KR101856906B1 - 스핀-궤도 토크 자기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 기판 상에 배치되고 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴; 및 상기 스핀-전류 패턴에 접촉하여 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 수직자기 이방성을 가진 자유 자성층을 포함한다. 상기 스핀-전류 패턴은, 상기 제1 비자성 도전층; 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되어 배치된 제2 비자성 도전층; 및 상기 제1 비자성 도전층과 상기 제2 비자성 도전층 사이에 개재되고 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되고 수직자기 이방성을 가지는 자성층;을 포함한다.

Description

스핀-궤도 토크 자기 소자{Spin-Orbit Torque Magnetic Device}
본 발명은 스핀-궤도 토크 자기 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 환원된 헤테로 격자 구조를 이용하여 스핀 궤도 토크를 증가시킨 스핀-궤도 토크 자기 소자에 관한 것이다.
최근 스핀-궤도 결합(spin-orbit Coupling)이 스핀-궤도 토크(spin-orbit torque)를 생성하는 알려져 있다. 즉, 스핀-궤도 결합은 스핀-홀 효과를 생성하고, 이 스핀 홀 효과는 스핀-궤도 토크를 생성한다.
스핀-궤도 토크가 발생하는 상황은 Fe, Co, Ni 과 같은 자유 자성층이 Pt, Ta, W 과 같은 비자성층 상에 배치된 구조이다. 상기 비자성층은 면내 전류에 의하여 스핀 홀 효과를 발생시킨다. 상기 비자성층에 면내 전류를 주입하면, 스핀 홀 효과에 의하여 특정 방향 스핀을 가진 전자들이 상기 자유 자성층에 주입된다. 상기 스핀 전류는 상기 자유 자성층의 자화 방향을 스위칭한다.
수직자기 이방성을 가진 자성층은 소자 크기가 작아져도 자화 상태를 잘 유지하여 고집적화에 유리하다. 그러나, 낮은 주입 전류에도 자성층의 자화 반전을 수행할 수 있도록 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)을 증가시킬 수 있는 구조 및 방법이 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 스핀-궤도 토크를 증가시키는 스핀-궤도 토크 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 수직자기 이방성을 가지면서 큰 스핀-궤도 결합 특성을 보이는 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 기판 상에 배치되고 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴; 및 상기 스핀-전류 패턴에 접촉하여 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 수직자기 이방성을 가진 자유 자성층을 포함한다. 상기 스핀-전류 패턴은, 상기 제1 비자성 도전층; 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되어 배치된 제2 비자성 도전층; 및 상기 제1 비자성 도전층과 상기 제2 비자성 도전층 사이에 개재되고 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되고 수직자기 이방성을 가지는 자성층;을 포함한다. 상기 자성층은 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받고, 상기 자성층은 결정구조를 가지고, 상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층 또는 상기 제2 비자성 도전층의 격자 상수보다 작고, 상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원되고, 상기 자성층은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고, 상기 자성층의 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층의 격자 상수로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층은 Co일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층은 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층의 격자 상수와 일치하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층의 두께는 0.2 nm 내지 0.6 nm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층에 정렬되어 배치된 고정 자성층; 및 상기 자유 자성층에 정렬되어 배치되고 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 개재된 터널 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층은 Pd이고, 상기 자성층은 Co일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀-전류 패턴은, 상기 제1 비자성 도전층과 상기 자성층 사이에 교번하여 배치되는 적어도 한 쌍의 보조 비자성 도전층 및 보조 자성층을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 비자성 도전층과 상기 보조 자성층은 다층 박막 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-궤도 토크 자기 소자는, 기판 상에 배치되고 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴; 및 상기 스핀-전류 패턴에 접촉하도록 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 되는 자유 자성층을 포함한다. 상기 자유 자성층은, 서로 교번하여 배치되는 다층 박막 구조의 자성층 및 비자성 도전층을 포함한다. 상기 자성층은 수직자기 이방성을 가지고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되고, 상기 자성층은 상기 비자성 도전층에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받는다. 상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원되고, 상기 자성층은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고, 상기 자성층의 격자 상수는 상기 비자성 도전층의 격자 상수로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층은 Co일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층은 상기 비자성 도전층의 격자 상수와 일치하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성층의 두께는 0.2 nm 내지 0.6 nm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층에 정렬되어 배치된 고정 자성층; 및 상기 자유 자성층에 정렬되어 배치되고 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 개재된 터널 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 도전층은 Pd이고, 상기 자성층은 Co일 수 있다.
