JP6342113B2 - Method and system for providing a magnetic junction with improved characteristics - Google Patents
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Description
政府の権利
本発明は、DARPAによって裁定されたGrant/Contract No. HR0011−09−C−0023の下に、米国政府の支援に基づいてなされたものである。米国政府は、本発明における特定の権利を保有している。
Government Rights The present invention is based on Grant / Contract No. HR0011-09-C-0023 was made with the support of the US government. The US government has certain rights in the invention.
磁気記憶装置、詳細には磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、高速読出し/書込み、優れた耐久性、不揮発性、および動作中における低電力消費のためのそれらの可能性のため、ますます関心を集めている。MRAMは、磁気材料を情報記録媒体として利用して情報を記憶することができる。MRAMのタイプの1つは、スピントランスファトルクランダムアクセスメモリ(STT−RAM)である。STT−RAMには、磁気接合を介して駆動される電流によって少なくとも部分的に書き込まれる磁気接合が利用されている。磁気接合を介して駆動されるスピン分極電流によって磁気接合内の磁気モーメントにスピントルクが付与される。その結果、スピントルクに応答する磁気モーメントを有する層を所望の状態に切り換えることができる。 Magnetic storage devices, in particular magnetic random access memory (MRAM), are of increasing interest due to their potential for fast read / write, excellent endurance, non-volatility, and low power consumption during operation. Collecting. The MRAM can store information using a magnetic material as an information recording medium. One type of MRAM is a spin transfer torque random access memory (STT-RAM). The STT-RAM utilizes a magnetic junction that is at least partially written by a current driven through the magnetic junction. A spin torque is applied to the magnetic moment in the magnetic junction by the spin polarization current driven through the magnetic junction. As a result, the layer having a magnetic moment that responds to the spin torque can be switched to a desired state.
例えば図1は、従来のSTT−RAMに使用することができる従来の磁気トンネル接合(MTJ)10を示したものである。この従来のMTJ10は、通常、底部コンタクト11の上に存在しており、従来のシード層12が使用され、また、従来の反強磁性(AFM)層14、従来のピンド(pinned)層16、従来のトンネル障壁層18、従来の自由層20および従来のキャッピング(capping)層22を含む。また、図には頂部コンタクト24が示されている。
For example, FIG. 1 shows a conventional magnetic tunnel junction (MTJ) 10 that can be used in a conventional STT-RAM. This conventional MTJ 10 typically resides on the
従来のコンタクト11および24は、平面に対して直角の電流(CPP)方向、つまり図1に示されているz軸に沿った方向の電流を駆動するために使用されている。従来のシード層12は、通常、所望の結晶構造を有する、AFM層14などの後続する層の成長を補助するために利用されている。従来のトンネル障壁層18は非磁性であり、例えばMgOなどの薄い絶縁体である。
従来のピンド層16および従来の自由層20は磁気である。従来のピンド層16の磁化17は、通常はAFM層14との交換バイアス相互作用によって特定の方向に固定、つまりピンで止められている。図には単純な(単一の)層として示されているが、従来のピンド層16は複数の層を含むことができる。例えば従来のピンド層16は、Ruなどの薄い導電層を介して反強磁性的に結合された磁気層を含んだ合成反強磁性(SAF)層であってもよい。このようなSAFでは、Ruの薄い層と交互に配置された複数の磁気層を使用することができる。他の実施形態では、Ru層の両端間の結合は強磁性であってもよい。さらに、従来のMTJ10の他のバージョンは、追加非磁性障壁層または導電層(図示せず)によって自由層20から分離された追加ピンド層(図示せず)を含むことも可能である。
The conventional
従来の自由層20は変更可能磁化21を有している。単純な層として示されているが、従来の自由層20は複数の層を含むことも可能である。例えば従来の自由層20は、Ruなどの薄い導電層を介して反強磁性的または強磁性的に結合された磁気層を含んだ合成層であってもよい。平面内として示されているが、従来の自由層20の磁化21は垂直異方性を有することができる。したがってピンド層16および自由層20は、それぞれこれらの層の平面に対して直角に配向されたそれらの磁化17および21を有することができる。
The conventional
従来の自由層20の磁化21を切り換えるためには、平面に対して直角(z方向)の電流が駆動される。十分な電流が頂部コンタクト24から底部コンタクト11へ駆動されると、従来の自由層20の磁化21を従来のピンド層16の磁化17に対して平行になるように切り換えることができる。十分な電流が底部コンタクト11から頂部コンタクト24へ駆動されると、自由層の磁化21をピンド層16の磁化に対して逆平行になるように切り換えることができる。磁気構成の相違は異なる磁気抵抗に対応しており、したがって従来のMTJ10の異なる論理状態(例えば論理「0」および論理「1」)に対応している。したがって従来のMTJ10のトンネル磁気抵抗(TMR)を読み取ることによって従来のMTJの状態を決定することができる。
In order to switch the
従来のMTJ10は、スピントランスファを使用して書き込むことができ、接合のTMRを知覚することによって読み出すことができ、また、STT−RAMに使用することができるが、欠点が存在している。例えば従来のMTJ10からの信号は、場合によっては所望の信号より小さいことがある。直角に配向された磁化17および21を有する従来のMTJ10の場合、TMRは、場合によっては平面内にその磁化を有する従来のMTJ10より小さいことがある。そのため、従来のMTJ10からの信号が場合によっては所望の信号よりさらに小さいことがある。平面に対して直角に配向された磁化を有する従来のMTJ10の場合、従来のMTJ10の垂直異方性は、場合によっては所望の垂直異方性より小さいことがある。したがって直角に配向された従来のMTJ10は、場合によっては熱安定性が所望の熱安定性より低いことがある。また、従来のMTJ10は、場合によっては所望の減衰より大きい減衰を示すことがある。したがって従来のMTJ10を使用したメモリの性能は、依然として改善されることが望ましい。
The conventional MTJ 10 can be written using spin transfer, can be read by perceiving the TMR of the junction, and can be used for STT-RAM, but there are drawbacks. For example, the signal from the conventional MTJ 10 may be smaller than the desired signal in some cases. In the case of a conventional MTJ 10 with perpendicularly
したがって、スピントランスファトルクに基づくメモリの性能を改善することができる方法およびシステムが必要である。本明細書において説明されている方法およびシステムは、このような必要性に対処している。 Therefore, there is a need for a method and system that can improve memory performance based on spin transfer torque. The methods and systems described herein address this need.
磁気デバイスに使用することができる磁気接合を提供する方法およびシステムである。磁気接合は、ピンド層、非磁性スペーサ層、自由層、少なくとも1つの絶縁層、および該少なくとも1つの絶縁層に隣接する少なくとも1つの磁気挿入層を含む。非磁性スペーサ層は、ピンド層と自由層の間に位置している。少なくとも1つの絶縁層は、自由層およびピンド層のうちの少なくとも1つと隣接している。少なくとも1つの磁気挿入層は、少なくとも1つの絶縁層と隣接している。磁気接合は、書込み電流が磁気接合を通って流れると、自由層を複数の安定磁気状態の間で切り換えることができるように構成される。 A method and system for providing a magnetic junction that can be used in a magnetic device. The magnetic junction includes a pinned layer, a nonmagnetic spacer layer, a free layer, at least one insulating layer, and at least one magnetic insertion layer adjacent to the at least one insulating layer. The nonmagnetic spacer layer is located between the pinned layer and the free layer. At least one insulating layer is adjacent to at least one of the free layer and the pinned layer. The at least one magnetic insertion layer is adjacent to the at least one insulating layer. The magnetic junction is configured such that the free layer can be switched between a plurality of stable magnetic states when a write current flows through the magnetic junction.
