KR101375871B1 - 자기 공명과 이중 스핀필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자 - Google Patents

자기 공명과 이중 스핀필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것으로서, 제1 고정 자성층, 제1 비자성층, 제1 자유 자성층, 제2 비자성층, 제2 자유 자성층, 제3 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 일정한 포화자화값을 갖는 수평방향 가변 자화층인 자유 자성층을 더 포함하여, 종래 자기 메모리 소자에 비해 스위칭 전류가 현저히 감소하여 소자의 고집적화 구현이 가능하고, 자화 반전에 필요한 임계전류 밀도를 낮추어 소자의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장 효과를 저감하여 기록된 자화정보가 열적으로 안정성을 가진다.

Description

자기 공명과 이중 스핀필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자{Spin-transfer-torque magnetic random access memory using resonant and dual-spin-filter effects}
본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 이방성을 갖는 자유자성층, 수평 이방성을 갖는 자유자성층 및 자화의 방향이 서로 반대인 두 고정 자성층을 포함하는 다층 박막 구조를 가져 종래 소자에 비하여 스위칭 전류밀도가 현저히 낮고, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설 자기장에 의한 소자의 특성이 열화되지 않는 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
강자성체는 외부 자기장의 도움 없이 자발적으로 자화가 되어있는 물질이다. 두 강자성체 사이에 비자성체를 삽입한 스핀 밸브 구조(제1 자성체 / 비자성체 / 제2 자성체)는 두 자성층의 상대적인 자화 방향에 따라 전기 저항이 달라지는 "거대 자기저항 효과"가 발생하며, 그 원리는 스핀 밸브 구조에서 업 스핀과 다운 스핀이 갖는 전기저항이 다르기 때문이다. 거대 자기저항 효과의 발명은 하드디스크의 기록 정보를 판독하는 센서의 원리로 응용되었으며, 하드디스크의 고밀도 집적화의 핵심기술로 널리 이용되고 있다.
거대 자기저항 효과는 두 자성층의 상대적인 자화방향이 전류의 흐름을 제어하는 현상을 기술하는 반면, 뉴턴의 제3 법칙인 작용-반작용 법칙에 따라 인가된 전류를 이용하여 자성층의 자화방향을 제어하는 것 역시 가능하다. 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하여, 제1 자성체(고정 자성층)에 의해 스핀 분극된 전류가 제2 자성체(자유 자성층)를 통과하면서 자신의 스핀 각운동량을 전달하게 되며, 이를 스핀전달토크(Spin-transfer-torque)라고 한다. 스핀전달토크를 이용하여 자유 자성층의 자화를 반전시키거나 지속적으로 회전시키는 소자가 IBM에서 제안되었으며, 이후 실험적으로 규명되었다. 특히, 스핀전달토크 현상을 이용한 자기 메모리 소자는 DRAM(dynamics random access memory)을 대체한 새로운 메모리 소자로서 각광을 받고 있다.
기본적인 자기 메모리 소자는 상기 기술한 바와 같이 스핀 밸브 구조를 갖는다. 즉, 하기 도 1과 같이 종래의 자기 메모리 소자(100)는 하부 전극 / 제1 자성체(고정 자성층, 101) / 비자성체(102) / 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제 2 자성체(자유 자성층, 103) / 상부 전극의 구조를 갖는다. 외부에서 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 제2 자성체의 자화 반전이 유도되며, 상기 기술한 바와 같이 거대 자기저항 효과에 의해 높은 저항과 낮은 저항이 나타난다. 이를 "0" 또는 "1"의 정보로 기록하는 자기 메모리 소자로서 응용한다.