본 발명의 일 실시시예에 따른 자기 소자의 스핀-궤도 토크는 큰 트렌스버스 유효 자기장 및 종방향 유효 자기장을 제공할 수 있다. 또한, 상기 자기 소자는 큰 수직 자기 이방성을 가지 있어 집적화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-궤도 토크 자기 소자를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 스핀-궤도 토크 자기 소자의결정 특성을 나타내는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-궤도 토크 자기 소자를 설명하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 스핀-궤도 토크 자기 소자 내의 자성체 Co의 XAS(X-ray absorption spectroscopy) 결과이다.
도 5는 도 3의 스핀-궤도 토크 자기 소자의 스핀 모멘트 (ms) 대비 오비탈 모멘트 (mo)의 비(mo/ms) 를 나타내는 결과이다.
도 6 및 도 7은 통상적인 다층 박막 구조의 제1 시료와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 박막 구조에서의 외부 자기장에 따른 고조파 신호를 나타내는 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-전류 패턴의 자화 반전을 나타내는 결과이다.
도 9는 스핀-전류 패턴의 자화 방향을 나타내는 MOKE(Magneto-optic Kerr effect) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 발명자는 "Nanoscale patterning of complex magnetic nanostructures by reduction with low-energy protons" 논문을 NATURE NANOTECHNOLOGY, VOL7, september, 2012, page 367에 게재한 바 있다. 이 논문에서, 낮은-에너지 양성자 조사는 [Co3O4/Pd]n 비자성 산화물을 환원된 [Co/Pd]10 강자성 금속을 생성하는 것을 보고하였다. 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice)는 통상적인 금속 [Co/Pd]n 초격자 보다 높은 수직자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 보였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 추가적인 연구를 통하여 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice)가 큰 스핀-궤도 토크를 제공하는 것을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice) 구조의 스핀 궤도 토크는 통상적인 [Co/Pd]n 초격자(superlattice) 구조 보다 수십 배 크다. 이러한 스핀 궤도 토크는 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice) 구조에서 스트레인에 기인하는 것으로 해석된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice) 구조는 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가지며, 자기터널 접합의 자유 자성층에 접촉하여 배치되고 면내 전류를 제공하는 스핀 전류 주입층으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원된 [Co/Pd]n 초격자(superlattice) 구조는 수직자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가지며, 자기터널 접합의 자유 자성층으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스핀-궤도 결합이 큰 Co/Pd 전자밴드 구조를 형성하였으며, 수소를 조사하여 그 안의 전하수를 변화시킬 수 있고, 페르미에너지의 높낮이를 조절함으로써 스핀홀 전도도가 최대화되도록 조절할 수 있다. 이는 합금이나 응력 등의 기존 방법으로는 달성하기가 불가능하다. Phys. Rev. Lett. 100, 096401 Published 3 March 2008에 따르면, Pt의 전자밴드구조가 개시된다. 페르미 에너지 레벨에 따라 스핀홀 전도도가 부호도 바뀌고 그 크기도 변함을 알 수 있다. 이에 근거하여, 페르미에너지는 스핀홀 전도도에 영향을 줄 수 있다고 해석된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 응력이 최대화된 강자성층이 비자성층과 헤테로접합을 할 수 있다. 수소는 페르미 에너지를 조절한 헤테로 접합을 제공할 수 있다. 스핀홀 전도도는 스핀 전류를 의미하며, 스핀홀 전도도는 스핀-궤도 토크에 비례한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 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 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-궤도 토크 자기 소자를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 스핀-궤도 토크 자기 소자의 결정 특성을 나타내는 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 스핀-궤도 토크 자기 소자(100)는 MRAM(magnetic Random access memory)로 사용될 수 있다. 