例示的実施形態は、磁気記憶装置などの磁気デバイスに使用することができる磁気接合、およびこのような磁気接合を使用したデバイスに関している。以下の説明は、当業者による本発明の構築および使用を可能にするために提供されたものであり、また、特許出願およびその要求事項の文脈で提供されている。本明細書において説明されている例示的実施形態および一般原理ならびに特徴に対する様々な変更態様が容易に明らかになるであろう。これらの例示的実施形態は、主として、特定の実施態様の中に提供されている特定の方法およびシステムに関して説明されている。しかしながら、これらの方法およびシステムは、他の実施態様においても完全に動作することができる。「例示的実施形態」、「一実施形態」および「他の実施形態」などの語句は、同じ実施形態または異なる実施形態、ならびに複数の実施形態を表すことができる。これらの実施形態は、特定のコンポーネントを有するシステムおよび/またはデバイスに関して説明されている。しかしながら、これらのシステムおよび/またはデバイスは、示されているコンポーネントより多い、あるいは少ないコンポーネントを含むことができ、また、本発明の範囲を逸脱することなく、これらのコンポーネントの配置およびタイプの変形形態を加えることができる。また、これらの例示的実施形態は、特定のステップを有する特定の方法の文脈で記述することも可能である。しかしながら、これらの方法およびシステムは、異なるステップおよび/または追加ステップを有する他の方法、およびこれらの例示的実施形態と矛盾しない異なる順序のステップを有する他の方法に対しても完全に動作する。したがって本発明は、示されている実施形態に限定されず、本明細書において説明されている原理および特徴と無矛盾の最も広義の範囲と一致することが意図されている。 Exemplary embodiments relate to magnetic junctions that can be used in magnetic devices such as magnetic storage devices, and devices that use such magnetic junctions. The following description is provided to enable any person skilled in the art to make and use the invention and is provided in the context of a patent application and its requirements. Various modifications to the exemplary embodiments and general principles and features described herein will be readily apparent. These exemplary embodiments are primarily described with respect to particular methods and systems provided within particular implementations. However, these methods and systems are fully operational in other embodiments. Phrases such as “exemplary embodiment”, “one embodiment”, and “other embodiments” may represent the same or different embodiments, as well as multiple embodiments. These embodiments are described in terms of systems and / or devices having particular components. However, these systems and / or devices may include more or fewer components than those shown, and variations in the arrangement and types of these components without departing from the scope of the present invention. Can be added. These exemplary embodiments may also be described in the context of particular methods having particular steps. However, these methods and systems are fully operational for other methods having different steps and / or additional steps, and other methods having different order of steps consistent with these exemplary embodiments. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and features described herein.
磁気接合ならびに該磁気接合を利用した磁気記憶装置を提供するための方法およびシステムについて説明する。例示的実施形態によれば、磁気デバイスに使用することができる磁気接合を提供するための方法およびシステムが提供される。磁気接合は、ピンド層、非磁性スペーサ層、自由層、少なくとも1つのMgO層、および該少なくとも1つのMgO層に隣接する少なくとも1つの磁気挿入層を含む。非磁性スペーサ層は、ピンド層と自由層の間に位置している。少なくとも1つのMgO層は、自由層およびピンド層のうちの少なくとも1つと隣接している。少なくとも1つの磁気挿入層は、少なくとも1つのMgO層と隣接している。磁気接合は、書込み電流が磁気接合を通って流れると、自由層を複数の安定磁気状態の間で切り換えることができるように構成される。 A method and system for providing a magnetic junction and a magnetic storage device using the magnetic junction will be described. According to exemplary embodiments, methods and systems are provided for providing a magnetic junction that can be used in a magnetic device. The magnetic junction includes a pinned layer, a nonmagnetic spacer layer, a free layer, at least one MgO layer, and at least one magnetic insertion layer adjacent to the at least one MgO layer. The nonmagnetic spacer layer is located between the pinned layer and the free layer. The at least one MgO layer is adjacent to at least one of the free layer and the pinned layer. The at least one magnetic insertion layer is adjacent to the at least one MgO layer. The magnetic junction is configured such that the free layer can be switched between a plurality of stable magnetic states when a write current flows through the magnetic junction.
例示的実施形態について、特定のコンポーネントを有する特定の磁気接合および磁気記憶装置の文脈で説明する。本発明は、本発明と矛盾しない他のコンポーネントおよび/または追加コンポーネント、および/または他の特徴を有する磁気接合および磁気記憶装置の使用と無矛盾であることは当業者には容易に認識されよう。また、これらの方法およびシステムは、スピントランスファ現象、磁気異方性および他の物理現象における電流理解の文脈でも説明されている。したがってこれらの方法およびシステムの挙動についての理論的説明は、スピントランスファ、磁気異方性および他の物理現象におけるこの電流理解に基づいてなされていることは当業者には容易に認識されよう。しかしながら、本明細書において説明されているこれらの方法およびシステムは、特定の物理的な説明には依存していない。これらの方法およびシステムは、基板に対する特定の関係を有する構造の文脈で記述されていることについても、当業者には容易に認識されよう。しかしながら、これらの方法およびシステムは他の構造と無矛盾であることは当業者には容易に認識されよう。さらに、これらの方法およびシステムは、合成および/または単純な特定の層の文脈で記述されている。しかしながら、これらの層は他の構造を有することも可能であることは当業者には容易に認識されよう。さらに、これらの方法およびシステムは、特定の層を有する磁気接合および/または下部構造の文脈で記述されている。しかしながら、これらの方法およびシステムと矛盾しない追加層および/または異なる層を有する磁気接合および/または下部構造を使用することも可能であることは当業者には容易に認識されよう。さらに、特定のコンポーネントは、磁気、強磁性およびフェリ磁性として記述されている。本明細書において使用されているように、磁気という用語には、強磁性、フェリ磁性または同様の構造を含むことができる。したがって本明細書において使用されているように、「磁気」または「強磁性」という用語は、それらに限定されないが、強磁石およびフェリ磁石を含む。また、これらの方法およびシステムは、単一の磁気接合および下部構造の文脈で記述されている。しかしながら、これらの方法およびシステムは、複数の磁気接合を有し、かつ、複数の下部構造を使用している磁気記憶装置の使用と無矛盾であることは当業者には容易に認識されよう。さらに、本明細書において使用されているように、「平面内」は、実質的に、磁気接合の複数の層のうちの1つまたは複数の層の平面内または平面に平行である。一方、「直角」は、磁気接合の複数の層のうちの1つまたは複数の層に対して実質的に直角の方向に対応している。 Exemplary embodiments are described in the context of a particular magnetic junction and magnetic storage device having particular components. One skilled in the art will readily recognize that the present invention is consistent with the use of other components and / or additional components that are consistent with the present invention and / or magnetic junctions and magnetic storage devices having other features. These methods and systems are also described in the context of understanding currents in spin transfer phenomena, magnetic anisotropy and other physical phenomena. Thus, those skilled in the art will readily recognize that the theoretical explanation for the behavior of these methods and systems is based on this current understanding of spin transfer, magnetic anisotropy and other physical phenomena. However, these methods and systems described herein are not dependent on a specific physical description. Those skilled in the art will also readily recognize that these methods and systems are described in the context of a structure having a particular relationship to the substrate. However, those skilled in the art will readily recognize that these methods and systems are consistent with other structures. Moreover, these methods and systems are described in the context of a composite and / or simple specific layer. However, those skilled in the art will readily recognize that these layers may have other structures. Furthermore, these methods and systems are described in the context of magnetic junctions and / or substructures with particular layers. However, those skilled in the art will readily recognize that magnetic junctions and / or substructures having additional and / or different layers consistent with these methods and systems can also be used. Furthermore, certain components have been described as magnetic, ferromagnetic and ferrimagnetic. As used herein, the term magnetism can include ferromagnetic, ferrimagnetic or similar structures. Thus, as used herein, the term “magnetic” or “ferromagnetic” includes, but is not limited to, strong magnets and ferrimagnets. These methods and systems have also been described in the context of a single magnetic junction and substructure. However, those skilled in the art will readily recognize that these methods and systems are consistent with the use of magnetic storage devices having multiple magnetic junctions and using multiple substructures. Further, as used herein, “in plane” is substantially parallel to or in the plane of one or more of the layers of the magnetic junction. On the other hand, “right angle” corresponds to a direction substantially perpendicular to one or more of the layers of the magnetic junction.
