KR101729383B1 - 스핀-오비트 토크를 이용한 자성소자 - Google Patents

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Abstract

자성소자를 제공한다. 자성소자는 기판, 상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고, 상기 씨앗층은 상기 기판의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층에 상기 기판의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 스핀-오비트 토크를 이용하여 소자를 스위칭함으로써, 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 스위칭 전류를 줄일 수 있다. 따라서, 자성소자의 구동전력을 줄일 수 있다.

Description

스핀-오비트 토크를 이용한 자성소자{Magnetic device using spin-orbit torque}
본 발명은 스핀-오비트 토크(Spin-Orbit Torque)를 이용한 자성소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 저전류로 스위칭시킬 수 있는 스핀-오비트 토크를 이용한 자성소자에 관한 것이다.
새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.
GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층의 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.
한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자가 알려져 있다.
이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.
이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀드층(Pinned layer)이라 한다.
다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이때의 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.
MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.
한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.
특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 현재 STT-MRAM에서 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)는 자성층(free layer)의 자화(magnetization) 방향을 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque, STT) 현상을 이용하여 제어(control)한다.
이러한 종래의 Spin Transfer Torque 현상을 이용한 스위칭은 상대적으로 큰 전류가 필요하여 소자의 구동 전력 면에서 단점이 된다.
따라서, 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 저전류로 스위칭시킬 수 있는 자성소자를 연구할 필요가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0071252호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 저전류로 스위칭시킬 수 있는 자성소자를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 자성소자를 제공한다. 상기 자성소자는 기판, 상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고, 상기 씨앗층은 상기 기판의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층에 상기 기판의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 강자성층의 상부 표면은 상기 기판의 수평방향으로 평평할 수 있다.
또한, 상기 씨앗층 및 상기 제1 강자성층 사이에 위치하되, 상기 씨앗층의 비자성 금속물질의 상기 제1 강자성층으로의 확산은 방지하고 상기 제1 강자성층의 B 원소의 상기 씨앗층으로의 확산은 허용하고 WNX, TaNX, 또는 TiNX을 포함하는 선택적확산방지층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 선택적확산방지층의 상부 표면은 상기 기판의 수평방향으로 평평할 수 있다.
또한, 상기 제1 강자성층은 상기 기판의 수평방향으로 동일한 두께를 갖을 수 있다.
또한, 상기 기판 및 상기 제1 씨앗층 사이에 위치하는 금속버퍼층을 더 포함하고, 상기 금속 버퍼층은 상기 제1 씨앗층의 상부 표면이 상기 기판의 수평방향으로 평평하도록 상기 기판의 수평방향으로 두께 구배를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 씨앗층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Pd, La, Hf, Ta, W, Ir 및 Pt로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 상기 자성소자는 기판, 상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고, 상기 제1 강자성층은 상기 기판의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층에 상기 기판의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 씨앗층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Pd, La, Hf, Ta, W, Ir 및 Pt로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 자성소자를 제공한다. 상기 자성소자는 기판, 상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하고, WNX, TaNX, 또는 TiNX을 포함하는 선택적확산방지층, 상기 선택적확산방지층 상에 위치하고, B 원소를 포함하는 강자성물질을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고, 상기 선택적확산방지층은 상기 씨앗층의 비자성 금속물질의 상기 제1 강자성층으로의 확산은 방지하고 상기 제1 강자성층의 B 원소의 상기 씨앗층으로의 확산은 허용하고, 상기 선택적확산방지층은 상기 기판의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층에 상기 기판의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
이때의 제1 강자성층의 상부 표면은 상기 기판의 수평방향으로 평평할 수 있다.
상술한 자성소자는 스핀 오비트 토크를 이용하여 상기 제1 강자성층의 자화방향을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 씨앗층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Pd, La, Hf, Ta, W, Ir 및 Pt로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 강자성층은 CoFeB를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스핀-오비트 토크를 이용하여 소자를 스위칭함으로써, 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 스위칭 전류를 줄일 수 있다. 따라서, 자성소자의 구동전력을 줄일 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 9는 도 8의 자성소자의 Ta 씨앗층의 두께에 따른 Keff값에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도들이다.