상기 스핀-궤도 토크 자기 소자(100)는, 기판(110) 상에 배치되고 면내 전류(Iw)에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴(120); 및 상기 스핀-전류 패턴에 접촉하여 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 수직자기 이방성을 가진 자유 자성층(130)을 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층(130)은 터널 절연층(140), 및 고정 자성층(150)과 결합하여 자기터널 접합(101)을 제공할 수 있다. 상기 스핀-전류 패턴(120)은, 상기 제1 비자성 도전층(124); 상기 제1 비자성 도전층(124)과 정렬되어 배치된 제2 비자성 도전층(128); 및 상기 제1 비자성 도전층(124)와 상기 제2 비자성 도전층(128) 사이에 개재되고 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되고 수직자기 이방성을 가지는 자성층(126);을 포함한다. 상기 자성층(126)은 상기 제1 비자성 도전층(124) 및 상기 제2 비자성 도전층(128)에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받는다. 상기 자성층(126)은 결정 구조를 가진다. 상기 자성층(126)의 기준 벌크 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층(124) 또는 상기 제2 비자성 도전층(128)의 격자 상수보다 작다. 상기 자성층(126)의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 비자성 도전층(124) 및 상기 제2 비자성 도전층(128)이 Pd이고, 상기 자성층(126)이 Co인 경우, (111)면에서 2x2 격자구조를 고려했을 때 상기 비자성 도전층(128)의 격자 상수 R은 0.550 nm이고, 상기 자성층(126)의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant) R은 0.501 nm이다. 그러나, 본 발명의 상기 자성층(126)의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)는 약 0.550 nm이다. 상기 자성층(126)의 박막 격자 상수는 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 달성될 수 있다.
상기 자성층(126)은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원될 수 있다. 상기 비자성 산화물층의 격자 상수는 0.57 nm일 수 있다.
상기 자성층(126)은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고, 상기 자성층(126)의 박막 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층(124)의 격자 상수로 유지될 수 있다. 상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층(126)은 Co일 수 있다. 상기 비자성 산화물은 수소 이온 조사에 의하여 환원되어 Co 박막으로 상변화하고, 박막 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층 의 격자 상수를 실질적으로 유지할 수 있다. 상기 수소 이온 조사 공정에서, 이온 에너지는 수 keV( 킬로 전자볼트) 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 이온 에너지는 300 eV 내지 500 eV 수준일 수 있다. 이에 따라, 상기 비자성 산화물은 상자성체에서 금속 상태의 강자성체로 상변화된다. 또한, 상변화와 동시에 수직자기 이방성이 발현된다. 또한, 상기 수소 이온 조사 후에, 환원된 Co 층과 Pd 층 사이의 계면은 원래 상태를 유지한다.
상기 자성층 및 상기 제1 비자성 도전층은 수소를 포함할 수 있다. 상기 수소는 상기 자성층과 상기 제1 비자성 도전층의 페르미 에너지를 조절하여 스핀-궤도 토크 또는 스핀홀 전도도를 증가시킬 수 있다.
상기 스핀-전류 패턴(120)은 시드층(121)을 더 포함할 수 있다. 상기 시드층(121)은 Ta이고, 제1 비자성 도전층(124)이 결정 상태로 증착될 수 있도록 계면 상태를 제공할 수 있다.
상기 자기 터널 접합(101)은 상기 자유 자성층(130), 고정 자성층(150), 및 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 배치된 터널 절연층(140)을 포함할 수 있다. 터널 자기저항(TMR)을 증가시키기 위하여, 상기 자기 터널 접합은 CoFeB/MgO/CoFeB 구조일 수 있다. 상기 자유 자성층(130) 및 고정 자성층(150)은 CoFeB 이고, 터널 절연층은 MgO일 수 있다. 상기 자유 자성층(130) 및 상기 고정 자성층(150)은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 상기 스핀-전류 패턴(120)에서 발생한 스핀 전류는 상기 자성층(126)을 스위칭함과 동시에 상기 자유 자성층(130)을 스위칭할 수 있다. 상기 스핀-궤도 토크를 이용하여 상기 자유 자성층(130)을 안정적으로 스위칭하기 위하여 상기 스핀-전류 패턴의 배치평면 내에서 상기 스핀-전류 패턴의 연장 방향에 수직한 방향의 외부 자기장(Hext)이 인가될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 자성층(126)은 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층의 격자 상수와 일치하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 비자성 도전층(124)이 결정 상태로 증착되고, 상기 자성층(126)은 분자빔 에픽탁시(molecular beam epitaxy)와 같은 증착방법을 이용하여 상기 제1 비자성 도전층(124)의 격자 상수를 유지하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태로 증착될 수 있다.