자유 자성층의 자화반전을 유도하기 위해 외부 자기장을 이용할 경우, 소자의 크기가 작아질수록 반-선택 셀(half-selected cell)에 의해 소자의 고밀도화를 위해 셀의 크기를 줄이는데 제약이 따른다. 반면, 소자에 전압을 인가하여 발생하는 스핀전달토크를 이용하면, 소자의 크기에 무관하게 소자의 각 셀의 자화 반전을 선택적으로 제어할 수 있다. 상기 기술한 스핀전달토크의 물리적 기구에 의하면, 자유 자성층에 발생하는 스핀전달토크의 크기는 인가된 전류밀도(또는 전압)의 크기에 비례한다. 따라서, 소자의 구조 및 물성값에 따라 자유 자성층의 자화 반전을 위한 임계 전류밀도가 존재한다. 고정층과 자유층이 모두 수직 이방성을 갖는 물질로 구성된 소자의 임계전류밀도 Jc는 하기 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112012027992398-pat00001
상기 [수학식 1]에서, α는 Gilbert 감쇠상수이며, ħ(=1.05×10-34 J·s)는 Planck 상수를 2π로 나눈 값이고, e(=1.6×10-19 C)는 전자의 전하양, η는 물질 및 소자의 구조에 의해 결정되는 스핀 분극효율 상수, MS는 자유 자성층의 포화자화양, d는 자유 자성층의 두께, HK , eff는 막의 수직방향의 유효이방성 자계로 정의된다.
소자의 고집적화를 위해 셀의 크기를 줄이게 되면, 자유 자성층의 자화가 상온에서 열에너지에 의해 기록된 자화방향이 임의적으로 바뀌는 현상이 발생한다. 이는 초상자성 한계이며, 기록된 자기정보가 원하지 않게 지워지는 문제를 야기한다. 열에너지를 극복하여 평균적으로 자화방향이 유지되는 시간 (τ)은 하기 [수학식 2]로 주어진다.
[수학식 2]
Figure 112012027992398-pat00002
상기 [수학식 2]에서, τ0는 시도주파수의 역수로 1 ns 정도이며, Keff는 자유 자성층의 유효 자기 이방성 에너지 밀도(=HK , effMS/2), V는 소자의 부피, kB는 볼쯔만 상수(=1.381×10-16 erg/K), T는 캘빈 온도이다. 여기서, KeffV/kBT를 자기 메모리 소자의 열적 안정성 팩터(Δ)로 정의한다. 자기 메모리 소자가 비휘발성 특성을 유지하기 위해서는 일반적으로 Δ>50의 조건이 만족되어야 한다. 셀의 크기의 감소에 따라 자유층의 부피 (V)가 감소하게 되면, Δ>50를 만족시키기 위해 Keff를 증가시켜야 한다. 그 결과 상기 [수학식 1]에 따라 Jc가 증가하게 된다. 이처럼 자기 메모리 소자의 Δ와 Jc가 모두 Keff에 비례하기 때문에, 소자의 상용화를 위해서는 충분히 높은 Δ와 충분히 낮은 Jc를 만족시켜야 한다. 뿐만 아니라, 일반적으로 CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터 소자에서 제공할 수 있는 전류의 양은 제한되기 때문에, 자유 자성층의 자화반전을 위한 낮은 임계 전류밀도가 요구되며, 소자 구동에 필요한 소비전력을 저감하는 측면에서 임계 전류밀도를 낮추는 것은 필수 요소이다.
상기 기술한 바와 같이 자기 메모리 소자의 임계전류밀도는 유효 자기이방성 자계(HK,eff)에 비례하며, 이를 효과적으로 줄이기 방안이 제시되었다. 예를 들어, 하드디스크 드라이브의 기록헤드로부터 발생하는 자기장에 고주파 변조 자기장을 동시에 인가하여 기록 자기장을 줄이는 방안이 제안되었다. 이는 인가된 교류자기장의 주파수가 기록매체 자화의 공진주파수에 근접하여 원래 HK , eff보다 낮은 자기장에서 자화반전이 일어나는 원리를 이용한 것이다. 또한, 전류 구동형 자기 메모리 소자에 동일한 원리를 적용하여 임계전류밀도를 낮추는 방안이 실험적으로 검증되었다.
하지만, 이러한 원리 및 구조는 변조 자기장을 유도하기 위한 추가적인 소자가 반드시 필요하며, 전체 소자의 관점에서 보면 구동 전력의 감소 효과는 미미한 것으로 판명되었다.