도 11은 도 10의 자성소자의 XPS Depth profile 분석 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 13은 도 12의 자성소자의 CoFeB 강자성층의 두께에 따른 PMA 특성을 측정한 그래프들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 15는 도 14의 자성소자의 CoFeB 강자성층의 두께에 따른 Keff값에 대한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 17은 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.2 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다.
도 18은 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.4 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다.
도 19는 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.6 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 스위칭 메커니즘을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 공지된 다양한 물질의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기판(100)은 실리콘 기판으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 기판(100)은 전극으로 구현될 수도 있다. 한편, 이러한 기판(100)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
씨앗층(200)은 기판(100) 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 비자성 금속물질은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Pd, La, Hf, Ta, W, Ir 및 Pt로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 씨앗층(200)은 후술하는 제1 강자성층(300)에서 수직자기이방성을 발현시키기 위한 역할을 한다. 예컨대, 씨앗층(200)이 Ta층이고, 제1 강자성층(300)이 CoFeB층인 경우, 소자 열처리시 Ta층이 CoFeB층의 B원소를 흡수함으로써 제1 강자성층(300)이 수직자기이방성을 발현하는데 도움을 줄 수 있다.
이러한 씨앗층(200)은 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 기판(100)의 수평방향으로 씨앗층(200)의 두께가 다르기 때문에 제1 강자성층(300)에 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배(potential gradient)가 존재할 수 있다. 따라서, Structural Inversion Asymmetry(SIA)의 방향은 기판(100)의 수평방향(in-plane direction)이 된다.
이러한 씨앗층(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
예컨대, 다중증착 스퍼터링법(Co-sputtering deposition)을 이용하여 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖는 씨앗층(200)을 증착할 수 있다.
제1 강자성층(300)은 씨앗층(200) 상에 위치한다. 이러한 제1 강자성층(300)은 자유층 역할을 한다. 자유층은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
이러한 제1 강자성층(300)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 제1 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 예컨대, 이러한 제1 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제1 강자성층(300)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(300)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 이러한 제1 강자성층(300)은 씨앗층(200)이 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 기판(100)의 수평면 상에서 이러한 포테셜 구배의 방향과 직교하는 방향으로 전류 방향을 스위칭할 경우 스핀-오비트 토크(SOT)가 기판(100)의 수직방향인 위, 아래 방향으로 변할 수 있어, 이러한 스핀-오비트 토크 방향으로 자화 방향이 움직이게 되어 외부 자기장 없이도 제1 강자성층(300)의 자화방향을 스위칭할 수 있다.
이러한 제1 강자성층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
한편, 이러한 제1 강자성층(300)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
터널링 배리어층(400)은 이러한 제1 강자성층(300) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(400)은 제1 강자성층(300)과 후술하는 제2 강자성층(500) 사이에 개재된다.
이러한 터널링 배리어층(400)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 절연물질은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게 터널링 배리어층(400)은 MgO층일 수 있다.
이러한 터널링 배리어층(400)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
제2 강자성층(500)은 터널링 배리어층(400) 상에 위치한다. 이러한 제2 강자성층(500)은 고정층 역할을 한다. 고정층은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정된다.
이 때의 제2 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제2 강자성층(500)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB층은 수직자기이방성을 갖기 위하여 얇은 두께로 설정될 수 있다. 예를 들어, 수직자기이방성을 갖기 위하여 CoFeB층의 두께는 1.5 nm 이하로 설정될 수 있다.
이러한 제2 강자성층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
한편, 이러한 제2 강자성층(500)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
한편, 경우에 따라, 제2 강자성층(500)상에 위치하는 캡핑층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 캡핑층은 보호층으로서 기능하며, 제2 강자성층(500)이 산화되는 것을 보호할 수 있다. 예컨대, 이러한 캡핑층은 W 또는 Ta층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 2의 자성소자의 각 층에 대한 설명은 도 1에서 상술한 바와 동일한 바, 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이만 설명하도록 한다.
도 2에서는 기판(100) 상에 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다.
