KR102289542B1 - 스핀궤도 토크 자기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및 반강자성층을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층은 상기 반강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치된다.

Description

스핀궤도 토크 자기 소자{Spin-Orbit Torque Magnetic Device}
본 발명은 스핀궤도 토크 자기 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 외부 자기장없이 스위칭하는 스핀궤도 토크 자기 소자에 관한 것이다.
수직 자화 나노 구조에서 스핀 전류의 생성은 면내 전류 유도 스핀-궤도 토크 (In-plane current induced spin-orbit torque)를 통해 자화를 효율적으로 조작하기 위해 사용될 수 있기 때문에 큰 관심을 끌고 있다.
종래의 스핀-궤도 토크 구조의 중금속층(HM)/강자성층(FM) 이중층의 구조에서는, 스핀 전류는 중금속층의 스핀 홀 효과 (spin hall effect; SHE) 및 중금속층/강자성층 계면에서 계면 스핀-궤도 결합 (interface spin hall coupling; ISOC) 효과에 의해서 발생한다. 또한, 스핀 전류의 스핀 분극 방향은 전하 전류 방향 및 스핀 전류 방향 모두에 대해 직각인 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, x-방향의 전하 전류는 y-방향을 따른 스핀 분극을 가지고 z-방향을 향해 흐르는 스핀 전류를 발생시킨다. 스핀 분극이 필름면에서 정렬되기 때문에, 외부 자장이 수직 자화된 자유층에 대하여 스핀궤도 토크 유도 스위칭을 위하여 필요하다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이미 인가된 외부 자기장에 의존하지 않고 기록 전류에 따라 안정적인 기록 동작을 수행하고 무자기장 자화 반전을 수행하는 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및 반강자성층을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층은 상기 반강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 스핀 전류는 상기 면내 전류에 의하여 상기 수평 자화 강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이의 계면에서 발생하고, 상기 스핀 전류는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향으로 흐르고, 상기 스핀 전류는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향 성분의 스핀 분극을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 중금속층은 Ta이고, 상기 수평 자화 강자성층은 CoFeB이고, 상기 비자성 중금속층의 두께는 1.0 nm 초과 4 nm 미만이고, 상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 중금속층은 Ta이고, 상기 수평 자화 강자성층은 NiFe이고, 상기 비자성 도전층의 두께는 1.0 nm 이상 3 nm 이하이고, 상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반강자성층은 IrMn일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반강자성층은 상기 수직 자화 강자성층의 무자기장 스위칭을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수직 자화 강자성층에 접촉하여 배치되는 터널 절연층; 및 상기 터널 절연층에 접촉하여 배치되는 수직 자기 이방성을 가진 고정 강자성층;을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 자화 강자성층, 상기 터널 절연층, 및 상기 고정 강자성층은 터널 자기 접합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 중금속층은 상기 제1 방향으로 연장되고, 상기 수평자화 강자성층 및 상기 반강자성층은 상기 비자성 중금속층에 국부적으로 배치되고, 상기 수평자화 강자성층은 상기 반강자성층과 정렬될 수 잇다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 중금속층은 상기 수평자화 강자성층 및 상기 반강자성층의 측면 및 상부면을 덮도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및 페리자성층을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층은 상기 페리자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및 합성 반강자성층을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층은 상기 합성 반강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및 합성 페리자성층을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층은 상기 합성 페리자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층; 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 및 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층을 포함한다. 상기 비자성 중금속층은 Ta이고, 상기 수평 자화 강자성층은 CoFeB이고, 상기 비자성 중금속층의 두께는 1.0 nm 초과 4 nm 미만이고, 상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는 이미 인가된 외부 자기장에 의존하지 않고 기록 전류에 따라 안정적인 기록 동작을 수행하고 무자기장 자화 반전을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3a는 도 2a의 자기 소자에서 수직 자기장(Bz)에 따른 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 3b는 도 2a의 자기 소자에서 면내 자기장 (Bx, By)에 따른 CoFeB 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 3c는 도 2a의 자기 소자에서 면내 자기장 (Bx, By)에 따른 NiFe 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 4a는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 1차 고조파 홀 전압( First Harmonic Hall voltage; V1ω)를 나타낸다.
도 4b는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4c는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(By)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4d는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 1차 고조파 홀 전압( First Harmonic Hall voltage; V1ω)를 나타낸다.
도 4e는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4f는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(By)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b은 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 Ta 두께(tTa)의 함수로서 댐핑-라이크 유효 필드(-BDL) 및 필드-라이크 유효 필드(-BFL)을 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b은 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 Ta 두께(tTa)의 함수로써 SOT-유도 자화 스위칭을 나타낸다.
도 7a는 1.5 nm의 Ta 두께(tTa)를 갖는 CoFeB 샘플의 스위칭 곡선으로 디터미스틱(determistic) SOT 유도 자화 스위칭을 보여준다.
도 7b는 1.5 nm의 Ta 두께(tTa)를 갖는 NiFe 샘플의 스위칭 곡선을 보여준다.
도 7c는 IrMn/NiFe/Ta(1.5nm)/CoFeB 구조의 NiFe 샘플에서 면내 자기장(Bx, By)에 대한 히스테리시스 커브를 나타낸다.
도 7d는 50 mT의 외부 자기장(Bx)과 외부자기장이 없는 경우에 IrMn/NiFe/Ta(1.5nm)/CoFeB 구조의 NiFe 샘플의 SOT-유도 자화 스위칭 곡선을 보여준다.
도 8은 CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)에 따른 자화 스위칭 특성을 나타낸다.
도 9는 NiFe 샘플에서 Ta 두께(tTa)에 따른 자화스위칭 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 소자 샘플들에서 비자성 중금속층의 두께에 따른 무자기장 스위칭 특성을 나타낸다.
도 11은 CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 13a은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bx)에 따른 자기 히스테리시스를 나타낸다.
도 13b은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bz)에 따른 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 13c은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 면내 전류(I)에 따른 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 1nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 1.5nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 2nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 15는 IrMn/CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 16은 IrMn/CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 17a은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bx)에 따른 자기 히스테리시스를 나타낸다.
도 17b은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bz)에 따른 비정상 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 17c은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 면내 전류(I)에 따른 비정상 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 19 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 자기 소자들을 나타낸다.
우리의 이전 연구(S. C. Baek, V. P. Amin, Y. Oh, G. Go, S. Lee, G. Lee, K. Kim, M. D. Stiles, B. Park, K. Lee, Nat. Mater. 2018, 17, 509.)에서 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)/비자성 중금속층(Ti)/상부 수직 자화 강자성층(CoFeB) 구조의 자기 3층 구조에서, 스핀 분극의 수직 성분 (또는 z-성분)이 생성된다는 것을 보여 주었다. 하부 수평자화 강자성층은 CoFeB이고, 면내 자기 이방성을 가진다. 상부 수직 자화 강자성층은 CoFeB이고, 수직 자기 이방성을 가진다. 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)/비자성 중금속층(Ti)의 계면으로부터 발생된 스핀 전류는 m × y 방향을 따라 스핀 분극을 가진다. 여기서 m은 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)의 자화 방향이다. x 방향으로 정렬된 m의 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)의 경우, z-spin 분극을 갖는 스핀 전류가 생성된다. 이것은 상부 수직 자화 강자성층의 수직 자화의 외부자기장 없는 스핀궤도 토크 스위칭을 가능하게 한다.
우리는 추가적인 연구를 통하여 하부 수평자화 강자성층 및 비자성 중금속층의 재질 또는 두께에 따른 무자기장 스위칭 발현 여부를 조사하였다.