상기 자기터널접합(101)의 상기 자유 자성층(130)에 기록된 데이터는 상기 고정층(150)에 연결된 단자를 통하여 흐르는 읽기 전류를 통하여 판별될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, (a)는 Co3O4/Pd 초격자 구조를 나타낸다. (b) 수소 이온 조사에 의한 조사된(irradiated) Co/Pd 초격자 구조를 나타낸다. 적색 원은 Co 원자를 나타내고, 흰색 원은 산소 원자를 나타낸다. (c)는 2차원 2 X 2 단위 메쉬의 개념도이다. (d)는 기본(reference) 초격자의 계면 상태를 나타내는 개념도이다. (e)는 조사된(irradiated) 초격자의 계면 상태를 나타내는 개념도이다. (f)는 코발트의 두께에 따른 기본(reference) 초격자와 조사된 초격자에서 스트레인을 나타낸다.
적색 라인(스트레인이 9 %)은 Co와 Pd의 격자 미스매치(lattice mismatch)를 나타낸다. 적색 영역과 청색 영역은 기본 초격자와 조사된 초격자에서 스트레인 완화가 발생하는 영역을 나타낸다.
상기 자성층은 Co이고, 상기 자성층(126)의 두께는 0.2 nm 내지 0.6 nm 일 수 있다. 상기 자성층(126)의 두께가 0.6 nm 이상으로 증가함에 따라, 상기 자성층의 스트레인은 급격히 감소할 수 있다. 이에 따라, 스핀-궤도 결합 특성이 감소할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-궤도 토크 자기 소자를 설명하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 스핀 전류 패턴(220)은 기판(110) 상에 배치된 시드층(221), 상기 시드층(221) 상에 배치된 제1 비자성 도전층(222), 제2 비자성 도전층(228), 및 상기 제1 비자성 도전층과 상기 제2 비자성 도전층 상에 배치된 자성층(226)을 포함한다.
상기 스핀-전류 패턴(220)은, 상기 제1 비자성 도전층(222)과 상기 자성층(226) 사이에 교번하여 배치되는 적어도 한 쌍의 보조 비자성 도전층(223a) 및 보조 자성층(224a)을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 비자성 도전층(223a~223n)과 상기 보조 자성층(224a~224n)은 다층 박막 구조를 제공할 수 있다. 상기 보조 자성층 또는 상기 자성층은 이웃한 비자성 도전층에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받는다. 이에 따라, 상기 보조 자성층(224a~224n) 및 자성층(226)의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상일 수 있다.
상기 보조 자성층(224a~224n) 및 상기 자성층(226)은 저에너지 수소 이온 조사에 의하여 비자성 산화물층에서 강자성체로 상변화되고, 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층(222)의 값을 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 자성층 또는 상기 자성층은 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받고, 증가된 스핀-궤도 결합 강도를 나타낼 수 있다.
상기 스핀-전류 패턴(220)은 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Reduced Co(0.4 nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 일 수 있다. 시드층(221)은 Ta(4nm)이고, 제1 비자성 도전층(222)은 Pd(3nm)이고, 제2 비자성 도전층은 Pd(2nm) 이고, 자성층(226)은 환원된 Co(0.4 nm)일 수 있다. 보조 자성층(224a~224n)과 보조 비자성 도전층(223a~223n)은 환원된 Co(0.4 nm)/Pd (1nm) 일 수 있다.
도 4는 도 3의 스핀-궤도 토크 자기 소자 내의 자성체 Co의 XAS(X-ray absorption spectroscopy) 결과이다.
도 4를 참조하면, XAS 데이터는 코발트의 L3 edge로 규격화되었다.
제1 시료(metallic)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(0.4 nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 구조이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 시료(reduced)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[ Reduced Co(0.4 nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm)이다. 제3 시료(Oxidic)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Co3O4(0.6 nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm)이다. 상기 제1 시료는 Co를 직접 증착하였다. 상기 제3 시료는 Co3O4를 직접 증착하였다. 제2 시료는 Co3O4 층을 500 eV의 1.48 x 1017 /cm2의 도즈(dose)를 가지고 수소 이온 조사(500 eV)에 의하여 환원시켰다.