図2は、磁気デバイス、例えば磁気トンネル接合(MTJ)、スピンバルブまたは衝撃磁気抵抗構造あるいはそれらの何らかの組合せに使用することができる磁気挿入層100の一例示的実施形態を示したものである。この磁気下部構造100が使用される磁気デバイスは、様々な用途に使用することができる。例えばこの磁気デバイス、したがって磁気下部構造は、STT−RAMなどの磁気記憶装置に使用することができる。分かり易くするために、図2はスケール通りには描かれていない。図に示されている磁気挿入層100はMgO層120に隣接している。図に示されている実施形態では、MgO層120は磁気挿入層100の頂部に位置している。しかしながら他の実施形態では、MgO層120の上に磁気挿入層100を成長させることも可能である。したがって磁気挿入層100およびMgO層120に関しては、基板に対する仮定しなければならない特定の関係は存在していない。さらに、層120はMgO層として記述されている。しかしながら他の実施形態では、層120は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化チタンおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも1つを含むことができる。
FIG. 2 illustrates one exemplary embodiment of a
図2に示されている磁気挿入層100は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXを含んだ少なくとも1つの磁気層であり、Xは、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbを含む材料のグループから選択される。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXからなっている。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100はCoFeBで形成される。磁気挿入層100はMgO層120と隣接している。MgO層120は結晶構造であってもよく、また、好ましいテクスチャを有することができる。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100は少なくとも3オングストロームであり、かつ、2ナノメートル以下である。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100は、磁気材料でできているが非磁性であることが望ましい。このような実施形態では、磁気挿入層100は、場合によっては、使用される材料に対して5ナノメートル以下、または同様の厚さであることが望ましい。磁気挿入層100は、その厚さがこのように薄いと磁気的に死んでいる。したがって磁気挿入層100が非磁性であっても、CoFeBなどの磁気材料を磁気挿入層のために使用することができる。他の実施形態では、強磁性挿入層100が望ましいか、あるいは許容される場合、もっと分厚い厚さを使用することも可能である。磁気接合に使用される場合、磁気挿入層100は、磁気接合の磁気抵抗領域の外側に存在する。例えばMTJの場合、磁気挿入層100は、自由層とトンネル障壁層の間、あるいはトンネル障壁層とピンド層の間には存在しない。同様に、二重MTJの場合、磁気挿入層100は、自由層と2つのトンネル障壁層のいずれのトンネル障壁層との間にも存在せず、あるいは2つのピンド層と2つのトンネル障壁層の間には存在しない。したがって磁気挿入層100は、磁気挿入層100と共に使用される磁気接合の知覚部分の外側に存在すると見なすことができる。
The
磁気挿入層100を使用して、この磁気挿入層100が使用される磁気接合の特性を適合させることができる。例えば磁気挿入層100を図3に示されているMgO層120と組み合わせることにより、抵抗面積(RA)がより小さいMgO層120を得ることができる。磁気挿入層100を使用することにより、この磁気挿入層100が使用される磁気接合内の他の層に影響を及ぼすことができる。例えば、ピンド層と自由層の間にトンネル障壁層(図2には示されていない)を含む接合のRAを小さくすることができる。いくつかの実施形態では、MgO層120、磁気挿入層100および接合(図示せず)の組合せのRAを1/2以上小さくすることができる。いくつかのこのような実施形態では、接合RAを1/10以上小さくすることができる。RAのこの低減により、磁気接合のTMRを改善することができる。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100を使用した磁気接合内の他の磁気層(図示せず)の垂直異方性を改善することができる。したがってスピントランスファ書込みを改善することができる。また、平面に対して直角の磁化を使用して磁気接合を熱的により安定にすることも可能である。したがって磁気挿入層100を利用している磁気接合の性能を改善することができる。
The
したがって磁気挿入層100が使用される磁気デバイスの特性を必要に応じて構成することも可能である。例えば、自由層の結晶化が改善され、また、とりわけ2つの障壁を備えたトンネル接合の場合、トンネル接合との格子整合が改善されるため、磁気下部構造100が使用される磁気デバイスのTMRを改善することができる。WERおよびデータ転送速度などのスイッチング特性を、磁気下部構造100が使用される磁気デバイス内で改善することができる。
Therefore, the characteristics of the magnetic device in which the
図3は、磁気デバイス、例えばMTJ、スピンバルブまたは衝撃磁気抵抗構造あるいはそれらの何らかの組合せに使用することができる磁気挿入層100’の一例示的実施形態を示したものである。この磁気挿入層100’が使用される磁気デバイスは、様々な用途に使用することができる。例えば磁気接合、したがって磁気挿入層は、STT−RAMなどの磁気記憶装置に使用することができる。分かり易くするために、図3はスケール通りには描かれていない。この磁気挿入層100’は磁気挿入層100に類似している。同様に、図に示されている磁気挿入層100’はMgO層120’を備えている。したがって同様のコンポーネントには同様のラベルが振られている。図に示されている磁気挿入層100’はMgO層120’に隣接している。図に示されている実施形態では、MgO層120’は磁気挿入層100’の頂部に位置している。しかしながら他の実施形態では、MgO層120’の上に磁気挿入層100’を成長させることも可能である。したがって磁気挿入層100’およびMgO層120’に関しては、基板に対する仮定しなければならない特定の関係は存在していない。図に示されている実施形態では、層120’はMgO層として記述されている。しかしながら他の実施形態では、層120’は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化チタンおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも1つを含むことができる。
FIG. 3 illustrates one exemplary embodiment of a magnetic insertion layer 100 'that can be used in a magnetic device, such as an MTJ, spin valve, or impact magnetoresistive structure, or some combination thereof. The magnetic device in which the magnetic insertion layer 100 'is used can be used for various applications. For example, magnetic junctions, and thus magnetic insertion layers, can be used for magnetic storage devices such as STT-RAM. For clarity, FIG. 3 is not drawn to scale. This
磁気挿入層100’は、磁気挿入層100と同様の方法で磁気接合に使用されている。したがって磁気接合に使用される場合、磁気挿入層100’は、磁気接合の磁気抵抗領域の外側に存在する。言い換えると、磁気挿入層100’は、磁気挿入層100’と共に使用される磁気接合の知覚部分の外側に存在すると見なすことができる。
The
図3に示されている磁気挿入層100’は、磁気層102および追加磁気層104を含んだ二分子層である。磁気層102は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXを含み、Xは、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbを含む材料のグループから選択される。いくつかの実施形態では、磁気層102は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXからなっている。いくつかの実施形態では、磁気層102はCoFeBで形成される。したがって磁気層102は、磁気挿入層100の一実施形態に類似していると見なすことができる。磁気挿入層100’はMgO層120’と隣接している。図に示されている実施形態では、磁気層102はMgO層120’と隣接しており、かつ、MgO層120’と追加磁気層104の間に位置している。しかしながら他の実施形態では、追加磁気層104は、MgO層120’と磁気層102の間に存在させることも可能である。追加磁気層104は、Coおよび/またはFeを含むことができる。いくつかの実施形態では、磁気層104はFe層からなっていてもよく、あるいはCo層からなっていてもよい。
The
いくつかの実施形態では、磁気挿入層100’は少なくとも3オングストロームであり、かつ、2ナノメートル以下である。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100’は、磁気材料でできているが非磁性であることが望ましい。このような実施形態では、磁気挿入層100’は、場合によっては、使用される材料に対して5ナノメートル以下、または同様の厚さであることが望ましい。磁気挿入層100’は、その厚さがこのように薄いと磁気的に死んでいる。したがって磁気挿入層100’が非磁性であっても、CoFeBなどの磁気材料を磁気層102のために使用することができ、また、CoまたはFeなどの磁気材料を追加磁気層104のために使用することができる。他の実施形態では、磁気挿入層100’が望ましいか、あるいは許容される場合、もっと分厚い厚さを使用することも可能である。
In some embodiments, the magnetic insertion layer 100 'is at least 3 angstroms and no greater than 2 nanometers. In some embodiments, the magnetic insertion layer 100 'is made of a magnetic material but is preferably non-magnetic. In such an embodiment, the magnetic insertion layer 100 'may in some cases be 5 nanometers or less, or a similar thickness, relative to the material used. If the thickness of the
磁気挿入層100’を使用して、この磁気挿入層100’が使用される磁気接合の特性を適合させることができる。したがって磁気挿入層100’は、磁気挿入層100の利点を共有することができる。例えば、磁気挿入層100’が使用される磁気接合は、小さいRA、改善されたTMR、より大きい垂直異方性、より高い熱安定性および/または他の利点を享受することができる。したがって磁気挿入層100’を利用している磁気接合の性能を改善することができる。
The
図4は、磁気デバイス、例えばMTJ、スピンバルブまたは衝撃磁気抵抗構造あるいはそれらの何らかの組合せに使用することができる磁気挿入層100”の一例示的実施形態を示したものである。この磁気挿入層100”が使用される磁気デバイスは、様々な用途に使用することができる。例えば磁気接合、したがって磁気挿入層は、STT−RAMなどの磁気記憶装置に使用することができる。分かり易くするために、図4はスケール通りには描かれていない。この磁気挿入層100”は磁気挿入層100および100’に類似している。同様に、図に示されている磁気挿入層100”はMgO層120”を備えている。したがって同様のコンポーネントには同様のラベルが振られている。図に示されている磁気挿入層100”はMgO層120”に隣接している。図に示されている実施形態では、MgO層120”は磁気挿入層100”の頂部に位置している。しかしながら他の実施形態では、MgO層120”の上に磁気挿入層100”を成長させることも可能である。したがって磁気挿入層100”およびMgO層120”に関しては、基板に対する仮定しなければならない特定の関係は存在していない。図に示されている実施形態では、層120”はMgO層として記述されている。しかしながら他の実施形態では、層120”は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化チタンおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも1つを含むことができる。
FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of a
磁気挿入層100”は、磁気挿入層100および100’と同様の方法で磁気接合に使用されている。したがって磁気接合に使用される場合、磁気挿入層100”は、磁気接合の磁気抵抗領域の外側に存在する。言い換えると、磁気挿入層100”は、磁気挿入層100”と共に使用される磁気接合の知覚部分の外側に存在すると見なすことができる。
The