또한, 하기 도 1에 기술된 종래 기술은 제1 자성체로부터 발생하는 누설자기장(stray field)에 의해 제2 자성체의 Δ가 제2 자성체의 자화방향에 따라 달라지게 된다. 보다 구체적으로 제1 자성체의 자화방향이 막의 두께 방향인 +z 축인 경우, 누설자기장의 방향도 +z 축이 된다. 이런 조건 하에서는 누설 자기장의 영향으로 인하여 제2 자성체의 자화 방향이 -z 축인 경우의 Δ가 +z 축인 경우의 Δ에 비하여 작게 된다. 자기 메모리 소자는 제2 자성체의 방향이 +z 및 -z 방향을 모두 가질 수 있으므로 자화의 열적 안정성은 두 경우 중 보다 작은 Δ에 의해서 결정된다. 따라서, 제1 자성체로부터 발생하는 누설자기장에 의해서 소자의 특성이 열화된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자에 있어서, 소자의 고집적화 구현을 가능하도록 하기 위하여 보다 낮은 임계 전류밀도를 갖고, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장에 의한 소자 특성의 열화가 없는 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
제1 고정 자성층, 제1 비자성층, 제1 자유 자성층, 제2 비자성층, 제2 자유 자성층, 제3 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 자기 메모리 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자에서, 상기 제1 고정 자성층 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고, 상기 제2 고정 자성층은 상기 제1 고정 자성층과 반대되는 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제1 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고, 상기 제2 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대해 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 수평 방향으로 자화되는 물질의 포화자화값은 300-2000 ㎄/m인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정 자성층과 제2 고정 자성층 모두 또는 이 중에서 어느 하나는 제1 자성층, 비자성층, 제2 자성층으로 이루어진 반강자성체 구조일 수 있으며, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있고, 상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정 자성층과 제2 고정 자성층 모두 또는 이 중에서 어느 하나는 반강자성층, 제1 자성층, 비자성층 및 제 2 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반강자성체 구조일 수 있으며, 상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지며, 상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있고, 또한 서로 상이한 다층박막 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Tb, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어진 층과 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 층(n≥1)으로 이루어진 다층박막이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제2 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Tb, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 각각 독립적으로 Ru, Cu, Al, Ta, Au, Ag, AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정 자성층, 제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정 자성층보다 전기전도도가 높을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정 자성층,제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정 자성층보다 전기전도도가 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 자기 메모리 소자는 소자에 전류를 공급하는 상부 전극과 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 새로운 구조의 자기 메모리 소자는 일정한 포화자화값을 갖는 수평방향 가변 자화층인 자유 자성층을 더 포함하여, 종래 자기 메모리 소자에 비해 스위칭 전류가 현저히 감소하여 소자의 고집적화 구현이 가능하고, 자화 반전에 필요한 임계전류 밀도를 낮추어 소자의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장 효과를 저감하여 기록된 자화정보가 열적으로 안정성을 가진다.
도 1은 스핀전달토크를 이용한 종래 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 구조와 도 2의 구조에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 나타낸 그래프이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 구조와 도 2의 구조에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 전류로 미분한 값을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 구조의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류 밀도와 도 2 구조의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층의 포화자화값에 대한 스위칭 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 구조의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류 밀도 분포도와 도 2 구조의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층의 포화자화값에 대한 스위칭 전류 밀도 분포도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 자기 메모리 소자에 있어서, 임계전류밀도를 낮추어 소자의 크기를 줄여 고집적화 구현이 가능하고 기록시 필요한 소비 전력을 감소시킨 것을 특징으로 한다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설 자기장에 의한 소자의 특성이 열화되지 않는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 이를 위하여 소자 자체적으로 교류 자기장을 유도하고, 이를 제어하기 위한 새로운 구조의 자기 메모리 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자(200)는 제1 고정 자성층(201), 제1 비자성층(202), 제1 자유 자성층(203), 제2 비자성층(204), 제2 자유 자성층(205), 제3 비자성층(206) 및 제2 고정 자성층(207)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 고정 자성층은 서로 반대인 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제1 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제2 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막인 것을 특징으로 한다.
즉, 수직 이방성을 갖는 제1 자유 자성층(203)에 수평 이방성을 갖는 제2 자유 자성층(205)을 추가로 삽입하여, 전류 인가시 발생하는 스핀전달토크 효과를 통해 제2 자유 자성층이 세차운동을 하며, 이를 통해 발생하는 고주파 교류 자기장이 소자의 임계전류밀도를 낮추는 것이 가능하다.
