공한다. 자기 저항 소자는 소정의 자화 방향이 고정된 고정 층, 자화 방향이 가변인 자유 층, 고정 층과 자유 층 사이에 제공된 절연 층을 포함하되, 고정 층, 자유 층, 및 절연 층은 자기 터널 접합 층을 형성한다. 자유 층은 적어도 제1 자성 층과 제1 자성 층보다 큐리 온도가 낮은 제2 자성층을 포함한다. 제2 자성 층의 큐리 온도를 제1 자성 층의 큐리 온도보다 낮게 하여, 쓰기 작업 시 제1 자성 층의 자화 방향을 반전시키는 전류의 양을 감소시킬 수 있다.Disclosed is a magnetoresistive element that realizes low power consumption and improved stability. The magnetoresistive element includes a pinned layer having a predetermined magnetization direction fixed, a free layer having a variable magnetization direction, and an insulating layer provided between the pinned layer and the free layer, wherein the pinned layer, the free layer, and the insulating layer are a magnetic tunnel junction layer to form The free layer includes at least a first magnetic layer and a second magnetic layer having a lower Curie temperature than the first magnetic layer. By setting the Curie temperature of the second magnetic layer to be lower than the Curie temperature of the first magnetic layer, the amount of current that reverses the magnetization direction of the first magnetic layer during a write operation may be reduced.

Description

자기 저항 소자{Magnetoresistive Device}Magnetoresistive Device

본 발명은 자기 터널 접합을 이용하는 자기 저항 소자에 관한 것으로, 예를 들어, 스핀 주입 자화 반전 효과를 이용한 자기 터널 소자 및 자기 저항 메모리(MRAM)에 이용되는 자기 저항 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetoresistive element using a magnetic tunnel junction, for example, a magnetic tunnel element using a spin injection magnetization reversal effect, and a magnetoresistive element used in a magnetoresistive memory (MRAM).

자기 저항 메모리(MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory)는 고속 저전력의 대용량 비휘발성 메모리로 주목받고 있다. 자기 저항 메모리는 기억 소자로서 자기 터널 접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)을 형성한 자기 저항 소자를 이용한다. 구체적으로, 자기 저항 소자는 자화 방향이 가변인 자유 층, 막면에 수직으로 자화 방향이 고정된 고정 층, 및 자유 층과 고정 층 사이에 배치되며 절연체로 이루어진 터널 장벽 층을 포함한다. 고정 층, 터널 장벽 층, 및 자유 층은 자기 터널 접합을 형성한다. 자기 저항 소자는 자기 터널 접합(MTJ) 소자로도 불린다.Magnetoresistive random access memory (MRAM) is attracting attention as a high-speed, low-power, large-capacity nonvolatile memory. A magnetoresistive memory uses a magnetoresistive element in which a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed as a memory element. Specifically, the magnetoresistive element includes a free layer having a variable magnetization direction, a pinned layer having a fixed magnetization direction perpendicular to the film surface, and a tunnel barrier layer disposed between the free layer and the pinned layer and made of an insulator. The pinned layer, the tunnel barrier layer, and the free layer form a magnetic tunnel junction. A magnetoresistive element is also called a magnetic tunnel junction (MTJ) element.

자기 저항 소자는 터널 장벽 층을 사이에 둔 한 쌍의 자성 층들의 상대적인 자화 방향으로 결정 자기 저항의 크기를 이용하여 정보를 저장한다. 자기 저항 소자는, 이러한 자기 저항 효과에 의해 읽기를 수행하고, 스핀 주입 자화 반전 방식(STT: Spin Transfer Torque)에 의해 쓰기를 수행한다.The magnetoresistive element stores information by using the magnitude of the crystal magnetoresistance as the relative magnetization direction of a pair of magnetic layers with a tunnel barrier layer interposed therebetween. The magnetoresistive element performs read by such a magnetoresistance effect and writes by a spin transfer torque (STT) method.

고정 층 및 자유 층의 재료로서 높은 수직 자기 이방성과 높은 스핀 분극률을 갖는 강자성 재료가 선호된다.As the material of the pinned layer and the free layer, ferromagnetic materials with high perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarizability are preferred.

쓰기 방식으로 채용되는 스핀 주입 자화 반전 방식은 전자의 스핀에 의한 자기 모멘트를 이용하여 자유 층의 자화 방향을 반전시킨다. 스핀 주입 방식은 기존의 배선 전류 방식에 비해 장치의 미세화 및 저전류화에 적합하다. 또한, 자기 저항 소자는 미세화에 대한 열 교란 내성을 갖는다.The spin injection magnetization reversal method employed as the write method reverses the magnetization direction of the free layer by using a magnetic moment caused by the spin of electrons. The spin injection method is suitable for device miniaturization and low current compared to the conventional wiring current method. In addition, the magnetoresistive element has resistance to thermal disturbance against miniaturization.

이러한 자기 저항 소자는, 예를 들면, STT-MRAM과 같은 차세대 고집적 메모리의 기본 구성 소자로 기대되고 있다.Such a magnetoresistive element is expected as a basic component of a next-generation high-integration memory such as, for example, STT-MRAM.

그러나, 자유 층의 재료로서 현재 활발하게 개발되고 있는 CoFeB계 재료의 수직 자기 이방성은 계면 자기 이방성을 이용하기 때문에 그 크기가 작다. 또한, 이론적으로 높은 스핀 분극률을 가지며 수직 자기 이방성이 큰 재료는 Mn-Ge 또는 Mn-Al계와 같은 재료에 불과해, 재료 선택 범위가 매우 좁다.However, the perpendicular magnetic anisotropy of the CoFeB-based material, which is currently being actively developed as a material for the free layer, is small because the interfacial magnetic anisotropy is used. In addition, materials having high spin polarization and high perpendicular magnetic anisotropy are theoretically only materials such as Mn-Ge or Mn-Al, so the material selection range is very narrow.

한편, 해결책으로 MTJ에 수직 자기 유지 층을 결합시키는 방법이 제안되었다. 예를 들어, 특허 문헌 1(일본 특허 공개 2005-0328878)에는, 스핀 모멘트가 막면에 수직인 방향을 향하고 상기 스핀 모멘트의 방향이 고정된 자성을 갖는 자화 고정 층, 스핀 모멘트가 막면에 수직인 방향을 향하는 자기 기록 층, 상기 자화 고정 층과 상기 자기 기록 층 사이에 제공되는 비자성 층, 및 상기 자화 고정 층의 적어도 측면에 제공되는 반강자성 막을 포함하는 자기 저항 소자가 개시되어 있다.Meanwhile, as a solution, a method of bonding a perpendicular self-retaining layer to the MTJ has been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-0328878), a magnetization-fixed layer having magnetism in which a spin moment is oriented perpendicular to the film surface and the direction of the spin moment is fixed, and a direction in which the spin moment is perpendicular to the film surface. Disclosed is a magnetoresistive element comprising a magnetic recording layer facing toward the magnetic recording layer, a nonmagnetic layer provided between the magnetization fixing layer and the magnetic recording layer, and an antiferromagnetic film provided on at least a side surface of the magnetization fixing layer.

또한, 특허 문헌 2(일본 특허 공개 2005-150303)에는, 제1 강자성 층 / 터널 장벽 층 / 제2 강자성 층의 3층 구조를 갖는 강자성 터널 접합을 포함하되, 상기 제1 강자성 층은 상기 제2 강자성 층보다 보자력이 크고, 상기 제1 및 제2 강자성 층들의 자화들의 상대적인 각도에 따라 터널 컨덕턴스(tunnel conductance)가 변화하며, 상기 제2 강자성 층의 단부의 자화가 상기 제2 강자성 층의 자화 용이축 방향과 직교하는 성분을 갖는 방향으로 고정된 자기 저항 소자가 개시되어 있다.In addition, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-150303) includes a ferromagnetic tunnel junction having a three-layer structure of a first ferromagnetic layer/tunnel barrier layer/second ferromagnetic layer, wherein the first ferromagnetic layer is the second The coercive force is greater than that of the ferromagnetic layer, the tunnel conductance changes according to the relative angles of the magnetizations of the first and second ferromagnetic layers, and the magnetization of the end of the second ferromagnetic layer facilitates the magnetization of the second ferromagnetic layer. A magnetoresistive element fixed in a direction having a component orthogonal to the axial direction is disclosed.

또한, 특허 문헌 3(일본 특허 공개 2011-071352)에는, 막면에 수직 방향으로의 자화 용이축을 갖되 자화 방향이 가변인 제1 자성 층, 막면에 수직 방향으로의 자화 용이축을 갖되 자화 방향이 불변인 제2 자성 층, 및 상기 제1 자성 층과 상기 제2 자성 층 사이에 제공되는 제1 비자성 층을 포함하되, 상기 제1 자성 층은 Co와 Pd 또는 Co와 Pt가 원자 조밀면에 교대로 적층되는 CoPd 합금 또는 CoPt 합금을 포함하고 c축이 막면에 수직 방향을 향하는 강자성체로 구성되며, 상기 제1 자성 층의 자화 방향은 상기 제1 자성 층, 상기 제1 비자성 층, 및 상기 제2 자성 층을 관통하는 양방향 전류에 따라 변화하는 자기 저항 소자가 개시되어 있다.In addition, in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-071352), a first magnetic layer having an easy axis of magnetization perpendicular to the film surface but having a variable magnetization direction, an easy axis of magnetization perpendicular to the film surface, but having an invariant magnetization direction a second magnetic layer, and a first non-magnetic layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer, wherein the first magnetic layer has Co and Pd or Co and Pt alternately in an atomic dense plane. It is composed of a ferromagnetic material including a CoPd alloy or a CoPt alloy to be laminated and having a c-axis in a direction perpendicular to the film surface, and the magnetization direction of the first magnetic layer is the first magnetic layer, the first non-magnetic layer, and the second A magnetoresistive element that changes with a bidirectional current passing through a magnetic layer is disclosed.

이러한 기술에 의해 높은 스핀 분극률을 가지는 재료 범위가 반-금속(half-metal) 계열 및 호이슬러계로 확대되었다. 그러나, 소자의 막 두께가 커지기 때문 자화 반전 전류가 증가하고 소비 전력을 줄이는 것이 어렵다는 문제가 있었다.By this technique, the range of materials with high spin polarization has been extended to half-metal series and Heusler series. However, there has been a problem in that the magnetization reversal current increases and it is difficult to reduce the power consumption because the film thickness of the device becomes large.

이러한 문제점에 대해, 예를 들어, 특허 문헌 4(일본 특허 공개 2014-116474)는 자화 반전 전류를 줄여 저전력화를 달성하는 자기 저항 소자를 제공한다. 특허 문헌 4의 자기 저항 소자에서, 기억 층 (자유 층)은 강자성 층, 수직 자화 유지 층, 및 자기 결합 제어 층을 포함한다. 자기 결합 제어 층은 강자성 층과 수직 자화 유지 층 사이에 제공되어, 강자성 층과 수직 자화 유지 층 사이의 자기 결합을 제어한다. 상기 자기 결합 제어 층의 두께를 적절히 변경함으로써, 저항 변화율, 열적 안정성, 기록 전류, 및 자화 반전 속도와 같은 각종 파라미터를 최적화한다. 이에 따라, 자화 반전 전류를 줄여 저전력화를 달성할 수 있다.In response to such a problem, for example, Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-116474) provides a magnetoresistive element that reduces the magnetization reversal current to achieve low power consumption. In the magnetoresistive element of Patent Document 4, the memory layer (free layer) includes a ferromagnetic layer, a perpendicular magnetization holding layer, and a magnetic coupling control layer. A magnetic coupling control layer is provided between the ferromagnetic layer and the perpendicular magnetization holding layer to control the magnetic coupling between the ferromagnetic layer and the perpendicular magnetization holding layer. By appropriately changing the thickness of the magnetic coupling control layer, various parameters such as resistance change rate, thermal stability, write current, and magnetization reversal rate are optimized. Accordingly, it is possible to achieve low power by reducing the magnetization reversal current.

한편, 자기 저항 메모리와 같은 기록 매체에 있어서, 저소비 전력화와 함께 기록된 정보를 안전하게 유지하는 안정성이 요구된다. 예를 들어, 기록 매체는 그 자체 또는 다른 장치에 의해 발생하는 열에 노출되는 환경에서 사용된다. 따라서, 자기 저항 소자는 정보를 유지하는 자유 층(기억 층)에서 자화 열적 안정성을 갖는 것이 필요하다. 그러나, 특허 문헌 1의 자기 저항 소자는 저전력화를 실현하지만, 자기적 안정성을 실현하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않다.On the other hand, in a recording medium such as a magnetoresistive memory, stability for safely holding recorded information while reducing power consumption is required. For example, recording media are used in environments that are exposed to heat generated by themselves or other devices. Therefore, the magnetoresistive element is required to have magnetization thermal stability in the free layer (storage layer) holding information. However, the magnetoresistive element of Patent Document 1 realizes power reduction, but does not disclose a technique for realizing magnetic stability.

본 발명은 상술한 상황을 배경으로 이루어진 것으로, 소비 전력이 낮아지고 안정성이 향상된 자기 저항 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a magnetoresistive device with reduced power consumption and improved stability, which has been made in the background of the above-described situation.