이때, 씨앗층(200)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때, 제1 강자성층(300)은 상기 씨앗층(200) 상에 형성되는데, 상부 표면이 기판의 수평방향으로 평평하도록 형성할 수 있다. 즉, 제1 강자성층(300)은 상부 표면이 기판의 수평방향으로 평평하도록 두께 구배를 갖을 수 있다. 예컨대, 씨앗층(200) 상에 스퍼터링법을 이용하여 제1 강자성층(300)을 형성한 후, 폴리싱을 수행하여 제1 강자성층(300)의 상부 표면이 기판(100)의 수평방향으로 평평하도록 형성할 수 있다.
이와 같은 구조는 실소자 구성 시 웨이퍼 위치에 제1 강자성층(300)의 자성특성의 균일성 면에서 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 3의 자성소자의 각 층에 대한 자세한 설명은 도 1에서 상술한 바 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이 및 선택적확산방지층(600)과 관련된 부분만 설명하도록 한다.
도 3에서는 기판(100) 상에 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다. 이때의 제1 강자성층(300)은 B 원소를 포함하는 강자성물질을 포함할 수 있다.
이때, 씨앗층(200)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때, 선택적확산방지층(600)은 상기 씨앗층(200) 상에 형성되는데, 상부 표면이 기판(100)의 수평방향으로 평평하도록 형성할 수 있다.
이와 같이 선택적확산방지층(600)의 상부 표면을 평평하게 형성할 경우, 선택적확산방지층(600) 상에 차례로 적층되는 제1 강자성층(300)과 터널링 배리어층(400) 사이의 계면은 기판(100)의 수평방향으로 평평할 것이다.
한편, 이러한 선택적확산방지층(600)은 씨앗층(200) 및 상기 제1 강자성층(300) 사이에 위치함으로써, 상기 씨앗층(200)의 비자성 금속물질의 상기 제1 강자성층(300)으로의 확산은 방지하고 상기 제1 강자성층(300)의 B 원소의 상기 씨앗층(200)으로의 확산은 허용한다.
이러한 선택적확산방지층(300)은 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)가 - 350 kJ/mol 이상인 물질을 포함할 수 있다. 이때의 깁스 자유 에너지값은 공지된 표준 조건에서의 값을 의미한다.
깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)가 - 350 kJ/mol 이상인 물질을 선택적확산방지층(300) 물질로 이용할 경우, 목표 온도(약 350 ℃ 내지 425 ℃)에서 비교적으로 크기가 크고 무거운 이웃금속층(200)의 금속물질의 확산은 방지하고, 상대적으로 확산이 잘되는 작은 원소 B의 확산은 허용할 수 있다.
이와 같이 B의 확산이 허용되는 이유는 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)가 - 350 kJ/mol 이상인 물질의 경우, 약한 결합에 의하여 크기가 작은 B와 같은 원자의 확산은 가능하기 때문이다.
예를 들어, 이러한 선택적확산방지층(600)은 WNX, TaNX, 또는 TiNX을 포함할 수 있다. 예컨대, TiNx 물질은 깁스 자유에너지는 약 - 309.62 kJ/mol인 물질이다. 또한, WNX 및 TaNX 물질 역시 TiNx 물질에 비하여 불안정한바 깁스 자유에너지는 TiNx의 값보다 클 것이다.
또한, 이러한 선택적확산방지층(600)은 상부 표면이 평평하도록 두께 구배를 갖게 된다. 따라서, 이러한 두께 구배를 갖는 선택적확산방지층(600)의 최소두께 및 최대두께는 0.2 nm 내지 0.8 nm 범위 내에서 설정할 수 있다.
만일, 선택적확산방지층(600)의 최소두께가 0.2 nm 미만인 경우, 선택적확산방지층(600)이 전면적으로 성장하지 못하여 이웃금속층(200) 물질의 확산을 방지하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일, 선택적확산방지층(600)의 최대두께가 0.8 nm를 초과하는 경우, 선택적확산방지층(600)의 질소가 자성층의 질을 저하시켜 자기모멘트가 작아지는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, 바람직하게, 선택적확산방지층(600)의 최소두께와 최대두께는 0.4 nm 내지 0.6 nm 범위 내에서 설정할 수 있다. 선택적확산방지층(600)의 최소두께 및 최대두께를 0.4 nm 내지 0.6 nm 범위 내로 설정할 경우, 400 ℃의 고온에서도 수직자기이방성 및 자성특성이 보다 잘 유지될 수 있다.