특히, 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)의 자화 방향에 따라 스위칭 방향이 변화하여, 외부 자기장 환경 하에서 스위칭 안정성이 저하된다. 따라서, 외부 자기장 환경에 대하여 안정적 스위칭 특성을 가지는 자기 소자가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는 무자기장 스핀-궤도 토크(field free Spin Orbit Torque) 자기 소자를 제공한다. 상기 자기 소자는 스핀홀 효과를 제공하는 비자성 중금속층, 상기 비자성 중금속층 상에 배치되고 수직 자화된 자유 강자성층, 상기 비자성 중금속층 하부에 배치된 면내 자화된 강자성층, 및 상기 면내 자화된 강자성층 하부에 배치된 면내 자화된 반강자성층을 포함한다. 상기 자기 소자는 상기 면내 자화된 반강자성층에 의하여 상기 면내 자화된 강자성층의 재질 및 상기 비자성 중금속층의 재질 및 두께에 의존하지 않고 외부 자기장없이 상기 자유 강자성층의 자화반전을 유도할 수 있다. 또한, 상기 반강자성층은 상기 면내 자화된 강자성층을 특정방향으로 확실히 고정하여 외부 자기장에 따른 스위칭 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다.
우리는 수평자화 강자성층/Ta/수직 자화 강자성층의 삼중층 구조에서 Ta의 두께에 따른 스핀-궤도 토크(Spin Orbit Torque; SOT)를 조사하였다. Ta의 두께가 1.5 nm인 경우, 수직 자화 강자성층에 인가되는 스핀-궤도 토크(SOT)의 부호는 수평자화 강자성층에 의존한다. 스핀-궤도 토크(SOT)의 부호는 수평자화 강자성층으로 NiFe에 대해 양의 값이다. 한편, 스핀-궤도 토크(SOT)의 부호는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB에 대해서는 음수 값이다.
Ta 두께가 증가하면, 수평자화 강자성의 두께에 관계없이 스핀-궤도 토크(SOT)의 부호가 음수이다. 이것은 스핀-궤도 토크(SOT)가 음의 스핀 홀 각도를 갖는 Ta에 의해 지배된다는 것을 나타낸다.
우리는 수평자화 강자성층(CoFeB) 또는 수평 자화 강자성층(CoFeB)/Ta 계면에서 생성된 스핀 궤도 토크(SOT)가 지배적인 두께 범위에서 면내 외부 자기장없이 스핀 궤도 토크- 유도 스위칭(SOT-induced switching)을 관찰했다. 한편, 수평자화 강자성층(CoFeB)/Ta/수직 자화 강자성층의 삼층 구조는 면내 외부 자기장없이 스핀 궤도 토크- 유도 스위칭(SOT-induced switching)을 수행하나, 과거에 인가된 외부 자기장에 의존적인 스위칭을 제공하여, 안정적인 동작을 수행할 수 없다. 한편, 수평자화 강자성층(NiFe)/Ta/수직 자화 강자성층의 삼층 구조는 면내 외부 자기장없이 스핀 궤도 토크- 유도 스위칭(SOT-induced switching)을 수행하지 못한다.
우리는 반강자성층/수평자화 강자성층(CoFeB)/Ta/수직 자화 강자성층의 사층 구조에서 과거에 인가된 외부 자기장에 의존하지 않는 무자기장 스위칭을 발견하였다. 이러한 구조는 과거에 인가된 외부 자기장에 관계없이 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 또한, 본 실험에서, 상기 비자성 중금속층은 Ta을 사용하였으나, Ti, Pt 또는 W로 변경될 수 있다.
우리는 반강자성층/수평자화 강자성층(NiFe)/Ta/수직 자화 강자성층의 사층 구조에서 과거에 인가된 외부 자기장에 의존하지 않는 무자기장 스위칭을 발견하였다.
우리의 결과는 수평자화 강자성층/비자성 중금속층의 적절한 조합과 소재 두께의 적절한 설계는 스핀궤도 토크 효율을 향상시키고 외부자기장 없이 SOT 스위칭을 달성할 수 있음을 보여준다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)/Ta/상부 수직 자화 강자성층(CoFeB)의 자기 3중층에서 소정의 조건에서만 외부자기장 없는 스핀궤도 토크 스위칭이 발견되었다. 예를 들어, 하부 수평자화 강자성층이 NiFe이고 면내 자기 이방성을 가진 경우, 외부자기장 없는 스핀궤도 토크 스위칭이 발현되지 않는다. 또한, 하부 수평자화 강자성층(CoFeB)/Ta/상부 수직자화 강자성층(CoFeB) 구조에서, 하부 수평자화 강자성층이 CoFeB인 경우, Ta의 두께가 1.5 nm 내지 3nm 인 경우에만, 외부자기장 없는 스핀궤도 토크 스위칭이 발현되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, Ti는 Ta 보다 낮은 전기 전도도를 가지며, 낮은 스핀홀 앵글을 가진다. 따라서, 비자성 중금속층은 Ta을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
우리는 Ta에서 스핀홀 효과에 의해 생성된 스핀 전류가 계면에서 생성된 스핀 전류와 결합될 수 있는 하부 수평 자화 강자성층/Ta/상부 수직 자화 강자성층의 삼중층 구조의 스핀궤도토크를 조사하였다. 우리는 다양한 Ta 두께를 사용하여 스핀 궤도 토크에 의해 유도된 유효 자기장과 다양한 Ta 두께로 자화 스위칭의 측정을 수행하였다.
우리는 얇은 Ta 층을 가진 샘플에 대해 두 가지 흥미로운 점을 관찰하였다. 먼저, 스핀궤도토크의 부호는 하부 수평 자화 강자성층에 의해 결정된다. 스핀궤도토크의 부호는 하부 수평 자화 강자성층으로 NiFe에 대해서는 양이고, 하부 수평 자화 강자성층으로 CoFeB에 대해서는 음이다. 둘째, 스핀궤도토크에 의한 스위칭은 특정 조건에서 면내 외부 자기장없이 달성될 수 있다. 이 결과는 하부 수평 자화 강자성층/Ta 이중층의 계면에서 생성된 스핀 전류가 얇은 Ta 층을 가진 샘플의 스핀궤도 토크를 지배한다는 것을 보여준다.
반면에, Ta 두께가 증가함에 따라 SOT의 부호는 하부 수평 자화 강자성층에 관계없이 음의 값을 가지며, 이는 음의 스핀 홀 각도를 갖는 Ta에 의해 결정된다. 이는 3 층 구조의 SOT가 비자성 중금속층(Ta)의 스핀홀효과와 하부 수평 자화 강자성층/중금속층(Ta) 이중층의 계면에서 생성된 스핀 전류의 두 가지 기여로 구성된다는 것을 보여 준다. 하부 수평 자화 강자성층/비자성 중금속층(Ta) 조합 및 재료 두께의 적절한 선택이 SOT 효율을 높이고 무자기장 SOT 스위칭을 유도한다.
구체적으로, 하부 수평 자화 강자성층/Ta/상부 수직 자화 강자성층의 삼중층 구조에서, 하부 수평 자화 강자성층이 5nm의 CoFeB이고, Ta이 1nm이하이거나 4nm 이상이고, 그리고 상부 수직 자화 강자성층이 1nm의 수직 자화된 CoFeB 인 경우, 무자기장 스위칭이 수행되지 않는다. 하지만, Ta의 두께가 1.5nm, 2nm, 및 3nm인 경우에만, 무자기장 스위칭(field-free switching)이 수행된다. 한편, 상부 수직 자화 강자성층(CoFeB) 하부에 반강자성층(IrMn)이 배치된 경우, Ta의 두께가 3nm 이하인 경우, Ta의 두께에 상관없이, 무자기장 스위칭(field-free switching)이 수행된다.