본 발명은 자유 층을 구성하는 자성 층(강자성 층)의 큐리 온도 및 쓰기 작업 시의 자기 저항 소자의 소자 온도와의 관계에 착안한 것이다. 본 발명에 따르면, 자유 층의 큐리 온도를 적절하게 선택함으로써 쓰기 작업시의 소비 전력이 낮아지고, 자유 층의 자화 방향이 안정하게 유지된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 자기 저항 소자는 다음의 구성을 포함할 수 있다.The present invention focuses on the relationship between the Curie temperature of the magnetic layer (ferromagnetic layer) constituting the free layer and the element temperature of the magnetoresistive element during write operation. According to the present invention, by appropriately selecting the Curie temperature of the free layer, power consumption during a write operation is lowered and the magnetization direction of the free layer is stably maintained. Specifically, the magnetoresistive element according to the present invention may include the following configuration.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자는 자화 방향이 고정된 고정 층, 자화 방향이 가변이며 수직 자기 이방성을 갖는 자유 층, 상기 고정 층과 상기 자유 층 사이에 형성된 절연 층을 포함할 수 있다. 상기 고정층, 상기 자유 층, 및 상기 절연 층은 자기 터널 접합 층을 형성할 수 있다. 상기 자유 층은 적어도 제1 자성 층 및 상기 제1 자성 층보다 낮은 큐리 온도를 가지고 수직 자기 이방성을 갖는 제2 자성 층을 포함할 수 있다.A magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention may include a pinned layer having a fixed magnetization direction, a free layer having a variable magnetization direction and having perpendicular magnetic anisotropy, and an insulating layer formed between the pinned layer and the free layer. . The pinned layer, the free layer, and the insulating layer may form a magnetic tunnel junction layer. The free layer may include at least a first magnetic layer and a second magnetic layer having a lower Curie temperature than the first magnetic layer and having perpendicular magnetic anisotropy.

자유 층을 구성하는 제2 자성 층의 큐리 온도는 제1 자성 층에 비해 낮을 수 있다. 제2 자성 층의 큐리 온도가 작기 때문에, 쓰기 작업 시 소자 온도가 상승하면, 제2 자성 층은 수직 자기 이방성이 작아지는 동시에 열 교란이 매우 커질 수 있다. 제1 자성 층은 강자성 층의 자화 방향이 고정되도록 조정한다. 쓰기 작업 시에는, 제2 자성 층의 자기 이방성의 감소로 인해 열 교란의 효과가 커지므로, 제1 자성 층의 자화 방향을 제어하는 전류량으로 쓰기 작업을 수행한다. 그 후, 소자 온도가 낮아짐에 따라 열 교란의 효과가 작아지므로, 제2 자성 층은 제1 자성 층과 동일한 자화 방향으로 변화한다. 쓰기 작업 시, 제2 자성 층의 자화 방향을 반전시키는 전류량을 거의 필요하지 않도록(0(zero)에 가까운 값으로) 구성함으로써 소비 전력을 절감할 수 있다. 읽기 작업 시의 온도는 큐리 온도보다 작기 때문에, 자기 저항 소자의 열에 대한 안정성은 종래대로 하이브리드(hybrid)화에 의하여 향상될 수 있다.The Curie temperature of the second magnetic layer constituting the free layer may be lower than that of the first magnetic layer. Since the Curie temperature of the second magnetic layer is small, if the device temperature increases during a write operation, the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetic layer may decrease and thermal disturbance may become very large. The first magnetic layer adjusts the magnetization direction of the ferromagnetic layer to be fixed. During the write operation, since the effect of thermal disturbance increases due to the decrease in magnetic anisotropy of the second magnetic layer, the write operation is performed with an amount of current that controls the magnetization direction of the first magnetic layer. After that, as the device temperature is lowered, the effect of thermal disturbance becomes smaller, so that the second magnetic layer changes in the same magnetization direction as that of the first magnetic layer. Power consumption can be reduced by configuring the amount of current for inverting the magnetization direction of the second magnetic layer to be almost unnecessary (a value close to zero) during a write operation. Since the temperature during the read operation is smaller than the Curie temperature, the thermal stability of the magnetoresistive element may be improved by hybridization as in the prior art.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자에서, 상기 제2 자성 층의 큐리 온도는 350K 내지 500K인 것이 바람직하다. 제2 자성 층의 큐리 온도를 적절하게 선택함으로써 제2 자성 층이 큰 열 교란을 나타내는 소자 온도의 범위를 조정할 수 있다. 나아가, 읽기 작업 시의 열적 안정성의 증가와 관련하여, 상기 제2 자성 층이 갖는 상기 수직 자기 이방성 값은 5×105 J/m3 (5×106 erg/cc) 이상인 것이 바람직하다.In the magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention, the Curie temperature of the second magnetic layer is preferably 350K to 500K. By appropriately selecting the Curie temperature of the second magnetic layer, the range of device temperatures in which the second magnetic layer exhibits large thermal disturbances can be adjusted. Furthermore, in relation to an increase in thermal stability during a read operation, the perpendicular magnetic anisotropy value of the second magnetic layer is preferably 5×10 5 J/m 3 (5×10 6 erg/cc) or more.

제1 자성 층에 관하여, 다음 중 어느 하나를 갖는 것이 바람직하다. 첫째, 상기 제1 자성 층의 자기 이방성은 면내 자기 이방성이다. 둘째, 상기 제1 자성 층은 수직 자기 이방성을 가지며, 상기 수직 자기 이방성의 값은 2×105 J/m3 (2×106 erg/cc) 내지 106 J/m3 (107 erg/cc)이다. 이렇게 하면, 쓰기 작업 시, 제1 자성 층의 자화 방향을 반전시키는 전류량에 따라 자유 층 전체의 자화 방향 제어되기 때문에 자화 방향의 반전 전류량을 줄일 수 있다.As for the first magnetic layer, it is preferable to have any of the following. First, the magnetic anisotropy of the first magnetic layer is in-plane magnetic anisotropy. Second, the first magnetic layer has perpendicular magnetic anisotropy, and the value of the perpendicular magnetic anisotropy is 2×10 5 J/m 3 (2×10 6 erg/cc) to 10 6 J/m 3 (10 7 erg/cc) cc). In this way, since the magnetization direction of the entire free layer is controlled according to the amount of current that reverses the magnetization direction of the first magnetic layer during a write operation, the amount of inversion current in the magnetization direction can be reduced.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자는 상기 제1 자성 층과 상기 제2 자성 층 사이에 제공되어 상기 제1 자성 층과 상기 제2 자성 층의 자기 결합을 제어하는 자기 결합 제어 층을 구비하는 것이 바람직하다. 자기 결합 제어 층을 조정함으로써 (예를 들어, 두께) 제2 자성 층이 열 교란이 큰 상태에서 강자성으로 변화할 때, 제2 자성 층의 자화 방향을 제1 자성 층의 자화 방향과 동일하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 자기 저항 소자의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.A magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention includes a magnetic coupling control layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer to control magnetic coupling between the first magnetic layer and the second magnetic layer. It is preferable to do Controlling the magnetization direction of the second magnetic layer to be the same as that of the first magnetic layer when the second magnetic layer changes from a high thermal disturbance state to ferromagnetic by adjusting (eg, thickness) the magnetic coupling control layer can do. Accordingly, the thermal stability of the magnetoresistive element can be improved.

상기 제2 자성 층은 큐리 온도가 제어될 수 있고 수직 자기 이방성이 큰 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 자성 층은 FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn2RuGa, 또는 Mn2RuGe와 같은 자성 재료 또는 다른 강자성체를 포함하는 것이 바람직하다. 자기 저항 소자(MTJ 소자)의 저항 값은 30 Ωμm2 이하인 것이 바람직하다. FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn2RuGa, 및 Mn2RuGe는 낮은 큐리 온도에서 높은 수직 자기 이방성 상수를 갖는 재료의 일례이며, 제2 자성 층에 적합하게 사용될 수 있다.The second magnetic layer may include a material having a controlled Curie temperature and having high perpendicular magnetic anisotropy. For example, the second magnetic layer preferably includes a magnetic material such as FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn 2 RuGa, or Mn 2 RuGe or other ferromagnetic material. The resistance value of the magnetoresistive element (MTJ element) is preferably 30 Ωμm 2 or less. FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn 2 RuGa, and Mn 2 RuGe are examples of materials having a high perpendicular magnetic anisotropy constant at a low Curie temperature, and may be suitably used for the second magnetic layer.

게다가, 상기 제2 자성 층의 큐리 온도는 쓰기 작업 시의 소자 온도에 가깝거나 쓰기 작업 시의 소자 온도보다 낮고, 읽기 작업 시의 상기 제2 자성 층의 소자 온도보다 높은 것이 바람직하다. 이에 따라, 제2 자성 층의 큐리 온도가 소자 온도에 가까우면 열 교란이 커지고, 제2 자성 층의 큐리 온도가 소자 온도보다 낮으면 비자성을 나타내도록 조정할 수 있다.In addition, it is preferable that the Curie temperature of the second magnetic layer is close to or lower than the device temperature during the write operation and higher than the device temperature of the second magnetic layer during the read operation. Accordingly, when the Curie temperature of the second magnetic layer is close to the device temperature, thermal disturbance increases, and when the Curie temperature of the second magnetic layer is lower than the device temperature, it can be adjusted to exhibit non-magnetism.

본 발명의 실시예들에 의하면, 소비 전력이 낮아지고 안정성이 향상된 자기 저항 소자가 제공될 수 있다.According to the embodiments of the present invention, a magnetoresistive device with reduced power consumption and improved stability may be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자를 채용하는 MRAM의 일례의 요부를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 층의 구성 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자에 쓰기 작업이 수행될 때의 자유 층의 동작 예의 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 LLG 시뮬레이션에 이용된 자유 층의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 쓰기 작업 시의 자기 저항 소자의 온도를 매개 변수로 하여 기록 전류가 감소되는 효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 LLG 시뮬레이션에 이용된 자유 층의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 큐리 온도와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 큐리 온도와 전류량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 7의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 감쇠 상수(damping constant, α)와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 7의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 자유 층의 직경과 수직 자기 이방성 상수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 LLG 시뮬레이션에 이용된, 제1 자성 층이 수직 자기 이방성을 가지지 않는 자유 층의 구성 예를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 큐리 온도와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 12의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 큐리 온도와 전류량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 12의 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과에 따라, 자유 층의 직경과 수직 자기 이방성 상수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 자기 교환 스티프니스 상수(exchange stiffness constant)와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 자기 교환 스티프니스 상수(exchange stiffness constant)와 전류량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 LLG 시뮬레이션에서, 온도 변화에 따른 매개 변수의 변동 모델을 나타낸 그래프이다.
도 19a 내지 19e는 자유 층을 구성하는 재료의 조합 예를 나타내는 도면이다.
1 is a perspective view showing a main part of an example of an MRAM employing a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating an example of a magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a free layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a concept of an operation example of a free layer when a write operation is performed on a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining an example of a free layer used for LLG simulation.
FIG. 6 is a graph showing the effect of reducing the write current using the temperature of the magnetoresistive element during the write operation as a parameter according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 5 .
7 is a diagram for explaining another example of a free layer used for LLG simulation.
8 is a graph illustrating the relationship between the Curie temperature and the current density according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 7 .
9 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the amount of current according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 7 .
10 is a graph illustrating the relationship between a damping constant (α) and a current density according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 7 .
11 is a graph showing the relationship between the diameter of the free layer and the perpendicular magnetic anisotropy constant according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 7 .
12 is a view for explaining a configuration example of a free layer in which the first magnetic layer does not have perpendicular magnetic anisotropy, used for LLG simulation.
13 is a graph illustrating the relationship between the Curie temperature and the current density according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 12 .
14 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the amount of current according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 12 .
15 is a graph showing the relationship between the diameter of the free layer and the perpendicular magnetic anisotropy constant according to the LLG simulation test result of the free layer of FIG. 12 .
16 is a graph illustrating a relationship between a magnetic exchange stiffness constant and a current density.
17 is a graph illustrating a relationship between an exchange stiffness constant and an amount of current.
18 is a graph illustrating a model of parameter variation according to temperature change in LLG simulation.
19A to 19E are views showing examples of combinations of materials constituting a free layer.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 설명의 명확화를 위하여 이하의 기재 및 도면은 적절한 생략 및 단순화가 이루어졌다. 각 도면에서, 동일한 구성 또는 동일한 기능을 갖는 구성과 그 상당 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. For clarity of explanation, the following description and drawings have been appropriately omitted and simplified. In each drawing, the same components or components having the same functions and their substantial portions are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.

MRAM의 구성이 설명된다.The configuration of the MRAM is described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자를 채용하는 MRAM의 일례의 요부를 나타내는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자에 대해 설명한다.1 is a perspective view showing a main part of an example of an MRAM employing a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention. A magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 .

도 1에는, MRAM의 요부로서, 메모리 셀(100), 비트 라인(1), 콘택 플러그들(5, 7) 및 워드 라인(8)이 도시된다.1 , as main parts of the MRAM, a memory cell 100 , a bit line 1 , contact plugs 5 , 7 and a word line 8 are shown.

메모리 셀(100)은 반도체 기판(2), 확산 영역(3, 4), 소스 라인(6), 게이트 절연막(9), 및 자기 저항 소자(10)를 포함할 수 있다.The memory cell 100 may include a semiconductor substrate 2 , diffusion regions 3 and 4 , a source line 6 , a gate insulating layer 9 , and a magnetoresistive element 10 .

MRAM은 여러 메모리 셀들(100)을 매트릭스 형태로 배치하고, 복수 개의 비트 라인들(1) 및 복수 개의 워드 라인들(8)을 이용하여 상기 메모리 셀들(100)을 서로 연결함으로써 형성될 수 있다. MRAM에서, 데이터의 쓰기 작업은 스핀 토크 주입 방식을 이용하여 수행될 수 있다.The MRAM may be formed by arranging several memory cells 100 in a matrix form and connecting the memory cells 100 to each other using a plurality of bit lines 1 and a plurality of word lines 8 . In the MRAM, a data write operation may be performed using a spin torque injection method.

반도체 기판(2)은 상면에 확산 영역들(3, 4)을 가질 수 있으며, 확산 영역(3)은 확산 영역(4)에서 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 확산 영역(3)은 드레인 영역으로서 기능할 수 있고 확산 영역(4)은 소스 영역으로 기능할 수 있다. 확산 영역(3)은 콘택 플러그(7)를 통해 자기 저항 소자(10)에 연결될 수 있다.The semiconductor substrate 2 may have diffusion regions 3 and 4 on its upper surface, and the diffusion region 3 may be disposed at a predetermined distance from the diffusion region 4 . The diffusion region 3 may function as a drain region and the diffusion region 4 may function as a source region. The diffusion region 3 may be connected to the magnetoresistive element 10 through a contact plug 7 .