이러한 선택적확산방지층(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
이와 같은 구조는 기존 금속 씨앗층만 사용한 경우보다 높은 수직자기이방성을 나타낸다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 금속버퍼층(700), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 4의 자성소자의 각 층에 대한 자세한 설명은 도 1에서 상술한 바 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이만 설명하도록 한다.
도 4에서는 기판(100) 상에 금속버퍼층(700), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다.
이때, 씨앗층(200)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때, 기판(100) 및 씨앗층(200) 사이에 씨앗층(200) 두께 구배와 반대되는 두께 구배를 갖는 금속버퍼층(700)을 추가함으로써, 씨앗층(200)의 상부 표면이 기판의 수평방향으로 평평하도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 금속버퍼층(700)은 Pt, Tb, Zr 또는 Pd를 포함할 수 있다.
한편, 이러한 금속버퍼층(700)의 물질은 소자의 열처리시 씨앗층(200)이 장벽역할을 하여 제1 강자성층(300)으로 확산되기 어렵기 때문에, 상술한 포텐셜 구배에 영향을 거의 미치지 않는다.
이와 같이 씨앗층(200)의 상부 표면을 평평하게 형성할 경우, 씨앗층(200) 상에 차례로 적층되는 제1 강자성층(300)과 터널링 배리어층(400) 사이의 계면은 기판의 수평방향으로 평평할 것이다.
이와 같은 구조는 실소자 구성 시 웨이퍼 위치에 따른 터널자기저항비 (TMR: Tunneling MagnetoResistance)의 균일성에 대한 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 5의 자성소자의 각 층에 대한 자세한 설명은 도 1에서 상술한 바 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이만 설명하도록 한다.
도 5에서는 기판(100) 상에 씨앗층(200), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다.
이때, 제1 강자성층(300)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 6의 자성소자의 각 층에 대한 자세한 설명은 도 3에서 상술한 바 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이만 설명하도록 한다.
도 5에서는 기판(100) 상에 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다. 이때의 제1 강자성층(300)은 B 원소를 포함하는 강자성물질을 포함할 수 있다.
이때, 선택적확산방지층(600)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성소자는 기판(100), 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 포함한다.
한편, 도 7의 자성소자의 각 층에 대한 자세한 설명은 도 3에서 상술한 바 중복된 설명은 생략하고, 구조적 차이만 설명하도록 한다.
도 7에서는 기판(100) 상에 씨앗층(200), 선택적확산방지층(600), 제1 강자성층(300), 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)이 차례로 적층된 구조이다.
이때, 선택적확산방지층(600)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖음으로써, 상기 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이때, 제1 강자성층(300)은 상기 선택적확산방지층(200) 상에 형성되는데, 상부 표면이 기판의 수평방향으로 평평하도록 형성할 수 있다. 즉, 제1 강자성층(300)은 상부 표면이 기판의 수평방향으로 평평하도록 두께 구배를 갖을 수 있다.
이와 같이 제1 강자성층(300)의 상부 표면을 평평하게 형성할 경우, 제1 강자성층(300)과 이러한 강자성층 상에 형성되는 터널링 배리어층(400) 사이의 계면은 기판의 수평방향으로 평평할 것이다.
이와 같은 구조는 실소자 구성 시 웨이퍼 위치에 따른 터널자기저항비 (TMR: Tunneling MagnetoResistance)의 균일성에 대한 한 장점이 있다.
도 1 내지 도 4의 구조에서, 씨앗층을 두께 구배를 갖도록 형성함으로써 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하게 된다. 따라서, 스핀-오비트 토크를 이용하여 제1 강자성층의 수직자화방향을 스위칭시킬 수 있다. 이는 하기 도 8 내지 도 11을 통해 씨앗층의 두께 변화에 따라 Keff(수직자기이방성의 에너지밀도)이 변화하는 것을 통해 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다. 도 8은 씨앗층(Ta층)/제1 강자성층(CoFeB층)/터널링 배리어층(MgO층)/캡핑층(W층) 구조이다. 실험의 편의를 위하여 제2 강자성층은 생략되어 제조하였다. 이때의 CoFeB층의 두께는 1.2 nm, MgO의 두께는 2 nm, W층의 두께는 5 nm로 설정하고 Ta층의 두께(t)를 변화시켜 Keff값을 측정하였다.