또한, 하부 수평 자화 강자성층/Ta/상부 수직 자화 강자성층의 삼중층 구조에서, 하부 수평 자화 강자성층이 5nm의 NiFe이고, Ta이 1nm 내지 6nm이고, 그리고 상부 수직 자화 강자성층이 1nm의 수직 자화된 CoFeB 인 경우, 무자기장 스위칭이 수행되지 않는다. 그러나, 상부 수직 자화 강자성층(NiFe) 하부에 반강자성층(IrMn)이 배치된 경우, Ta이 1nm 내지 3nm인 경우, 무자기장 스위칭(field-free switching)이 수행된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 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 제공되어지는 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 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 자기 소자(100)는, 제1 방향(x축 방향)으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(y축 방향)으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류(I)를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 도전층(120)의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 및 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130)을 포함한다. 상기 자기 소자(100)는 스핀-궤도 토크 자기 메모리 소자일 수 있다. 스핀-궤도 토크 자기 메모리 소자는 고속 스위칭 및 스핀 전달 토크 스위칭시 발생하는 터널 절연층(140)의 손상을 제거하여 소자 신뢰성을 상승시킬 수 있다.
기판은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 기판 상에 시드층(seed layer)이 배치될 수 있다. 상기 시드층은 Ta일 수 있다. 상기 시드층은 상기 기판과 상기 수평 자화 강자성층의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
수평 자화 강자성층(110)은 상기 시드층 상에 배치될 수 있다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 면내 자기 이방성을 가지고 면내 방향으로 자화될 수 있다. 구체적으로, 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 제1 방향으로 자화될 수 있다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 CoFeB일 수 있다.
비자성 중금속층(120)은 상기 수평 자화 강자성층(110) 상에 배치되고 상기 수평 자화 강자성층(110)과 정렬되어 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다. 상기 바자성 중금속층(120)은 Ta일 수 있다. 상기 비자성 중금속층(120)의 두께(tTa)는 1nm 초과 4 nm 미만일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 비자성 중금속층(120)의 두께(tTa)는 1.5nm 이상 3nm 이하일 수 있다.
수직 자화 강자성층(130)은 수직 자기 이방성을 가지고 배치평면에 수직하게 자화될 수 있다. 상기 수직 자화 강자성층(130)은 상기 면내 전류(I)에 의하여 자화 반전을 통하여 스위칭될 수 있다. 상기 수직 자화 강자성층(130)은 자기터널접합(101)의 자유층으로 동작할 수 있다. 상기 수직 자화 강자성층(130)은 CoFeB일 수 있다.
자기터널접합(101)은 차례로 적층된 상기 수직 자화 강자성층(130), 터널 절연층(140), 및 고정층(150)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널 접합(101)은 상기 수직 자화 강자성층(130)의 자화 방향에 따른 자기 저항의 차이를 제공할 수 있다.
터널 절연층(140)은 상기 수직 자화 강자성층(130) 상에 적층되어 터널링에 의하여 전류를 흘릴 수 있다. 상기 터널 절연층(140)은 MgO일 수 있다.
고정층(150)은 수직자기 이방성을 가지고 상기 터널 절연층(140) 상에 적층될 수 있다. 상기 고정층(150)의 자화 방향은 상기 터널 자기 접합(101)을 통하여 흐르는 전류에 의하여 스위칭되지 않고 고정될 수 있다.
보호층(106)은 상기 고정층(150) 상에 배치되어 전기 배선에 연결될 수 있다. 상기 보호층106)은 Ta일 수 있다.
상기 비자성 중금속층(120) 및 상기 수평 자화 강자성층(110)은 면내 전류가 흐르는 도선일 수 있다. 상기 비자성 중금속층(120) 및 상기 수평 자화 강자성층(110)의 양단은 각각 제1 단자(N1)와 제2 단자(N2)에 연결될 수 있다.
출력 단자(Nout)은 보호층(106)을 통하여 상기 자기터널접합(101)의 자기 저항을 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 자화 강자서층의 자화 상태에 따른 데이터를 검출할 수 있다.
상기 비자성 중금속층(120)의 전기 전도도가 상기 수평 자화 강자성층(110)보다 큰 경우, 상기 면내 전류(I)는 주로 상기 비자성 중금속층(120)으로 흐를 수 있다. 상기 면내 전류(I)는 박막의 배치 평면에 수직한 제3 방향으로 흐르는 스핀 전류(Ispin)를 생성할 수 있다. 또한, 상기 스핀 전류(Ispin)는 상기 수평 강자성층(110)과 상기 비자성 도전층(120) 사이의 계면에서도 발생할 수 있고, 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향 성분의 스핀 분극을 가질 수 있다. 상기 비자성 중금속층(120)은 Ta이고, 상기 수평 자화 강자성층(110)은 CoFeB이고, 상기 비자성 중금속층(110)의 두께는 1.0 nm 초과 4 nm 미만인 경우, 상기 수직 자화 강자성층(130)은 외부 자기장 없이 자화반전 또는 자화 스위칭을 수행할 수 있다.
[ 하부 수평 자화 강자성층/Ta/상부 수직 자화 강자성층(CoFeB)의 삼중 층의 스핀-궤도 토크]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 자기 소자(200)는 시드층/수평 자화 강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막/보호층을 포함할 수 있다. 상기 시드층/수평 자화 강자성층/비자성 중금속층은 홀 전압(Hall Votage)을 측정하기 위하여 홀 바 패턴(Hall bar pattern)일 수 있다. 수직자화 강자성층/터널절연막/보호층은 상기 홀 바 패턴 상에 기둥 형태로 배치될 수 있다. 제1 단자 및 제2 단자는 상기 홀 바 패턴의 제1 방향에 면내 전류(I)를 제공할 수 있다.
자기 소자(200)는 자기 소자의 홀 전압 특성을 측정하기 위하여 제2 방향에 제3 단자(N3) 및 제4 단자(N4)를 포함할 수 있다.
시드층(112)은 기판 상에 시드층(112)이 배치된다. 상기 시드층(112)은 Ta(5 nm)이다. 자기 소자(200)는 수평 자화 강자성층/비자성 중금속층/수직 자화 강자성층의 3중층 구조가 상기 시드층(112) 상에 배치될 수 있다.
제1 자기 소자 샘플은 Ta(5 nm)/CoFeB(4nm)/Ta(tTa)/CoFeB (1.0 nm)/MgO (3.2 nm)/Ta(2nm)를 포함할 수 있다. 제2 자기 소자 샘플은 Ta(5 nm)/NiFe(4nm)/Ta(tTa)/CoFeB (1.0 nm)/MgO (3.2 nm)/Ta(2nm)를 포함할 수 있다.
Ta 두께(tTa)는 1.0 nm 내지 6.0 nm 범위이다. 수평 자화 강자성층(110)은 제1 방향으로 면내 자화된 CoFeB 또는 NiFe이다.
제1 자기 소자 샘플 및 제2 자기 소자 샘플은 수평 자화 강자성층(110)을 제외하고 동일한 재료 및 구조를 공유한다. 제1 자기 소자 샘플은 수평 자화 강자성층(110)의 재질에 따라 CoFeB 샘플로 명명된다. 제2 자기 소자 샘플은 수평 자화 강자성층(110)의 재질에 따라 NiFe 샘플로 명명된다.