비트 라인(1)은 반도체 기판(2) 상에 배치될 수 있으며, 자기 저항 소자(10)에 연결될 수 있다. 비트 라인(1)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 연결될 수 있다.The bit line 1 may be disposed on the semiconductor substrate 2 and may be connected to the magnetoresistive element 10 . The bit line 1 may be connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

확산 영역(4)은 콘택 플러그(5)를 통해 소스 라인(6)에 연결될 수 있다. 소스 라인(6)은 쓰기 회로(미도시) 및 읽기 회로(미도시)에 연결될 수 있다.The diffusion region 4 may be connected to the source line 6 through a contact plug 5 . The source line 6 may be connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

워드 라인(8)은 확산 영역들(3, 4)과 수직적으로 중첩되도록 반도체 기판(2) 상에 배치될 수 있다. 워드 라인(8)과 반도체 기판(2) 사이에 게이트 절연막(9)이 개재될 수 있다. 워드 라인(8) 및 게이트 절연막(9)은 선택 트랜지스터로서 기능할 수 있다. 워드 라인(8)은 도시하지 않은 회로에서 전류를 공급받아 활성화되어 선택 트랜지스터로 턴온될 수 있다.The word line 8 may be disposed on the semiconductor substrate 2 to vertically overlap the diffusion regions 3 and 4 . A gate insulating layer 9 may be interposed between the word line 8 and the semiconductor substrate 2 . The word line 8 and the gate insulating film 9 can function as a selection transistor. The word line 8 may be activated by receiving a current from a circuit (not shown) to be turned on as a selection transistor.

자기 저항 소자의 구성이 설명된다.The configuration of the magnetoresistive element is described.

도 2에 도시된 바와 같이, 자기 저항 소자(10)는 고정 층(11), 절연 층(12), 및 자유 층(13)이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 반대 순서로 적층될 수도 있다. 마찬가지로, 이후의 설명에서, 다른 도면에 도시된 자기 저항 소자의 구성에 있어서도 반대 순서로 적층될 수 있다. 자기 저항 소자(10)는 고정 층(11), 절연 층(12), 및 자유 층 (13)에 의해 자기 터널 접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)을 형성할 수 있다. 덧붙여, 본 명세서에서는 특별히 언급하지 않는 한 "자기 저항 소자"와 "자기 터널 접합 소자 (MTJ 소자)"를 구별하지 않고 사용한다.As shown in FIG. 2 , the magnetoresistive element 10 may have a structure in which a pinned layer 11 , an insulating layer 12 , and a free layer 13 are sequentially stacked. Alternatively, they may be stacked in the reverse order. Similarly, in the following description, in the configuration of the magnetoresistive element shown in the other drawings, they may be stacked in the reverse order. The magnetoresistive element 10 may form a magnetic tunnel junction (MTJ) by the pinned layer 11 , the insulating layer 12 , and the free layer 13 . Incidentally, in this specification, unless otherwise specified, "magnetoresistive element" and "magnetic tunnel junction element (MTJ element)" are used without distinction.

자기 저항 소자(10)는 스핀 주입 자화 반전 방식에 의해 쓰기 작업이 수행될 수 있다. 즉, 자기 저항 소자(10)는 스핀 주입 쓰기 방식을 이용하는 자기 저항 소자일 수 있다. 상세하게, 쓰기 작업 시에는, 고정 층(11)에서 자유 층(13)으로 또는 자유 층(13)에서 고정 층(11)으로 고정 층(11) 및 자유 층(13)의 표면에 수직 방향으로 전류를 흐르게 하여, 스핀 정보를 축적하는 전자가 고정 층(11)에서 자유 층(13)으로 주입될 수 있다. 그리고, 이렇게 주입된 전자의 스핀이 스핀 보존 법칙에 따라 자유 층(13)의 전자로 이동함으로써 자유 층(13)의 자화가 반전될 수 있다. 즉, 각 층의 막면에 수직 방향으로 흐르는 스핀 분극 전류의 방향에 따라 자기 저항 소자(10)는 고정 층(11)과 자유 층(13)의 자화들의 상대 각도를 평행 또는 반평행 상태(즉, 저항의 극소 또는 극대)로 변화시켜, 이원 정보 "0" 또는 "1"을 부여하는 방법으로 정보를 기억한다.A write operation may be performed on the magnetoresistive element 10 by a spin injection magnetization reversal method. That is, the magnetoresistive element 10 may be a magnetoresistive element using a spin injection and write method. In detail, during a writing operation, from the pinned layer 11 to the free layer 13 or from the free layer 13 to the pinned layer 11 in a direction perpendicular to the surfaces of the pinned layer 11 and the free layer 13 . By flowing an electric current, electrons that accumulate spin information can be injected from the pinned layer 11 to the free layer 13 . And, the magnetization of the free layer 13 may be reversed as the spins of the injected electrons move to the electrons of the free layer 13 according to the spin conservation law. That is, depending on the direction of the spin polarization current flowing in the direction perpendicular to the film surface of each layer, the magnetoresistive element 10 sets the relative angles of the magnetizations of the pinned layer 11 and the free layer 13 in a parallel or antiparallel state (that is, (minimum or maximum of resistance) and store information in such a way that binary information "0" or "1" is given.

고정 층(11)은 강자성 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 강자성 금속은, 예를 들어, Fe, Ni, CoFeB, Co/Pt, Co/Pd, 또는 이들의 조합일 수 있다. 고정 층(11)의 자화는 소정의 방향으로 고정될 수 있다. 상기 소정의 자화 방향은 고정층(11)의 표면에 수직인 방향일 수 있다. 고정 층(11)은 자유 층(13)에 비해 자화 방향이 쉽게 변화하지 않는 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 유효 자기 이방성(Kueff) 및 포화 자화(Ms)가 큰 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 그러나, 고정층(11)을 구성하는 재료가 특별히 한정되는 것은 아니며, 여러 조건에 의하여 임의의 재료를 선택할 수 있다. 또한, 고정 층(11)은 자화 고정 층, 자화 고착 층, 참조 층, 자화 참조 층, 핀 층, 기준 층, 또는 자화 기준 층으로 불릴 수 있다.The pinned layer 11 may be made of a ferromagnetic metal. The ferromagnetic metal may be, for example, Fe, Ni, CoFeB, Co/Pt, Co/Pd, or a combination thereof. The magnetization of the pinned layer 11 may be fixed in a predetermined direction. The predetermined magnetization direction may be a direction perpendicular to the surface of the pinned layer 11 . It is preferable to select a material in which the magnetization direction does not easily change for the pinned layer 11 compared to the free layer 13 . That is, it is preferable to select a material having large effective magnetic anisotropy (Kueff) and saturation magnetization (Ms). However, the material constituting the fixed layer 11 is not particularly limited, and an arbitrary material can be selected according to various conditions. Further, the pinned layer 11 may be referred to as a magnetized pinned layer, a magnetized pinned layer, a reference layer, a magnetized reference layer, a pinned layer, a reference layer, or a magnetized reference layer.

절연 층(12)은 터널 장벽 층이며, NaCl 구조를 갖는 산화물일 수 있다. 절연 층(12)은 MgO와 같은 절연막으로 구성될 수 있다. 절연 층(12)은 전술한 MgO 외에 CaO, SrO, TiO, VO, NbO, 또는 Al2O3를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 절연 층(12)으로서의 기능에 지장을 초래하지 않는 한 특별히 한정되지 않는다. 절연 층(12)의 두께는 자기 저항 소자(10)의 저항 값에 따라 적절히 변경될 수 있다. 절연 층(12)은 터널 장벽 층 또는 장벽 층으로 불릴 수 있다.The insulating layer 12 is a tunnel barrier layer and may be an oxide having a NaCl structure. The insulating layer 12 may be made of an insulating film such as MgO. The insulating layer 12 may include CaO, SrO, TiO, VO, NbO, or Al 2 O 3 in addition to the aforementioned MgO. However, it is not limited thereto, and is not particularly limited as long as it does not impair the function of the insulating layer 12 . The thickness of the insulating layer 12 may be appropriately changed according to the resistance value of the magnetoresistive element 10 . The insulating layer 12 may be referred to as a tunnel barrier layer or barrier layer.

자유 층(13)은 방향이 변할 수 있는 자화를 가질 수 있다. 자유 층(13)의 자화는, 예를 들어, 자유 층(13)의 표면에 수직으로 자화되어 그 방향이 위쪽 또는 아래쪽을 향할 수 있다. 자유 층(13)은 그의 표면에 수직인 방향으로의 자화 용이축을 가질 수 있다. 자유 층(13)의 두께는 목표로 하는 자기 저항 소자(10)의 면 저항 값에 따라 적절히 변경될 수 있다. 또한 자유 층(13)은 자화 자유 층, 자화 가변 층, 또는 기억 층으로 불릴 수 있다. 자유 층(13)은, 예를 들어, CoFeB, 호이슬러(Heusler) 물질, 또는 MnGe를 포함할 수 있다.The free layer 13 can have a magnetization that can change direction. The magnetization of the free layer 13 can be, for example, magnetized perpendicular to the surface of the free layer 13 so that its direction is upward or downward. The free layer 13 may have an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to its surface. The thickness of the free layer 13 may be appropriately changed according to a target sheet resistance value of the magnetoresistive element 10 . The free layer 13 may also be referred to as a magnetization free layer, a magnetization variable layer, or a memory layer. The free layer 13 may comprise, for example, CoFeB, a Heusler material, or MnGe.

자기 저항 소자가 갖춘 자유 층의 구성이 설명된다.The configuration of the free layer equipped with the magnetoresistive element is described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 층(13)을 나타내는 단면도이다. 자유 층(13)은 제1 자성 층(31), 자기 결합 제어 층(32), 및 제2 자성 층(33)이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 즉, 자유 층(13)은 제1 자성 층(31)과 제2 자성 층(33) 사이에 자기 결합 제어 층(32)이 형성된 구성을 가질 수 있다. 이후의 설명에서는 자유 층(13)의 제1 자성 층(31)이 절연 층(12)에 인접하여 배치되어 있는 것을 전제로 한다.3 is a cross-sectional view illustrating the free layer 13 according to an embodiment of the present invention. The free layer 13 may have a structure in which the first magnetic layer 31 , the magnetic coupling control layer 32 , and the second magnetic layer 33 are sequentially stacked. That is, the free layer 13 may have a configuration in which the magnetic coupling control layer 32 is formed between the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 . In the following description, it is assumed that the first magnetic layer 31 of the free layer 13 is disposed adjacent to the insulating layer 12 .

열적 안정성의 관점에서, 제1 자성 층(31)은 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직하다. 기록 전류 저감의 관점에서, 제1 자성 층(31)은 제2 자성 층(33)과 자기적으로 결합하는 경우에 수직 방향으로의 자화를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 자성 층(31) 자체가 수직 자기 이방성을 가질 필요는 없다. 제1 자성 층(31)은 강자성 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 반-금속(half-metal) 또는 호이슬러 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.From the viewpoint of thermal stability, the first magnetic layer 31 preferably has perpendicular magnetic anisotropy. From the viewpoint of reducing the write current, it is preferable that the first magnetic layer 31 has magnetization in the perpendicular direction when magnetically coupled with the second magnetic layer 33 . In this case, the first magnetic layer 31 itself does not need to have perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetic layer 31 is preferably made of a ferromagnetic material, for example, preferably made of a half-metal or Heusler material.

자기 결합 제어 층(32)은 제1 자성 층(31)과 제2 자성 층(33)의 자기 결합을 제어할 수 있다. 자기 결합 제어 층(32)은, 예를 들어, Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, 또는 W를 포함할 수 있다. 또한, 자기 결합의 크기는 자기 결합 제어 층(32)의 두께가 2nm 이하가 되도록 적절하게 변화시킴으로써 저항 변화율, 열적 안정성, 기록 전류, 및 자화 반전 속도와 같은 매개 변수를 최적화할 수 있다.The magnetic coupling control layer 32 may control magnetic coupling of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 . The magnetic coupling control layer 32 may include, for example, Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, or W. In addition, parameters such as resistance change rate, thermal stability, write current, and magnetization reversal rate can be optimized by appropriately changing the size of the magnetic coupling so that the thickness of the magnetic coupling control layer 32 is 2 nm or less.

제2 자성 층(33)은 제1 자성 층(31)보다 낮은 큐리 온도(Tc)를 갖는 재료로 구성될 수 있다. 제2 자성 층(33)은 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직하다. 제2 자성 층(33)은 수직 자기 이방성을 갖는 강자성 또는 페리 자성인 재료로 구성될 수 있다. 또한, 제2 자성 층(33)을 구성하는 재료의 큐리 온도는 350K 내지 500K인 것이 바람직하다. 나아가, 상기 큐리 온도의 상한은 450K 이하인 것이 보다 바람직하며, 400K 이하인 것이 특히 바람직하다.The second magnetic layer 33 may be made of a material having a lower Curie temperature (Tc) than the first magnetic layer 31 . The second magnetic layer 33 preferably has perpendicular magnetic anisotropy. The second magnetic layer 33 may be made of a material that is ferromagnetic or ferrimagnetic with perpendicular magnetic anisotropy. In addition, the Curie temperature of the material constituting the second magnetic layer 33 is preferably 350K to 500K. Furthermore, as for the upper limit of the said Curie temperature, it is more preferable that it is 450K or less, and it is especially preferable that it is 400K or less.