또한, 제2 자유 자성층의 세차운동에 의한 교류 자기장은 외부에서 인가한 전류와 제2 자유 자성층의 유효 자기장에 의해 결정된다. 특히, 제2 고정 자성층을 삽입함으로서 제2 자유 자성층의 막면에 수직 방향으로 유도 자기장을 발생시킬 수 있다. 따라서, 제2 고정 자유층의 구조 및 물성값에 따라 제2 자유 자성층의 세차운동을 조절할 수 있다. 즉, 외부 전류 뿐만 아니라 소자의 구조 및 물성값으로 소자 내에 발생하는 교류 자기장을 조절하는 것이 가능하다.
또한, 제1 고정 자성층의 자화방향과 제2 고정 자성층의 자화방향을 조절하여 제1 자유 자성층에 인가되는 누설자기장을 종래 소자에 비해 줄이는 것이 가능하다. 이를 통해 소자에 기록된 자화정보의 열적 안정성을 개선할 수 있다.
하기 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크 자기 메모리 소자의 구조를 나타내는 단면도로서, 본 발명에 따른 소자는 기본적으로 하부 전극, 수직 방향의 자화를 갖는 제1 고정 자성층(201), 제1 비자성층(202), 수직 이방성을 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제1 자유 자성층(203), 제2 비자성층(204), 수평 이방성을 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제2 자유 자성층(205), 제3 비자성층(206), 수직 방향의 자화를 갖는 제2 고정 자성층(207) 및 상부 전극을 포함하는 구조를 가진다.
제1 자유 자성층(203)은 자화를 수직으로 세우려는 수직 결정 이방성 자계 (HK⊥=2K⊥/MS)가 자화를 수평으로 눕히려고 하는 형상 이방성자계(Hd=4πMS)에 비해 현저하게 크기 때문에, 자화의 방향이 막면에 대해 수직 방향으로 안정화된다. (즉, HK , eff = HK ⊥-Hd = HK ⊥-4πMS > 0). 반면, 제2 자유 자성층(205)은 형상 이방성 자계에 의해 박막의 면내에서 안정화되며, 그 결과 외부 자기장 또는 전류를 인가하지 않더라도 두 자유 자성층은 큰 각도를 유지하게 된다.
자화 반전을 위해 전류를 인가하게 되면, 제1 자유 자성층(203)은 제1 고정 자성층(201)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크를 받게 되며, 제1 자유 자성층(203)과 제2 자유 자성층(205)는 제2 비자성층(204)을 사이에 두고 있기 때문에, 제2 자유 자성층(205)은 제1 자유 자성층(203)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크를 받는다. 따라서, 자기 메모리 소자에 전압을 인가하게 되면, 제2 자유 자성층(205)의 자화는 수직 방향에 가까운 성분의 스핀전달토크를 받게 되며, 그 결과 자화가 고속 회전하게 된다.
또한, 제2 자유 자성층(205)과 제2 고정 자성층(207)은 제3 비자성체(206)를 사이에 두고 있기 때문에, 제2 고정 자성층(207)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크 및 유도 자기장을 받게 되며, 이들은 인가된 전류의 방향에 의해 서로 평행 또는 반평행하며, 막면의 수직 방향으로 작용한다. 따라서, 상기 기술한 고주파 교류 자기장의 주파수 및 크기에 영향을 미친다.
따라서, 고속 회전하는 제2 자유 자성층(205)은 소자에 변조 자기장을 제공하여, 제1 자유 자성층(203)의 임계전류밀도를 효과적으로 감소시키는 효과를 제공하며, 제2 고정 자성층을 통해 인가된 전류 및 유도 자기장을 이용하여 변조 자기장을 효과적으로 조절할 수 있다. 또한 제1 고정 자성층의 자화방향과 제2 고정 자성층의 상대적인 자화방향을 조절하여 제1 자유 자성층에 인가되는 누설자기장을 종래 소자에 비해 줄이는 것이 가능하다. 이를 통해 소자에 기록된 자화정보의 열적 안정성을 개선할 수 있다.