우선, 제1 자기 소자 샘플(CoFeB 샘플) 및 제2 자기 소자 샘플(NiFe 샘플)의 히스테리시스 루프를 측정하기 위해, 수직 자기장 (Bz) 또는 면내 자기장 (Bx, By)을 사용하여 각 층의 자기 이방성이 확인되었다.
도 3a는 도 2a의 자기 소자에서 수직 자기장(Bz)에 따른 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 3b는 도 2a의 자기 소자에서 면내 자기장 (Bx, By)에 따른 CoFeB 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 3c는 도 2a의 자기 소자에서 면내 자기장 (Bx, By)에 따른 NiFe 샘플의 히스테리시스 루프를 나타낸다.
도 3a를 참조하면, CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에서, 수직 자화 강자성층(CoFeB)은 수평 자화 강자성층의 존재 여부에 관계없이 수직 자기 이방성 (perpendicular magnetic anisotropy; PMA)을 갖는다. 한편, 수평 자화 강자성층은 면내 자기 이방성을 나타낸다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 외부 면내 자기장 Bx 또는 By 각각에 대하여 수평 자화 강자성층으로 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 히스테리시스 루프가 표시된다. 히스테리시스 루프는 수평 자화 강자성층의 자화 용이축이 x 축 방향에 있음을 나타낸다. 이는 수평 자화 강자성층의 증착 및 포스트-어닐링 공정 동안 인가된 자기장에 의하여 유도된다. CoFeB 샘플은 NiFe 샘플보다 히스테리시스 루프의 Bx 대 정사각성(squareness)이 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 샘플의 무자기장 SOT 스위칭 특성에 차이를 만든다.
우리는 SOT의 크기와 부호를 평가하기 위하여 고조파 홀 전압 측정(Harmonic Hall voltage measurements)을 수행하여 수평 자화 강자성층/비자성 중금속층/수직 자화 강자성층의 3중층 구조의 SOT를 조사하였다.
도 4a는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 1차 고조파 홀 전압( First Harmonic Hall voltage; V1ω)를 나타낸다.
도 4b는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4c는 수평 자화 강자성층으로 CoFeB을 사용한 CoFeB 샘플에서 외부 자기장(By)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4d는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 1차 고조파 홀 전압( First Harmonic Hall voltage; V1ω)를 나타낸다.
도 4e는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(Bx)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4f는 수평 자화 강자성층으로 NiFe을 사용한 NiFe 샘플에서 외부 자기장(By)에 따른 2차 고조파 홀 전압( Second Harmonic Hall voltage; V2ω)를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 1 nm 내지 6 nm의 Ta 두께의 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 면내 자기장 (Bx 또는 By)의 함수로서의 1차 고조파 홀 전압 (V1ω) 및 2차 고조파 홀 전압(V2ω)이 표시된다.
우리는 전류 방향(x축 방향)에 종 방향(x축)과 수직 방향(y축)의 자기장에 대하여 측정을 수행하였다. 종방향 자기장(Bx)은 댐핑-라이크 SOT(damping-like SOT)에 관련되고, 수직 방향 자기장(By)는 필드-라이크 SOT(field-like SOT)에 관련된다.
우리는 자유층으로 사용되는 수직자화 강자성층(CoFeB)에 가해지는 SOT가 관심의 대상이기 때문에, 수평 자화 강자성층의 V1ω 및 V2ω에 대한 기여를 제거한다. V1ω는 Bx 또는 By의 약간의 평면외 성분(out of plane component)에 의해 발생된 상기 수평 자화 강자성층의 비정상적인 홀 전압(anomalous Hall voltage)을 차감함으로써 보정된다.
또한, V2ω는 수직 온도 구배(vertical temperature gradient)에 의해 유도된 상기 수평 자화 강자성층의 비정상 Nernst 전압을 제거함으로써 수정된다. 비정상 Nernst 전압은 SOT와 관련이 없다.
도 4a 및 도 4d를 참조하면, 각각 상이한 Ta 두께(tTa)를 갖는 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 V1ω의 값이 표시된다. 이 값들은 Ta 층을 통하여 흐르는 전류의 증가 때문에 Ta 두께(tTa)의 증가와 함께 점차적으로 감소한다. CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플의 V1ω의 값은 Ta 두께(tTa)에 대한 유사한 의존성을 나타낸다.
도 4b와 도 4c를 참조하면, V2ω는 수평 자화 강자성층에 따라 상이한 두께 거동을 나타낸다. V2ω가 CoFeB 샘플에 대한 Bx와 By의 함수임을 보여 준다. V2ω는 다른 Ta 두께(tTa)를 갖는 모든 CoFeB 샘플에 대해 동일한 부호를 유지함을 보여준다.
수평 자화 강자성층/Ta/수직 자화 강자성층(CoFeB)의 3 중층 구조에서, SOT의 두 소스가 있다. 하나의 소스는 비자성 중금속층인 Ta에서 생성된 스핀 홀 효과(SHE)에서 생성된 스핀 전류가 있다. 또한, 다른 소스는 수평 자화 강자성층/비자성 중금속층의 계면에서 생성된 스핀 전류가 있다.
수평 자화 강자성층/비자성 중금속층의 계면에서 생성된 스핀 전류는 얇은 비자성 중금속층인 경우 지배적이다. 한편, 비자성 중금속층에서 생성된 스핀 홀 효과(SHE)는 두꺼운 비자성 중금속층인 경우 지배적이다.
따라서 CoFeB 샘플에서, V2ω의 부호는 CoFeB/Ta 계면에서 발생하는 SOT의 부호가 Ta 층의 부호와 동일하다는 것을 제시한다.
도 4e 및 도 4f를 참조하면, 대조적으로, 우리는 NiFe 샘플에 대한 V2ω의 부호가 Ta 두께(tTa)가 증가함에 따라 변한다는 것을 관찰하였다. 1nm의 Ta 두께(tTa)에 대해, V2ω는 양의 부호를 나타낸다. 그러나 부호는 Ta 두께(tTa)의 더 두꺼운 값에 대해 음이 된다. 이 부호 반전은 NiFe/Ta 계면에서 생성된 SOT가 Ta의 부호와 반대의 부호를 가지고 있음을 보여준다.
NiFe 샘플 및 CoFeB 샘플는 모두 SOT가 Ta 층에 의해 지배되는 두꺼운 Ta 두께(tTa)에 대해 유사한 V2ω를 보여준다.
정량 분석을 위해, 우리는 ±0.1 Tesla 사이의 좁은 자기장 영역에서 V1ω와 V2ω 데이터를 사용하여 SOT 유도 유효 필드(SOT-induced effective field), 댐핑-라이크 유효 필드(Dampling-like effective field; BDL) 및 필드-라이크 유효 필드(field-like effective field; BFL)를 계산한다. 여기에서, 평면 홀 효과(planar Hall effect) 및 열 효과(thermal effect)가 고려되었다.
도 5a 및 도 5b은 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 Ta 두께(tTa)의 함수로서 댐핑-라이크 유효 필드(-BDL) 및 필드-라이크 유효 필드(-BFL)을 각각 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 두께가 다른 샘플 사이의 비교를 허용하기 위해, 댐핑-라이크 유효 필드(BDL) 및 필드-라이크 유효 필드(BFL)은 1 x 108 A/cm2의 전류 밀도(J)로 정규화(normalization)된다. -BDL 및 -BFL은 Ta 두께(tTa)가 약 3nm까지 증가하고 그 이후에 감소하기 시작한다.
