KR102298399B1 - Switching device based on spin-orbit torque and manufacturing method thereof - Google Patents

Switching device based on spin-orbit torque and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102298399B1
KR102298399B1 KR1020200011887A KR20200011887A KR102298399B1 KR 102298399 B1 KR102298399 B1 KR 102298399B1 KR 1020200011887 A KR1020200011887 A KR 1020200011887A KR 20200011887 A KR20200011887 A KR 20200011887A KR 102298399 B1 KR102298399 B1 KR 102298399B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
tungsten
spin
vanadium
switching device
Prior art date
Application number
KR1020200011887A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210045279A (en
Inventor
김영근
김규원
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to EP20180914.2A priority Critical patent/EP3809413B1/en
Priority to US17/065,946 priority patent/US11641782B2/en
Priority to JP2020174818A priority patent/JP7081842B2/en
Publication of KR20210045279A publication Critical patent/KR20210045279A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102298399B1 publication Critical patent/KR102298399B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H01L43/10—
    • H01L43/02—
    • H01L43/08—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Abstract

스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층 및 스핀토크 발생층 상에 형성되는 자화 자유층을 포함한다.A spin orbital torque-based switching device and a method of manufacturing the same, and the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment is a tungsten-vanadium in which a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristic is expressed. and a spin torque generating layer including an alloy thin film and a magnetization free layer formed on the spin torque generating layer.

Description

스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법{SWITCHING DEVICE BASED ON SPIN-ORBIT TORQUE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Spin orbital torque-based switching element and manufacturing method thereof

스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직자기이방성을 유지하면서 스핀궤도토크 스위칭을 가능하게 스위칭 소자에 관한 것이다.To a switching device based on spin orbital torque and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a switching device capable of switching spin orbital torque while maintaining perpendicular magnetic anisotropy.

도 1은 일반적인 자기터널접합 소자를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT) 스위칭 기반 MRAM의 핵심 소자인 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ, 100)은 비자성의 스핀토크 발생층, 자화 자유층, 터널배리어층 및 자화 고정층의 적층 구조로 구성되어 있으며, 자화 자유층과 자화 고정층의 상대적인 자화방향에 따라 절연층을 통과하는 터널링 전류의 전기저항값이 달라지는 터널자기저항(tunneling magneto resistance, TMR) 현상을 이용하여 정보를 저장한다.1 is a view for explaining a general magnetic tunnel junction device. Referring to FIG. 1 , a magnetic tunnel junction (MTJ, 100), which is a core element of a spin-orbit torque (SOT) switching-based MRAM, is a nonmagnetic spin torque generating layer, a magnetization free layer, and a tunnel barrier. It is composed of a stacked structure of layers and a magnetized pinned layer, and uses the tunneling magneto resistance (TMR) phenomenon in which the electrical resistance of the tunneling current passing through the insulating layer varies according to the relative magnetization directions of the magnetized free layer and the magnetized pinned layer. to store the information.

높은 터널자기저항비, 높은 기록안정성, 낮은 기록 전류, 고집적화를 구현하기 위하여 자기터널접합(100)은 필수적으로 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 있어야 한다. 수직자기이방성이란 자성층의 자화 방향이 자성층 면에 수직인 것을 의미한다.In order to realize a high tunnel magnetoresistance ratio, high write stability, low write current, and high integration, the magnetic tunnel junction 100 must have a characteristic perpendicular magnetic anisotropy (PMA). The perpendicular magnetic anisotropy means that the magnetization direction of the magnetic layer is perpendicular to the surface of the magnetic layer.

최근에는 자화 자유층에 인접한 스핀토크 발생층의 면내 평행한 방향으로 전류가 흐를 때 발생하는 스핀 홀 효과(spin hall effect) 또는 라쉬바 효과(rashba effect)를 이용하여 자화 자유층의 스위칭을 유도하는 스핀궤도토크 현상이 발견되어, 기존 스핀전달토크(spin-transfer torque, STT) 기록(writing) 방식보다 고속, 저전류 소모로 정보 기록이 가능한 기술로 관심을 받고 있으며, 관건은 스핀토크 발생층의 물질 조합을 다양화하여 스핀궤도토크의 효율을 나타내는 스핀 홀 각도(spin hall angle)가 큰 구조를 만드는 것이다.Recently, a method of inducing switching of a magnetization free layer using the spin Hall effect or Rashba effect, which occurs when a current flows in a parallel direction in the plane of the spin torque generating layer adjacent to the magnetization free layer, is used. As the spin orbital torque phenomenon was discovered, it is attracting attention as a technology capable of recording information at higher speed and lower current consumption than the existing spin-transfer torque (STT) writing method. The goal is to diversify material combinations to create a structure with a large spin hall angle, which indicates the efficiency of the spin orbital torque.

이에, 기공지된 기술에서는 스핀궤도토크의 효율을 향상시키기 위해 자기터널접합(100)에서 스핀토크 발생층과 자화 자유층 사이에 이종의 단일 물질을 삽입하는 구조를 제안하였으나, 이러한 구조는 수직자기이방성 에너지 측면에서 손실이 발생된다는 문제가 있다.Accordingly, in the known technology, a structure in which a heterogeneous single material is inserted between the spin torque generating layer and the magnetization free layer in the magnetic tunnel junction 100 is proposed in order to improve the efficiency of the spin orbital torque. There is a problem that a loss occurs in terms of anisotropic energy.