도 9는 도 8의 자성소자의 Ta 씨앗층의 두께에 따른 Keff값에 대한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 도 8의 자성소자를 300 ℃, 325 ℃, 350 ℃ 및 375 ℃로 각각 열처리를 진행한 후에 Ta 씨앗층의 두께에 따른 Keff값을 측정하였다. 그 결과 Ta 씨앗층의 두께가 변화함에 따라 Keff값도 변화함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도들이다.
도 10(a)의 자성소자(샘플A)는 Ta(1.5 nm)/CoFeB(1.2 nm)/MgO(2 nm)/W(3 nm)의 구조이다. 그리고, 도 10(b)의 자성소자(샘플B)는 Ta(4.5 nm)/CoFeB(1.2 nm)/MgO(2 nm)/W(3 nm)의 구조이다. 이때의 괄호안의 숫자는 각 층의 두께를 의미한다. 이러한 샘플A 및 샘플B 소자를 350 ℃ 열처리한 후, XPS Depth profile 분석을 진행하였다.
도 11은 도 10의 자성소자의 XPS Depth profile 분석 그래프이다. 도 11을 참조하면, 두 샘플 모두 Co의 분포(distribution)는 거의 변화가 없지만 Ta의 distribution이 차이가 나는 것이 보인다.
이때 Ta층이 두꺼운 Sample B의 경우 MgO/CoFeB interface 영역까지 Ta의 확산(diffusion)이 진행된 것이 확인 되었다.
즉, 두꺼운 Ta 씨앗층일때, 열처리과정에서 더 많은 Ta diffusion이 발생하고, 그에 따라 PMA를 유도 한다고 알려진 CoFeB/MgO interfac를 망가트려 Keff에 변화를 주게 된다.
따라서, Ta 씨앗층의 두께 변화에 따라 Keff값도 변화함을 알 수 있다.
도 5의 구조에서, 제1 강자성층(300)을 두께 구배를 갖도록 형성함으로써 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하게 된다. 따라서, 스핀-오비트 토크를 이용하여 제1 강자성층(300)의 수직자화방향을 스위칭시킬 수 있다. 이는 하기 도 12 내지 도 15를 통해 제1 강자성층의 두께 변화에 따라 Keff값(수직자기이방성의 에너지밀도)이 변화하는 것을 통해 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 12의 자성소자는 씨앗층(W층)/제1 강자성층(CoFeB층)/터널링 배리어층(MgO층)/캡핑층(Ta층) 구조이다. 실험의 편의를 위하여 제2 강자성층은 생략되어 제조하였다. 이때의 W층의 두께는 5.6 nm, MgO의 두께는 3 nm, Ta층의 두께는 3 nm로 설정하고, CoFeB층의 두께(t)를 변화시켰다. 그리고, 300 ℃에서 열처리(annealing)를 수행한 후에, PMA 특성을 측정하였다.
도 13은 도 12의 자성소자의 CoFeB 강자성층의 두께에 따른 PMA 특성을 측정한 그래프들이다. 도 13에 도시된 검은 네모는 박막의 수평방향으로 자기장을 걸어준 경우이고, 빨간 동그라미는 박막의 수직방향으로 자기장을 걸어준 경우이다.
도 13을 참조하면, CoFeB 강자성층의 두께가 변화함에 따라 수직자기이방성(PMA) 특성도 변화함을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다. 도 14의 자성소자는 기판(Sub.)/Ta(5 nm)/CoFeB(t nm)/MgO(2 nm)/Ta(3 nm) 구조이다. 이러한 자성소자를 275 ℃에서 열처리를 수행하였다. 그리고, CoFeB층의 두께(t)의 변화에 따른 Keff값을 측정하였다.
도 15는 도 14의 자성소자의 CoFeB 강자성층의 두께에 따른 Keff값에 대한 그래프이다. 도 15를 참조하면, CoFeB 강자성층의 두께가 변화함에 따라 Keff값도 변화함을 알 수 있다.