제2 자성 층(33)은 자기 저항 소자에 쓰기 작업이 수행될 때 예상되는 소자 온도보다 낮은 큐리 온도를 갖는 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 자기 저항 소자에 쓰기 작업이 수행될 때 예상되는 소자 온도(자유 층의 소자 온도 또는 자유 층을 구성하는 재료의 온도)는 350K 내지 400K 정도이므로, 제2 자성 층(33)의 큐리 온도가 350K보다 낮으면 자기 저항 소자의 읽기 작업 시 온도의 영향을 받을 수 있다. 즉, 읽기 작업 시, 열적 안정성에 문제가 발생할 수 있다. 제2 자성 층(33)의 큐리 온도는 읽기 작업 시의 제2 자성 층(33)의 소자 온도보다 높은 것이 바람직하다. 한편, 제2 자성 층(33)의 큐리 온도가 500K보다 높으면 제2 자성 층(33)이 열 교란의 영향을 크게 받는 온도 범위가 작아지기 때문에 쓰기 작업 시의 소비 전력을 감소시키는 효과를 얻기 힘들 수 있다. 따라서, 제2 자성 층(33)의 큐리 온도는 350K 내지 500K로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 읽기 작업 시의 열적 안정성을 확보하면서 쓰기 작업 시의 소비 전력을 감소하는 효과를 가질 수 있다.The second magnetic layer 33 is preferably made of a material having a Curie temperature lower than an expected element temperature when a write operation is performed on the magnetoresistive element. Since the expected device temperature (the device temperature of the free layer or the temperature of the material constituting the free layer) when a write operation is performed on the magnetoresistive device is about 350 K to 400 K, the Curie temperature of the second magnetic layer 33 is higher than 350 K If it is low, the read operation of the magnetoresistive element may be affected by temperature. That is, during a read operation, a problem may occur in thermal stability. The Curie temperature of the second magnetic layer 33 is preferably higher than the device temperature of the second magnetic layer 33 during the read operation. On the other hand, if the Curie temperature of the second magnetic layer 33 is higher than 500K, the temperature range in which the second magnetic layer 33 is greatly affected by thermal disturbance becomes smaller, so it is difficult to obtain the effect of reducing power consumption during the write operation. can Therefore, it is preferable that the Curie temperature of the second magnetic layer 33 is 350K to 500K. In this case, it may have an effect of reducing power consumption during a write operation while securing thermal stability during a read operation.

게다가, 자기 저항 소자(10)의 소자 저항은 30 Ωμm2 이하인 것이 바람직하다. DRAM과 같은 환경을 응용하는 경우, MRAM 등의 소자를 사용하기 위해서는 30 Ωμm2가 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the element resistance of the magnetoresistive element 10 is 30 Ωμm 2 or less. 30 Ωμm 2 is preferable in order to use a device such as an MRAM when an environment such as DRAM is applied.

덧붙여, 도 3에는 자유 층(13)이 제1 자성 층(31), 자기 결합 제어 층(32), 및 제2 자성 층(33)의 세 개의 층으로 구성되어 있는 예(삼층 구조)가 도시되어 있다. 그러나, 자유 층(13)이 자기 결합 제어 층(32)을 갖추지 않은, 즉, 제1 자성 층(31) 및 제2 자성 층(33)의 두 개의 층으로 구성되는 경우(이층 구조)도 가능하다. 다시 말해, 도 3에 도시된 바와 달리, 자유 층(13)은 제1 자성 층(31) 및 제2 자성 층(33)이 적층된 구조를 가질 수도 있다.Incidentally, FIG. 3 shows an example (three-layer structure) in which the free layer 13 is composed of three layers: a first magnetic layer 31 , a magnetic coupling control layer 32 , and a second magnetic layer 33 . has been However, it is also possible when the free layer 13 does not have the magnetic coupling control layer 32, that is, it is composed of two layers of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 (two-layer structure). do. In other words, unlike shown in FIG. 3 , the free layer 13 may have a structure in which the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 are stacked.

자유 층의 동작 예가 설명된다.An operational example of the free layer is described.

다음으로, 상술한 자유 층(13)의 구성 예에 기초하여, 자유 층(13)의 구체적인 구성 예를 참조하여 동작 예를 설명한다.Next, an operation example will be described with reference to a specific configuration example of the free layer 13 based on the configuration example of the free layer 13 described above.

도 4는 자기 저항 소자에 쓰기 작업이 수행될 때의 자유 층(13A)의 동작 예의 개념을 나타내는 도면이다. 자기 결합 제어 층(ECC 층, 32A)는 제1 자성 층(31A)과 제2 자성 층(33A) 사이에 배치될 수 있다. 도 4는 자기 결합 제어 층(32A)을 갖춘 구성 예를 나타내고 있지만 자기 결합 제어 층(32A)를 갖추지 않은 구성도 가능하다.4 is a diagram illustrating a concept of an operation example of the free layer 13A when a write operation is performed on a magnetoresistive element. A magnetic coupling control layer (ECC layer) 32A may be disposed between the first magnetic layer 31A and the second magnetic layer 33A. Although Fig. 4 shows a configuration example provided with the magnetic coupling control layer 32A, a configuration without the magnetic coupling control layer 32A is also possible.

또한, 도 4에는, 자유 층(13A)의 동작 설명을 쉽게 하기 위해 절연 층(12)이 도시되어 있다. 도 4는 절연 층(12)이 MgO 장벽(MgO Barrier)인 경우를 나타낸다.In addition, in Fig. 4, the insulating layer 12 is shown in order to facilitate the explanation of the operation of the free layer 13A. 4 shows a case in which the insulating layer 12 is a MgO barrier.

이후의 설명에서 특별한 기재가 없는 경우, 제1 자성 층(31A)의 큐리 온도를 Tc1, 수직 자기 이방성 상수를 Ku1, 제2 자성 층(33A)의 큐리 온도를 Tc2, 수직 자기 이방성 상수를 Ku2로 하여 설명한다.In the following description, unless otherwise specified, the Curie temperature of the first magnetic layer 31A is Tc1, the perpendicular magnetic anisotropy constant is Ku1, the Curie temperature of the second magnetic layer 33A is Tc2, and the perpendicular magnetic anisotropy constant is Ku2. to explain

도 4는, 큐리 온도 Tc2가 큐리 온도 Tc1보다 작고, 500K 이하인 것을 전제로 하여 설명한다. 제2 자성 층(33A)의 온도(특히, 제2 자성 층(33A)의 재료의 온도)가 큐리 온도 Tc2보다 낮은 경우에는 강자성(Ferro/Ferri Magnetization)으로 작동하고, 제2 자성 층(33A)의 온도가 큐리 온도 Tc2보다 높은 경우에는 상자성으로 작동하도록 구성될 수 있다.4 : is demonstrated on the assumption that Curie temperature Tc2 is smaller than Curie temperature Tc1, and is 500 K or less. When the temperature of the second magnetic layer 33A (in particular, the temperature of the material of the second magnetic layer 33A) is lower than the Curie temperature Tc2, it operates as a ferromagnetization (Ferro/Ferri Magnetization), and the second magnetic layer 33A It can be configured to operate paramagnetically when the temperature of is higher than the Curie temperature Tc2.

수직 자기 이방성 상수들 Ku1 및 Ku2은 특별히 한정되지 않지만, 제1 자성 층(31A) 및 제2 자성 층(33A)은 수직 자성을 갖는 것이 바람직하다. 수직 자기 이방성 상수들 Ku1 및 Ku2의 값은 일치할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 수직 자기 이방성 상수 Ku1이 0(zero), 즉, 제1 자성 층(31A)은 수직 자기 이방성을 가지지 않는 재료로 구성될 수도 있다. 제1 자성 층(31A)과 제2 자성 층(33A)이 전체로서 수직 자기 이방성을 가지면 된다.The perpendicular magnetic anisotropy constants Ku1 and Ku2 are not particularly limited, but it is preferable that the first magnetic layer 31A and the second magnetic layer 33A have perpendicular magnetism. The values of the perpendicular magnetic anisotropy constants Ku1 and Ku2 may be identical or different from each other. The perpendicular magnetic anisotropy constant Ku1 is 0 (zero), that is, the first magnetic layer 31A may be made of a material having no perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetic layer 31A and the second magnetic layer 33A may have perpendicular magnetic anisotropy as a whole.

수직 자기 이방성 상수들 각각은 자화 용이축의 배향의 안정성을 나타내는 값이며, 그 값이 클수록 수직 방향으로 배열된 자화 용이축이 흔들리기 어려운 것을 나타낸다.Each of the perpendicular magnetic anisotropy constants is a value indicating the stability of the orientation of the easy axis of magnetization, and the larger the value, the more difficult it is to shake the axis of easy magnetization arranged in the vertical direction.

도 4를 참조하여, 자유 층(13A)의 동작 예 및 자기 저항 소자의 자화 반전 전류가 작아지는 것을 설명한다. 도 4는 자유 층(13A)의 자화 방향의 상태를 스텝 1의 쓰기 전(Before writing), 스텝 2의 쓰기 작업 시(Writing process), 및 스텝 3의 쓰기 후(After writing)에 대한 제1 자성 층(31A) 및 제2 자성 층(33A)에 도시한 화살표로 나타내고 있다.An example of the operation of the free layer 13A and the decrease in the magnetization reversal current of the magnetoresistive element will be described with reference to FIG. 4 . 4 shows the state of the magnetization direction of the free layer 13A before writing in step 1 (Before writing), during the writing process in step 2 (Writing process), and after writing in step 3 (After writing). The layer 31A and the second magnetic layer 33A are indicated by arrows.

스텝 1은 쓰기 전, 구체적으로는 도 1의 비트 라인(1)과 워드 라인(8)에 기록 전류가 흐르기 전의 자유 층(13A)의 자화 방향을 나타낸다. 제1 자성 층(31A, High Tc층)과 제2 자성 층(33A, Low Tc층)은 자화 방향이 같고, 아래쪽을 향한다.Step 1 indicates the magnetization direction of the free layer 13A before writing, specifically, before a write current flows through the bit line 1 and the word line 8 of FIG. 1 . The first magnetic layer 31A (High Tc layer) and the second magnetic layer 33A (Low Tc layer) have the same magnetization direction and face downward.

스텝 2는 쓰기 작업 시, 구체적으로는 도 1의 비트 라인(1)과 워드 라인(8)에 기록 전류가 흐르는 경우의 자유 층(13)의 자화 방향을 나타낸다. 기록 전류에 의해 자유 층(13A)의 온도가 상승할 수 있다. 예를 들어, 자유 층(13A)을 구성하는 제2 자성 층(33A)의 온도가 약 350K 내지 400K까지 상승하고(또는, 쓰기 작업 시 읽기 작업 시의 온도 차이가 50K 내지 100K이고) 제2 자성 층(33A)의 큐리 온도 Tc2가 500K 미만인 경우, 제2 자성 층(33A)은 강한 열 교란의 영향을 받아 자화 방향이 정해지지 않게 되어 상자성과 같이 동작할 수 있다. 즉, 소자 온도가 큐리 온도 Tc2 이상이 되면, 제2 자성 층(33A)은 자기 모멘트가 무작위(random)로 되어 상자성이 될 수 있다. 한편, 제1 자성 층(31A)의 자화 방향은 스핀의 흐름에 의해 반전될 수 있다. 도 4의 경우, 제1 자성 층(31A)의 자화 방향은 위를 향한다. 이와 같이, 도 4의 자유 층(13A)의 구성에 따르면, 큐리 온도가 쓰기 작업 시의 소자 온도보다 매우 높은 두 자성 층(예를 들어, Tc: 700K)의 조합으로 구성된 복합형 터널 접합(자유 층)과 비교하여, 쓰기 작업 시의 전류의 크기가 작아질 수 있다. 이는 자유 층(13A) 전체가 아닌 제1 자성 층(31A)의 자화 방향만을 반전시키기 때문이다.Step 2 indicates the magnetization direction of the free layer 13 during a write operation, specifically, when a write current flows through the bit line 1 and the word line 8 of FIG. 1 . The temperature of the free layer 13A may be increased by the write current. For example, the temperature of the second magnetic layer 33A constituting the free layer 13A rises to about 350K to 400K (or, the temperature difference during a read operation during a write operation is 50K to 100K) and the second magnetic When the Curie temperature Tc2 of the layer 33A is less than 500K, the second magnetic layer 33A is affected by strong thermal disturbance and thus the magnetization direction is not determined, so that it may operate like a paramagnetic. That is, when the device temperature is equal to or higher than the Curie temperature Tc2, the second magnetic layer 33A may have a random magnetic moment and become paramagnetic. Meanwhile, the magnetization direction of the first magnetic layer 31A may be reversed by the flow of spin. 4 , the magnetization direction of the first magnetic layer 31A is upward. As described above, according to the configuration of the free layer 13A of FIG. 4 , a complex tunnel junction (freedom) composed of a combination of two magnetic layers (eg, Tc: 700K) whose Curie temperature is much higher than the device temperature during a write operation. layer), the magnitude of the current during the write operation may be reduced. This is because only the magnetization direction of the first magnetic layer 31A is reversed, not the entire free layer 13A.

스텝 3은 쓰기 작업 후, 구체적으로는 기록 전류의 인가가 중지됐을 때의 자유 층(13A)의 자화 방향을 나타낸다. 제1 자성 층(31A)의 자화 방향은 스텝 2와 같은 방향으로 위를 향한다. 소자 온도가 하강함에 따라, 제2 자성 층(33A)의 자기 모멘트는 강자성체의 성질로 돌아오며, 그 방향은 제1 자성 층(31A)의 자화와의 자기적 상호 작용에 의해 위를 향할 수 있다.Step 3 shows the magnetization direction of the free layer 13A after the write operation, specifically when the application of the write current is stopped. The magnetization direction of the first magnetic layer 31A is upward in the same direction as in step 2. As the device temperature decreases, the magnetic moment of the second magnetic layer 33A returns to the property of a ferromagnetic material, and its direction may be directed upward by magnetic interaction with the magnetization of the first magnetic layer 31A. .

읽기 작업 시, 소자 온도가 실온으로 떨어지기 때문에 자기 저항 소자는 열적으로 안정할 수 있다.During a read operation, the magnetoresistive device can be thermally stable as the device temperature drops to room temperature.

열적 안정성을 위한 에너지(즉, 수직 자기 이방성 에너지)의 크기는 수직 자기 이방성 상수들 Ku1 및 Ku2와 관련되기 때문에 매우 안정할 수 있다. 이 수식은 일반 식이기 때문에 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 보다 상세하게는, 수직 자기 이방성 에너지는 열에 의해 발생하는 열 에너지 kT의 60배 이상이 되기 때문에 자기 저항 소자의 열에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다. 이는 수직 자기 이방성 에너지가 열 교란 에너지에 비해 매우 크기 때문이다.The magnitude of the energy for thermal stability (ie, perpendicular magnetic anisotropy energy) can be very stable because it is related to the perpendicular magnetic anisotropy constants Ku1 and Ku2. Since this formula is a general formula, a detailed description thereof will be omitted. More specifically, since the perpendicular magnetic anisotropy energy is 60 times or more of the thermal energy kT generated by heat, the stability to heat of the magnetoresistive element can be improved. This is because the perpendicular magnetic anisotropy energy is very large compared to the thermal disturbance energy.