한국등록특허 제10-1829452호, "자기 메모리 소자"Korean Patent Registration No. 10-1829452, "Magnetic Memory Device" 한국등록특허 제10-1457511호, "스핀 홀 효과 자기 장치, 방법, 및 적용"Korean Patent No. 10-1457511, "Spin Hall Effect Magnetic Apparatus, Method, and Application"

본 발명은 단일 금속 물질인 텅스텐 위에 텅스텐-바나듐을 합금화하여 증착함으로써, 수직자기이방성 에너지의 손실없이 스핀궤도토크의 효율을 증대시킬 수 있는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a spin orbital torque-based switching device capable of increasing the efficiency of spin orbital torque without loss of perpendicular magnetic anisotropy energy by alloying and depositing tungsten-vanadium on tungsten, which is a single metal material, and a method for manufacturing the same. .

또한, 본 발명은 자화 자유층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도선층으로써 텅스텐-바나듐 합금을 사용할 수 있는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a spin orbital torque-based switching device capable of using a tungsten-vanadium alloy as a conductor layer providing in-plane current in contact with a magnetization free layer, and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 수직자기이방성 특성 발현을 위하여 텅스텐-바나듐 합금의 조성 범위 및 열처리 조건이 최적화된 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a spin orbital torque-based switching device in which the composition range of a tungsten-vanadium alloy and heat treatment conditions are optimized for the expression of perpendicular magnetic anisotropy, and a method for manufacturing the same.

본 발명의 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층 및 스핀토크 발생층 상에 형성되는 자화 자유층을 포함할 수 있다.A spin orbital torque-based switching device according to an embodiment of the present invention includes a spin torque generating layer and a spin torque having a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics. It may include a magnetization free layer formed on the generation layer.

일측에 따르면, 스핀토크 발생층은 텅스텐 박막 및 텅스텐 박막과 자화 자유층 사이에 형성되는 텅스텐-바나듐 합금 박막을 포함할 수 있다. According to one side, the spin torque generating layer may include a tungsten thin film and a tungsten-vanadium alloy thin film formed between the tungsten thin film and the magnetization free layer.

일측에 따르면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서의 열처리를 통해 형성될 수 있다.According to one side, the spin orbital torque-based switching element may be formed through heat treatment within a temperature range of 250 °C to 400 °C.

일측에 따르면, 텅스텐-바나듐 합금 박막은 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 형성될 수 있다. According to one side, the tungsten-vanadium alloy thin film may be formed in a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment.

일측에 따르면, 텅스텐-바나듐 합금 박막은 열처리 온도가 250℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%이고, 열처리 온도가 300℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%이며, 열처리 온도가 400℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%일 수 있다.According to one side, when the heat treatment temperature of the tungsten-vanadium alloy thin film is 250 ° C, the composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) is 20 at% ≤ x ≤ 90 at%, and when the heat treatment temperature is 300 °C, When the composition ratio (x) of vanadium is 0 at% < x ≤ 70 at% and the heat treatment temperature is 400°C, the composition ratio (x) of vanadium may be 0 at% < x ≤ 30 at%.

본 발명의 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층을 형성하는 단계 및 스핀토크 발생층 상에 자화 자유층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a spin orbital torque-based switching device according to an embodiment of the present invention is a spin torque generating layer including a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics. and forming a magnetization free layer on the spin torque generating layer.

일측에 따르면, 스핀토크 발생층을 형성하는 단계는 텅스텐 박막을 형성하는 단계 및 텅스텐 박막 상에 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to one side, the forming of the spin torque generating layer may further include forming a tungsten thin film and forming a tungsten-vanadium alloy thin film on the tungsten thin film.

일측에 따르면, 합금 박막을 형성하는 단계는 텅스텐 스퍼터링 타겟 및 바나듐 타겟을 이용한 동시 증착법을 통해 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다.According to one side, the forming of the alloy thin film may include forming a tungsten-vanadium alloy thin film through a simultaneous deposition method using a tungsten sputtering target and a vanadium target.

일측에 따르면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one side, the method of manufacturing a switching element based on spin orbital torque may further include heat-treating within a temperature range of 250°C to 400°C.

일측에 따르면, 합금 박막을 형성하는 단계는 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다. According to one side, the forming of the alloy thin film may include forming a tungsten-vanadium alloy thin film in a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment.

일측에 따르면, 합금 박막을 형성하는 단계는 열처리 온도가 250℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하고, 열처리 온도가 300℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하며, 열처리 온도가 400℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다.According to one side, the step of forming the alloy thin film is a tungsten-vanadium alloy thin film having a composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) of 20 at% ≤ x ≤ 90 at% when the heat treatment temperature is 250 ° C. , when the heat treatment temperature is 300 ° C, the composition ratio of vanadium (x) forms a tungsten-vanadium alloy thin film with 0 at% < x ≤ 70 at%, and when the heat treatment temperature is 400 ° C, the composition ratio of vanadium (x) ) can form a tungsten-vanadium alloy thin film with 0 at% < x ≤ 30 at%.

일실시예에 따르면, 본 발명의 스위칭 소자는 단일 금속 물질인 텅스텐 위에 텅스텐-바나듐을 합금화하여 증착함으로써, 수직자기이방성 에너지의 손실없이 스핀궤도토크의 효율을 증대시킬 수 있다. According to one embodiment, the switching device of the present invention can increase the efficiency of spin orbital torque without loss of perpendicular magnetic anisotropy energy by alloying and depositing tungsten-vanadium on tungsten, which is a single metal material.

일실시예에 따르면, 본 발명의 스위칭 소자는 자화 자유층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도선층으로써 텅스텐-바나듐 합금을 사용하고, 수직자기이방성 특성 발현을 위하여 텅스텐-바나듐 합금의 조성 범위 및 열처리 조건을 최적화할 수 있다.According to one embodiment, the switching device of the present invention uses a tungsten-vanadium alloy as a conductive wire layer providing an in-plane current in contact with the magnetization free layer, and a composition range and heat treatment of a tungsten-vanadium alloy to express perpendicular magnetic anisotropy. conditions can be optimized.