일반적으로 CoFeB/MgO 구조에서 PMA가 발현되는 이유는, CoFeB/MgO 계면(interface)에서 Co-O, Fe-O bonding 때문이라고 알려져 있다.
이러한 interface effect가 기존 Bulk 효과에 의한 In-plane easy axis효과를 이겨낼 때 PMA가 발현된다 볼 수 있다.
Interface effect가 Bulk effect보다 우세(dominant)해지는 방법은 박막의 두께를 줄이는 것이다. 박막의 두께를 줄이면 Interface는 변화가 없지만 상대적으로 Bulk의 크기가 줄어들기 때문에 interface effect가 dominant해지는 것이다. 그렇기 때문에 PMA가 발현되는 두께인 1.2nm 정도에서 CoFeB의 두께를 변화시킬 때, Keff 값은 변화를 하게 된다.
도 6 및 도 7의 구조에서, 선택적확산방지층(600)을 두께 구배를 갖도록 형성함으로써 제1 강자성층(300)에 상기 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하게 된다. 따라서, 스핀-오비트 토크를 이용하여 제1 강자성층(300)의 수직자화방향을 스위칭시킬 수 있다. 이는 하기 도 16 내지 도 19를 통해 선택적확산방지층의 두께 변화에 따라 PMA 특성이 변화하는 것을 통해 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 일 단면도이다.
도 16의 자성소자는 씨앗층(Ta)/선택적확산방지층(WNx)/제1강자성층(CoFeB)/터널링배리어층(MgO)/캡핑층(W) 구조이다. 실험의 편의를 위하여 제2 강자성층은 생략되어 제조하였다. 이때의 Ta층의 두께는 5 nm, CoFeB층의 두께는 1.2 nm, MgO의 두께는 2 nm, W층의 두께는 5 nm로 설정하고, WNx층의 두께(t)를 0.2 nm, 0.4 nm 및 0.6 nm 변화시켜 각각 제조하였다. 그리고, 400 ℃에서 열처리(annealing)를 수행한 후에, PMA 특성을 측정하였다.
도 17은 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.2 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 18은 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.4 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 19는 도 16의 자성소자의 WNx층의 두께가 0.6 nm인 경우의 자성특성을 나타낸 그래프이다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, WNx 선택적확산방지층의 두께가 변화함에 따라 PMA 특성도 변화함을 알 수 있다.
이하, 도 2의 구조를 예로 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 20(a)를 참조하면, 먼저 기판(100) 상에 씨앗층(200)을 형성한다. 이때 씨앗층(200)을 기판(100)의 수평방향으로 두께 구배를 갖도록 형성한다. 예컨대, 다중증착 스퍼터링법(Co-sputtering depostion)을 이용하여 기판(100) 상에 웨지(wedge) 형태의 프로파일을 갖도록 씨앗층(200)을 증착함으로써 두께 구배를 갖는 씨앗층(200)을 형성할 수 있다.
도 20(b)를 참조하면, 씨앗층(200) 상에 제1 강자성층(300)을 형성한다. 예들 들어, W 씨앗층 상에 스퍼터링법을 이용하여 CoFeB층을 형성할 수 있다.
도 20(c)를 참조하면, 폴리싱(Polishing) 공정을 이용하여 제1 강자성층(300)의 상부 표면을 기판(100)의 상부 방향으로 평평하게 형성시킬 수 있다.
도 20(d)를 참조하면, 제1 강자성층(300) 상에 터널링 배리어층(400) 및 제2 강자성층(500)을 차례로 적층할 수 있다. 예컨대, CoFeB층 상에 MgO층 및 CoFeB층을 스퍼터링법을 이용하여 차례로 적층할 수 있다.
이하, 본 발명에 따라, 씨앗층, 선택적확산방지층 또는 제1 강자성층이 두께 구배를 갖음으로써, 제1 강자성층에 기판의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하게 될 경우, 스핀-오비트 토크를 이용한 스위칭 메카니즘을 도 4의 구조를 예로 설명한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자의 스위칭 메커니즘을 설명하기 위한 단면도들이다.
