Journal of the Korean Magnetics Society (한국자기학회지)

The Korean Magnetics Society (한국자기학회)
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Magnetoresistance Effects of Magnetic Tunnel Junctions with Amorphous CoFeSiB Single and Synthetic Antiferromagnet Free Layers

비정질 CoFeSiB 단일 및 합성형 반강자성 자유층을 갖는 자기터널접합의 자기저항 효과

  • Hwang, J.Y. (Dept. of Physics, Sookmyung Women's University) ;
  • Kim, S.S. (Dept. of Physics, Sookmyung Women's University) ;
  • Rhee, J.R. (Dept. of Physics, Sookmyung Women's University)
  • 황재연 (숙명여자대학교 물리학과) ;
  • 김순섭 (숙명여자대학교 물리학과) ;
  • 이장로 (숙명여자대학교 물리학과)
  • Published : 2005.12.01
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Abstract

To obtain low switching field ($H_{SW}$) we introduced amorphous ferromagnetic $Co_{70.5}Fe_{4,5}Si_{15}B_{10}$ single and synthetic antiferromagnet (SAF) free layers in magnetic tunnel junctions (MTJs). The switching characteristics for MTJs with structures $Si/SiO_2/Ta$ 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/AlOx/CoFeSiB 7 or CoFeSiB (t)/Ru 1.0/CoFeSiB (7-t)/Ru 60 (in nm) were investigated and compared to MTJs with $Co_{75}Fe_{25}$ and $Ni_{80}Fe_{20}$ free layers. CoFeSiB showed a lower saturation magnetization of $560 emu/cm^3$ and a higher anisotropy constant of $2800\;erg/cm^3$ than CoFe and NiFe, respectively. An exchange coupling energy ($J_{ex}$) of $-0.003erg/cm^2$ was observed by inserting a 1.0 nm Ru layer in between CoFeSiB layers. In the CoFeSiB single and SAF free layer MTJs, it was frond that the size dependence of the $H_{SW}$ originated from the lower $J_{ex}$ experimentally and by micromagnetic simulation based on the Landau-Lisfschitz-Gilbert equation. The CoFeSiB SAF structures showed lower $H_{SW}$ than that of NiFe, CoFe and CoFeSiB single structures. The CoFeSiB SAF structures were proved to be beneficial far the switching characteristics such as reducing the coercivity and increasing the sensitivity in micrometer to submicrometer-sized elements.

본 연구에서는 자기터널접합(MTJs; magnetic tunnel junctions)의 스위칭 자기장($H_{SW}$)을 감소시키기 위하여 자유층으로 비정질 강자성 $Co_{70.5}Fe_{4,5}Si_{15}B_{10}$ 단일(single) 및 합성형 반강자성(SAF; synthetic antiferromagnet) 층을 사용하였다. $Si/SiO_2/Ta$ 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/AlOx/CoFeSiB 7 or CoFeSiB (t)/Ru 1.0/CoFeSiB (7-t)/Ru 60 (in nm) MTJs의 자기저항과 스위칭 특성을 CoFe 자유층과 NiFe 자유층을 갖는 MTJs와 비교하여 조사하였다. CoFeSiB은 포화자화($M_s$)가 $560\;emu/cm^3$으로 CoFe보다 낮고, 이방성 상수(Ku)는 $2800 erg/cm^3$으로 NiFe보다 높다. CoFeSiB SAF 구조에서 CoFeSiB 사이의 Ru 두께가 1.0 nm일 때 교환결합에너지($J_{ex}$)는 $-0.003erg/cm^2$였다. 이와 같이 비교적 작은 $J_{ex}$ 때문에, CoFeSiB SAF 자유층을 갖는 MTJs의 실험 및 Landau-Lisfschitz-Gilbert(LLG)식에 의한 시뮬레이션 결과 모두에서 $H_{SW}$가 접합크기에 의존하는 경향을 보였다. CoFeSiB SAF 자유층 MTJ의 $H_{SW}$는 CoFe, NiFe 또는 CoFeSiB single을 자유층으로 하는 MTJs에 비해 훨씬 낮게 나타났다. 따라서 CoFeSiB SAF를 자유층으로 사용한 MTJ는 micrometer에서 submicrometer 크기 영역 모두에서 보지적의 감소와 민감도 증가와 같은 우수한 스위칭 특성을 갖는 것을 확인하였다.

Keywords

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