도 1은 일반적인 자기터널접합 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 250℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 300℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 400℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 300℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스핀궤도토크 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 전류 및 스핀-궤도토크 유효자기장 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a general magnetic tunnel junction device.
2 is a view for explaining a switching device based on spin orbital torque according to an embodiment.
3 is a diagram for explaining an implementation example of a spin orbital torque based switching device according to an embodiment.
4 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching element according to an embodiment heat-treated at 250 ℃.
5 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching element according to an embodiment heat-treated at 300 ℃.
6 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment heat-treated at 400 ℃.
7 is a view for explaining the spin orbital torque efficiency of the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment heat-treated at 300°C.
FIG. 8 is a diagram for explaining a switching current and a spin-orbit torque effective magnetic field characteristic of a spin-orbit torque-based switching device according to an embodiment.
9 is a view for explaining a method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque according to an embodiment.

이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.

실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.

하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to various embodiments may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B" or "at least one of A and/or B" may include all possible combinations of items listed together.

"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," can modify the corresponding elements regardless of order or importance, and to distinguish one element from another element. It is used only and does not limit the corresponding components.

어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When an (eg, first) component is referred to as being “connected (functionally or communicatively)” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the element, or may be connected through another element (eg, a third element).

본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.As used herein, "configured to (or configured to)" according to the context, for example, hardware or software "suitable for," "having the ability to," "modified to ," "made to," "capable of," or "designed to" may be used interchangeably.

어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some circumstances, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or parts.

예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may refer to a general-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.

즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any one of natural inclusive permutations.

상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the specific embodiments described above, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented.

그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.

한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.

도 2는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a diagram for explaining a switching device based on spin orbital torque according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층, 스핀토크 발생층 상에 형성되는 자화 자유층 및 자화 자유층 상에 형성되는 터널 배리어층을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , a spin orbital torque-based switching device 200 according to an embodiment is a spin having a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics. It may include a torque generating layer, a magnetization free layer formed on the spin torque generating layer, and a tunnel barrier layer formed on the magnetization free layer.

일측에 따르면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 스핀토크 발생층, 자화 자유층 및 터널 배리어층을 순차적으로 적층 형성한 후에 소정의 온도에서의 열처리를 통해 형성될 수 있다. According to one side, the spin orbital torque-based switching device 200 may be formed by sequentially stacking a spin torque generating layer, a magnetization free layer, and a tunnel barrier layer and then performing heat treatment at a predetermined temperature.

또한, 텅스텐-바나듐 합금 박막은 열처리 온도에 대응하여 조성 범위가 최적화될 수 있으며, 최적화된 조성 범위에 기초하여 형성된 텅스텐-바나듐 합금 박막을 통해 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 수직자기이방성 에너지의 손실없이 스핀궤도토크의 효율을 증대시킬 수 있다. In addition, the composition range of the tungsten-vanadium alloy thin film can be optimized in response to the heat treatment temperature, and the spin orbital torque-based switching element 200 through the tungsten-vanadium alloy thin film formed based on the optimized composition range has perpendicular magnetic anisotropy. It is possible to increase the efficiency of spin orbital torque without loss of energy.

일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 이후 실시예 도 3을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The spin orbit torque-based switching device 200 according to an embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 3 in the following embodiment.

도 3는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining an implementation example of a spin orbit torque based switching device according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(300)는 텅스텐 박막(310)과 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)을 포함하는 스핀토크 발생층 및 자화 자유층(330)의 적층 구조체로 형성될 수 있으며, 자화 자유층(330) 상에 형성되는 터널 배리어층(340) 및 덮개층(capping layer, 350)을 더 포함할 수도 있다. Referring to FIG. 3 , the spin orbital torque-based switching device 300 according to an embodiment includes a spin torque generating layer and a magnetization free layer 330 including a tungsten thin film 310 and a tungsten-vanadium alloy thin film 320 . may be formed of a stacked structure of , and may further include a tunnel barrier layer 340 and a capping layer 350 formed on the magnetization free layer 330 .

예를 들면, 자화 자유층(330)은 코발트(Co), 철(Fe), 붕소(B), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 망간(Mn) 및 이의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. For example, the magnetization free layer 330 may include at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), boron (B), palladium (Pd), nickel (Ni), manganese (Mn), and alloys thereof. may contain substances of

또한, 터널 배리어층(340)은 산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 이산화 타이타늄(TiO2), 이트륨 옥사이드(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. In addition, the tunnel barrier layer 340 is magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ) It may include at least one material.

바람직하게는, 자화 자유층(330)은 코발트-철-붕소 합금(CoFeB) 박막으로 형성되고, 터널 배리어층(340)은 산화 마그네슘(MgO) 박막으로 형성될 수 있다. 또한, 덮개층(350)은 탄탈럼(Ta) 박막으로 형성될 수 있다. Preferably, the magnetization free layer 330 may be formed of a cobalt-iron-boron alloy (CoFeB) thin film, and the tunnel barrier layer 340 may be formed of a magnesium oxide (MgO) thin film. Also, the capping layer 350 may be formed of a tantalum (Ta) thin film.

일측에 따르면, 텅스텐 박막(310)은 기판 상에 형성되는 비정질의 자연 산화층 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판은 실리콘(Si) 기판이고 자연 산화층은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다. According to one side, the tungsten thin film 310 may be formed on the amorphous native oxide layer formed on the substrate. For example, the substrate may be a silicon (Si) substrate and the native oxide layer may be a silicon oxide film (SiO 2 ).