XAS 결과에 따르면, 금속 코발트를 구비한 제1 시료와 환원된 코발트를 구비한 제2 시료가 구분되지 않는다.
도 5는 도 3의 스핀-궤도 토크 자기 소자의 스핀 모멘트 (ms) 대비 오비탈 모멘트 (mo)의 비(mo/ms)를 나타내는 결과이다. 도 5를 참조하면, X-ray magnetic circular dichroism(XMCD)을 사용하여 수직방향으로 측정되었다. 제1 시료(MSL)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(tCo)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 구조이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 시료(RSL)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[ Reduced Co(tCo)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm)이다. 제2 시료의 규격화된 스핀 모멘트 대비 오비탈 모멘트는 제1 시료보다 0.6 nm 이하의 Co 두께에서 약 30 퍼센트 증가한다. 이러한 스핀 모멘트 대비 오비탈 모멘트의 증가는 수직방향 스핀-궤도 결합을 증가시킨 것으로 해석된다.
도 6 및 도 7은 통상적인 다층 박막 구조의 제1 시료와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 박막 구조에서의 외부 자기장에 따른 고조파 신호를 나타내는 결과이다.
도 6을 참조하면, 제1 시료(MSL)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(0.4nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 구조이다.
x축은 스핀-전류 패턴의 연장방향이고, y축은 스핀-전류 패턴의 배치 평면 내에서 x축에 수직한 방향이다. 스핀 궤도 토크는 필드-라이크 토크(field-like torque)와 댕핑-라이크 토크 (damping-like torque)을 포함할 수 있다.
유효 자기장 필드는 다음과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017084776194-pat00001
여기서, Vf는 1차 고조파 성분의 진폭이고, V2f는 2차 고조파 성분의 진폭이다. 필드-라이드 토크는 트렌스버스 유효 자기장(Transverse effective field ;ΔHT)에 비례하고, 댐핑-라이크 토크는 종방향 유효 자기장(longitudinal effective field; ΔHL )에 비례한다. 제1 시료의 ΔHL = 62 Oe이고, ΔHT = 23 Oe 이다. 면내 전류 밀도는 2.07 x 107 A/cm2이다.
도 7을 참조하면, 제2 시료(RSL)는 Si 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[reduced Co(0.5nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 구조이다. 제2 시료의 ΔHL = 4300 Oe이고, ΔHT = -360 Oe 이다. 면내 전류 밀도는 1.19 x 107 A/cm2이다. 제2 시료의 유효 자기장은 제1 시료에 비하여 약 수십 배 증가한다.
스핀-궤도 토크는 계면이 서로 대칭적이기 때문에 초격자 구조에서 서로 상쇄될 것으로 예측된다. 그러나, 예상과 달리, 제2 시료의 실험 결과에 따르면, 스핀-궤도 토크는 환원된 코발트를 구비한 초격자 구조에서 현저히 증가하였다.
ΔHL/JC ΔHT/JC
[Metallic Co/Pd]10 16.7 x 10-6 2.3 x 10-6
[Reduced Co/Pd]10 268.1 x 10-6 35.8 x 10-6
전류밀도 당 생성할 수 있는 ΔHT 또는 ΔHL는 제1 시료([Metallic Co/Pd])에 비하여 제2 시료([Reduced Co/Pd])에서 현저히 높다.
[reduced Co/Pd]n 구조는 높은 스핀-궤도 토크를 발생시키는 것으로 해석된다. 또한, 스핀-궤도 결합이 큰 [reduced Co/Pd]n 전자밴드 구조는 수소를 조사하여 Co/Pd 안의 전하수를 변화시킬 수 있다. 상기 수소의 농도를 조절하여 페르미 에너지의 높낮이를 조절함으로써, 스핀홀 전도도가 최대화되도록 조절할 수 있다. 상기 페르미 에너지는 스핀홀 전도도에 영향을 준다고 알려져 있다(Phys. Rev. Lett. 100, 096401 Published 3 March 2008).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀-전류 패턴의 자화 반전을 나타내는 결과이다.