제1 비자성층(202), 제2 비자성층(204) 및 제3 비자성층(206)은 전기전도도가 현저히 높은 금속을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 전기전도도가 현저히 낮은 물질을 사용할 수 있는데, 이는 동일 전압 하에서 전류는 감소하지만, 전자의 터널링 효과에 의해 자화 회전에 따른 자기저항의 차이가 매우 커지게 되므로 높은 자기 저항비를 얻을 수 있다. 따라서, 제1 비자성층(202), 제2 비자성층(204) 및 제3 비자성층(206) 중 적어도 하나 또는 상기 3개의 비자성층 모두에 전기전도도가 현저히 낮은 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자에서는 높은 전류밀도를 얻기 위하여, 패터닝 기술을 이용하여 가능한 한 작은 크기의 구조를 구현해야 한다. 이때, 면내 자기 형상 이방성이 어느 방향에서도 동일하여 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)의 자화의 고속 회전이 용이하도록 소자의 단면이 가능한 원에 가까운 것이 바람직하다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상 의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
본 발명에 따른 자기 메모리 소자의 효과를 자화의 운동방정식을 이용한 미소자기모델링을 통해서 확인하였다. 이러한 방식은 기존의 컴퓨터 하드디스크 개발 및 스핀전달토크 연구를 통해 정당성이 충분히 확보되었다.
자화의 운동방정식은 하기 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
Figure 112012027992398-pat00003
상기 [수학식 3]에서, m1과 m2는 각각 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)의 단위 자화벡터, γ는 자기회전상수, H1 eff과 H2 eff는 각각 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)의 모든 유효 자기장벡터, α는 Gilbert 감쇠상수이며, ħ(=1.05×10-34 J·s)는 Planck 상수를 2π로 나눈 값이고, e(=1.6×10-19 C)는 전자의 전하양, η1, η2 및 η3는 물질 및 소자의 전체 구조에 의해 결정되는 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)에서의 스핀 분극효율 상수, je는 인가 전류밀도, MS1과 MS2는 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)의 포화 자화값, d1과 d2는 각각 제1 자유 자성층(203) 및 제2 자유 자성층(205)의 두께를 나타낸다. P1은 제1 고정 자성층(201)에서 제1 자유 자성층(203)으로 입사하는 스핀분극 전류의 스핀방향을 나타내는 단위 벡터이며, P2는 제2 고정 자성층(207)에서 제2 자유 자성층(205)으로 입사하는 스핀분극 전류의 스핀방향을 나타내는 단위 벡터이다. 여기서, P1 및 P2는 막의 두께 방향인 z-축에 평행한 단위 벡터이다.
실험예 1. 종래 구조에 따른 소자 및 본 발명에 따른 소자에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률 측정
(1) 하기 도 1의 종래 구조와 하기 도 2에 개시된 본 발명에 따른 새로운 구조의 소자에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 개시한다.
(2) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적은 두 구조에서 동일하게 314 ㎚2이다.
하기 도 1의 종래 구조는 고정 자성층(101) / 비자성층(102) / 자유 자성층(103) [두께 (t) = 3 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0] 이다.
하기 도 2의 본 발명에 따른 새로운 구조는 제1 고정 자성층(201) / 제1 비자성체(202) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제1 자유 자성층(203) [두께 (t) = 3 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0] / 제2 비자성층(204) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제2 자유 자성층(205) [두께 (t) = 1 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 erg/㎤, 포화자화값 (MS2) = 800 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 제1 자유 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η2) = 1.0, 제2 고정 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η3) = 0] / 제3 비자성층(206) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제2 고정 자성층(207) [두께 (t) = 3 ㎚, 포화자화값 (MS) = 1100 ㎄/m] 이다. 따라서, 종래 구조와 본 발명에 따른 새로운 구조에서 공통적으로 포함된 고정층(제1 고정 자성층), 비자성층(제1 비자성층) 및 자유 자성층 (제1 자유 자성층)은 동일한 구조 및 물성 값을 갖는다.
(3) 본 실험예에서 소자의 온도는 300 K이며, 각각의 인가 전류에서 100 회의 실험을 반복하여 자유층(제1 자유층)의 자화의 방향이 초기 방향에서 반대 방향으로 스위칭이 될 확률을 측정하였다.