일측에 따르면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(300)는 금속층을 적층할 때 직류(dc) 마그네트론 스퍼터링법을 적용하고, 절연체를 적층할 때 교류(ac) 마그네트론 스퍼터링법을 적용하며, 초기 진공(base pressure)은 각각 5X10-9 Torr 이하, 아르곤(Ar) 분위기에서 증착 형성될 수 있다.According to one side, the spin orbit torque-based switching element 300 applies a direct current (dc) magnetron sputtering method when laminating a metal layer, and applies an alternating current (ac) magnetron sputtering method when laminating an insulator, and an initial vacuum ( base pressure) of 5X10 -9 Torr or less, respectively, may be formed by deposition in an argon (Ar) atmosphere.

또한, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(300)의 각층의 두께는 증착 시간과 스퍼터링 파워를 조절하여 제어될 수 있다. In addition, the thickness of each layer of the spin orbital torque-based switching device 300 may be controlled by adjusting the deposition time and the sputtering power.

예를 들면, 증착 시간과 스퍼터링 파워를 조절을 통해 텅스텐 박막(310)은 4 nm, 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)은 2nm, 자화 자유층(330)은 0.9nm, 터널 배리어층(340)은 1nm, 덮개층(350)은 2nm의 두께로 형성될 수 있다. For example, by adjusting the deposition time and sputtering power, the tungsten thin film 310 is 4 nm, the tungsten-vanadium alloy thin film 320 is 2 nm, the magnetization free layer 330 is 0.9 nm, and the tunnel barrier layer 340 is 1 nm, the capping layer 350 may be formed to a thickness of 2 nm.

한편, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(300)는 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서의 열처리를 통해 형성될 수 있다. 예를 들면, 열처리는 10-6 Torr 대역의 초기 진공 및 6 kOe의 외부자기장이 인가되는 환경에서 약 1시간 동안 수행될 수 있다.Meanwhile, the spin orbital torque-based switching element 300 may be formed through heat treatment within a temperature range of 250°C to 400°C. For example, the heat treatment may be performed for about 1 hour in an environment in which an initial vacuum of 10 -6 Torr band and an external magnetic field of 6 kOe are applied.

다시 말해, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(300)는 텅스텐 박막(310), 텅스텐-바나듐 합금 박막(320), 자화 자유층(330), 터널 배리어층(340) 및 덮개층(350)을 적층 형성한 후, 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서의 열처리를 통해 형성될 수 있다.In other words, the spin orbital torque-based switching device 300 is formed by stacking a tungsten thin film 310 , a tungsten-vanadium alloy thin film 320 , a magnetization free layer 330 , a tunnel barrier layer 340 , and a cover layer 350 . After forming, it may be formed through heat treatment within a temperature range of 250 °C to 400 °C.

일측에 따르면, 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)은 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 형성될 수 있다. According to one side, the tungsten-vanadium alloy thin film 320 may be formed in a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment.

보다 구체적으로, 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)은 열처리 온도가 250℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%일 수 있다.More specifically, when the heat treatment temperature of the tungsten-vanadium alloy thin film 320 is 250° C., the composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) may be 20 at% ≤ x ≤ 90 at%.

또한, 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)은 열처리 온도가 300℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%일 수 있다.In addition, in the tungsten-vanadium alloy thin film 320 , when the heat treatment temperature is 300° C., the vanadium composition ratio (x) may be 0 at% < x ≤ 70 at%.

또한, 텅스텐-바나듐 합금 박막(320)은 열처리 온도가 400℃ 인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%일 수 있다.In addition, in the tungsten-vanadium alloy thin film 320 , when the heat treatment temperature is 400° C., the vanadium composition ratio (x) may be 0 at% < x ≤ 30 at%.

도 4는 250℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching element according to an embodiment heat-treated at 250 ℃.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 일실시예에 따른 텅스텐-바나듐 합금 박막의 바나듐(V) 및 텅스텐(W)의 조성 비율(at%)이 조절된 시편을 250℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후, 열처리된 시편의 수직방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타내고, 도 4의 (b)는 열처리된 시편의 면내 방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타내며, 여기서 자기이력곡선은 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)를 통해 측정될 수 있다.Referring to FIG. 4, (a) of FIG. 4 shows a specimen in which the composition ratio (at%) of vanadium (V) and tungsten (W) of the tungsten-vanadium alloy thin film according to an embodiment is adjusted at 250° C. for 1 hour. After performing the heat treatment during the heat treatment, the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the vertical direction of the heat-treated specimen is shown, and Fig. 4 (b) shows the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the in-plane direction of the heat-treated specimen, Here, the magnetic hysteresis curve may be measured through a vibrating sample magnetometer (VSM).

도 4의 (a) 및 (b)에 따르면, 250℃의 온도에서 열처리된 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(W: 4nm / W-V: 2nm / CoFeB: 0.9nm / MgO: 1nm / Ta: 2nm) 구조에서 텅스텐-바나듐(W-V) 합금 박막의 바나듐(V)의 조성은 20 at%에서부터 90 at% 구간에서 박막의 수직자기이방성이 발현되는 것을 확인할 수 있다.According to (a) and (b) of Fig. 4, the structure of the spin orbital torque-based switching element (W: 4nm / WV: 2nm / CoFeB: 0.9nm / MgO: 1nm / Ta: 2nm) heat treated at a temperature of 250 ℃ In the composition of vanadium (V) of the tungsten-vanadium (WV) alloy thin film, it can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy of the thin film is expressed in the range from 20 at% to 90 at%.

도 5는 300℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment heat-treated at 300 ℃.

