Magnetization Switching of MTJs with CoFeSiB/Ru/CoFeSiB Free Layers

Magnetic tunnel junctions (MTJs), which consisted of amorphous CoFeSiB layers, were investigated. The CoFeSiB layers were used to substitute for the traditionally used CoFe and/or NiFe layers with an emphasis given on understanding the effect of the amorphous free layer on the switching characteristics of the MTJs. CoFeSiB has a lower saturation magnetization ($M_s\;:\;560\;emu/cm^3$) and a higher anisotropy constant ($K_u\;:\;2800\;erg/cm^3$) than CoFe and NiFe, respectively. An exchange coupling energy ($J_{ex}$) of $-0.003\;erg/cm^2$ was observed by inserting a 1.0 nm Ru layer in between CoFeSiB layers. In the Si/$SiO_2$/Ta 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/$AlO_x$/CoFeSiB 7 or CoFeSiB (t)/Ru 1.0/CoFeSiB (7-t)/Ru 60 (in nm) MTJs structure, it was found that the size dependence of the switching field originated in the lower $J_{ex}$ using the experimental and simulation results. The CoFeSiB synthetic antiferromagnet structures were proved to be beneficial for the switching characteristics such as reducing the coercivity ($H_c$) and increasing the sensitivity in micrometer size, even in submicrometer sized elements.

CoFeSiB/Ru/CoFeSiB 자유층을 갖는 자기터널 접합의 스위칭 자기장

비정질 $Co_{70.5}Fe_{4.5}Si_{15}B_{10}$층을 갖는 자기터널접합(magnetic tunneling junctions; MTJ)를 연구하였다. 비정질 자유층이 MTJ의 스위칭 특성에 미치는 영향을 중점적으로 이해하기 위하여 기존의 사용된 CoFe 그리고 NiFe층들을 대신하여 비정질 강자성체 CoFeSiB을 사용하였다. CoFeSiB은 CoFe과 NiFe보다 각각 낮은 포화자기장($M_s:\;560\;emu/cm^3$)과 높은 자기이방성 상수($K_u:\;0.2800\;erg/cm^3$)를 갖는다. CoFeSiB층들의 사이에 1.0 nm Ru층 삽입시 $-0.003\;erg/cm^3$ 교환결합에너지($J_{ex}$)를 나타내었다. $Si-SiO_2-Ta$ 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/$AlO_x$/CoFeSiB 7 또는 CoFeSiB (t)/Ru 1.0/CoFeSiB (7-t)/Ru 60(in nm) MTJ 구조의 터널접합에 대하여 실험 및 시뮬레이션 결과를 통하여 낮은 $J_{ex}$에 기인하는 스위칭 자기장(switching field; $H_{sw}$)의 시료 크기 의존성이 나타나는 것을 알 수 있었다. CoFeSiB 합성형 반강자성 구조는 micrometer뿐만 아니라 submicrometer 시료 크기영역에서도 보자력($H_c$)의 감소와 민감도를 증가 시킴으로써 자기 스위칭 특성에 유리한 것으로 확인 되었다.