하기 도 3의 (a)는 도 1의 종래 구조와 도 2의 본 발명에 따른 새로운 구조에 대해 인가된 전류에 따른 스위칭 확률 (PSW)을 도시한 그래프이다. 여기서, 실선은 하기 누적 분포 함수인 [수학식 4]를 fitting한 값을 나타낸다.
[수학식 4]
Figure 112012027992398-pat00004
상기 [수학식 4]에서, Iapp는 인가된 전류밀도, ISW는 스위칭 전류밀도, σ는 확률분포의 표준 편차이다.
하기 도 3의 (a)를 참조하면, 스위칭 전류는 스위칭 확률 (PSW)이 0.5인 전류로 정의되며, 상기 [수학식 4]를 fitting하여 얻어진다. 본 발명에 따른 구조에서는 스위칭 전류가 10.1 ㎂이고, 종래 구조에서는 18.36 ㎂이다. 즉, 본 발명에 따른 구조를 적용한 자기 메모리 소자의 스위칭 전류가 약 45% 정도 감소하였다.
하기 도 3의 (b)는 도 1의 종래 구조와 도 2의 본 발명에 따른 새로운 구조에 대해 인가된 전류에 따른 스위칭 확률 (PSW)을 전류로 미분한 값을 도시한 그래프이다.
하기 도 3의 (b)를 참조하면, 일반적인 확률 분포에서 Q-인자는 피크의 x-축 값을 y-축 값이 0.5인 지점(FWHM, full width half maximum)에서 분포 함수의 폭으로 나눈 값이며, 본 실험예에서는 ISW/ΔI로 정의된다. 본 발명에 따른 하기 도 2의 새로운 구조의 경우 Q-인자는 7.14이고, 도 1의 종래의 구조는 3.43이다. 또한, 상기 [수학식 4]로부터 구한 표준 편차 (σ)는 새로운 구조는 1.21이고, 종래 구조의 경우 2.26이다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자 구조는 높은 Q-인자의 특성을 갖는다. 따라서, 새로운 구조에서 자화상태를 바꾸기 위해 필요한 전류의 분산이 작다는 것을 의미하는 것으로서, 이는 상용화 관점에서 매우 우수한 특성이다.
실험예2. 종래 구조에 따른 소자의 스위칭 전류 및 본 발명에 따른 소자에 대한 제2 자유 자성층(205)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류 및 분포도 측정
(1) 하기 도 1의 종래 구조의 스위칭 전류 및 분포도를 개시한다.
(2) 하기 도 2에 개시된 본 발명에 따른 새로운 구조의 소자에 대한 제2 자유 자성층(205)의 포화자화값(MS2)에 따른 스위칭 전류 및 분포도의 변화를 개시한다.
(3) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적은 두 구조에서 동일하게 314 ㎚2이다.
하기 도 1의 종래 구조는 고정 자성층(101) / 비자성층(102) / 자유 자성층(103) [두께 (t) = 3 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0]이다. 즉, 상기 실험예 1에서 고려한 구조 및 물성 값과 동일하다.
하기 도 2의 본 발명에 따른 새로운 구조는 제1 고정 자성층(201) / 제1 비자성체(202) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제1 자유 자성층(203) [두께 (t) = 3 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0] / 제2 비자성층(204) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제2 자유 자성층(205) [두께 (t) = 1 ㎚, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 J/㎥, 포화자화값 (MS2) = 0 - 1500 ㎄/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 제1 자유 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η2) = 1.0, 제2 고정 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η3) = 0] / 제3 비자성층(206) [두께 (t) = 1 ㎚] / 제2 고정 자성층(207) [두께 (t) = 3 ㎚, 포화자화값 (MS) = 1100 ㎄/m] 이다.
(4) 본 실험예에서 소자의 온도는 300 K이며, 각각의 인가 전류에서 100 회의 실험을 반복하여 자유층(제1 자유 자성층)의 자화의 방향이 초기 방향에서 반대 방향으로 스위칭이 될 확률을 측정하였다.
(5) 자기 메모리 소자는 고정 자성층과 자유 자성층의 상대적인 방향에 따라 두 가지 경우의 스위칭이 발생한다.