図4に示されている磁気挿入層100”は、少なくとも第1の磁気層102’、非磁性層106および第2の磁気層108を含んだ多層である。いくつかの実施形態では、追加磁気層(図示せず)を追加非磁性層(図示せず)と交互に配置することができる。第1の磁気層102’は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXを含み、Xは、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbを含む材料のグループから選択される。いくつかの実施形態では、第1の磁気層102’は、CoX、FeXおよび/またはCoFeXからなっている。いくつかのこのような実施形態では、第1の磁気層102’はCoFeBで形成される。第2の磁気層108は、CoY、FeYおよび/またはCoFeYを含み、Yは、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbを含む材料のグループから選択される。いくつかの実施形態では、第2の磁気層108は、CoY、FeYおよび/またはCoFeYからなっている。いくつかの実施形態では、第2の磁気層108はCoFeBで形成される。したがって第1の磁気層102’および第2の磁気層108は、それぞれ磁気挿入層100の一実施形態に類似していると見なすことができる。磁気挿入層100”はMgO層120”と隣接している。図に示されている実施形態では、磁気層102’はMgO層120”と隣接しており、かつ、MgO層120”と第2の磁気層108の間に位置している。しかしながら他の実施形態では、第2の磁気層108は、MgO層120”と磁気層102’の間に存在させることも可能である。図に示されている非磁性層106はTaからなっている。しかしながら他の実施形態では、他の非磁性材料または追加非磁性材料を使用することができる。例えば非磁性層は、Ru、Cr、Ti、W、Ru、V、Hf、ZrおよびTaのうちの1つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、非磁性層106は、Ru、Cr、Ti、W、Ru、V、Hf、ZrおよびTaのうちの少なくとも1つからなっていてもよい。
The
いくつかの実施形態では、磁気挿入層100”は少なくとも3オングストロームであり、かつ、2ナノメートル以下である。いくつかの実施形態では、磁気挿入層100”は、磁気材料でできているが非磁性であることが望ましい。このような実施形態では、磁気挿入層100”中の磁気層102’および108の各々は、場合によっては、使用される材料に対して5ナノメートル以下、または同様の厚さであることが望ましい。これらの磁気層102’および108は、その厚さがこのように薄いと、それぞれ磁気的に死んでいる。したがって磁気挿入層100”が非磁性であっても、CoFeBなどの磁気材料をこれらの磁気層102’および108のために使用することができる。他の実施形態では、磁気挿入層100’が望ましいか、あるいは許容される場合、もっと分厚い厚さをこれらの磁気層102’および108のうちのいずれか一方または両方のために使用することができる。
In some embodiments, the
磁気挿入層100”を使用して、この磁気挿入層100”が使用される磁気接合の特性を適合させることができる。したがって磁気挿入層100”は、磁気挿入層100および/または100’の利点を共有することができる。例えば、磁気挿入層100”が使用される磁気接合は、小さいRA、改善されたTMR、より大きい垂直異方性、より高い熱安定性および/または他の利点を享受することができる。したがって磁気挿入層100”を利用している磁気接合の性能を改善することができる。
The
図5は、100、100’および/または100”などの磁気挿入層を含んだ磁気接合200の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図5はスケール通りには描かれていない。磁気接合200は、MgOシード層204、自由層210、非磁性スペーサ層220およびピンド層230を含む。図には特定の配向の層210、220および230が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。例えばピンド層230は、磁気接合200の底部により近い位置に配置することができる(図には示されていない基板の最も近くに配置することができる)。また、図には任意選択のシード層202が示されている。ピンニング(pinning)層(図示せず)およびキャッピング層(図示せず)を使用することも可能である。通常、ピンド層230の磁気モーメントが平面内である場合はピンニング層が使用され、ピンド層230の磁気モーメントが平面に対して直角である場合はピンニング層は使用されない。このようなピンニング層は、ピンド層230の磁化(図示せず)を固定するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ピンニング層は、交換バイアス相互作用によってピンド層230の磁化(図示せず)をピン止め(pins)するAFM層または多層であってもよい。また、この磁気接合200は、書込み電流が磁気接合200を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層210を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層210を切り換えることができる。
FIG. 5 illustrates one exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層220は、その磁気抵抗が自由層210とピンド層230の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層220は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層204を使用して磁気接合200のTMRおよび他の特性を改善することができる。MgOシード層が存在することによってトンネル障壁層220の結晶構造が改善されることが仮定されている。
The
図には単純な層として示されているが、自由層210および/またはピンド層230は複数の層を含むことができる。例えば自由層210および/またはピンド層230は、Ruなどの薄い層を介して反強磁性的または強磁性的に結合された磁気層を含んだSAFであってもよい。このようなSAFでは、Ruまたは他の材料の薄い層と交互に配置された複数の磁気層を使用することができる。また、自由層210および/またはピンド層230は、もう1つの多層であってもよい。磁化は図5には示されていないが、自由層210および/またはピンド層230は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層210および/またはピンド層230は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層210および/またはピンド層230の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層210および/またはピンド層230の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合200は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合200を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合200は、層210および/または230に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。上で説明したように、磁気挿入層100、100’および/または100”は、MgOシード層204などの隣接するMgO層のRAを小さくすることができる。磁気接合200の総抵抗に対するMgOシード層204の寄生抵抗の寄与を小さくすることができる。したがって自由層210およびピンド層230の磁気配向によるTMRを、磁気接合200の総抵抗のうちのより大きい部分にすることができる。したがって磁気接合のTMRが効果的に改善される。さらに、改善されたMgOシード層204の存在、したがって磁気挿入層100/100’/100”の存在により、MgOトンネル障壁層220のRAを小さくすることができる。したがって磁気接合200のRAをさらに小さくすることができる。したがって磁気接合200の性能を改善することができる。
Because the
図6は、磁気挿入層100/100’/100”を含んだ磁気接合200’の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図6はスケール通りには描かれていない。この磁気接合200’は磁気接合200に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合200’は、それぞれ層210、220および230と同様の自由層210’、非磁性スペーサ層220’およびピンド層230’を含む。図には特定の配向の層210’、220’および230’が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOシード層204および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)および/または任意選択のキャッピング層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合200’は、書込み電流が磁気接合200’を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層210’を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層210’を切り換えることができる。
6 illustrates one exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層220’は、その磁気抵抗が自由層210’とピンド層230’の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層220’は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層204’を使用して磁気接合200’のTMRおよび他の特性を改善することができる。MgOシード層204’が存在することによってトンネル障壁層220’の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。 The nonmagnetic spacer layer 220 'may be a tunnel barrier layer, a conductor or other structure whose magnetoresistance is between the free layer 210' and the pinned layer 230 '. In some embodiments, the nonmagnetic spacer layer 220 'is a crystalline MgO tunnel barrier layer. In such embodiments, the MgO seed layer 204 'can be used to improve the TMR and other characteristics of the magnetic junction 200'. It is assumed that the presence of the MgO seed layer 204 'improves the crystal structure (structure and / or texture) of the tunnel barrier layer 220'.
図には単純な層として示されているが、自由層210’は、上で説明したように複数の層を含むことができる。ピンド層230’は、基準層232、非磁性層234およびピンド層236を含むことが明確に示されている。したがってピンド層230’は、この実施形態ではSAFである。磁化は図6には示されていないが、自由層210’および/またはピンド層230’は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層210’および/またはピンド層230’は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層210’および/またはピンド層230’の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層210’および/またはピンド層230’の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure, the free layer 210 'can include multiple layers as described above. The pinned
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合200’は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合200’を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合200’は、層210’および/または230’に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合200’の性能を改善することができる。
Since the
図7は、磁気挿入層100、100’/100”を含んだ磁気接合200”の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図7はスケール通りには描かれていない。この磁気接合200”は、磁気接合200および/または200’に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合200”は、それぞれ層210/210’、220/220’および230/230’と同様の自由層210”、非磁性スペーサ層220”およびピンド層230”を含む。図には特定の配向の層210”、220”および230”が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOシード層204”および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)および/または任意選択のキャッピング層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合200”は、書込み電流が磁気接合200”を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層210”を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層210”を切り換えることができる。
FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層220”は、その磁気抵抗が自由層210”とピンド層230”の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層220”は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層204”を使用して磁気接合200”のTMRおよび他の特性を改善することができる。MgOシード層204”が存在することによってトンネル障壁層220”の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。
The
図には単純な層として示されているが、自由層210”および/またはピンド層230”は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図7には示されていないが、自由層210”および/またはピンド層230”は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層210”および/またはピンド層230”は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層210”および/またはピンド層230”の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層210”および/またはピンド層230”の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合200”は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合200”を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合200”は、層210”および/または230”に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合200”の性能を改善することができる。
Since the
図8は、磁気挿入層100、100’/100”を含んだ磁気接合200’’’の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図8はスケール通りには描かれていない。この磁気接合200’’’は、磁気接合200、200’および/または200”に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合200’’’は、それぞれ層210/210’/210”、220/220’/220”および230/230’/230”と同様の自由層210’’’、非磁性スペーサ層220’’’およびピンド層230’’’を含む。図には特定の配向の層210’’’、220’’’および230’’’が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOシード層204’’’および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)および/または任意選択のキャッピング層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合200’’’は、書込み電流が磁気接合200’’’を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層210’’’を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層210’’’を切り換えることができる。
FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層220’’’は、その磁気抵抗が自由層210’’’とピンド層230’’’の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層220’’’は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層204’’’を使用して磁気接合200’’’のTMRおよび他の特性を改善することができる。MgOシード層204’’’が存在することによってトンネル障壁層220’’’の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。
The
さらに、この磁気接合200’’’は二重構造である。したがって磁気接合200’’’は、同じく追加非磁性スペーサ層240および追加ピンド層250を含む。非磁性スペーサ層240は非磁性スペーサ層220’’’に類似していてもよい。したがって非磁性スペーサ層240は結晶性MgOトンネル障壁層であってもよい。他の実施形態では、非磁性スペーサ層240は層220’’’とは異なっていてもよい。同様に、ピンド層250はピンド層230”に類似していてもよい。
Further, the
図には単純な層として示されているが、自由層210’’’および/またはピンド層230’’’および250は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図8には示されていないが、自由層210’’’および/またはピンド層230’’’および250は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層210’’’および/またはピンド層230’’’および250は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層210’’’および/またはピンド層230’’’の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層210’’’および/またはピンド層230’’’の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as simple layers in the figure, the free layer 210 '''and / or the pinned layers 230''' and 250 may include multiple layers as described above. Although the magnetization is not shown in FIG. 8, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合200’’’は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合200’’’を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合200’’’は、層210’’’および/または230’’’に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合200’’’の性能を改善することができる。
Since the
図9は、100、100’および/または100”などの磁気挿入層を含んだ磁気接合300の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図9はスケール通りには描かれていない。磁気接合300は、自由層310、非磁性スペーサ層320、ピンド層330およびMgOキャッピング層304を含む。図には特定の配向の層310、320および330が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。例えばピンド層330は、磁気接合300の底部により近い位置に配置することができる(図には示されていない基板の最も近くに配置することができる)。また、図には任意選択のシード層302が示されている。ピンニング層(図示せず)およびMgOシード層(図示せず)を使用することも可能である。通常、ピンド層330の磁気モーメントが平面内である場合はピンニング層が使用され、ピンド層330の磁気モーメントが平面に対して直角である場合はピンニング層は使用されない。このようなピンニング層は、ピンド層330の磁化(図示せず)を固定するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ピンニング層は、交換バイアス相互作用によってピンド層330の磁化(図示せず)をピン止めするAFM層または多層であってもよい。また、この磁気接合300は、書込み電流が磁気接合300を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層310を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層310を切り換えることができる。
FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層320は、その磁気抵抗が自由層310とピンド層330の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層320は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOキャッピング層304を使用して磁気接合300のTMRおよび他の特性を改善することができる。結晶性MgOトンネル障壁層320は、その作用のなかでもとりわけ層の堆積および磁気接合300の焼きなましに影響を及ぼす可能性のある周囲の構造に敏感であるため、MgOキャッピング層304が存在することによってトンネル障壁層320の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。
The
図には単純な層として示されているが、自由層310および/またはピンド層330は複数の層を含むことができる。例えば自由層310および/またはピンド層330は、Ruなどの薄い層を介して反強磁性的または強磁性的に結合された磁気層を含んだSAFであってもよい。このようなSAFでは、Ruまたは他の材料の薄い層と交互に配置された複数の磁気層を使用することができる。また、自由層310および/またはピンド層330は、もう1つの多層であってもよい。磁化は図9には示されていないが、自由層310および/またはピンド層330は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層310および/またはピンド層330は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層310および/またはピンド層330の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層310および/またはピンド層330の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合300は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合300を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合300は、層310および/または330に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。上で説明したように、磁気挿入層100、100’および/または100”は、MgOシード層304などの隣接するMgO層のRAを小さくすることができる。MgOキャッピング層304の寄生抵抗が小さくなるため、磁気接合300のTMRを効果的に改善することができる。さらに、改善されたMgOキャッピング層304の存在、したがって磁気挿入層100/100’/100”の存在により、MgOトンネル障壁層320のRAを小さくすることができる。したがって磁気接合300のRAをさらに小さくすることができる。したがって磁気接合300の性能を改善することができる。
Since the
図10は、磁気挿入層100/100’/100”を含んだ磁気接合300’の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図10はスケール通りには描かれていない。この磁気接合300’は磁気接合300に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合300’は、それぞれ層310、320および330と同様の自由層310’、非磁性スペーサ層320’およびピンド層330’を含む。図には特定の配向の層310’、320’および330’が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOキャッピング層304’および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)および/または任意選択のMgOシード層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合300’は、書込み電流が磁気接合300’を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層310’を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層310’を切り換えることができる。
FIG. 10 illustrates an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層320’は、その磁気抵抗が自由層310’とピンド層330’の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層320’は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOキャッピング層304’を使用して磁気接合300’のTMRおよび他の特性を改善することができる。結晶性MgOトンネル障壁層320’は、その作用のなかでもとりわけ層の堆積および磁気接合300’の焼きなましに影響を及ぼす可能性のある周囲の構造に敏感であるため、MgOキャッピング層304’が存在することによってトンネル障壁層320’の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。
The nonmagnetic spacer layer 320 'may be a tunnel barrier layer, a conductor or other structure whose magnetoresistance is between the free layer 310' and the pinned layer 330 '. In some embodiments, the nonmagnetic spacer layer 320 'is a crystalline MgO tunnel barrier layer. In such embodiments, MgO capping layer 304 'can be used to improve TMR and other properties of magnetic junction 300'. The crystalline MgO