수평 자화 강자성층/Ta/수직 자화 강자성층(CoFeB)의 3 중층 구조에서 SOT의 두께 의존성은 스핀홀효과(SHE) 및 Ta 두께(tTa)의 스핀 확산 길이에 의존한다.
NiFe 샘플의 -BDL 및 -BFL의 경우, Ta 두께(tTa)가 1.5 nm보다 작으면 부호가 반전된다. 얇은 Ta를 갖는 수평자화 강자성층/Ta/CoFeB 구조에서, SOT는 수평자화 강자성층/Ta의 계면 생성 스핀 전류(interface-generated spin current)에 의해 지배된다.
[수직 자화의 전류-유도 스위칭]
수평 자화 강자성층/Ta/수직 자화 강자성층(CoFeB)의 3층 구조에서 계면 생성 스핀 전류(interface-generated spin current)의 스핀 분극의 방향을 조사하기 위해, SOT 유도 자화 스위칭 실험(SOT-induced magnetization switching experiments)이 수행되었다. SOT 유도 자화 스위칭 실험에서, 20μs의 펄스 전류(Ipulse)를 스위핑하면서, 자화 방향이 비정상 홀 저항(anomalous Hall resistance; RH)에 의해 검출되었다.
도 6a 및 도 6b은 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플에 대한 Ta 두께(tTa)의 함수로써 SOT-유도 자화 스위칭을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, SOT의 두께 의존성을 확인하기 위해, Bx = + 50 mT에서 Ta 두께(tTa)에 따라 CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플의 SOT-유도 스위칭을 테스트한다.
도 6a 및 도 6b는 CoFeB 샘플이 Ta 두께(tTa)의 값에 관계없이 동일한 스위칭 극성을 나타냄을 보여준다. 양 전류는 + z 방향의 자화를 유도한다, 음 전류는 -z 방향의 자화를 유도한다.
하지만 NiFe 샘플은 스위칭 극성의 두께 의존성을 나타낸다. 1 nm의 Ta 두께(tTa)를 갖는 NiFe 샘플은 더 두꺼운 Ta 두께(tTa)를 갖는 샘플에 비하여 반대 스위칭 극성을 나타낸다.
또한, CoFeB 샘플 및 NiFe 샘플의 스위칭 전류는 1.5 ~ 2 nm의 Ta 두께(tTa)에서 가장 작으며, Ta 두께(tTa)의 증가 또는 감소에 따라 증가한다. 따라서 스위칭 전류와 Ta 두께(tTa)의 전반적인 추세는 BDL과 정성적으로 일치한다. 하지만 최대 스위칭 효율 (또는 최소 스위칭 전류)에 대한 Ta 두께(tTa)는 가장 큰 BDL의 Ta 두께(tTa)보다 약간 작다.
그러나, 고조파 측정에서 추출된 BDL은 y 축 스핀 분극의 스핀 전류에 의해 유도된 SOT 만 포함한다. 따라서, 수평 자화 강자성층/Ta 계면에서 생성된 z- 스핀 분극의 스핀 전류가 있음을 나타낸다. 그러나 계면 생성 스핀 전류(interface-generated spin current)가 무시할 수 없는 z- 스핀 분극을 가지면, 수직 자화에 앤티-댐핑 토크(anti-damping torque)를 인가한다. 계면 생성 스핀 전류(interface-generated spin current)는 Ta 층이 얇은 샘플의 스위칭 전류를 감소시킨다.
우리는 수평자화 강자성층/Ta/수직 자화 강자성층 샘플에 대해 무자기장 스위칭을 테스트하였다. z- 스핀 분극을 갖는 충분한 스핀 전류는 외부 면내 자기장없이 SOT 유도 디터미스틱(determistic) 스위칭을 달성 할 수 있다. 스위칭 실험을 수행하기 전에 수평 자화 강자성층의 자화는 +x 방향으로 초기화되었다.
도 7a는 1.5 nm의 Ta 두께(tTa)를 갖는 CoFeB 샘플의 스위칭 곡선으로 디터미스틱(determistic) SOT 유도 자화 스위칭을 보여준다.
도 7a을 참조하면, 우리는 수평 자화 강자성층(CoFeB)의 자화 방향이 -x 방향으로 바뀔 때 스위칭 극성이 반전됨을 관찰하였다. 이것은 계면 생성 스핀 전류의 스핀 분극이 수평 자화 강자성층의 면내 자화 방향에 의해 결정된다는 것을 보여 준다.
무자기장 스위칭(field-free switching)은 Ta 두께(tTa)가 1.5nm, 2.0nm 및 3.0nm 인 CoFeB 샘플에서는 성공적이다. 하지만 Ta 두께(tTa)의 다른 값을 가진 CoFeB 샘플에는, 무자기장 스위칭(field-free switching)이 발생하지 않는다. 무자기장 스위칭은 Ta 두께(tTa)의 일정 범위에서만 발생한다. 이것은 CoFeB/Ta 이중층에서 발생한 상당한 양의 계면 생성 스핀 전류가 Ta에서 발생한 SHE와 결합된다는 것을 보여준다.
도 7b는 1.5 nm의 Ta 두께(tTa)를 갖는 NiFe 샘플의 스위칭 곡선을 보여준다.
도 7b를 참조하면, 대조적으로 NiFe 샘플은 Ta 두께(tTa)의 값에 대해 무자기장(field-free) 스위칭을 나타내지 않는다. 이것은 면내 자기장이 없으면 NiFe/Ta 계면은 수직자화 강자성층(CoFeB)의 자화를 스위칭하기에 충분한 z-스핀 분극을 생성하지 않는다는 것을 나타낸다.
NiFe 샘플에서 무기자강 스위칭이 이루어지지 않는 이유는 NiFe 층의 낮은 잔류 자화(remanent magnetization)가 주요한 원인으로 생각된다. NiFe층의 경우, 외부 자기장이 없으면, NiFe층의 자화는 x- 방향에 완전히 정렬되지 않는다. 결과적으로 생성된 z-스핀 분극은 감소한다.
결론적으로, 무자기장 스위칭을 위하여, 수평자화 강자성층의 잔류 자화(remanent magnetization)가 커야한다.
이 시나리오를 검증하기 위해 NiFe 층 아래에 반강자성층(IrMn)을 삽입하는 추가 실험을 수행했다.
도 7c는 IrMn/NiFe/Ta(1.5nm)/CoFeB 구조의 NiFe 샘플에서 면내 자기장(Bx, By)에 대한 히스테리시스 커브를 나타낸다.
도 7d는 50 mT의 외부 자기장(Bx)과 외부자기장이 없는 경우에 IrMn/NiFe/Ta(1.5nm)/CoFeB 구조의 NiFe 샘플의 SOT-유도 자화 스위칭 곡선을 보여준다.
도 7c를 참조하면, 반강자성층(IrMn)의 교환 바이어스가 NiFe층의 x- 방향을 따른 히스테리시스 곡선의 변화를 유도한다. 반강자성층(IrMn)의 교환 바이어스는 포화 자화와 동일한 완전 잔류 자화를 유도한다.
도 7d를 참조하면, 면내 외부 자기장(Bx= 50mT)을 사용하거나 사용하지 않고, SOT-유도 자화 스위칭 실험이 수행되었다. 50 mT의 x축 방향의 외부 자기장이 전류 방향에 가해지면, 수직자화 강자성층(CoFeB)의 자화는 반시계 방향 극성에 의해 완전히 스위칭된다. 수직자화 강자성층(CoFeB)의 자화는 반강자성층(IrMn)이 없는 NiFe 샘플의 극성 스위칭과 일치한다.