도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 일실시예에 따른 텅스텐-바나듐 합금 박막의 바나듐(V) 및 텅스텐(W)의 조성 비율(at%)이 조절된 시편을 300℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후, 열처리된 시편의 수직방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타내고, 도 5의 (b)는 열처리된 시편의 면내 방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타낸다.Referring to FIG. 5, (a) of FIG. 5 shows a specimen in which the composition ratio (at%) of vanadium (V) and tungsten (W) of the tungsten-vanadium alloy thin film according to an embodiment is adjusted at 300° C. for 1 hour. After performing the heat treatment during the heat treatment, the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the vertical direction of the heat-treated specimen is shown, and FIG. 5 (b) shows the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the in-plane direction of the heat-treated specimen.

도 5의 (a) 및 (b)에 따르면, 300℃의 온도에서 열처리된 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(W: 4nm / W-V: 2nm / CoFeB: 0.9nm / MgO: 1nm / Ta: 2nm) 구조에서 텅스텐-바나듐 합금 박막(W-V)의 바나듐(V)의 조성은 0 at% 내지 70 at% 구간에서 박막의 수직자기이방성이 발현되는 것을 확인할 수 있다.According to (a) and (b) of FIG. 5, the structure of a spin orbital torque-based switching element (W: 4 nm / WV: 2 nm / CoFeB: 0.9 nm / MgO: 1 nm / Ta: 2 nm) heat treated at a temperature of 300 °C In the composition of vanadium (V) of the tungsten-vanadium alloy thin film (WV), it can be confirmed that the perpendicular magnetic anisotropy of the thin film is expressed in the range of 0 at% to 70 at%.

도 6은 400℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 수직자기이방성 특성을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining the perpendicular magnetic anisotropy characteristics of the spin orbital torque-based switching element according to an embodiment heat-treated at 400 ℃.

도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 일실시예에 따른 텅스텐-바나듐 합금 박막의 바나듐(V) 및 텅스텐(W)의 조성 비율(at%)이 조절된 시편을 400℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후, 열처리된 시편의 수직방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타내고, 도 6의 (b)는 열처리된 시편의 면내 방향에 대응되는 자기이력곡선의 측정 결과를 나타낸다.Referring to FIG. 6 , (a) of FIG. 6 shows a specimen in which the composition ratio (at%) of vanadium (V) and tungsten (W) of the tungsten-vanadium alloy thin film according to an embodiment is adjusted at 400° C. for 1 hour. After the heat treatment, the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the vertical direction of the heat-treated specimen is shown, and FIG. 6 (b) shows the measurement result of the hysteresis curve corresponding to the in-plane direction of the heat-treated specimen.

도 6의 (a) 및 (b)에 따르면, 400℃의 온도에서 열처리된 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(W: 4nm / W-V: 2nm / CoFeB: 0.9nm / MgO: 1nm / Ta: 2nm) 구조에서 텅스텐-바나듐 합금 박막(W-V)의 바나듐(V)의 조성은 0 at% 내지 30 at% 구간에서 박막의 수직자기이방성이 발현되는 것을 확인할 수 있다.According to (a) and (b) of FIG. 6, the structure of a spin orbital torque-based switching element (W: 4nm / WV: 2nm / CoFeB: 0.9nm / MgO: 1nm / Ta: 2nm) heat treated at a temperature of 400 °C In the composition of vanadium (V) of the tungsten-vanadium alloy thin film (WV), it can be confirmed that the perpendicular magnetic anisotropy of the thin film is expressed in the range of 0 at% to 30 at%.

도 7은 300℃에서 열처리된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스핀궤도토크 효율을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the spin orbital torque efficiency of the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment heat-treated at 300°C.

도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 스핀궤도토크 효율의 측정을 위해 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 십자 형상으로 형성하는 예시를 나타내고, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)에 도시된 십자 형상의 스위칭 소자의 스핀 홀 각도(spin hall angle)의 측정 결과를 나타내며, 여기서 스핀 홀 각도는 하모닉스 측정법(harmonics measurement)을 통해 측정될 수 있다.Referring to FIG. 7, (a) of FIG. 7 shows an example of forming a spin orbit torque-based switching device in a cross shape according to an embodiment for measuring spin orbit torque efficiency, and FIG. 7 (b) shows The measurement result of the spin Hall angle of the cross-shaped switching element shown in FIG. 7A is shown, wherein the spin Hall angle may be measured through harmonics measurement.

도 7의 (a)에 따르면, 텅스텐 박막(610), 텅스텐-바나듐 합금 박막(620), 자화 자유층(630), 터널 배리어층(640) 및 덮개층(650)이 적층 형성되는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 십자 형상으로 형성되어 스핀 홀 각도를 측정할 수 있다.According to (a) of Figure 7, the tungsten thin film 610, the tungsten-vanadium alloy thin film 620, the magnetization free layer 630, the tunnel barrier layer 640, and the spin orbital torque in which the capping layer 650 is laminated. The base switching element is formed in a cross shape to measure the spin Hall angle.

도 7의 (b)에 따르면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자에서 텅스텐-바나듐 합금 박막(720)의 바나듐의 조성이 20 at%와 70 at%인 경우에 텅스텐-바나듐 합금 박막(720) 없이 단일층인 텅스텐 박막(710)만을 사용하는 기존 기술(0.35)과 스핀 홀 각도 측정 결과를 비교하였을 때, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 약 40% 증가한 0.50의 스핀 홀 각도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.According to (b) of FIG. 7, when the composition of vanadium of the tungsten-vanadium alloy thin film 720 in the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment is 20 at% and 70 at%, the tungsten-vanadium alloy thin film When comparing the spin Hall angle measurement result with the existing technology (0.35) using only a single-layer tungsten thin film 710 without 720, the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment increased by about 40% to 0.50. It can be seen that the spin Hall angle is represented.

다시 말해, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 기존 기술 대비 약 40% 정도 향상된 스핀궤도토크 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. In other words, it can be seen that the spin orbit torque-based switching device according to an embodiment exhibits an improved spin orbit torque efficiency of about 40% compared to the existing technology.