일반적으로
Figure 112015026424659-pat00001
으로 알려져 있다. 이때의 SOT는 스핀-오비트 토크(Spin Orbit Torque)를 나타내고, SIA는 Structural Inversion Asymmetry를 나타내고, I는 전류를 나타낸다.
일반적인 박막 구조에서는 위층과 아래층 interface가 다른 경우, Fermi energy의 차이 등이 SIA를 만들고, 이러한 SIA는 기판의 수직방향으로 발생된다.
그러나, 본 발명과 같이 제1 강자성층(300)에 기판(100)의 수평방향으로 포텐셜 구배가 존재하도록 두께 구배를 갖는 씨앗층(200)의 구조를 설정할 경우, 도 21(a) 및 도21(b)에 도시된 바와 같이 SIA의 방향은 기판의 수평방향이 된다.
따라서, 도 21(a)를 참조하면, 전류(I)를 도면의 뒷(벽) 방향으로 흘려주게 되면, SOT의 방향은 기판의 수직방향 중 하부방향으로 발생된다. 따라서, SOT에 의해 제1 강자성층(300)의 자화방향은 SOT 방향과 동일하게 된다.
그리고, 도 21(b)를 참조하면, 전류(I)를 도 21(a)의 전류의 반대방향인 도면의 앞 방향으로 흘려주게 되면, SOT의 방향은 기판의 수직방향 중 상부방향으로 발생된다. 따라서, SOT에 의해 제1 강자성층의 자화방향은 SOT 방향과 동일하게 스위칭된다.
본 발명에 따르면, 스핀-오비트 토크를 이용하여 소자를 스위칭함으로써, 종래의 STT 방법을 이용하는 경우보다 스위칭 전류를 줄일 수 있다. 따라서, 자성소자의 구동전력을 줄일 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 기판 200: 씨앗층
300: 제1 강자성층 400: 터널 배리어층
500: 제2 강자성층 600: 선택적확산방지층
700: 금속버퍼층

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 상기 기판에 나란한 방향을 따라 두께 구배를 가지며, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
    상기 씨앗층은 상기 두께 구배에 의해 상면이 경사지고,
    상기 터널링 배리어층 및 제2 강자성층은 각각, 일정한 두께를 가지며,
    상기 제1 강자성층에는 상기 씨앗층의 두께 구배에 의해 상기 기판에 나란한 방향을 따라 포텐셜 구배가 존재하여, 상기 기판에 나란하면서 상기 씨앗층의 두께 구배 방향에 수직한 방향으로 전류가 흐름에 따라 상기 제1 강자성층이 상기 기판에 수직한 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 상면이 상기 기판에 나란하도록 상기 씨앗층의 두께 구배에 역으로 경사진 두께 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 씨앗층 및 상기 제1 강자성층 사이에 위치하되, 상기 씨앗층의 비자성 금속물질의 상기 제1 강자성층으로의 확산은 방지하고 상기 제1 강자성층에 포함된 B 원소의 상기 씨앗층으로의 확산은 허용하며 WNX, TaNX, 또는 TiNX을 포함하는 선택적확산방지층을 더 포함하고,
    상기 선택적확산방지층은 상면이 상기 기판에 나란하도록 상기 씨앗층의 두께 구배에 역으로 경사진 두께 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 두께가 일정한 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  6. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 상기 기판에 나란한 방향을 따라 두께 구배를 가지는 금속 버퍼층;
    상기 금속 버퍼층 상에 위치하고, 상면이 상기 기판에 나란하도록 상기 금속 버퍼층의 두께 구배에 역으로 경사진 두께 구배를 가지며, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
    상기 터널링 배리어층 및 제2 강자성층은 각각, 일정한 두께를 가지며,
    상기 제1 강자성층에는 상기 씨앗층의 두께 구배에 의해 상기 기판에 나란한 방향을 따라 포텐셜 구배가 존재하여, 상기 기판에 나란하면서 상기 씨앗층의 두께 구배 방향에 수직한 방향으로 전류가 흐름에 따라 상기 제1 강자성층이 상기 기판에 수직한 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
    상기 터널링 배리어층 및 제2 강자성층은 각각, 일정한 두께를 가지며,
    상기 제1 강자성층은 상기 기판에 수평한 방향으로 두께 구배를 가져 상면이 경사짐으로써, 상기 기판에 수평한 방향으로 포텐셜 구배가 존재하여, 상기 기판에 나란하면서 상기 제1 강자성층의 두께 구배 방향에 수직한 방향으로 전류가 흐름에 따라 상기 제1 강자성층이 상기 기판에 수직한 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 비자성 금속물질을 포함하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하고, WNX, TaNX, 또는 TiNX을 포함하는 선택적확산방지층;
    상기 선택적확산방지층 상에 위치하고, B 원소를 포함하는 강자성물질을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하고,
    상기 터널링 배리어층 및 제2 강자성층은 각각, 일정한 두께를 가지며,
    상기 선택적확산방지층은 상기 씨앗층의 비자성 금속물질의 상기 제1 강자성층으로의 확산은 방지하고 상기 제1 강자성층의 B 원소의 상기 씨앗층으로의 확산은 허용하며,