図には単純な層として示されているが、自由層310’および/またはピンド層330’は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図10には示されていないが、自由層310’および/またはピンド層330’は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層310’および/またはピンド層330’は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層310’および/またはピンド層330’の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層310’および/またはピンド層330’の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as simple layers in the figure, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合300’は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合300’を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合300’は、層310’および/または330’に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合300’の性能を改善することができる。
Because the
図11は、磁気挿入層100/100’/100”を含んだ磁気接合300”の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図11はスケール通りには描かれていない。この磁気接合300”は、磁気接合300および/または300’に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合300”は、それぞれ層310/310’、320/320’および330/330’と同様の自由層310”、非磁性スペーサ層320”およびピンド層330”を含む。図には特定の配向の層310”、320”および330”が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOキャッピング層304”および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)および/または任意選択のMgOシード層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合300”は、書込み電流が磁気接合300”を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層310”を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層310”を切り換えることができる。
FIG. 11 illustrates an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層320”は、その磁気抵抗が自由層310”とピンド層330”の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層320”は結晶性MgOトンネル障壁層である。上で説明したように、このような実施形態では、MgOキャッピング層304”を使用して磁気接合300”のTMRおよび他の特性を改善することができる。
The
さらに、この磁気接合300”は二重構造である。したがって磁気接合300”は、同じく追加非磁性スペーサ層340および追加ピンド層350を含む。非磁性スペーサ層340は非磁性スペーサ層320”に類似していてもよい。したがって非磁性スペーサ層340は結晶性MgOトンネル障壁層であってもよい。他の実施形態では、非磁性スペーサ層340は層320”とは異なっていてもよい。同様に、ピンド層350はピンド層330”に類似していてもよい。
Further, the
図には単純な層として示されているが、自由層310”および/またはピンド層330”および350は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図11には示されていないが、自由層310”および/またはピンド層330”および350は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層310”および/またはピンド層330”および350は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層310”および/またはピンド層330”の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層310”および/またはピンド層330”の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as simple layers in the figure,
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合300”は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合300”を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合300”は、層310”および/または330”に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合300”の性能を改善することができる。
Since the
図12は、100、100’および/または100”などの2つの磁気挿入層を含んだ磁気接合400の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図12はスケール通りには描かれていない。磁気接合400は、自由層410、非磁性スペーサ層420、ピンド層430およびMgOシード層404ならびにMgOキャッピング層406を含む。図には特定の配向の層410、420および430が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。例えばピンド層430は、磁気接合400の底部により近い位置に配置することができる(図には示されていない基板の最も近くに配置することができる)。また、図には任意選択のシード層302が示されている。ピンニング層(図示せず)を使用することも可能である。通常、ピンド層430の磁気モーメントが平面内である場合はピンニング層が使用され、ピンド層430の磁気モーメントが平面に対して直角である場合はピンニング層は使用されない。このようなピンニング層は、ピンド層430の磁化(図示せず)を固定するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ピンニング層は、交換バイアス相互作用によってピンド層430の磁化(図示せず)をピン止めするAFM層または多層であってもよい。また、この磁気接合400は、書込み電流が磁気接合400を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層410を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層410を切り換えることができる。
12 illustrates one exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層420は、その磁気抵抗が自由層410とピンド層430の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層420は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層404およびMgOキャッピング層406を使用して磁気接合400のTMRおよび他の特性を改善することができる。結晶性MgOトンネル障壁層420は、その作用のなかでもとりわけ層の堆積および磁気接合400の焼きなましに影響を及ぼす可能性のある周囲の構造に敏感であるため、MgOシード層404およびMgOキャッピング層406が存在することによってトンネル障壁層420の結晶構造(構造および/またはテクスチャ)が改善されることが仮定されている。
The
図には単純な層として示されているが、自由層410および/またはピンド層430は複数の層を含むことができる。例えば自由層410および/またはピンド層430は、Ruなどの薄い層を介して反強磁性的または強磁性的に結合された磁気層を含んだSAFであってもよい。このようなSAFでは、Ruまたは他の材料の薄い層と交互に配置された複数の磁気層を使用することができる。また、自由層410および/またはピンド層430は、もう1つの多層であってもよい。磁化は図12には示されていないが、自由層410および/またはピンド層430は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層410および/またはピンド層430は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層410および/またはピンド層430の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層410および/またはピンド層430の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure,
2つの磁気挿入層100/100’/100”が使用されている。これらの磁気挿入層100/100’/100”は、それぞれMgO層404および406に隣接している。2つの磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合400は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合400を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合400は、層410および/または430に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。上で説明したように、磁気挿入層100、100’および/または100”は、MgOシード層404およびMgOキャッピング層406などの隣接するMgO層のRAを小さくすることができる。MgOシード層404およびMgOキャッピング層406の寄生抵抗が小さくなるため、磁気接合400のTMRを効果的に改善することができる。さらに、改善されたMgO層404および406の存在により、MgOトンネル障壁層420のRAを小さくすることができる。したがってMgOトンネル障壁層は、磁気挿入層100/100’/100”によって改善されたそのRAを有することができる。したがって磁気接合400のRAをさらに小さくすることができる。したがって磁気接合400の性能を改善することができる。
Two magnetic insertion layers 100/100 ′ / 100 ″ are used. These magnetic insertion layers 100/100 ′ / 100 ″ are adjacent to the MgO layers 404 and 406, respectively. Since two magnetic insertion layers 100, 100 ′ and / or 100 ″ are used, the
図13は、2つの磁気挿入層100/100’/100”を含んだ磁気接合400’の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図13はスケール通りには描かれていない。この磁気接合400’は磁気接合400に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合400’は、それぞれ層410、420および430と同様の自由層410’、非磁性スペーサ層420’およびピンド層430’を含む。図には特定の配向の層410’、420’および430’が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOシード層404’、MgOキャッピング層406’および磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合400’は、書込み電流が磁気接合400’を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層410’を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層410’を切り換えることができる。
FIG. 13 shows an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層420’は、その磁気抵抗が自由層410’とピンド層430’の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層420’は結晶性MgOトンネル障壁層である。このような実施形態では、MgOシード層404’およびMgOキャッピング層406’を使用して磁気接合400’のTMRおよび他の特性を改善することができる。 The non-magnetic spacer layer 420 'may be a tunnel barrier layer, conductor or other structure whose magnetoresistance is between the free layer 410' and the pinned layer 430 '. In some embodiments, the non-magnetic spacer layer 420 'is a crystalline MgO tunnel barrier layer. In such embodiments, the MgO seed layer 404 'and the MgO capping layer 406' can be used to improve the TMR and other properties of the magnetic junction 400 '.