도 8은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 전류 및 스핀-궤도토크 유효자기장 특성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 8 is a diagram for explaining a switching current and a spin-orbit torque effective magnetic field characteristic of a spin orbit torque-based switching device according to an embodiment.

도 8을 참조하면, 도 8의 (a)는 텅스텐-바나듐 합금 박막의 바나듐 함량이 20 at%인 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 외부자기장(Hext)의 크기 변화에 따른 스위칭 전류(전류 밀도) 측정 결과를 나타낸다. 즉, 도 8의 (a)는 4 침법(four-point probe)을 이용한 스위칭 측정결과를 나타낸다.Referring to FIG. 8 , (a) of FIG. 8 shows the change in the magnitude of the external magnetic field (H ext ) of the spin orbit torque-based switching device according to an embodiment in which the vanadium content of the tungsten-vanadium alloy thin film is 20 at%. The switching current (current density) measurement result is shown. That is, (a) of FIG. 8 shows a switching measurement result using a four-point probe.

또한, 도 8의 (b)는 텅스텐-바나듐 합금 박막의 바나듐 함량이 20 at%인 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 측정을 바탕으로 스핀-궤도토크 유효자기장(SOT effective field)을 산출한 결과를 나타내며, 여기서 점선은 하모닉스 측정법으로 산출한 스핀-궤도토크 유효자기장의 크기를 나타낸다.In addition, (b) of FIG. 8 shows the spin-orbital torque effective field based on the switching measurement of the spin-orbit torque-based switching device according to an embodiment in which the vanadium content of the tungsten-vanadium alloy thin film is 20 at%. ), where the dotted line indicates the magnitude of the spin-orbit torque effective magnetic field calculated by the harmonic measurement method.

도 8의 (a)에 따르면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 외부 자기장의 크기가 10 Oe 에서부터 150 Oe까지 증가함에 따라 자화반전에 필요한 스위칭 전류(또는 전류밀도)의 값이 감소함을 확인하였고, 인가한 모든 외부자기장 하에서 스핀-궤도토크 스위칭현상을 관찰할 수 있었다. According to (a) of FIG. 8, in the spin orbital torque-based switching device according to an embodiment, as the magnitude of the external magnetic field increases from 10 Oe to 150 Oe, the value of the switching current (or current density) required for magnetization reversal increases. It was confirmed that the decrease was confirmed, and the spin-orbit torque switching phenomenon could be observed under all applied external magnetic fields.

또한, 외부자기장의 크기가 ±120 Oe 이상인 경우에는 스위칭에 필요한 전류(밀도)의 값이 포화되어 평균치로 3.52 mA(1.02 x 107 A/cm2)의 스위칭 전류(밀도) 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. In addition, when the magnitude of the external magnetic field is ±120 Oe or more, the value of the current (density) required for switching is saturated and it is confirmed that the average value shows the switching current (density) value of 3.52 mA (1.02 x 10 7 A/cm 2 ). could

도 8의 (b)에 따르면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 인가되는 외부자기장이 증가함에 따라 스위칭 전류가 감소하게 되어 스핀 홀 각도가 증가하게 되며, ±120 Oe에서 부터는 그 값이 포화되어 하모닉스 측정법으로 측정한 결과(도 8의 (b)에 도시된 점선)와 비슷한 수준의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. According to (b) of FIG. 8 , in the spin orbit torque-based switching device according to an embodiment, the switching current decreases as the applied external magnetic field increases, so that the spin Hall angle increases, and from ±120 Oe, the It can be seen that the value is saturated and shows a value at a level similar to the result measured by the harmonic measurement method (the dotted line shown in FIG. 8B ).

다시 말해, 앞서 도 7의 (b)를 통해 설명한 하모닉스 측정법으로 최대의 효율을 보인 바나듐의 조성이 20 at%인 시편에 대하여 스위칭 측정에 기반한 스핀 홀 각도 측정한 결과, 하모닉스 측정법과 마찬가지로 50%의 효율(0.50의 스핀 홀 각도)이 측정됨을 확인할 수 있다.In other words, as a result of measuring the spin Hall angle based on the switching measurement on a specimen having a vanadium composition of 20 at%, which showed the maximum efficiency by the harmonic measurement method described above in FIG. It can be seen that the efficiency (spin Hall angle of 0.50) is measured.

도 9는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 9 is a view for explaining a method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque according to an embodiment.

다시 말해, 도 9는 도 1 내지 도 8을 통해 설명한 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하는 도면으로, 이후 도 9를 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 8을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. In other words, FIG. 9 is a view for explaining a method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque according to an embodiment described with reference to FIGS. 1 to 8 . Among the contents described later with reference to FIG. 9, FIGS. 1 to 8 , A description that overlaps with the content described above will be omitted.

도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 금속층을 적층할 때 직류(dc) 마그네트론 스퍼터링법을 적용하고, 절연체를 적층할 때 교류(ac) 마그네트론 스퍼터링법을 적용하며, 초기 진공(base pressure)은 각각 5X10-9 Torr 이하, 아르곤(Ar) 분위기에서 스위칭 소자를 증착 형성할 수 있다. Referring to FIG. 9 , in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, a direct current (dc) magnetron sputtering method is applied when a metal layer is laminated, and an alternating current (ac) magnetron sputtering method is applied when an insulator is laminated, and the initial The vacuum (base pressure) may be 5X10 -9 Torr or less, respectively, and the switching element may be deposited in an argon (Ar) atmosphere.

또한, 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 스위칭 소자의 각층의 두께를 증착 시간과 스퍼터링 파워를 조절하여 제어할 수 있다. In addition, the method of manufacturing a switching device according to an embodiment can control the thickness of each layer of the switching device by adjusting the deposition time and the sputtering power.