    상기 선택적확산방지층은 상기 기판에 나란한 방향을 따라 두께 구배를 가져 상면이 경사짐으로써, 상기 제1 강자성층에 상기 기판에 나란한 방향을 따라 포텐셜 구배가 존재하여, 상기 기판에 나란하면서 상기 선택적확산방지층의 두께 구배 방향에 수직한 방향으로 전류가 흐름에 따라 상기 제1 강자성층이 상기 기판에 수직한 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 상면이 상기 기판에 나란하도록 상기 선택적확산방지층의 두께 구배에 역으로 경사진 두께 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  10. 삭제
  11. 제1항, 제6항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씨앗층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Pd, La, Hf, Ta, W, Ir 및 Pt로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  12. 제1항, 제6항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 CoFeB를 포함하는 스핀 오비트 토크 자성소자.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10916282B2 (en) 2019-06-20 2021-02-09 International Business Machines Corporation Control of switching trajectory in spin orbit torque devices by micromagnetic configuration
US10930702B2 (en) 2018-11-19 2021-02-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices
US20210296575A1 (en) * 2020-03-19 2021-09-23 Korea University Research And Business Foundation Spin-orbit torque switching device with tungsten nitride
US11170832B2 (en) 2018-11-14 2021-11-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7318916B2 (ja) * 2018-11-05 2023-08-01 国立大学法人信州大学 スピンテクスチャ制御装置、スピンテクスチャ制御方法、およびメモリ装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011091342A (ja) * 2009-10-26 2011-05-06 Nec Corp 磁気抵抗素子、及び磁壁ランダムアクセスメモリ
KR101310042B1 (ko) * 2008-09-29 2013-10-04 시게이트 테크놀로지 엘엘씨 전자적으로 반응성인 절연 스페이서를 갖는 ｓｔｒａｍ
KR101476932B1 (ko) * 2013-11-20 2014-12-26 한양대학교 산학협력단 수직 자기 이방성을 갖는 mtj 구조, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 자성소자

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8890267B2 (en) 2012-12-03 2014-11-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions having a graded magnetic free layer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101310042B1 (ko) * 2008-09-29 2013-10-04 시게이트 테크놀로지 엘엘씨 전자적으로 반응성인 절연 스페이서를 갖는 ｓｔｒａｍ
JP2011091342A (ja) * 2009-10-26 2011-05-06 Nec Corp 磁気抵抗素子、及び磁壁ランダムアクセスメモリ
KR101476932B1 (ko) * 2013-11-20 2014-12-26 한양대학교 산학협력단 수직 자기 이방성을 갖는 mtj 구조, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 자성소자

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11170832B2 (en) 2018-11-14 2021-11-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices
US10930702B2 (en) 2018-11-19 2021-02-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices
US10916282B2 (en) 2019-06-20 2021-02-09 International Business Machines Corporation Control of switching trajectory in spin orbit torque devices by micromagnetic configuration
US20210296575A1 (en) * 2020-03-19 2021-09-23 Korea University Research And Business Foundation Spin-orbit torque switching device with tungsten nitride
US11600770B2 (en) * 2020-03-19 2023-03-07 Korea University Research And Business Foundation Spin-orbit torque switching device with tungsten nitride

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