우리는 자화 스위칭이 외부 자기장없이 달성되지만 반대 극성의 스위칭을 갖는 것을 관찰한다. 결과적으로, 전류 방향을 따르는 자화의 정렬은 z- 스핀 분극을 증가시켜 무자기장 스위칭을 가능하게 한다. 50mT의 외부 자기장을 갖는 자기장 보다 자기장이 0 인 무자기장 스위칭에 대해 비정상 홀 저항(anomalous Hall resistance; RH)의 값이 더 크다.
도 8은 CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)에 따른 자화 스위칭 특성을 나타낸다.
도 8을 참조하면, CoFeB 샘플은 시드층/수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, CoFeB 샘플은 Ta/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO 구조이다. 비자성 중금속층(Ta)의 두께에 따라, 1.5nm, 2.0nm, 및 3.0nm에서 무자기장 스위칭이 발견된다.
도 9는 NiFe 샘플에서 Ta 두께(tTa)에 따른 자화스위칭 특성을 나타낸다.
도 9을 참조하면, NiFe 샘플은 시드층/수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, NiFe 샘플은 Ta/NiFe/Ta/CoFeB/MgO 구조이다. Ta 두께(tTa)에 따른 무자기장 스위칭이 발견되지 않는다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 소자 샘플들에서 비자성 중금속층의 두께에 따른 무자기장 스위칭 특성을 나타낸다.
도 10을 참조하면, CoFeB 샘플은 수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, CoFeB 샘플은 CoFeB/Ta/CoFeB/MgO 이다. CoFeB 샘플은 Ta 두께(tTa)가 1.5 nm, 2 nm, 및 3 nm인 경우, 무자기장 스위칭 특성을 보인다.
NiFe 샘플은 수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, NiFeB 샘플은 NiFe/Ta/CoFeB/MgO이다. NiFe 샘플은 모든 Ta 두께(tTa)에서 무자기장 스위칭 특성을 보이지 않는다.
IrMn/CoFeB 샘플은 반강자성층/수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, IrMn/CoFeB 샘플은 IrMn/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO이다. IrMn/ CoFeB 샘플은 Ta 두께(tTa)가 1 nm, 1.5 nm, 및 2 nm인 경우, 무자기장 스위칭 특성을 보인다. 우리는 Ta 두께(tTa)가 3 nm 이상에서는, 스위칭 특성을 조사하지 않았다.
IrMn/NiFe 샘플은 반강자성층/수평자화강자성층/비자성 중금속층/수직자화 강자성층/터널절연막 구조이다. 구체적으로, IrMn/NiFe 샘플은 IrMn/NiFe/Ta/CoFeB/MgO이다. IrMn/NiFe 샘플은 1 nm, 1.5 nm, 및 2 nm인 경우, 무자기장 스위칭 특성을 보인다. 우리는 Ta 두께(tTa)가 3 nm 이상에서는, 스위칭 특성을 조사하지 않았다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반강자성층으로 IrMn이 사용되었으나, 반강자성층은 FeMn, PtMn, NiO와 같은 다른 반강자성 물질로 대체될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비자성 중금속층으로 Ta이 사용되었으나, 비자성 중금속층으로 Ti, Pt, W 등으로 대체될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평자화 강자성층으로 CoFeB 또는 NiFe이 사용되었으나, 수평자화 강자성층은 면내 자기 이방성을 가진 다른 강자성체로 대체될 수 있다.
도 11은 CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 11을 참조하면, CoFeB 샘플은 CoFeB(4nm)/Ta/CoFeB(1nm)/MgO(3.2nm)/Ta(2nm) 이다. 외부 자기장(Bx)은 양의 x축 방향으로 50 mT을 인가하고 쓰기 전류를 통하여 비정상 홀 저항을 측정한다. 이어서, 외부 자기장(Bx)을 제거한 상태에서, 쓰기 전류를 통하여 비정상 홀 저항을 측정한다.
이후, 외부 자기장(Bx)은 음의 축 방향으로 －50mT를 인가하고 쓰기 전류를 통하여 비정상 홀 저항을 측정한다. 이어서, 외부 자기장(Bx)을 제거한 상태에서, 쓰기 전류를 통하여 비정상 홀 저항을 측정한다.
이러한 외부 자기장(Bx)이 교번하여 인가된다.
매 시퀀스마다, 40 mA의 쓰기 전류를 비자성 중금속층의 연장 방향으로 인가한다. 40 mA는 수직자화 강자성층을 +Mz 상태로 스위칭하는 임계 전류 값 이상이다.
수직자화 강자성층(CoFeB(1nm))의 자화 상태를 검출하기 위하여, 비정상 홀 저항(RH)이 측정되었다. 양의 홀 저항은 수직자화 강자성층이 +Mz 상태로 자화된 것을 나타낸다. 한편, 음의 홀 저항은 수직자화 강자성층이 -Mz 상태로 자화된 것을 나타낸다.
－50 mT의 외부 자기장(Bx)이 인가된 상태에서, 40 mA의 쓰기 전류는 수직자화 강자성층을 +Mz 상태로 스위칭하여야 양의 비정상 홀 저항(RH) 값을 제공하여야한다. 그러나, 수평자화 강자성층(CoFeB(1nm))은 －50 mT의 외부 자기장(Bx)에 자화되어, -x축 방향으로 정렬되어, 수직자화 강자성층은 －Mz 상태로 스위칭된다.
외부 자기장(Bx)이 제거된 상태에서, 40 mA의 쓰기 전류는 수직자화 강자성층을 +Mz 상태로 스위칭하여야 양의 비정상 홀 저항(RH) 값을 제공하여야한다. 그러나, 측정 결과, 비정상 홀 저항(RH) 값은 음을 가지며, 수직자화 강자성층은 -Mz 상태로 스위칭되어 오동작한다. 즉, 외부 자기장 제거 전에 인가해준 외부 자기장의 방향에 따라 자화반전 방향이 바뀐다.
이전에 인가한 외부 자기장은 추후의 쓰기 동작시 오동작 시키는 문제점을 해결하기 위하여, 반강자성층은 수평 자화 강자성층에 이웃하게 배치되어 상기 수평 자화 강자성층에 의한 스위칭 오동작을 제거한다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 자기 소자(300)는, 제1 방향(x축 방향)으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(y축 방향)으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류(I)를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층(120)의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층(120)의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 반강자성층(190)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 반강자성층(190)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치된다.
스핀 전류(Ispin)는 상기 면내 전류(I)에 의하여 상기 수평 강자성층(110)과 상기 비자성 도전층(120) 사이의 계면에서 발생한다. 상기 스핀 전류(Ispin)는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향(z축)으로 흐르고, 상기 스핀 전류(Ispin)는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향 성분의 스핀 분극을 가진다.
상기 반강자성층(190)은 상기 수평 자화 강자성층을 특정한 면내 방향으로 확실히 고정한다. 상기 반강자성층(190)은 면내 자화방향을 가질 수 있다. 이에 따라, 무자기장 스위칭시, 스위칭 방향이 고정된다.
상기 반강자성층(190)의 교환 바이어스가 상기 수평 자화 강자성층(110)의 자화 방향을 고정하기 위하여, 상기 반강자성층(190)의 두께는 12 nm 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 반강자성층(190)가 IrMn인 경우, 12nm 이상일 수 있다.