예를 들면, 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 증착 시간과 스퍼터링 파워를 조절을 통해 텅스텐 박막은 4 nm, 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막은 2nm, 자화 자유층은 0.9nm, 터널 배리어층은 1nm, 덮개층은 2nm의 두께로 형성할 수 있다.For example, in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, the tungsten thin film is 4 nm, the tungsten-vanadium alloy thin film is 2 nm, the magnetization free layer is 0.9 nm, and the deposition time and the sputtering power are adjusted. The tunnel barrier layer may have a thickness of 1 nm and the capping layer may have a thickness of 2 nm.

구체적으로, 910단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층을 형성할 수 있다. Specifically, in step 910, the method of manufacturing the switching device according to the embodiment may form a spin torque generating layer including a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics.

구체적으로, 911단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 텅스텐 박막을 형성할 수 있다. Specifically, in step 911, the method of manufacturing the switching device according to the embodiment may form a tungsten thin film.

다음으로, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 텅스텐 박막 상에 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다. Next, in step 912 , the method of manufacturing a switching device according to an embodiment may form a tungsten-vanadium alloy thin film on the tungsten thin film.

일측에 따르면, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 텅스텐 스퍼터링 타겟 및 바나듐 타겟을 이용한 동시 증착법을 통해 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다. According to one side, in step 912 , in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, a tungsten-vanadium alloy thin film may be formed through a simultaneous deposition method using a tungsten sputtering target and a vanadium target.

다음으로, 930단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 스핀토크 발생층 상에 자화 자유층을 형성할 수 있다. Next, in step 930 , in the method of manufacturing the switching device according to the embodiment, a magnetization free layer may be formed on the spin torque generating layer.

예를 들면, 자화 자유층은 코발트(Co), 철(Fe), 붕소(B), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 망간(Mn) 및 이의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.For example, the magnetization free layer includes at least one material selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), boron (B), palladium (Pd), nickel (Ni), and manganese (Mn) and alloys thereof. may include

바람직하게는, 자화 자유층은 코발트-철-붕소 합금(CoFeB) 박막으로 형성될 수 있으며, 코발트-철-붕소 합금 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟의 조성은 Co40Fe40B20(at%)일 수 있다. Preferably, the magnetization free layer may be formed of a cobalt-iron-boron alloy (CoFeB) thin film, and the composition of the sputtering target for forming the cobalt-iron-boron alloy thin film is Co 40 Fe 40 B 20 (at%) can be

다음으로, 940단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 자화 자유층 상에 터널 배리어층 및 덮개층을 순차적으로 적층 형성할 수 있다. Next, in step 940 , in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, a tunnel barrier layer and a cover layer may be sequentially stacked on the magnetization free layer.

예를 들면, 터널 배리어층은 산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 이산화 타이타늄(TiO2), 이트륨 옥사이드(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.For example, the tunnel barrier layer may include magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium dioxide (TiO2), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and ytterbium oxide (Yb). 2 O 3 ) may include at least one material.

바람직하게는, 터널 배리어층은 산화 마그네슘(MgO) 박막으로 형성되고, 덮개층은 탄탈럼(Ta) 박막으로 형성될 수 있다.Preferably, the tunnel barrier layer may be formed of a magnesium oxide (MgO) thin film, and the capping layer may be formed of a tantalum (Ta) thin film.

다음으로, 950단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서 열처리를 수행할 수 있다.Next, in step 950 , the method of manufacturing a switching device according to an embodiment may perform heat treatment within a temperature range of 250°C to 400°C.

일측에 따르면, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다. According to one side, in step 912 , in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, a tungsten-vanadium alloy thin film may be formed at a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment.

보다 구체적으로, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 열처리 온도가 250℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다.More specifically, in step 912, in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, when the heat treatment temperature is 250° C., the composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) is 20 at% ≤ x ≤ 90 at% tungsten -Can form a vanadium alloy thin film.

또한, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 열처리 온도가 300℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다.In addition, in step 912, in the method of manufacturing a switching device according to an embodiment, when the heat treatment temperature is 300° C., a tungsten-vanadium alloy thin film having a vanadium composition ratio (x) of 0 at% < x ≤ 70 at% is formed. can

또한, 912단계에서 일실시예에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 열처리 온도가 400℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%인 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성할 수 있다.In addition, in step 912, the method of manufacturing a switching device according to an embodiment may form a tungsten-vanadium alloy thin film having a vanadium composition ratio (x) of 0 at% < x ≤ 30 at% when the heat treatment temperature is 400° C. can

결국, 본 발명을 이용하면, 단일 금속 물질인 텅스텐 위에 텅스텐-바나듐을 합금화하여 증착함으로써, 수직자기이방성 에너지의 손실없이 스핀궤도토크의 효율을 증대시킬 수 있다. After all, by using the present invention, by alloying and depositing tungsten-vanadium on tungsten, which is a single metal material, it is possible to increase the efficiency of spin orbital torque without loss of perpendicular magnetic anisotropy energy.

또한, 본 발명은 자화 자유층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도선층으로써 텅스텐-바나듐 합금을 사용할 수 있다.In addition, in the present invention, a tungsten-vanadium alloy may be used as a conductor layer providing an in-plane current in contact with the magnetization free layer.