도 8을 참조하면, 시료는 기판/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[reduced Co(0.5nm)/Pd (1nm)]10/ Pd(2nm) 구조이다. 측정을 위하여, 매초마다 10 nsec 의 전류 펄스가 인가된다. 외부 자기장(Hz)은 스핀-전류 패턴의 배치 평면에 거의 수직하게 인가되고, 외부 자기장(Hz)의 세기는 자성층의 초기 자화 방향과 평행(a) 또는 반평행(b)하게 인가되었다. 외부 자기장(Hz)은 열적 도움 스위칭(thermally assisted switching)을 제거하기 위하여 인가되었다.
외부 자기장(Hz)이 초기 자화 방향과 평행(parallel)인 경우, 인가 전류 밀도가 3.0 x 1011 A/cm2 인 경우, 자화 반전 스위칭이 시작되고, 5.0 x 1011 A/cm2 인 경우, 자화 반전 스위칭은 완벽히 수행된다. 외부 자기장의 세기가 증가함에 따라, 스위칭 전류 밀도가 증가한다.
외부 자기장(Hz)이 초기 자화 방향과 반평행(anti-parallel)인 경우, 스위칭 전류가 평행인 경우에 비하여 증가한다.
도 9는 스핀-전류 패턴의 자화 방향을 나타내는 MOKE(Magneto-optic Kerr effect) 이미지이다.
도 9를 참조하면, 외부 자기장(Hz)가 10 mT인 경우, 10 nsec의 전류 펄스로 자화 반전이 수행된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
도 10을 참조하면, 스핀-궤도 토크 자기 소자(300)는, 기판(110) 상에 배치되고 면내 전류(Iw)에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴(320); 및 상기 스핀-전류 패턴(320)에 접촉하도록 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 되는 자유 자성층(330)을 포함한다. 상기 자유 자성층(330)은, 서로 교번하여 배치되는 다층 박막 구조의 자성층(326) 및 비자성 도전층(324)을 포함한다. 상기 자성층(326)은 수직자기 이방성을 가지고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되고, 상기 자성층(326)은 상기 비자성 도전층(324)에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받는다. 상기 자성층(326)의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상이다. 상기 자성층(326)은 상기 비자성 도전층들 사이에 배치되어, 텐사일 스테리인을 받을 수 있다.
면내 전류(Iw)는 상기 스핀-전류 패턴(320)의 연장 방향을 따라 흐르고, 상기 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류가 상기 자유 자성층(330)에 인가된다. 이에 따라, 상기 스핀 전류는 상기 자유 자성층의 자화 방향을 스위칭한다. 상기 스핀-전류 패턴(320)은 시드층(321)과 스핀-전류 비자성 도전층(322)를 포함할 수 있다. 상기 시드층(321)은 Ta이고, 상기 스핀-전류 비자성 도전층(322)은 Pd일 수 있다.
상기 자성층(326)은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원될 수 있다. 상기 자성층(326)은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고, 상기 자성층의 박막 격자 상수는 상기 상기 비자성 도전층(324)의 격자 상수로 유지될 수 있다. 상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층(326)은 Co일 수 있다. 상기 비자성 산화물은 수소 이온 조사에 의하여 환원되어 Co 박막으로 상변화되나, 박막 격자 상수는 상기 상기 비자성 도전층(324)의 격자 상수를 실질적으로 유지할 수 있다. 상기 수소 이온 조사 공정에서, 이온 에너지는 수 keV( 킬로 전자볼트) 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 이온 에너지는 300 eV 내지 500 eV 수준일 수 있다.
상기 자성층(326) 및 상기 비자성 도전층(324)은 수소를 포함할 수 있다. 상기 수소는 상기 자성층과 상기 비자성 도전층의 페르미 에너지를 조절하여 스핀-궤도 토크 또는 스핀홀 전도도를 증가시킬 수 있다.