P-to-AP는 전류를 인가하기 전의 자유 자성층 (제1 자유 자성층)과 고정 자성층 (제1 고정 자성층)의 상대적인 방향이 평행한 상태에서, 인가 전류에 의해 자유 자성층 (제1 자유 자성층)의 자화 스위칭이 발생하여 반 평행한 상태로 자화가 배열되는 경우이다.
AP-to-P는 전류를 인가하기 전의 자유 자성층 (제1 자유 자성층)과 고정 자성층 (제1 고정 자성층)의 상대적인 방향이 반평행한 상태에서, 인가 전류에 의해 자유 자성층 (제1 자유 자성층)의 자화 스위칭이 발생하여 평행한 상태로 자화가 배열되는 경우이다.
하기 도 4a는 종래 구조(도 1)의 자기 메모리 소자에 대한 스위칭 전류 및 분포도, 새로운 구조(도 2)의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층(205)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류를 도시한 그래프이다.
하기 도 4a를 참조하면, 수평 이방성을 갖는 제2 자유 자성층(205)의 포화자화값(MS2)에 따라 스위칭 전류가 변하는 것을 알 수 있다. 본 실험예에 따르면, 제2 자유 자성층(205)의 포화자화값과 무관하게 본 발명에 따른 새로운 구조(도 2)의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류는 검은색 실선으로 표시된 종래 구조(도 1)의 값에 비해 항상 낮은 값을 갖는다. 특히, MS2가 300-500 ㎄/m에서 스위칭 전류의 저감 효과가 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 하기 도 4b는 종래 구조(도 1)의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류의 분포도 및 본 발명에 따른 구조(도 2)의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층 (205)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류의 분포도를 도시한 그래프이다.
하기 도 4b를 참조하면, 상기 예시된 스위칭 전류값과 유사한 경향성을 보인다. 본 발명에 따라 새로운 구조를 적용한 자기 메모리 소자의 경우 종래 구조에 비해 작은 스위칭 전류 분포도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히, MS2가 300 ㎄/m 이상에서 50% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
이와 같이, 본 발명에 따른 새로운 구조의 자기 메모리 소자는 일정 이상의 포화자화값을 갖고 수평 자화를 갖는 제2 자유 자성층 (205)에 의해, 기존 구조에 비해 스위칭 전류 및 분포도가 효과적으로 감소하였음을 알 수 있다.
100 : 종래 자기 메모리 소자의 구조
101 : 고정 자성층
102 : 비자성층
103 : 자유 자성층
200 : 본 발명에 따른 자기 메모리 소자의 구조
201 : 제1 고정 자성층
202 : 제1 비자성층
203 : 제1 자유 자성층
204 : 제2 비자성층
205 : 제2 자유 자성층
206 : 제3 비자성층
207 : 제2 고정 자성층

Claims (15)

  1. 하부 전극과 상부 전극 사이에 상기 하부 전극으로부터 제1 고정 자성층, 제1 비자성층, 제1 자유 자성층, 제2 비자성층, 제2 자유 자성층, 제3 비자성층 및 제2 고정 자성층이 순서대로 적층된 구조를 포함하는 자기 메모리 소자로서,
    상기 제1 고정 자성층은 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며,
    상기 제2 고정 자성층은 상기 제1 고정 자성층과 반대되는 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
    상기 제1 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며,
    상기 제2 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대해 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
    상기 수평 방향으로 자화되는 물질의 포화자화값은 300-2000 ㎄/m인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 고정 자성층과 제2 고정 자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 제1 자성층, 비자성층, 제2 자성층으로 이루어진 반강자성체 구조로서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 고정 자성층과 제2 고정 자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 반강자성층, 제1 자성층, 비자성층 및 제 2 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반강자성체 구조로서,
    상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지고,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 서로 상이한 물질로 이루어지며, 서로 상이한 다층박막 구조인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Tb, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어진 층; 및 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 층(n≥1);으로 이루어진 다층박막이고,
    상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Tb, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 각각 독립적으로 Ru, Cu, Al, Ta, Au, Ag, AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정 자성층,제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정 자성층보다 전기전도도가 높은 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정 자성층,제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정 자성층보다 전기전도도가 낮은 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극과 하부 전극을 통하여 소자에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
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