도 13a은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bx)에 따른 자기 히스테리시스를 나타낸다.
도 13b은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bz)에 따른 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 13c은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 면내 전류(I)에 따른 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 자기 소자는 시드층/반강자성층/수평자화강자성층/비자성중금속층/수직자화강자성층/터널절연막을 포함할 수 있다. 구체적으로, 자기 소자는 IrMn/CoFeB 샘플일 수 있다. 자기 소자는 Ta/IrMn/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO 일 수 있다.
도 13a를 참조하면, 히스테리시스 루프가 좌측이동 오프셋되어 있어, 외부 자기장(Bx)가 영인 경우에도, 상기 수평자화강자성층은 포화자화에 근접한 잔류자화를 가진다.
도 13b를 참조하면, 외부 자기장(Bz)에 따라, 상기 수직자화강자성층(CoFeB)가 스위칭된다.
도 13c를 참조하면, 50 mT의 외부 자기장(Bx)이 인가된 상태에서 면내 전류에 따른 스위칭 극성은 －50 mT의 외부 자기장(Bx)이 인가된 상태와 반대이다.
한편, 50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 면내 전류에 따른 스위칭 극성은 -50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 스위칭 극성과 동일하다. 즉, 무자기장 하에서, 자화 반전 방향은 이전에 인가된 외부 자기장 방향과 무관한다. 따라서, 상기 자기 소자는 외부 자기장에 인가된 환경에 의존하지 않고 안정적인 스위칭을 수행할 수 있다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 1nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 1.5nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 IrMn/CoFeB 샘플에서 Ta 두께(tTa)가 2nm 인 경우, 면내 전류에 따른 비정상 홀 저항을 나타낸다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하면, IrMn/CoFeB 샘플은 IrMn(15)/CoFeB(4)/Ta(tTa)/CoFeB(1)/MgO 일 수 있다. 50mT의 외부 자기장(Bx)가 인가된 경우, 홀 저항 특성은 무자기장인 경우에 대비하여 반대 극성을 가진다. Ta 두께(tTa)가 증가함에 따라. 비정상 홀 저항(RH)은 감소한다.
도 15는 IrMn/CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 15를 참조하면, IrMn/CoFeB 샘플은 IrMn(15nm)/CoFeB(4nm)/Ta/CoFeB(1nm)/MgO(3.2nm)/Ta(2nm) 이다. 외부 자기장(Bx)은 양의 x축 방향으로 50 mT을 인가하고, 외부 자기장(Bx)을 제거한다. 이후, 외부 자기장(Bx)은 음의 축 방향으로 -50mT를 인가한다. 이러한 외부 자기장(Bx)이 교번하여 인가된다.
매 시퀀스마다, 40 mA의 쓰기 전류를 비자성 중금속층의 연장 방향으로 인가한다. 40 mA는 수직자화 강자성층을 +Mz 상태로 스위칭하는 임계 전류 값 이상이다.
수직자화 강자성층(CoFeB(1nm))의 자화 상태를 검출하기 위하여, 홀 저항(RH)이 측정되었다. 양의 홀 저항은 수직자화 강자성층이 +Mz 상태로 자화된 것을 나타낸다. 한편, 음의 홀 저항은 수직자화 강자성층이 -Mz 상태로 자화된 것을 나타낸다.
외부 자기장(Bx)이 제거된 상태에서, 40 mA의 쓰기 전류는 수직자화 강자성층을 +Mz 상태로 스위칭하여야 양의 홀 저항(RH) 값을 제공한다.
도 16은 IrMn/CoFeB 샘플의 쓰기 전류의 회수에 따른 외부 자기장, 홀 저항, 및 쓰기 전류를 나타내는 결과이다.
도 16을 참조하면, IrMn/CoFeB 샘플은 IrMn(15nm)/CoFeB(4nm)/Ta/CoFeB(1nm)/MgO(3.2nm)/Ta(2nm) 이다.
매 시퀀스마다, -40 mA의 쓰기 전류를 비자성 중금속층의 연장 방향으로 인가한다. -40 mA의 쓰기 전류는 수직자화 강자성층을 -Mz 상태로 스위칭하는 임계 전류 값 이상이다.
외부 자기장(Bx)이 제거된 상태에서, -40 mA의 쓰기 전류는 수직자화 강자성층을 -Mz 상태로 스위칭하여야 음의 홀 저항(RH) 값을 제공한다.
한편, 50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 면내 전류에 따른 스위칭 극성은 -50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 스위칭 극성과 동일하다. 즉, 무자기장 하에서, 자화 반전 방향은 이전에 인가된 외부 자기장 방향과 무관한다. 따라서, 상기 자기 소자는 외부 자기장에 인가된 환경에 의존하지 않고 안정적인 스위칭을 수행할 수 있다.
도 17a은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bx)에 따른 자기 히스테리시스를 나타낸다.
도 17b은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 외부 자기장 (Bz)에 따른 비정상 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 17c은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자의 면내 전류(I)에 따른 비정상 홀 저항(RH)를 나타낸다.
도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 자기 소자는 시드층/반강자성층/수평자화강자성층/비자성중금속층/수직자화강자성층/터널절연막을 포함할 수 있다. 구체적으로, 자기 소자는 IrMn/NiFe 샘플일 수 있다. 자기 소자는 Ta/IrMn/NiFe/Ta/CoFeB/MgO 일 수 있다.
도 17a를 참조하면, 히스테리시스 루프가 좌측이동 오프셋되어 있어, 외부 자기장(Bx)가 영인 경우에도, 상기 수평자화강자성층은 포화자화에 근접한 잔류자화를 가진다.
도 17b를 참조하면, 외부 자기장(Bz)에 따라, 상기 수직자화강자성층(CoFeB)가 스위칭된다.
도 17c를 참조하면, 50 mT의 외부 자기장(Bx)이 인가된 상태에서 면내 전류에 따른 스위칭 극성은 -50 mT의 외부 자기장(Bx)이 인가된 상태와 반대이다.
한편, 50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 면내 전류에 따른 스위칭 극성은 -50 mT의 외부 자기장(Bx)이 제거된 후 측정된 스위칭 극성과 동일하다. 즉, 무자기장 하에서, 자화 반전 방향은 이전에 인가된 외부 자기장 방향과 무관한다. 따라서, 상기 자기 소자는 외부 자기장에 인가된 환경에 의존하지 않고 안정적인 스위칭을 수행할 수 있다. 한편, 외부 자기장(Bx)가 제거된 경우, 비정상 홀 저항(RH)의 값이 증가한다.
[ 샘플 준비]
샘플 구조는 Ta (5nm) / FM (4nm) / Ta (tTa) / CoFeB (1.0nm) / MgO (3.2nm)로 구성었다. 여기서 Ta 층의 두께(tTa)는 1.0nm에서 6.0nm까지 다양하다. 수평 자화 강자성층(FM)은 면내 자화된 CoFeB 또는 NiFe이다. 각 층은 3.0 x 10-8 Torr의 압력 하에서 열산화 된 Si 기판 위에 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착된다. 증착 동안, 15 mT의 자기장이 수평 자화 강자성층의 면내 이방성을 정의하기 위해 적용되었다. 어닐링 공정은 진공 상태에서 섭씨 150 ℃에서 30 분 동안 수행되어 자유층으로 동작하는 CoFeB 층의 수직 자기 이방성을 향상시켰다. 이어서, 사각형 모양의 강자성 섬을 포함하는 홀 - 바 패턴 소자가 포토 리소그래피 및 Ar 이온-빔 에칭을 사용하여 제조되었다. 제작된 홀 바 소자는 5 μm 폭의 구성을 가지며 강자성 섬의 4 x 4 μm2 크기를 가진다.