도 4에 자기 결합 제어 층(32A)이 도시되어 있지만, 이와 달리, 자기 결합 제어 층(32A)이 없는 경우에도 자유 층(13A)의 동작은 상술한 동작과 동일할 수 있다.Although the magnetic coupling control layer 32A is illustrated in FIG. 4 , the operation of the free layer 13A may be the same as the above-described operation even in the absence of the magnetic coupling control layer 32A.

도 4에 도시된 자유 층(13A)의 구성 예에 따르면, 자화의 열적 안정성을 유지하는 동시에 자화 반전 전류를 작게 할 수 있다. 또한, 제1 자성 층(31A)과 제2 자성 층(33A)의 자기적 결합의 크기는 자기 결합 제어 층(32A)의 두께를 변경함으로써 최적화될 수 있다.According to the configuration example of the free layer 13A shown in FIG. 4, it is possible to maintain the thermal stability of magnetization and to reduce the magnetization reversal current. In addition, the magnitude of the magnetic coupling of the first magnetic layer 31A and the second magnetic layer 33A can be optimized by changing the thickness of the magnetic coupling control layer 32A.

자유 층의 특성 및 시험 결과가 설명된다.The properties of the free layer and the test results are described.

LLG(Landau-Liftshitz-Gilbert-Langevin equations) 시뮬레이션을 이용하여, 자유 층(13)에 높은 큐리 온도를 갖는 제1 자성 층(31) 및 쓰기 작업 시의 소자 온도보다 낮은 큐리 온도를 갖는 제2 자성 층(33)으로 구성된 이층 구조를 적용하여 쓰기 작업 시의 소비 전력이 감소하는 효과를 확인했다. 시뮬레이션에 사용된 구체적인 자유 층(13)의 구성 예와 함께 시험 결과를 설명한다.Using LLG (Landau-Liftshitz-Gilbert-Langevin equations) simulation, a first magnetic layer 31 having a high Curie temperature in the free layer 13 and a second magnetism having a lower Curie temperature than the device temperature during a write operation The effect of reducing power consumption during a write operation was confirmed by applying the two-layer structure composed of the layers 33 . The test results will be described together with an example of the configuration of the specific free layer 13 used in the simulation.

제2 자성 층의 온도 상승에 따른 자화 반전 전류의 변화(전류에 의한 반전 확률의 변화)가 설명된다.The change in the magnetization reversal current (change in the reversal probability due to the current) according to the temperature rise of the second magnetic layer is explained.

도 5는 LLG 시뮬레이션에 사용된 자유 층(13B)의 구성 예를 나타낸다. 자유 층(13B)은 제1 자성 층(31B, High Tc Layer), 자기 결합 제어 층(32B, Ecc Layer 또는 Spacer), 및 제2 자성 층(33B, Low Tc Layer)으로 구성된다. 쓰기 작업 시의 소비 전력은, 일 례로서, 자유 층(13B)의 자화(제1 자성 층(31) 및 제2 자성 층(33))가 반전(스위칭)될 때의 전류 밀도에 의해 평가됐다.5 shows an example of the configuration of the free layer 13B used in the LLG simulation. The free layer 13B includes a first magnetic layer 31B (High Tc Layer), a magnetic coupling control layer 32B (Ecc Layer or Spacer), and a second magnetic layer 33B (Low Tc Layer). The power consumption during the write operation was evaluated by the current density when the magnetization (the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33) of the free layer 13B was reversed (switched), as an example. .

제1 자성 층(31) 및 제2 자성 층(33)에 대한 설명 및 설정 파라미터를 아래에 기재한다.
Descriptions and setting parameters for the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 will be described below.

(1) 제1 자성 층(31B)(1) first magnetic layer 31B

재료: MnGe계Material: MnGe based

자기 모멘트 (Ms1): 150 × 10E3 A/m (150 emu/cc)Magnetic Moment (Ms1): 150 × 10E3 A/m (150 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku1): 10 × 10E5 J/m3 (10 × 10E6 erg/cc)Normal magnetic anisotropy constant (Ku1): 10 × 10E5 J/m 3 (10 × 10E6 erg/cc)

감쇠 상수 α = 0.005Attenuation constant α = 0.005

큐리 온도 (Tc1, High Tc): 700K 이상Curie Temperature (Tc1, High Tc): Above 700K

분극율 P = 1.0
Polarizability P = 1.0

(2) 제 2 자성층(33B)(2) the second magnetic layer 33B

재료: FePtCuMaterial: FePtCu

자기 모멘트 (Ms2): 800 × 10E3 A/m (800 emu/cc)Magnetic Moment (Ms2): 800 × 10E3 A/m (800 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku2): 10 × 10E5 J/m3 (10 × 10E6 erg/cc), 실온에서의 값임Normal magnetic anisotropy constant (Ku2): 10 × 10E5 J/m 3 (10 × 10E6 erg/cc) at room temperature

감쇠 상수 α = 0.01Attenuation constant α = 0.01

큐리 온도 (Tc2, Low Tc) : 523.15K
Curie Temperature (Tc2, Low Tc): 523.15K

덧붙여, 여기에서는 괄호 안에 CGS 단위로 표시된 매개 변수를 상술한 LLG 시뮬레이션에 사용하였다. 병기한 SI 단위로 표시된 매개 변수는 괄호 안의 CGS 단위로 표시된 매개 변수를 아래의 (A), (B)를 환산식으로 이용하여 구할 수 있다.
Incidentally, here, the parameters indicated in CGS units in parentheses were used for the above-described LLG simulations. Parameters indicated in SI units can be obtained by using (A) and (B) below as conversion formulas for parameters indicated in CGS units in parentheses.

10 erg/cc = 1 J/m3 ... (A)10 erg/cc = 1 J/m 3 ... (A)

1 G = 1 emu/cc = 1 × 10E3 A/m ... (B)
1 G = 1 emu/cc = 1 × 10E3 A/m ... (B)

본 명세서에 기재된 다른 LLG 시뮬레이션에서도 상술한 LLG 시뮬레이션과 마찬가지로 괄호 안의 CGS 단위로 표시된 매개 변수를 사용하고 있다. 병기한 SI 단위로 표시된 매개 변수는 괄호 안의 CGS 단위로 표시된 매개 변수를 상기 (A), (B)를 환산식으로 이용하여 구할 수 있다.In other LLG simulations described herein, parameters indicated in CGS units in parentheses are used as in the above-described LLG simulations. The parameters indicated in SI units can be obtained by using the above (A) and (B) as conversion formulas for the parameters indicated in CGS units in parentheses.

제1 자성 층(31B)의 높이(두께)는 2nm (h1 = 2nm), 자기 결합 제어 층(32B)의 높이는 0nm (hsp = 0), 제2 자성 층(33B)의 높이는 2nm (h2 = 2nm )로 하였다.The height (thickness) of the first magnetic layer 31B is 2 nm (h1 = 2 nm), the height of the magnetic coupling control layer 32B is 0 nm (hsp = 0), and the height of the second magnetic layer 33B is 2 nm (h2 = 2 nm) ) was made.

자유 층(13B)의 직경(폭) D는 20nm이었다. 여기에서는, 자유 층(13B)가 원통형인 것을 전제하였고, 자유 층(13B)의 크기를 나타내는 값으로 자유 층(13B)의 단면 직경 D를 사용하였다. 자유 층(13B)의 크기는 자유 층(13B)의 단면이 원형인 경우에는 직경을 이용하여, 타원인 경우에는 장경(장축의 길이)을 이용하여 나타낼 수 있다. 자유 층(13B)의 단면이 다른 형태인 경우에는 자유 층(13B)에 외접하는 외접 원의 직경을 사용할 수 있다.The diameter (width) D of the free layer 13B was 20 nm. Here, it is assumed that the free layer 13B has a cylindrical shape, and the cross-sectional diameter D of the free layer 13B is used as a value indicating the size of the free layer 13B. The size of the free layer 13B may be expressed by using a diameter when the cross-section of the free layer 13B is circular, and by using a major axis (length of a major axis) when the free layer 13B has an elliptical cross-section. When the cross-section of the free layer 13B has a different shape, the diameter of a circumscribed circle circumscribing the free layer 13B may be used.

온도 상승 ΔT를 매개 변수로 하여 온도 변화를 10 ~ 223 ℃로 설정했다. 쓰기 작업 시의 온도 변화는 다음과 같은 추이였다.With the temperature rise ΔT as a parameter, the temperature change was set between 10 and 223 °C. The temperature change during write operation was as follows.

제1 자성 층(31B)의 온도는 항상 300K였다. 쓰기 작업 시의 온도 상승은 제2 자성 층(33B)에만 발생하여 다음과 같이 온도가 변화했다. 제1 자성 층(31B)의 온도 상승을 고려해도 결과에 차이가 없다.The temperature of the first magnetic layer 31B was always 300K. The temperature increase during the write operation occurred only in the second magnetic layer 33B, and the temperature was changed as follows. Even when the temperature rise of the first magnetic layer 31B is taken into consideration, there is no difference in the result.

기록 전류를 인가한 후 제2 자성 층(33B)의 온도가 상승하고 1 ns 내에 포화 상태에 도달했다.After applying the write current, the temperature of the second magnetic layer 33B increased and reached the saturation state within 1 ns.

상기 기록 전류를 10 ns 인가한다. 이 때, 소자 온도는 정상 상태이다.The write current is applied for 10 ns. At this time, the device temperature is in a steady state.

쓰기 작업 후, 제2 자성 층(33B)의 온도는 5 ns 이내에 300K로 낮아졌다.After the write operation, the temperature of the second magnetic layer 33B was lowered to 300K within 5 ns.

도 6은 LLG 시뮬레이션 결과에 따라, 쓰기 작업 시의 자기 저항 소자의 상승 온도를 매개 변수로 하여 기록 전류가 감소되는 효과를 나타낸 그래프이다. 도 6의 그래프는 가로축에 전류 밀도(A/m2)를, 세로축에 반전 확률(스위칭 확률, sw. prob)을 나타낸다. 반전 확률은 임의의 전류 밀도에서 자유 층(13B)의 자화 방향이 반전될 확률을 나타내며, 도 6은 0(zero)에서 1의 범위에서의 확률을 나타낸다. 본 발명의 일 실시 형태의 자유 층(13B)에서 제2 자성 층(33B)의 온도가 큐리 온도 Tc2보다 높아지면, 자유 층(13B)의 반전 확률은 제1 자성 층(31B)가 반전될 확률일 수 있다. 이는, 자유 층(13B)의 쓰기 작업 시에 제2 자성 층(33B)이 열 교란이 큰 상태 또는 상자성이 되면 제1 자성 층(31B)의 자화 방향을 반전시킴으로써, 쓰기 작업 후 소자 온도가 낮아지면 제2 자성 층(33B)의 자화 방향이 정해지는 동작을 하기 때문이다.6 is a graph showing the effect of reducing the write current using the rising temperature of the magnetoresistive element during the write operation as a parameter according to the LLG simulation result. The graph of FIG. 6 shows the current density (A/m 2 ) on the horizontal axis and the reversal probability (switching probability, sw. prob) on the vertical axis. The reversal probability indicates the probability that the magnetization direction of the free layer 13B is reversed at any current density, and FIG. 6 shows the probability in the range of 0 (zero) to 1. When the temperature of the second magnetic layer 33B in the free layer 13B of the embodiment of the present invention is higher than the Curie temperature Tc2, the inversion probability of the free layer 13B is the probability that the first magnetic layer 31B is inverted. can be This is because the magnetization direction of the first magnetic layer 31B is reversed when the second magnetic layer 33B is in a state of large thermal disturbance or paramagnetic during the write operation of the free layer 13B, so that the device temperature after the write operation is lowered. This is because the operation is performed in which the magnetization direction of the ground second magnetic layer 33B is determined.

도 6에서, ΔT (degree C, 도 6에 "deg."라고 기재됨)는 쓰기 작업 전부터 쓰기 작업 동안 상승된 온도의 양(온도 상승량)을 나타낸다. 여기에서는, 제2 자성 층(33B)의 온도 상승량을 나타낸다.In FIG. 6 , ΔT (degree C, described as “deg.” in FIG. 6 ) represents the amount of temperature (temperature increase amount) raised during the write operation before the write operation. Here, the amount of temperature increase of the second magnetic layer 33B is indicated.

도 6의 그래프에 도시된 바와 같이, 제2 자성 층(33B)의 온도 상승량이 증가함에 따라, 자화 방향이 반전하는 전류 밀도가 작아진다. 즉, 자유 층(13B)의 자화 방향의 반전에 필요한 전류량(이후, 자화 방향의 반전에 필요한 전류량을 "반전 전류량"이라 기재)이 감소한다. 도 6의 예에서는, 제2 자성 층(33B)의 온도가 큐리 온도 Tc2에 인접하게 상승하면, 반전 전류량은 4 분의 1 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 반전 확률이 0.5가 되는 전류 밀도를 고려하면, ΔT가 0인 경우에 비해 ΔT가 223℃(496.15K)로 큐리 온도 Tc2에 가까워 지면 (큐리 온도 Tc2에 인접하면) 전류 밀도가 4 분의 1일 때 반전이 발생한다.As shown in the graph of FIG. 6 , as the amount of temperature increase of the second magnetic layer 33B increases, the current density at which the magnetization direction is reversed decreases. That is, the amount of current required for reversing the magnetization direction of the free layer 13B (hereinafter, the amount of current required for reversing the magnetization direction will be referred to as "reversal current") decreases. In the example of FIG. 6 , when the temperature of the second magnetic layer 33B rises adjacent to the Curie temperature Tc2, it can be seen that the amount of inversion current drops to 1/4 or less. Specifically, considering the current density at which the reversal probability is 0.5, compared to the case where ΔT is 0, when ΔT is 223°C (496.15K) close to the Curie temperature Tc2 (close to the Curie temperature Tc2), the current density is 4 min. When is 1, the inversion occurs.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자기 저항 소자에 의하면, 쓰기 작업 시의 소비 전력을 줄일 수 있다. 소자의 온도가 상온으로 돌아왔을 때 열적 안정성을 위한 에너지의 크기는 제1 자성 층(31B)의 자기 이방성 에너지 Ku1 및 제2 자성 층(33B)의 자기 이방성 에너지 Ku2에 의한 효과의 합이 되기 때문에 매우 안정적이다.As described above, according to the magnetoresistive element according to the embodiment of the present invention, power consumption during a write operation can be reduced. When the temperature of the device returns to room temperature, the amount of energy for thermal stability is the sum of the effects of the magnetic anisotropy energy Ku1 of the first magnetic layer 31B and the magnetic anisotropy energy Ku2 of the second magnetic layer 33B. Very stable.