상기 자기 터널 접합(301)은 상기 자유 자성층(330), 고정 자성층(150), 및 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 배치된 터널 절연층(140)을 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층(330) 및 고정 자성층(150)은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 외부 자기장(Hext)은 상기 자유 자성층(330)의 안정적인 스위칭을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 기판
120: 스핀-전류 패턴
130: 자유 자성층
140: 터널 절연층
150: 고정 자성층

Claims (17)

  1. 기판 상에 배치되고 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴; 및
    상기 스핀-전류 패턴에 접촉하여 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 수직자기 이방성을 가진 자유 자성층을 포함하고,
    상기 스핀-전류 패턴은:
    제1 비자성 도전층;
    상기 제1 비자성 도전층과 정렬되어 배치된 제2 비자성 도전층; 및
    상기 제1 비자성 도전층과 상기 제2 비자성 도전층 사이에 개재되고 상기 제1 비자성 도전층과 정렬되고 수직자기 이방성을 가지는 자성층;을 포함하고,
    상기 자성층은 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받고,
    상기 자성층은 결정구조를 가지고,
    상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층 또는 상기 제2 비자성 도전층의 격자 상수보다 작고,
    상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 자성층은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원되고,
    상기 자성층은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고,
    상기 자성층의 격자 상수는 상기 제1 비자성 도전층의 격자 상수로 유지되는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 자성층 및 상기 제1 비자성 도전층은 수소를 포함하고,
    상기 수소는 상기 자성층과 상기 제1 비자성 도전층의 페르미 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층은 Co인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층의 격자 상수와 일치하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 자성층의 두께는 0.2 nm 내지 0.6 nm 인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 자유 자성층에 정렬되어 배치된 고정 자성층; 및
    상기 자유 자성층에 정렬되어 배치되고 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 개재된 터널 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 비자성 도전층 및 상기 제2 비자성 도전층은 Pd이고,
    상기 자성층은 Co인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 스핀-전류 패턴은,
    상기 제1 비자성 도전층과 상기 자성층 사이에 교번하여 배치되는 적어도 한 쌍의 보조 비자성 도전층 및 보조 자성층을 더 포함하고,
    상기 보조 비자성 도전층과 상기 보조 자성층은 다층 박막 구조를 제공하는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  10. 기판 상에 배치되고 면내 전류에 의하여 배치 평면에 수직한 스핀 전류를 생성하는 스핀-전류 패턴; 및
    상기 스핀-전류 패턴에 접촉하도록 배치되고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되는 되는 자유 자성층을 포함하고,
    상기 자유 자성층은:
    서로 교번하여 배치되는 다층 박막 구조의 자성층 및 비자성 도전층을 포함하고,
    상기 자성층은 수직자기 이방성을 가지고 상기 스핀 전류에 의하여 자화 반전되고,
    상기 자성층은 상기 비자성 도전층에 의하여 텐사일 스트레인(tensile strain)을 받고,
    상기 자성층의 기준 벌크 격자 상수(reference bulk lattice constant)에 대한 상기 자성층의 박막 격자 상수(thin film lattice constant)의 비로 주어지는 길이 방향의 변형률은 9 퍼센트 이상인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 자성층은 비자성 산화물층을 수소 이온 조사(Hydrogen ion irradiation)에 의하여 환원되고,
    상기 자성층은 상기 수소 이온 조사에 의하여 상자성체에서 강자성체로 상변화되고,
    상기 자성층의 격자 상수는 상기 비자성 도전층의 격자 상수로 유지되는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 자성층 및 상기 비자성 도전층은 수소를 포함하고,
    상기 수소는 상기 자성층과 상기 비자성 도전층의 페르미 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 비자성 산화물층은 Co3O4 이고, 상기 자성층은 Co인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 비자성 도전층의 격자 상수와 일치하도록 슈도모픽(pseudomorphic) 에피텍시(epitaxial) 상태인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 자성층의 두께는 0.2 nm 내지 0.6 nm 인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 자유 자성층에 정렬되어 배치된 고정 자성층; 및
    상기 자유 자성층에 정렬되어 배치되고 상기 자유 자성층과 상기 고정 자성층 사이에 개재된 터널 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 비자성 도전층은 Pd이고,
    상기 자성층은 Co인 것을 특징으로 하는 스핀-궤도 토크 자기 소자.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200124803A (ko) * 2019-04-24 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 자성/비자성 다층 박막 메모리 기반 고속 인공 신경망 가속기 및 이의 운용 방법
KR20210033191A (ko) * 2019-09-18 2021-03-26 한국과학기술원 스핀궤도 토크 자기 소자
WO2023003213A1 (ko) * 2021-07-21 2023-01-26 한양대학교 산학협력단 자화 씨드층과 자화 자유층 접합 계면의 비대칭 구조를 이용하는 스핀 소자