図には単純な層として示されているが、自由層410’および/またはピンド層430’は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図13には示されていないが、自由層410’および/またはピンド層430’は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層410’および/またはピンド層430’は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層410’および/またはピンド層430’の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層410’および/またはピンド層430’の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure, the
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合400’は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合400’を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合400’は、層410’および/または430’に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合400’の性能を改善することができる。
Because the
図14は、2つの磁気挿入層100/100’/100”を含んだ磁気接合400”の一例示的実施形態を示したものである。分かり易くするために、図14はスケール通りには描かれていない。この磁気接合400”は、磁気接合400および/または400’に類似している。したがって同様の層には同様のラベルが振られている。磁気接合400”は、それぞれ層410/410’、420/420’および430/430’と同様の自由層410”、非磁性スペーサ層420”およびピンド層430”を含む。図には特定の配向の層410”、420”および430”が示されているが、この配向は、他の実施形態では変更することができる。また、図にはMgOシード層404”、MgOキャッピング層406”および隣接する磁気挿入層100/100’/100”が示されている。いくつかの実施形態では、任意選択のピンニング層(図示せず)を含むことができる。また、この磁気接合400”は、書込み電流が磁気接合400”を通って流れると、複数の安定磁気状態の間で自由層410”を切り換えることができるように構成されている。したがってスピントランスファトルクを利用して自由層410”を切り換えることができる。
FIG. 14 illustrates an exemplary embodiment of a
非磁性スペーサ層420”は、その磁気抵抗が自由層410”とピンド層430”の間であるトンネル障壁層、導体または他の構造であってもよい。いくつかの実施形態では、非磁性スペーサ層420”は結晶性MgOトンネル障壁層である。上で説明したように、このような実施形態では、MgOシード層404”およびMgOキャッピング層406”を使用して磁気接合400”のTMRおよび他の特性を改善することができる。
The
さらに、この磁気接合400”は二重構造である。したがって磁気接合400”は、同じく追加非磁性スペーサ層440および追加ピンド層450を含む。非磁性スペーサ層440は非磁性スペーサ層420”に類似していてもよい。したがって非磁性スペーサ層440は結晶性MgOトンネル障壁層であってもよい。他の実施形態では、非磁性スペーサ層440は層420”とは異なっていてもよい。同様に、ピンド層450はピンド層430”に類似していてもよい。
Furthermore, the
図には単純な層として示されているが、自由層410”および/またはピンド層430”および450は、上で説明したように複数の層を含むことができる。磁化は図14には示されていないが、自由層410”および/またはピンド層430”および450は、それぞれ、平面外減磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有することができる。したがって自由層410”および/またはピンド層430”および450は、それぞれ、平面に対して直角に配向されたその磁気モーメントを有することができる。他の実施形態では、自由層410”および/またはピンド層430”の磁気モーメントは、それぞれ平面内である。自由層410”および/またはピンド層430”の磁気モーメントの他の配向も可能である。
Although shown as a simple layer in the figure,
磁気挿入層100、100’および/または100”が使用されているため、磁気接合400”は、磁気挿入層100、100’および/または100”の利点を共有することができる。詳細には、モーメントが直角に配向されると、磁気接合400”を熱的により安定にすることができ、また、磁気接合400”は、層410”および/または430”に対するより大きい垂直異方性を有することができ、RAを小さくすることができ、および/または改善されたTMRを有することができる。したがって磁気接合400”の性能を改善することができる。
Since the
図15は、磁気下部構造を製造するための方法500の一例示的実施形態を示したものである。簡潔にするために、いくつかのステップを省略し、組み合わせ、および/または交互配置することができる。方法500は、磁気接合200の文脈で説明されている。しかしながら、方法500は、接合200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”などの他の磁気接合に対しても使用することができる。さらに、方法500は、磁気記憶装置の製造に組み込むことができる。したがって方法500は、STT−RAMまたは他の磁気記憶装置の製造に使用することができる。また、方法500は、シード層202および任意選択のピンニング層(図示せず)を提供するステップを含むことも可能である。
FIG. 15 illustrates one exemplary embodiment of a
自由層210はステップ502を介して提供される。ステップ502は、所望の材料の自由層210を所望の厚さで堆積させるステップを含むことができる。さらに、ステップ502は、SAFを提供するステップを含むことができる。非磁性層220はステップ504を介して提供される。ステップ504は、それには限定されないが結晶性MgOを始めとする所望の非磁性材料を堆積させるステップを含むことができる。さらに、ステップ504では所望の厚さ材料を堆積させることができる。
ピンド層230はステップ506を介して提供される。ステップ506は、所望の材料のピンド層230を所望の厚さで堆積させるステップを含むことができる。さらに、ステップ506は、SAFを提供するステップを含むことができる。ステップ508を介して、層240および250などの任意の追加層を任意選択で提供することができる。ステップ510を介して、層204などの任意のMgO層を提供することができる。同様に、ステップ510で、層304および406などのMgOキャッピング層を提供することも可能である。したがってステップ510の一部はステップ502の前に実行することができる。磁気挿入層100/100’/100”は、MgO層204の次に、ステップ512を介して提供することができる。磁気接合200の場合、磁気挿入層100/100’/100”は、ステップ502の前に提供することができる。しかしながら、MgOキャッピング層を使用した磁気接合の場合、ステップ512は、ステップ508および/または510が実行された後に磁気挿入層100/100’/100”を提供するステップを含むことができる。したがって方法500を使用して、磁気挿入層100/100’/100”および磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”の利点を達成することができる。
A pinned
さらに、磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”は、磁気記憶装置に使用することができる。図16は、1つのこのような磁気記憶装置600の一例示的実施形態を示したものである。磁気記憶装置600は、読出し/書込み列選択ドライバ602および606、ならびに語線選択ドライバ604を含む。他のコンポーネントおよび/または異なるコンポーネントを提供することができることに留意されたい。磁気記憶装置600の記憶領域は磁気記憶セル610を含む。個々の磁気記憶セルは、少なくとも1つの磁気接合612および少なくとも1つの選択デバイス614を含む。いくつかの実施形態では、選択デバイス614はトランジスタである。磁気接合612は、磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”のうちの1つまたは複数を含むことができる。図には1つのセル610毎に1つの磁気接合612が示されているが、他の実施形態では、1つのセル毎に他の数の磁気接合612を提供することができる。
In addition, the
様々な磁気挿入層100、100’および100”、ならびに磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”を開示した。これらの磁気挿入層100、100’および/または100”、および磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”の様々な特徴は、組み合わせることができることに留意されたい。したがって磁気接合200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’および/または400”の複数の利点のうちの1つまたは複数を達成することができ、例えば小さいRA、改善された垂直異方性、より高い熱安定性および/またはより大きいTMRを達成することができる。
Various magnetic insertion layers 100, 100 ′ and 100 ″, and
以上、磁気挿入層、磁気接合および該磁気接合を使用して製造されたメモリを提供するための方法およびシステムについて説明した。これらの方法およびシステムは、図に示されている例示的実施形態に従って説明されており、これらの実施形態には複数の変形形態が可能であり、これらの変形形態は、すべて、これらの方法およびシステムの精神および範囲内であることは当業者には容易に認識されよう。したがって当業者は、特許請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなく、多くの変更態様を加えることができる。 Thus, a method and system for providing a magnetic insertion layer, a magnetic junction, and a memory manufactured using the magnetic junction have been described. These methods and systems have been described in accordance with the exemplary embodiments shown in the figures, and there can be a number of variations to these embodiments, all of which are these methods and Those skilled in the art will readily recognize that they are within the spirit and scope of the system. Accordingly, many modifications may be made by one skilled in the art without departing from the spirit and scope of the appended claims.