다른 예로, 큐리 온도에 따른 쓰기 작업 시의 소비 전력 절감 효과를 설명한다.As another example, the effect of reducing power consumption during a write operation according to the Curie temperature will be described.

이하, 도 7에 도시된 자유 층(13C) 구성을 사용하여 LLG 시뮬레이션을 실시한 시험 결과를 설명한다. 이 시험에서는, 높은 큐리 온도를 갖는 제1 자성 층(31C) 및 쓰기 작업 시의 소자 온도보다 낮은 큐리 온도를 갖는 제2 자성 층(33C)으로 구성된 이층 구조로 이루어진 자유 층(13C)을 이용하여, 제2 자성 층(33C)의 큐리 온도에 따라 쓰기 작업 시의 반전 전류량이 감소하는 효과를 확인했다.Hereinafter, test results of performing LLG simulation using the free layer 13C configuration shown in FIG. 7 will be described. In this test, a free layer 13C having a two-layer structure consisting of a first magnetic layer 31C having a high Curie temperature and a second magnetic layer 33C having a Curie temperature lower than the device temperature during writing was used. , it was confirmed that the amount of inversion current during the write operation decreased according to the Curie temperature of the second magnetic layer 33C.

자유 층(13C)에 대한 자세한 내용은 아래에 기재한다.
Details of the free layer 13C are described below.

(1) 제1 자성 층(1) first magnetic layer

재료: CoFeB 층Material: CoFeB layer

자기 모멘트 (Ms1): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)Magnetic Moment (Ms1): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku1): 2 × 10E5 J/m3 (2 × 10E6 erg/cc)Normal magnetic anisotropy constant (Ku1): 2 × 10E5 J/m 3 (2 × 10E6 erg/cc)

감쇠 상수 α = 0.01Attenuation constant α = 0.01

큐리 온도 (Tc1) : 700KCurie temperature (Tc1): 700K

분극율 P = 1.0
Polarizability P = 1.0

(2) 제2 자성 층(2) second magnetic layer

재료: FePtCu층Material: FePtCu layer

자기 모멘트 (Ms2): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)Magnetic Moment (Ms2): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku2) : Ku1 × 2 J/m3 Normal magnetic anisotropy constant (Ku2): Ku1 × 2 J/m 3

감쇠 상수 α = 0.01Attenuation constant α = 0.01

큐리 온도 (Tc2): 700K, 500K, 450K, 400K
Curie Temperature (Tc2): 700K, 500K, 450K, 400K

(3) 기타(3) Others

자유 층(13C)의 직경 D는 10nm 내지 20nm이었다.The diameter D of the free layer 13C was between 10 nm and 20 nm.

제1 자성 층(31C)의 높이(두께)는 2nm (h1 = 2nm), 자기 결합 제어 층(32C)의 높이는 0nm (hsp = 0), 제2 자성층(33C)의 높이는 2nm (h2 = 2nm)이었다. 자기 결합 제어 층(32C)의 두께를 0으로 하여 자유 층(13C)은 자기 결합 제어 층(32C)을 포함하지 않도록 구성하였다.The height (thickness) of the first magnetic layer 31C is 2 nm (h1 = 2 nm), the height of the magnetic coupling control layer 32C is 0 nm (hsp = 0), and the height of the second magnetic layer 33C is 2 nm (h2 = 2 nm) It was. The thickness of the magnetic coupling control layer 32C was set to zero, and the free layer 13C was configured not to include the magnetic coupling control layer 32C.

자유 층(13C)의 구성을 이용한 LLG 시뮬레이션에서, 자기 이방성 상수 Ku 값은 제2 자성 층(33C)의 소자 온도(재료)의 상승량 Δ가 60이 되도록 조정되었다.In the LLG simulation using the configuration of the free layer 13C, the magnetic anisotropy constant Ku value was adjusted so that the increase amount Δ of the device temperature (material) of the second magnetic layer 33C was 60.

또한 비교예로서, 상술한 이층 구조를 갖지 않는 일반적인 자유 층의 구성에 대해서도 시험을 실시했다.Further, as a comparative example, a test was also conducted on a configuration of a general free layer that does not have the above-described two-layer structure.

재료: Co / Ni mulutilayerMaterial: Co/Ni mulutilayer

자기 모멘트 (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)Magnetic Moment (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku): 6 × 10E5 J/m3 (6 × 10E6 erg/cc)Normal magnetic anisotropy constant (Ku): 6 × 10E5 J/m 3 (6 × 10E6 erg/cc)

큐리 온도 (Tc) : 700K(426.85℃)보다 큰 값 (> 700K)Curie temperature (Tc): values greater than 700K (426.85℃) (> 700K)

도 8 내지 10은 도 7에 도시된 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험의 결과를 분석한 것을 나타낸다. 도 8은 큐리 온도와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 9는 큐리 온도와 전류량의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 10은 감쇠 상수 α와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8 내지 10은 자기 저항 소자의 쓰기 작업 시 자유 층의 소자 온도가 50 ℃ 상승하는 것을 전제로 시험한 결과이다.8 to 10 show the analysis of the results of the LLG simulation test of the free layer shown in FIG. 8 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the current density, FIG. 9 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the amount of current, and FIG. 10 is a graph showing the relationship between the damping constant α and the current density. 8 to 10 are results of testing on the premise that the device temperature of the free layer rises by 50° C. during the write operation of the magnetoresistive device.

도 8에 도시된 그래프는 가로 축에 큐리 온도 Tc (K)를, 세로 축에 전류 밀도 jsw (× 1012 A/m2)를 나타낸다. 도 9에 도시된 그래프는 가로축에 큐리 온도 Tc (K)를, 세로축에 전류량 isw (mA)를 나타낸다. 도 8 및 9은, 큐리 온도 Tc로 제2 자성 층(33C)의 큐리 온도 Tc2의 여러 값(실시 예) 및 일반적인 자유 층의 큐리 온도(700K)의 값(비교 예)을 이용해 각 큐리 온도에서의 시험 결과를 나타내고 있다.The graph shown in FIG. 8 shows the Curie temperature Tc (K) on the horizontal axis and the current density j sw (×10 12 A/m 2 ) on the vertical axis. The graph shown in FIG. 9 shows the Curie temperature Tc (K) on the horizontal axis and the amount of current i sw (mA) on the vertical axis. 8 and 9 show the values of the Curie temperature Tc2 of the second magnetic layer 33C (Example) as the Curie temperature Tc (Example) and the value of the Curie temperature 700K of the typical free layer (Comparative Example) at each Curie temperature. shows the test results.

자유 층(13C)의 직경 D의 값은 실선이 10nm, 점선이 20nm이다.The value of the diameter D of the free layer 13C is 10 nm in the solid line and 20 nm in the dotted line.

도 8 및 9에 도시된 그래프에서 확인할 수 있듯이, 큐리 온도 Tc가 500K 이하인 자유 층(13C)은 큐리 온도가 700K(또는 700K 이상)인 일반적인 자유 층에 비해 전력 소모를 줄일 수 있다. 예를 들어, 제2 자성 층(33C)의 소자 온도가 50 ℃ 상승하면 40 - 50 %의 소비 전력을 절감할 수 있다.As can be seen from the graphs shown in FIGS. 8 and 9 , the free layer 13C having a Curie temperature Tc of 500K or less can reduce power consumption compared to a general free layer having a Curie temperature of 700K (or 700K or higher). For example, when the device temperature of the second magnetic layer 33C increases by 50° C., power consumption may be reduced by 40-50%.

도 10에 도시된 그래프는 제2 자성 층의 감쇠 감수 α를 매개 변수로 하여 가로 축에 나타내며, 전류 밀도 jsw (× 1012 A/m2)를 세로 축에 나타낸다. 도 10에서, 실선은 도 7에 도시된 자유 층(13C)에서 제2 자성 층(33C)의 큐리 온도가 400K인 경우의 시험 결과(실시 예)이며, 점선은 일반적인 자유 층(큐리 온도가 700K)의 시험 결과(비교 예)이다. 일반적인 자유 층에 비해 도 7의 자유 층(13C)은 감쇠 상수 α의 영향을 적게 받는다. 따라서, 제2 자성 층(33C)을 이루는 재료의 범위를 넓힐 수 있다. 즉, 감쇠 상수가 비교적 크고 Tc가 작은 자성체를 사용할 수 있다.The graph shown in FIG. 10 is represented on the horizontal axis using the attenuation sensitivity α of the second magnetic layer as a parameter, and the current density j sw (×10 12 A/m 2 ) is represented on the vertical axis. In FIG. 10, the solid line is the test result (Example) when the Curie temperature of the second magnetic layer 33C in the free layer 13C shown in FIG. 7 is 400K, and the dotted line is the normal free layer (the Curie temperature is 700K). ) is the test result (comparative example). Compared to the general free layer, the free layer 13C of FIG. 7 is less affected by the damping constant α. Accordingly, the range of materials constituting the second magnetic layer 33C can be widened. That is, a magnetic material having a relatively large damping constant and a small Tc may be used.

도 11은 도 7에 도시된 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험을 위해 이용한 자유 층(13C)의 직경과 수직 자기 이방성 상수 Ku의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11은 가로 축에 자유 층(13C)의 직경 D (nm)를, 세로 축에 수직 자기 이방성 상수 Ku (Merg/cc)를 나타낸다. 자유 층(13C)을 구성하는 재료로, 실선은 제2 자성 층(33C)을 구성하는 FePtCu 층의 시험 결과이며, 점선은 제1 자성 층(33A)을 구성하는 CoFeB 층의 시험 결과이다. 또한, 수직 자기 이방성 상수 Ku에 대해 열 안정성 매개 변수(KuV/Kt)가 60(KuV / Kt = 60)이 되고, FePtCu 층의 수직 자기 이방성 상수 Ku2 값이 CoFeB 층의 수직 자기 이방성 상수 Ku1 값의 2배 (Ku2 @ FePtCu = 2 × Ku1 @ CoFeB)가 되도록 조정했다. 쓰기 작업 시, 제2 자성 층(33C)의 온도는 300K로 상승시켰다.11 is a graph showing the relationship between the diameter of the free layer 13C and the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku used for the LLG simulation test of the free layer shown in FIG. 7 . 11 shows the diameter D (nm) of the free layer 13C on the abscissa axis and the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku (Merg/cc) on the ordinate axis. As a material constituting the free layer 13C, the solid line is the test result of the FePtCu layer constituting the second magnetic layer 33C, and the dotted line is the test result of the CoFeB layer constituting the first magnetic layer 33A. In addition, for the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku, the thermal stability parameter (KuV/Kt) becomes 60 (KuV / Kt = 60), and the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 value of the FePtCu layer is equal to the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku1 value of the CoFeB layer. It was adjusted so that it might become 2 times (Ku2@FePtCu=2*Ku1@CoFeB). During the write operation, the temperature of the second magnetic layer 33C was raised to 300K.

도 11에 도시된 바와 같이, 자유 층(13C)의 직경 D가 10nm인 경우에 수직 자기 이방성 상수 Ku가 크고, 직경 D가 커짐에 따라 수직 자기 이방성 상수 Ku는 작아진다. 따라서, 자기 저항 소자(자기 터널 결합 소자)의 크기(자유 층의 직경)가 작은 경우에는 수직 자기 이방성 상수 Ku를 큰 값으로 할 필요가 있다. 또한, 자유 층을 구성하는 재료 및/또는 자기 저항 소자의 크기에 따라 수직 자기 이방성 상수 Ku를 크게 할 필요성이 다른 것으로 확인되었다.11, when the diameter D of the free layer 13C is 10 nm, the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku is large, and as the diameter D increases, the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku becomes small. Therefore, when the size (diameter of the free layer) of the magnetoresistive element (magnetic tunnel coupling element) is small, it is necessary to make the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku to a large value. In addition, it was confirmed that the need to increase the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku according to the size of the magnetoresistive element and/or the material constituting the free layer is different.

제1 자성층이 수직 자기 이방성을 가지지 않는 경우의 소비 전력 절감이 설명된다.Power consumption reduction in the case where the first magnetic layer does not have perpendicular magnetic anisotropy is described.

이하, 도 12에 도시된 자유 층(13D)의 구성을 사용하여 LLG 시뮬레이션을 실시한 시험 결과를 설명한다. 자유 층(13D)은 제1 자성 층(31D)과 제2 자성 층(33D)으로 구성되는 이중 구조를 갖는다.Hereinafter, test results of performing LLG simulation using the configuration of the free layer 13D shown in FIG. 12 will be described. The free layer 13D has a double structure including the first magnetic layer 31D and the second magnetic layer 33D.

제1 자성 층(31D)을 수직 자기 이방성 상수 Ku1이 0(zero)이 되도록 구성하고, 자유 층(13D)의 제1 자성 층(31D)이 수직 자기 이방성을 갖지 않은 경우에, 쓰기 작업 시 소비 전력이 감소할 수 있는지를 시험했다.When the first magnetic layer 31D is configured such that the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku1 is zero, and the first magnetic layer 31D of the free layer 13D does not have perpendicular magnetic anisotropy, it is consumed during a write operation. It was tested whether the power could be reduced.