WO2023058928A1 (ko) * 2021-10-06 2023-04-13 재단법인대구경북과학기술원 키랄 구조를 이용하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI780167B (zh) * 2018-06-26 2022-10-11 晶元光電股份有限公司 半導體基底以及半導體元件
CN113169233A (zh) * 2019-02-06 2021-07-23 Tdk株式会社 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件和磁存储器
JP2021034480A (ja) * 2019-08-21 2021-03-01 国立大学法人東京工業大学 磁気記録デバイス
US11871679B2 (en) 2021-06-07 2024-01-09 Western Digital Technologies, Inc. Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same
US11805705B2 (en) * 2020-05-12 2023-10-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Strained ferromagnetic hall metal SOT layer
CN112382319B (zh) * 2020-10-10 2023-01-17 中国科学院微电子研究所 一种自参考存储结构和存算一体电路
KR20230145155A (ko) * 2021-06-07 2023-10-17 웨스턴 디지털 테크놀로지스, 인코포레이티드 이방성 향상 더스트 층을 포함하는 전압 제어형 자기 이방성 메모리 디바이스 및 이를 형성하기 위한 방법들
US11887640B2 (en) 2021-06-07 2024-01-30 Western Digital Technologies, Inc. Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same
US11889702B2 (en) 2021-06-07 2024-01-30 Western Digital Technologies, Inc. Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same
CN115701271A (zh) * 2021-07-30 2023-02-07 北京航空航天大学 磁性随机存储器及装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6992359B2 (en) * 2004-02-26 2006-01-31 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
US20110140217A1 (en) * 2004-02-26 2011-06-16 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
US8913350B2 (en) * 2009-08-10 2014-12-16 Grandis, Inc. Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having improved performance through capping layer induced perpendicular anisotropy and memories using such magnetic elements
JP5786341B2 (ja) * 2010-09-06 2015-09-30 ソニー株式会社 記憶素子、メモリ装置
WO2013020569A1 (en) * 2011-08-10 2013-02-14 Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel Magnetoresistive memory with low critical current for magnetization switching
US8786039B2 (en) * 2012-12-20 2014-07-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic junctions having engineered perpendicular magnetic anisotropy
US9130155B2 (en) * 2013-03-15 2015-09-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having insertion layers and magnetic memories using the magnetic junctions
EP2862839B1 (en) * 2013-10-17 2016-06-08 University-Industry Foundation, Yonsei University Hydrogen surface-treated graphene, formation method thereof and electronic device comprising the same
US9542987B2 (en) * 2015-02-02 2017-01-10 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Magnetic memory cells with low switching current density
JP6778866B2 (ja) * 2015-03-31 2020-11-04 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置、製造方法、動作方法、及び集積回路
US20170092842A1 (en) * 2015-09-04 2017-03-30 The Regents Of The University Of California Strained voltage-controlled magnetic memory elements and devices
US20170082697A1 (en) * 2015-09-18 2017-03-23 Regents Of The University Of Minnesota Spin hall effect magnetic structures

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200124803A (ko) * 2019-04-24 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 자성/비자성 다층 박막 메모리 기반 고속 인공 신경망 가속기 및 이의 운용 방법
KR102356491B1 (ko) * 2019-04-24 2022-01-27 연세대학교 산학협력단 자성/비자성 다층 박막 메모리 기반 고속 인공 신경망 가속기 및 이의 운용 방법
KR20210033191A (ko) * 2019-09-18 2021-03-26 한국과학기술원 스핀궤도 토크 자기 소자
KR102289542B1 (ko) * 2019-09-18 2021-08-13 한국과학기술원 스핀궤도 토크 자기 소자
WO2023003213A1 (ko) * 2021-07-21 2023-01-26 한양대학교 산학협력단 자화 씨드층과 자화 자유층 접합 계면의 비대칭 구조를 이용하는 스핀 소자
WO2023058928A1 (ko) * 2021-10-06 2023-04-13 재단법인대구경북과학기술원 키랄 구조를 이용하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법

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