10 従来の磁気トンネル接合(MTJ)
11 底部コンタクト
12 従来のシード層
14 従来の反強磁性(AFM)層
16 従来のピンド層
17 磁化
18 従来のトンネル障壁層
20 従来の自由層
21 変更可能磁化
22 従来のキャッピング層
24 頂部コンタクト
100、100’、100” 磁気挿入層(磁気下部構造、強磁性挿入層)
102 磁気層
102’ 第1の磁気層
104 追加磁気層
106、234 非磁性層
108 第2の磁気層
120、120’、120” MgO層
200、200’、200”、200’’’、300、300’、300”、400、400’、400”、612 磁気接合
202、302 シード層
204、204’、204”、204’’’、404、404’、404” MgOシード層
210、210’、210”、210’’’、310、310’、310”、410、410’、410” 自由層
220、220’、220”、220’’’、320、320’、320”、420、420’、420” 非磁性スペーサ層(トンネル障壁層、非磁性層)
230、230’、230”、230’’’、236、330、330’、330”、430、430’、430” ピンド層
232 基準層
240、340、440 追加非磁性スペーサ層
250、350、450 追加ピンド層
304、304’、304”、406、406’、406” MgOキャッピング層
500 磁気下部構造を製造するための方法
600 磁気記憶装置
602、606 読出し/書込み列選択ドライバ
610 磁気記憶セル
614 選択デバイス
10 Conventional magnetic tunnel junction (MTJ)
DESCRIPTION OF
102
230, 230 ′, 230 ″, 230 ′ ″, 236, 330, 330 ′, 330 ″, 430, 430 ′, 430 ″ Pinned
Claims (17)
ピンド層と、
非磁性スペーサ層と、
自由層であって、前記非磁性スペーサ層が前記ピンド層と前記自由層の間に存在する自由層と、
前記自由層と隣接する第1の絶縁層と、
前記ピンド層と隣接する第2の絶縁層と、
前記第1の絶縁層と隣接する第1の磁気挿入層と、
前記第2の絶縁層と隣接する第2の磁気挿入層と、
を備え、
前記第1の絶縁層が第1のMgO層からなり、
前記第2の絶縁層が第2のMgO層からなり、
前記第1のMgO層は、シード層またはキャッピング層であり、
前記第1の磁気挿入層および前記第2の磁気挿入層が、CoX、FeXおよびCoFeXのうちの少なくとも1つからなる磁気層を含み、Xが、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbから選択され、
書込み電流が前記磁気接合を通って流れると、前記自由層を複数の安定磁気状態の間で切り換えることができるように構成されている磁気接合。 A magnetic junction for use in a magnetic device,
A pinned layer,
A nonmagnetic spacer layer;
A free layer, wherein the nonmagnetic spacer layer is present between the pinned layer and the free layer;
A first insulating layer adjacent to the free layer ;
A second insulating layer adjacent to the pinned layer;
A first magnetic insert layer adjacent to the first insulating layer,
A second magnetic insertion layer adjacent to the second insulating layer;
With
Wherein the first insulating layer comprises a first MgO layer,
The second insulating layer comprises a second MgO layer;
The first MgO layer is a seed layer or a capping layer;
The first magnetic insertion layer and the second magnetic insertion layer include a magnetic layer made of at least one of CoX, FeX, and CoFeX, and X is B, Ge, Hf, Zr, Ti, Ta, and Selected from Tb,
A magnetic junction configured to switch the free layer between a plurality of stable magnetic states when a write current flows through the magnetic junction.
複数のビット線と
を備える磁気記憶装置。 A plurality of magnetic memory cells, each of the plurality of magnetic memory cells including at least one magnetic junction, wherein the at least one magnetic junction is adjacent to a pinned layer, a nonmagnetic spacer layer, a free layer, and the free layer A first insulating layer, a second insulating layer adjacent to the pinned layer, a first magnetic insertion layer adjacent to the first insulating layer, and a second magnetic insertion layer adjacent to the second insulating layer The non-magnetic spacer layer is present between the pinned layer and the free layer , the first insulating layer is made of a first MgO layer, and the second insulating layer is made of a second MgO layer. It becomes the first MgO layer is a seed layer or a capping layer, the first magnetic insert layer and the second magnetic insert layer, CoX, FeX and magnetic layer of at least one of the CoFeX X is B, Ge, H , Zr, Ti, Ta and Tb, and the magnetic junction is configured to switch the free layer between a plurality of stable magnetic states when a write current flows through the magnetic junction. A plurality of magnetic storage cells,
A magnetic storage device comprising a plurality of bit lines.
ピンド層を提供するステップと、
非磁性スペーサ層を提供するステップと、
自由層を提供するステップであって、前記非磁性スペーサ層が前記ピンド層と前記自由層の間に存在するステップと、
前記自由層と隣接する第1のMgO層を提供するステップと、
前記ピンド層と隣接する第2のMgO層を提供するステップと、
前記第1のMgO層と隣接する第1の磁気挿入層を提供するステップと、
前記第2のMgO層と隣接する第2の磁気挿入層を提供するステップと
を含み、前記第1のMgO層は、シード層またはキャッピング層であり、前記第1の磁気挿入層および前記第2の磁気挿入層が、CoX、FeXおよびCoFeXのうちの少なくとも1つからなる磁気層を含み、Xが、B、Ge、Hf、Zr、Ti、TaおよびTbから選択され、前記磁気接合が、書込み電流が前記磁気接合を通って流れると、前記自由層を複数の安定磁気状態の間で切り換えることができるように構成されている方法。 A method for providing a magnetic junction for use in a magnetic device comprising:
Providing a pinned layer;
Providing a non-magnetic spacer layer;
Providing a free layer, wherein the non-magnetic spacer layer is present between the pinned layer and the free layer;
Providing a first MgO layer adjacent to the free layer ;
Providing a second MgO layer adjacent to the pinned layer;
Providing a first magnetic insert layer adjacent to said first MgO layer,
And a step of providing a second magnetic insert layer adjacent to the second MgO layer, before Symbol first MgO layer, a seed layer or a capping layer, the first magnetic insert layer and the second Two magnetic insertion layers include a magnetic layer made of at least one of CoX, FeX, and CoFeX, wherein X is selected from B, Ge, Hf, Zr, Ti, Ta, and Tb, and the magnetic junction includes: A method configured to allow the free layer to switch between a plurality of stable magnetic states when a write current flows through the magnetic junction.
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