자기 결합 제어 층(32D, Spacer)의 두께를 0 (hsp = 0nm)으로 하여, 자유 층(13D)이 자기 결합 제어 층(32D)을 갖지 않도록 구성했다.The thickness of the magnetic coupling control layer 32D (Spacer) was set to 0 (hsp = 0 nm), so that the free layer 13D did not have the magnetic coupling control layer 32D.

자유 층(13D)의 세부 사항은 아래에 기재한다.
Details of the free layer 13D are described below.

(1) 제1 자성 층(1) first magnetic layer

재료: 면내 자기 이방성을 갖는 CoFeB 층 또는 CFMS 층Material: CoFeB layer or CFMS layer with in-plane magnetic anisotropy

자기 모멘트 (Ms): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)Magnetic Moment (Ms): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku1): 0 J/m3 (0 erg/cc)Normal magnetic anisotropy constant (Ku1): 0 J/m 3 (0 erg/cc)

감쇠 상수 α = 0.01Attenuation constant α = 0.01

큐리 온도 (Tc1): 700K (426.85 ℃)Curie temperature (Tc1): 700K (426.85 ℃)

분극율 P = 1.0Polarizability P = 1.0

(2) 제 2 자성층(2) second magnetic layer

재료: FePtCu 층Material: FePtCu layer

자기 모멘트 (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)Magnetic Moment (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku2): 자유 층의 직경 D가 10 - 20nm의 범위일 때,perpendicular magnetic anisotropy constant (Ku2): when the diameter D of the free layer is in the range of 10 - 20 nm,

자유 층의 열적 안정성 상수 Δ 값이 60가 되도록so that the value of the thermal stability constant Δ of the free layer is 60

수직 사기 이방성 상수 Ku2 값을 조정함Adjusted the value of the perpendicular moral anisotropy constant Ku2

댐핑 상수 α = 0.01Damping constant α = 0.01

큐리 온도 (Tc): 360K, 400K, 450K, 500K, 700KCurie Temperature (Tc): 360K, 400K, 450K, 500K, 700K

(86.85 ℃, 126.85 ℃, 176.85 ℃, 226.85 ℃, 426.85 ℃)
(86.85 ℃, 126.85 ℃, 176.85 ℃, 226.85 ℃, 426.85 ℃)

(3) 기타(3) Others

자유 층(13D)의 직경 D는 10 - 20nm이었다.The diameter D of the free layer 13D was 10-20 nm.

제1 자성 층(31D)의 높이(두께)는 2nm (h1 = 2nm)이고, 자기 결합 제어 층(32D)의 높이는 0nm (hsp = 0)이며, 제2 자성 층(33D)의 높이는 2nm (h2 = 2nm)이었다.The height (thickness) of the first magnetic layer 31D is 2 nm (h1 = 2 nm), the height of the magnetic coupling control layer 32D is 0 nm (hsp = 0), and the height of the second magnetic layer 33D is 2 nm (h2) = 2 nm).

제2 자성 층(33D)의 여러 큐리 온도 Tc는 매개 변수이며, 큐리 온도 Tc가 700K의 경우가 일반적인 자유 층이 되도록 설정했다.Several Curie temperatures Tc of the second magnetic layer 33D are parameters, and the case of a Curie temperature Tc of 700K is set to be a typical free layer.

도 13 내지 15는 도 12에 도시된 자유 층의 LLG 시뮬레이션 시험 결과를 분석한 것이다. 도 13은 큐리 온도와 전류 밀도의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 14은 큐리 온도와 전류량의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 15는 자유 층의 직경과 수직 자기 이방성 상수의 관계를 나타내는 그래프이다.13 to 15 are analyzes of LLG simulation test results of the free layer shown in FIG. 12 . 13 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the current density, FIG. 14 is a graph showing the relationship between the Curie temperature and the amount of current, and FIG. 15 is a graph showing the relationship between the diameter of the free layer and the perpendicular magnetic anisotropy constant.

도 13에 도시된 그래프는 가로 축에 큐리 온도 Tc (K)를, 세로 축에 전류 밀도 jsw (× 1012 A/m2)를 나타낸다. 도 14에 도시된 그래프는 가로축에 큐리 온도 Tc (K)를, 세로 축에 전류량 isw (mA)를 나타낸다. 도 13 및 14는, 매개 변수로 설정한 각 큐리 온도에서 제1 자성 층(31D)의 자성 방향이 반전할 때의 전류 밀도 또는 전류의 양을 나타낸다.The graph shown in FIG. 13 represents the Curie temperature Tc (K) on the horizontal axis and the current density j sw (×10 12 A/m 2 ) on the vertical axis. The graph shown in FIG. 14 shows the Curie temperature Tc (K) on the horizontal axis and the amount of current i sw (mA) on the vertical axis. 13 and 14 show the current density or the amount of current when the magnetic direction of the first magnetic layer 31D is reversed at each Curie temperature set as a parameter.

자유 층(13D)의 직경 D의 값은 실선이 10nm, 점선이 20nm이다.The value of the diameter D of the free layer 13D is 10 nm in the solid line and 20 nm in the dotted line.

도 13 및 14에서 확인할 수 있듯이, 자유 층(13D)은 큐리 온도가 360K, 400K와 450K일 때 전력 소비를 현저하게 줄일 수 있다. 예를 들어, 제2 자성 층(33D)의 큐리 온도 Tc가 400K 이하인 경우, 소자 온도가 50 ℃ 상승하면 50 - 70 %의 소비 전력을 절감할 수 있다. 도 13 및 14의 시험 결과에서 제1 자성 층이 수직 자기 이방성을 갖고 있지 않은 경우에도 전력을 절감하는 효과가 발생하는 것이 확인되었다.13 and 14 , the free layer 13D can significantly reduce power consumption when the Curie temperature is 360K, 400K, and 450K. For example, when the Curie temperature Tc of the second magnetic layer 33D is 400 K or less, when the device temperature is increased by 50° C., 50 to 70% of power consumption may be reduced. From the test results of FIGS. 13 and 14 , it was confirmed that the effect of saving power occurs even when the first magnetic layer does not have perpendicular magnetic anisotropy.

도 15에 도시된 그래프는 가로 축에 자유 층(13D)의 직경 D를, 세로 축에 제2 자성 층(33D)의 수직 자기 이방성 상수 Ku2 (Merg/cc)를 나타낸다. 수직 자기 이방성 상수 Ku에 대해 열적 안정성 매개 변수(KuV/Kt)가 60 (KuV/Kt = 60)이 되고, CoFeB 층 또는 CFMS 층의 Ku1 값이 0이 되도록 조정했다. 쓰기 작업 시, 제2 자성 층(33C)의 온도는 300K로 상승되었다.The graph shown in FIG. 15 represents the diameter D of the free layer 13D on the horizontal axis, and the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 (Merg/cc) of the second magnetic layer 33D on the vertical axis. For the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku, the thermal stability parameter (KuV/Kt) was adjusted to be 60 (KuV/Kt = 60), and the Ku1 value of the CoFeB layer or the CFMS layer was adjusted to be zero. During the write operation, the temperature of the second magnetic layer 33C was increased to 300K.

도 15에 도시된 바와 같이, 자유 층(13D)의 직경 D가 10nm일 때 수직 자기 이방성 상수 Ku2가 크고, 직경 D가 커짐에 따라 수직 자기 이방성 상수 Ku2는 작아진다. 따라서, 자기 저항 소자(자기 터널 결합 소자)의 크기(자유 층의 직경)가 작은 경우에는 제2 자성 층(33D)의 수직 자기 이방성 상수 Ku2를 큰 값으로 할 필요가 있다. 즉, 제1 자성 층(31D)이 수직 자기 이방성을 갖지 않은 경우에는, 제2 자성층(33D)이 수직 자기 이방성을 갖는 것이 바람직하며, 특히 자유 층(13D)의 직경이 작은 경우(크기가 작은 경우)에는 직경이 큰 경우에 비해 수직 자기 이방성 상수 Ku2를 크게할 필요성이 높아진다.15, when the diameter D of the free layer 13D is 10 nm, the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 is large, and as the diameter D becomes large, the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 becomes small. Therefore, when the size (diameter of the free layer) of the magnetoresistive element (magnetic tunnel coupling element) is small, it is necessary to make the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 of the second magnetic layer 33D a large value. That is, when the first magnetic layer 31D does not have perpendicular magnetic anisotropy, it is preferable that the second magnetic layer 33D has perpendicular magnetic anisotropy, especially when the diameter of the free layer 13D is small (small size). case), the need to increase the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku2 becomes higher than in the case where the diameter is large.

제1 및 제2 자성 층들의 자기 교환 스티프니스 상수(exchange stiffness constant) 검토가 설명된다.A review of the magnetic exchange stiffness constant of the first and second magnetic layers is described.

이하, 도 12에 도시된 자유 층(13D)의 구성을 사용하여 LLG 시뮬레이션을 수행한 후, 자기 교환 스티프니스 상수를 검토한 시험 결과를 설명한다. 이 시험은 도 12을 참조하여 설명한 자유 층(13D)에서 아래와 같이 제2 자성 층(33D)의 매개 변수를 변경하였다.
Hereinafter, the test results of examining the self-exchange stiffness constant after performing the LLG simulation using the configuration of the free layer 13D shown in FIG. 12 will be described. In this test, parameters of the second magnetic layer 33D were changed in the free layer 13D described with reference to FIG. 12 as follows.

큐리 온도 (Tc): 400K, 700K (126.85 ℃, 426.85 ℃)Curie temperature (Tc): 400K, 700K (126.85 ℃, 426.85 ℃)

교환 결합 상수 A: 0.1 - 2.0 × 10-13 J/cm (0.1 - 2.0 × 10-6 erg/cm)
Exchange bond constant A: 0.1 - 2.0 × 10 -13 J/cm (0.1 - 2.0 × 10 -6 erg/cm)

이 시험에서는 쓰기 작업 시 소자 온도가 50 ℃ 상승하는 것을 전제로 한다.In this test, it is assumed that the device temperature rises by 50 ℃ during write operation.

큐리 온도 Tc가 400K인 경우는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자유 층이며, 700K인 경우는 일반적인 자유 층이다. 각각 자유 층의 직경 D가 10nm인 경우와 20nm인 경우에 대해 시험했다.When the Curie temperature Tc is 400K, it is a free layer according to an embodiment of the present invention, and when it is 700K, it is a general free layer. The free layer diameter D was tested for a case of 10 nm and a case of 20 nm, respectively.

그림 16 및 17은 교환 결합 상수의 시험 결과를 나타낸다. 도 16은 자기 교환 스티프니스 상수 (× 10-6 erg/cm)와 전류 밀도 jsw (× 1012 A/m2)의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 17은 자기 교환 스티프니스 상수 A (× 10-6 erg/cm)와 전류량 isw (mA)의 관계를 나타내는 그래프이다. 자기 교환 스티프니스 상수 A는 자기 결합 제어 층(32C)의 두께를 통해 조정할 수 있다. 반전 전류가 작아지는 자기 교환 스티프니스 상수 A의 최적 값은, 자유 층의 직경 D가 10nm일 때가 20nm일 때보다 작음을 확인할 수 있다. 또한, 자유 층의 직경 D가 동일한 경우, 일반적인 자유 층보다 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자유 층의 반전 전류 값이 작음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자기 저항 소자는 열적 안정성을 손상시키지 않고 자화 반전 전류를 줄일 수 있다. 자기 저항 소자의 열적 안정성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.Figures 16 and 17 show the test results of the exchange binding constant. 16 is a graph showing the relationship between the magnetic exchange stiffness constant (× 10 −6 erg/cm) and the current density j sw (× 10 12 A/m 2 ), and FIG. 17 is the magnetic exchange stiffness constant A (× 10 −6 ) erg/cm) and the amount of current i sw (mA). The magnetic exchange stiffness constant A can be adjusted through the thickness of the magnetic coupling control layer 32C. It can be seen that the optimal value of the self-exchange stiffness constant A at which the inversion current becomes small is smaller when the diameter D of the free layer is 10 nm than when it is 20 nm. In addition, when the diameter D of the free layer is the same, it can be confirmed that the inversion current value of the free layer according to the embodiment of the present invention is smaller than that of the general free layer. Accordingly, the magnetoresistive device according to the embodiment of the present invention can reduce the magnetization reversal current without impairing thermal stability. It suggests that the thermal stability of the magnetoresistive device can be improved.

도 18은 LLG 시뮬레이션에서 온도 변화에 따른 매개 변수의 변동 모델을 나타낸다.18 shows a model of variation of parameters according to temperature change in LLG simulation.

도 18에 도시된 그래프는 가로 축의 큐리 온도 Tc와 세로 축의 자기 모멘트 Ms, 수직 자기 이방성 상수 Ku, 또는 변환 매개 변수 A를 대응시킨다. 즉, 큐리 온도 Tc와 전류가 흐를 때 재료의 온도 T의 비(T/Tc)를 각 매개 변수의 값에 대응시킨다. 각 매개 변수는 재료의 온도가 0일 때의 각 요소의 값(Ms0, Ku0, A0)과 각 요소의 값(Ms, Ku, A)의 비율로 나타나 있다.The graph shown in FIG. 18 corresponds to the Curie temperature Tc on the abscissa axis and the magnetic moment Ms on the ordinate axis, the perpendicular magnetic anisotropy constant Ku, or the transformation parameter A. That is, the ratio (T/Tc) of the Curie temperature Tc and the temperature T of the material when an electric current flows is made to correspond to the value of each parameter. Each parameter is expressed as the ratio of the value of each element (Ms0, Ku0, A0) to the value of each element (Ms, Ku, A) when the material temperature is zero.

기타의 실시 형태가 설명된다.Other embodiments are described.

도 19a는 STT-MRAM의 구성의 일 례를 나타낸다. FL은 자유 층, MgO는 절연 층, PEL은 참조 층이며, Ru는 참조 층의 결정 배향을 돕는 층을 나타낸다. 19A shows an example of the configuration of STT-MRAM. FL is the free layer, MgO is the insulating layer, PEL is the reference layer, and Ru is the layer that helps the crystal orientation of the reference layer.