[측정]
SOT에 의해 유도된 유효 자기장은 고조파 록인(lock-in) 기술을 사용하여 측정되었다. 50 Hz의 AC 전류를 갖는 제 1 및 제 2 고조파 홀 전압은 전류 방향에 대해 종 방향 (Bx) 또는 횡 (By) 방향으로 면내 외부 자기장을 스위핑하면서 동시에 측정되었다. 면내 자기장은 필름 평면으로부터 약간 기울어진 경사각 (2 ~ 40)을 가지므로 다중 도메인 형성을 방지한다. SOT 유도 스위칭 실험에서 20 μs의 전류 펄스를 적용하고 100 μA의 DC 전류로 비정상 홀 저항을 검출한다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 18을 참조하면, 자기 소자(300a)는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층(120)의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 반강자성층(190)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110a)은 상기 반강자성층(190)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치된다.
상기 비자성 중금속층(120)은 상기 제1 방향으로 연장된다. 상기 수평자화 강자성층(110) 및 상기 반강자성층(190)은 상기 비자성 중금속층(120)에 국부적으로 배치된다. 상기 수평자화 강자성층(110)은 상기 반강자성층(190)과 정렬될 수 있다.
또한, 상기 수직 자화 강자성층(130)은 상기 수평자화 강자성층(110) 및 상기 반강자성층(190)과 정렬될 수 있다. 스핀 전류(Ispin)는 상기 수평 자화 강자성층(110)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이의 계면에서 발생하고 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향 성분의 스핀 분극을 가진다.
도 19은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 19을 참조하면, 자기 소자(300b)는, 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층(120)의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 반강자성층(190)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 반강자성층(190)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치된다.
상기 비자성 중금속층(120)은 상기 제1 방향으로 연장되고, 상기 수평자화 강자성층(110) 및 상기 반강자성층(190)은 상기 비자성 중금속층(120)에 국부적으로 배치된다. 상기 수평자화 강자성층(110)은 상기 반강자성층(190)과 정렬될 수 있다. 상기 비자성 중금속층(120)은 상기 수평자화 강자성층 및 상기 반강자성층의 측면 및 상부면을 덮도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수평자화 강자성층의 자화 방향을 고정하는 반강자성층은 페리자성층, 합성 반강자성층, 또는 합성 페리자성층으로 대체될 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 20을 참조하면, 자기 소자(400)는 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 페리자성층(490)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 페리자성층(490)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치될 수 있다.
상기 페리자성층(490)은 CoGd, CoFeGd, CoTb, CoFeTb, iron oxides, yttrium iron garnet (YIG)일 수 있다. 상기 페리자성층(490)은 면내 자화방향을 가질 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 21을 참조하면, 자기 소자(500)는 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 합성 반강자성층(590)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 합성 반강자성층(590)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치될 수 있다.
상기 합성 반강자성층(590)은 차례로 적층된 음의 제1 방향으로 자화된 제1 강자성층(590a), 비자성 도전층(590b), 및 양의 제1 방향으로 자화된 제2 강자성층(590c)을 포함할 수 있다. 상기 제2 강자성층(590c)의 자화 방향은 상기 수평 자화 강자성층(110)의 강자성층과 동일할 수 있다. 제1 강자성층(590a)의 자화의 세기는 상기 제2 강자성층(590c)의 자화의 세기와 동일할 수 있다. 상기 비자성 도전층(590b)은 Ru 일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 제2 강자성층(590c)은 상기 수평 자화 강자성층(110)과 일체화될 수 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타낸다.
도 22를 참조하면, 자기 소자(600)는 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층(120); 상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층(110); 수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층(130); 및 합성 페리자성층(690)을 포함한다. 상기 수평 자화 강자성층(110)은 상기 합성 페리자성층(690)과 상기 비자성 중금속층(120) 사이에 배치된다.
상기 합성 페리자성층(690)은 차례로 적층된 음의 제1 방향으로 자화된 제1 강자성층(690a), 비자성 도전층(690b), 및 양의 제1 방향으로 자화된 제2 강자성층(690c)을 포함할 수 있다. 상기 제2 강자성층(690c)의 자화 방향은 상기 수평 자화 강자성층(110)의 강자성층과 동일할 수 있다. 제1 강자성층(690a)의 자화의 세기는 상기 제2 강자성층(690c)의 자화의 세기와 다를 수 있다. 상기 비자성 도전층(690b)은 Ru 일 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: 수평자화 강자성체
120: 비자성 중금속층
130: 수직자화 강자성층
190: 반강자성층

Claims (13)

  1. 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층;
    상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층;
    수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및
    반강자성층을 포함하고,
    상기 수평 자화 강자성층은 상기 반강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    스핀 전류는 상기 면내 전류에 의하여 상기 수평 자화 강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이의 계면에서 발생하고,
    상기 스핀 전류는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향으로 흐르고,
    상기 스핀 전류는 상기 배치 평면에 수직한 제3 방향 성분의 스핀 분극을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 비자성 중금속층은 Ta이고,
    상기 수평 자화 강자성층은 CoFeB이고,
    상기 비자성 중금속층의 두께는 1.0 nm 초과 4 nm 미만이고,
    상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 비자성 중금속층은 Ta이고,
    상기 수평 자화 강자성층은 NiFe이고,
    상기 비자성 중금속층의 두께는 1.0 nm 이상 3 nm 이하이고,
    상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 반강자성층은 IrMn인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 반강자성층은 상기 수직 자화 강자성층의 무자기장 스위칭을 유도하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 자화 강자성층에 접촉하여 배치되는 터널 절연층; 및
    상기 터널 절연층에 접촉하여 배치되는 수직 자기 이방성을 가진 고정 강자성층;을 더 포함하고,
    상기 수직 자화 강자성층, 상기 터널 절연층, 및 상기 고정 강자성층은 터널 자기 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 비자성 중금속층은 상기 제1 방향으로 연장되고,
    상기 수평자화 강자성층 및 상기 반강자성층은 상기 비자성 중금속층에 국부적으로 배치되고,
    상기 수평자화 강자성층은 상기 반강자성층과 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 비자성 중금속층은 상기 수평자화 강자성층 및 상기 반강자성층의 측면 및 상부면을 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  10. 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층;
    상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층;
    수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및
    페리자성층을 포함하고,
    상기 수평 자화 강자성층은 상기 페리자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  11. 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층;
    상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층;
    수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및
    합성 반강자성층을 포함하고,
    상기 수평 자화 강자성층은 상기 합성 반강자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  12. 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층;
    상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층;
    수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층; 및
    합성 페리자성층을 포함하고,
    상기 수평 자화 강자성층은 상기 합성 페리자성층과 상기 비자성 중금속층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  13. 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 정의된 배치 평면 내에서 면내 전류를 흘리는 비자성 중금속층;
    상기 비자성 중금속층의 일면에 배치되고 면내 자화 방향을 가지는 수평 자화 강자성층; 및
    수직 자기 이방성을 가지고 상기 비자성 중금속층의 타면에 배치되고 자화 반전을 수행하는 수직 자화 강자성층을 포함하고,
    상기 비자성 중금속층은 Ta이고,
    상기 수평 자화 강자성층은 CoFeB이고,
    상기 비자성 중금속층의 두께는 1.0 nm 초과 4 nm 미만이고,
    상기 자화 반전은 외부 자기장 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
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