[Co/Pt] ML은 수직 자기 유지 층이고, 그리고 seed는 결정 배향을 제어하는 층을 나타낸다.[Co/Pt] ML is the perpendicular self-retaining layer, and seed represents the layer that controls the crystal orientation.

도 19b 내지 도 19e는 도 19a의 자유 층(FL)의 구성 예들을 도시한다.19B to 19E show configuration examples of the free layer FL of FIG. 19A .

도 19b 및 19c를 참조하면, 자유 층의 제1 자성 층에 CoFeB 층, 그리고 제2 자성 층에 FePtCu 층 또는 Fe/Pt/Cu 다중 층이 사용될 수 있다. 도 19d를 참조하면, 제1 자성 층에 MnGe 층, 그리고 제2 자성 층에 FePtCu 층이 사용될 수 있다. 도 19e를 참조하면, 제1 자성 층에 호이슬러(CFMS) 층, 그리고 제2 자성 층에 Fe/Pt/Cu 다중 층이 사용될 수 있다.19B and 19C , a CoFeB layer may be used for the first magnetic layer of the free layer, and an FePtCu layer or a Fe/Pt/Cu multi-layer may be used for the second magnetic layer. Referring to FIG. 19D , a MnGe layer may be used for the first magnetic layer and a FePtCu layer may be used for the second magnetic layer. Referring to FIG. 19E , a Heusler (CFMS) layer may be used for the first magnetic layer, and a Fe/Pt/Cu multi-layer may be used for the second magnetic layer.

예를 들어, FePtCu은 높은 수직 자기 이방성 상수 Ku을 가지며, 낮은 큐리 온도 Tc를 갖는 재료로서, 제2 자성층으로 사용하기에 바람직하다. 제2 자성층으로 큐리 온도 Tc가 제어 가능하고 큰 수직 자기 이방성을 갖는 재료가 사용하기에 좋으며, 예를 들어, FePtCu [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn2RuGa, 또는 Mn2RuGe와 같은 자성 재료가 사용될 수 있다.For example, FePtCu is a material having a high perpendicular magnetic anisotropy constant Ku and a low Curie temperature Tc, and is preferable for use as the second magnetic layer. As the second magnetic layer, a material having a controllable Curie temperature Tc and large perpendicular magnetic anisotropy is suitable for use, for example, a magnetic material such as FePtCu [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn 2 RuGa, or Mn 2 RuGe. can be used.

예를 들어, 제1 자성 층에 CoFeB 층, 그리고 제2 자성 층에 FePtCu 층 또는 Fe/Pt/Cu 다중 층을 사용하여 LLG 시뮬레이션을 실시한 결과 다음의 시험 결과를 얻었다.
For example, an LLG simulation was performed using a CoFeB layer as the first magnetic layer and a FePtCu layer or Fe/Pt/Cu multi-layer as the second magnetic layer. As a result, the following test results were obtained.

FePtCu 층FePtCu layer

자기 모멘트 (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)Magnetic Moment (Ms): 600 × 10E3 A/m (600 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku2): 10 × 10E5 J/m3 (10 × 10E6 erg/cc), 실온에서의 값임Normal magnetic anisotropy constant (Ku2): 10 × 10E5 J/m 3 (10 × 10E6 erg/cc) at room temperature

큐리 온도 (Tc): 250 ℃ (523.15K)Curie temperature (Tc): 250 ℃ (523.15K)

감쇠 상수 α = 0.01 
Attenuation constant α = 0.01

CoFeB 층CoFeB layer

자기 모멘트 (Ms): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)Magnetic Moment (Ms): 1 × 10E6 A/m (1000 emu/cc)

수직 자기 이방성 상수 (Ku1): 2 × 10E5 J/m3 (2 × 10E6 erg/cc), 실온에서의 값임Normal magnetic anisotropy constant (Ku1): 2 × 10E5 J/m 3 (2 × 10E6 erg/cc) at room temperature

큐리 온도 (Tc): 250 ℃ (523.15K) 이상의 온도 (>>> 250 ℃)Curie temperature (Tc): temperature above 250 ℃ (523.15K) (>>> 250 ℃)

감쇠 상수 α = 0.01Attenuation constant α = 0.01

 

상술한 네 종류의 자유 층의 구성 예에서, 자기 결합 제어 층(ECC Layer)은, 예를 들어, Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, 및/또는 W을 포함할 수 있다.In the configuration examples of the four types of free layers described above, the magnetic coupling control layer (ECC Layer) may include, for example, Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, and/or W.

자유 층의 제2 자성 층은, 예를 들어, MnGeX, [Co/Pt]n, TbFeCo, FePtCu, 및/또는 Mn2RuGa을 포함할 수 있다.The second magnetic layer of the free layer may include, for example, MnGeX, [Co/Pt]n, TbFeCo, FePtCu, and/or Mn2RuGa.

이상 설명한 바와 같이, 수직 자화를 가지며 자기 저항 효과에 의해 읽기 작업을 수행하는 자기 저항 소자는 미세화에 따른 열 교란 내성이 높아 차세대 메모리로 기대되고 있다. 한편, 자기 저항 소자의 주요 구성인 높은 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 박막을 형성하는 것이 어렵다는 문제, 및 이를 해결하기 위해 자기 터널 접합(MTJ)에 수직 자화 유지 층을 결합시키면 자화 반전 전류가 증대하여 저전력 장치를 구현하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다. 이러한 문제들에 대해, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자에서는, 절연 박막을 두 층의 강자성 박막 사이에 끼워 자기 터널 접합으로 구성한 자기 저항 소자에서, 큐리 온도 Tc가 낮은 수직 자화 막을 수직 자화 유지 층으로 포함함으로써 자유 층(기록 층)의 자화 열적 안정성을 유지하는 동시에 자화 반전 전류를 작게 하는 것을 실현했다. 본 기술은 STT-MRAM의 실용화에 공헌하는 것이다.As described above, the magnetoresistive element having perpendicular magnetization and performing a read operation by the magnetoresistance effect has high resistance to thermal disturbance due to miniaturization, and thus is expected as a next-generation memory. On the other hand, when it is difficult to form a ferromagnetic thin film having high perpendicular magnetic anisotropy, which is the main component of a magnetoresistive element, and to solve this problem, when a perpendicular magnetization holding layer is combined with a magnetic tunnel junction (MTJ), the magnetization reversal current is increased to reduce power consumption. There was a problem that it was difficult to implement the device. To solve these problems, in the magnetoresistive device according to an embodiment of the present invention, in the magnetoresistive device configured as a magnetic tunnel junction by sandwiching an insulating thin film between two ferromagnetic thin films, the perpendicular magnetization film having a low Curie temperature Tc is perpendicularly magnetized. By including it as a holding layer, it was realized that the magnetization and thermal stability of the free layer (recording layer) was maintained and the magnetization reversal current was reduced. This technology contributes to the practical use of STT-MRAM.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자에 포함된 자유 층은 적어도 제1 자성 층 및 제2 자성 층을 갖는다. 제2 자성 층의 큐리 온도를 제1 자성 층의 큐리 온도보다 낮게 조정함으로써, 기록 작업 시의 온도 상승 효과로 기록 전류를 작게 할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 기술과 비교하면, 기록 작업 시의 소비 전력을 50% 이상 줄일 수 있다.More specifically, the free layer included in the magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention has at least a first magnetic layer and a second magnetic layer. By adjusting the Curie temperature of the second magnetic layer to be lower than the Curie temperature of the first magnetic layer, it is possible to reduce the write current due to the effect of raising the temperature during the write operation. For example, compared with a general technique, power consumption during recording operation can be reduced by 50% or more.

본 발명은 STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: 자기 메모리) 또는 레이스 트랙 메모리(Racetrack-memory: 자기 기반 비휘발성 메모리)와 같이 스핀 주입 자화 반전 효과를 이용한 고집적 STT-MRAM용 MTJ 소자에 사용될 수 있다.The present invention relates to an MTJ device for high-integration STT-MRAM using spin injection magnetization reversal effect, such as STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) or Racetrack-memory (magnetic-based non-volatile memory). can be used

1: 비트 라인
2: 반도체 기판
3, 4: 확산 영역들
5, 7: 콘택 플러그들
6: 소스 라인
8: 워드 라인
9: 게이트 절연막
10: 자기 저항 소자
11, 21: 고정층
12: 절연 층
13, 13A, 13B, 13C: 자유 층
100: 메모리 셀
31, 31A, 31B, 31C: 제1 자성 층
32, 32A, 32B, 32C: 자기 결합 제어 층
33, 33A, 33B, 33C: 제2 자성 층
1: bit line
2: semiconductor substrate
3, 4: diffusion regions
5, 7: contact plugs
6: source line
8: word line
9: gate insulating film
10: magnetoresistive element
11, 21: fixed layer
12: insulating layer
13, 13A, 13B, 13C: free layer
100: memory cell
31, 31A, 31B, 31C: first magnetic layer
32, 32A, 32B, 32C: magnetic coupling control layer
33, 33A, 33B, 33C: second magnetic layer

Claims (9)

자화 방향이 고정된 고정 층;
자화 방향이 가변이며, 제1 자기 이방성을 갖는 자유 층; 및
상기 고정 층과 상기 자유 층 사이에 제공되는 절연 층을 포함하되,
상기 고정 층, 상기 자유 층, 및 상기 절연 층은 자기 터널 접합을 형성하고,
상기 자유 층은:
제1 자성 층;
상기 제1 자성 층보다 낮은 큐리 온도를 가지며, 제2 수직 자기 이방성을 가지는 제2 자성 층; 및
상기 제1 자성 층 및 상기 제2 자성 층 사이에 제공되고, 상기 제1 자성 층과 상기 제2 자성층의 자기 결합을 제어하는 자기 결합 제어 층을 포함하되,
상기 제2 자성 층은 쓰기 동작 시에는 상자성으로 작동하고, 읽기 동작 시에는 강자성으로 작동하는 자기 저항 소자.
a pinned layer with a fixed magnetization direction;
a free layer having a variable magnetization direction and having a first magnetic anisotropy; and
an insulating layer provided between the pinned layer and the free layer;
the pinned layer, the free layer, and the insulating layer form a magnetic tunnel junction;
The free layer is:
a first magnetic layer;
a second magnetic layer having a lower Curie temperature than the first magnetic layer and having a second perpendicular magnetic anisotropy; and
a magnetic coupling control layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer and controlling magnetic coupling of the first magnetic layer and the second magnetic layer;
The second magnetic layer operates as a paramagnetic during a write operation, and operates as a ferromagnetic during a read operation.
제1 항에 있어서,
상기 제2 자성층의 큐리 온도는 350K 이상이고 500K이하인 자기 저항 소자.
The method of claim 1,
The second magnetic layer has a Curie temperature of 350K or higher and 500K or lower.
제1 항에 있어서,
상기 제2 수직 자기 이방성의 크기는 5×10E5 J/m3(5×10E6 erg/cc) 이상인 자기 저항 소자.
The method of claim 1,
The magnitude of the second perpendicular magnetic anisotropy is 5×10E5 J/m 3 (5×10E6 erg/cc) or more.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 자기 이방성은 면내(in-plane)인 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The first magnetic anisotropy is in-plane magnetoresistive element.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 자기 이방성의 방향은 자유 층의 표면에 수직하고,
상기 제1 자기 이방성의 크기는 2×10E5 J/m3(2×10E6 erg/cc) 이상이고 10E6 J/m3(10E7 erg/cc) 이하인 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
the direction of the first magnetic anisotropy is perpendicular to the surface of the free layer,
The magnitude of the first magnetic anisotropy is 2×10E5 J/m 3 (2×10E6 erg/cc) or more and 10E6 J/m 3 (10E7 erg/cc) or less.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 결합 제어 층은 Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, 및 W 중 적어도 하나를 포함하는 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The magnetic coupling control layer includes at least one of Pd, Pt, Ru, MgO, Ta, and W.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 자성 층은 FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn2RuGa, Mn2RuGe, 또는 이외의 강자성체로 이루어진 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The second magnetic layer is a magnetoresistive element made of FePtCu, [Co/Pt]n, TbFeCo, Mn 2 RuGa, Mn 2 RuGe, or other ferromagnetic material.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 저항 소자의 저항 값은 30 Ωμm2 이하인 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
A resistance value of the magnetoresistive element is 30 Ωμm 2 or less.
제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 자성 층의 큐리 온도는 쓰기 작업 시의 상기 제2 자성 층의 온도보다 낮고, 읽기 작업 시의 상기 제2 자성 층의 온도보다 높은 자기 저항 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
A Curie temperature of the second magnetic layer is lower than a temperature of the second magnetic layer during a write operation, and is higher than a temperature of the second magnetic layer during a read operation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018129105A (en) 2017-02-07 2018-08-16 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. Magnetoresistive memory device
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US12004355B2 (en) 2020-10-23 2024-06-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic tunnel junction element and magnetoresistive memory device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208681A (en) * 2001-01-11 2002-07-26 Canon Inc Magnetic thin-film memory element, magnetic thin-film memory, and information recording method
JP2005183826A (en) * 2003-12-22 2005-07-07 Sony Corp Magnetic memory
JP2010219412A (en) * 2009-03-18 2010-09-30 Toshiba Corp Magnetoresistive element and magnetic random access memory

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253739A (en) * 2003-02-21 2004-09-09 Sony Corp Magnetic storage element, its recording method and magnetic storage device
JP5677347B2 (en) * 2012-03-22 2015-02-25 株式会社東芝 Magnetoresistive element and magnetic memory writing method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208681A (en) * 2001-01-11 2002-07-26 Canon Inc Magnetic thin-film memory element, magnetic thin-film memory, and information recording method
JP2005183826A (en) * 2003-12-22 2005-07-07 Sony Corp Magnetic memory
JP2010219412A (en) * 2009-03-18 2010-09-30 Toshiba Corp Magnetoresistive element and magnetic random access memory

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