또한, 본 발명은 수직자기이방성 특성 발현을 위하여 텅스텐-바나듐 합금의 조성 범위 및 열처리 조건을 최적화할 수 있다. In addition, the present invention can optimize the composition range and heat treatment conditions of the tungsten-vanadium alloy for the expression of perpendicular magnetic anisotropy.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

200: 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자200: Spin orbital torque based switching element

Claims (11)

250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서의 열처리를 통해 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층 및
상기 스핀토크 발생층 상에 형성되는 자화 자유층
을 포함하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자.A spin torque generating layer having a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics through heat treatment within a temperature range of 250° C. to 400° C. and
A magnetization free layer formed on the spin torque generating layer
Spin orbital torque-based switching device comprising a. 제1항에 있어서,
상기 스핀토크 발생층은,
텅스텐 박막 및 상기 텅스텐 박막과 자화 자유층 사이에 형성되는 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자.According to claim 1,
The spin torque generating layer,
A tungsten thin film and the tungsten-vanadium alloy thin film formed between the tungsten thin film and the magnetization free layer;
Spin orbital torque based switching device. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 텅스텐-바나듐 합금 박막은,
상기 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 형성되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자.According to claim 1,
The tungsten-vanadium alloy thin film,
Formed in a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment
Spin orbital torque based switching device. 제4항에 있어서,
상기 텅스텐-바나듐 합금 박막은,
상기 열처리 온도가 250℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%이고,
상기 열처리 온도가 300℃인 경우, 상기 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%이며,
상기 열처리 온도가 400℃인 경우, 상기 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%인
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자.5. The method of claim 4,
The tungsten-vanadium alloy thin film,
When the heat treatment temperature is 250° C., the composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) is 20 at% ≤ x ≤ 90 at%,
When the heat treatment temperature is 300 ℃, the composition ratio (x) of the vanadium is 0 at% < x ≤ 70 at%,
When the heat treatment temperature is 400 ℃, the composition ratio (x) of the vanadium is 0 at% < x ≤ 30 at%
Spin orbital torque based switching device. 250℃ 내지 400℃의 온도 범위 내에서의 열처리를 통해 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA) 특성이 발현되는 텅스텐-바나듐(tungsten-vanadium) 합금 박막을 구비하는 스핀토크 발생층을 형성하는 단계 및
상기 스핀토크 발생층 상에 자화 자유층을 형성하는 단계
를 포함하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.Forming a spin torque generating layer having a tungsten-vanadium alloy thin film exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) characteristics through heat treatment within a temperature range of 250° C. to 400° C. and
forming a magnetization free layer on the spin torque generating layer
A method of manufacturing a spin orbital torque-based switching device comprising a. 제6항에 있어서,
상기 스핀토크 발생층을 형성하는 단계는,
텅스텐 박막을 형성하는 단계 및
상기 텅스텐 박막 상에 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.7. The method of claim 6,
The step of forming the spin torque generating layer comprises:
forming a tungsten thin film; and
Further comprising the step of forming the tungsten-vanadium alloy thin film on the tungsten thin film
A method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque. 제7항에 있어서,
상기 합금 박막을 형성하는 단계는,
텅스텐 스퍼터링 타겟 및 바나듐 타겟을 이용한 동시 증착법을 통해 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.8. The method of claim 7,
Forming the alloy thin film comprises:
Forming the tungsten-vanadium alloy thin film through a simultaneous deposition method using a tungsten sputtering target and a vanadium target
A method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque. 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 합금 박막을 형성하는 단계는,
상기 열처리의 온도에 따라 기설정된 조성 비율로 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.8. The method of claim 7,
Forming the alloy thin film comprises:
Forming the tungsten-vanadium alloy thin film at a predetermined composition ratio according to the temperature of the heat treatment
A method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque. 제10항에 있어서,
상기 합금 박막을 형성하는 단계는,
상기 열처리 온도가 250℃인 경우, 바나듐의 조성 비율(x, 여기서 x는 실수)이 20 at% ≤ x ≤ 90 at%인 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하고,
상기 열처리 온도가 300℃인 경우, 상기 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 70 at%인 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하며,
상기 열처리 온도가 400℃인 경우, 상기 바나듐의 조성 비율(x)이 0 at% < x ≤ 30 at%인 상기 텅스텐-바나듐 합금 박막을 형성하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Forming the alloy thin film comprises:
When the heat treatment temperature is 250° C., the composition ratio of vanadium (x, where x is a real number) is 20 at% ≤ x ≤ 90 at% to form the tungsten-vanadium alloy thin film,
When the heat treatment temperature is 300° C., the tungsten-vanadium alloy thin film is formed in which the composition ratio (x) of the vanadium is 0 at% < x ≤ 70 at%,
When the heat treatment temperature is 400° C., the composition ratio (x) of the vanadium is 0 at% < x ≤ 30 at% to form the tungsten-vanadium alloy thin film
A method of manufacturing a switching device based on spin orbital torque.
KR1020200011887A 2019-10-16 2020-01-31 Switching device based on spin-orbit torque and manufacturing method thereof KR102298399B1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20180914.2A EP3809413B1 (en) 2019-10-16 2020-06-18 Method of fabricating a spin-orbit torque-based switching device
US17/065,946 US11641782B2 (en) 2019-10-16 2020-10-08 Spin-orbit torque-based switching device and method of fabricating the same
JP2020174818A JP7081842B2 (en) 2019-10-16 2020-10-16 Manufacturing method of spin starting torque-based switching element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20190128664 2019-10-16
KR1020190128664 2019-10-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210045279A KR20210045279A (en) 2021-04-26
KR102298399B1 true KR102298399B1 (en) 2021-09-07

Family

ID=75733724

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200011887A KR102298399B1 (en) 2019-10-16 2020-01-31 Switching device based on spin-orbit torque and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102298399B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113948632A (en) * 2021-10-18 2022-01-18 深圳技术大学 Spin electron heterojunction and preparation method thereof

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9105832B2 (en) 2011-08-18 2015-08-11 Cornell University Spin hall effect magnetic apparatus, method and applications
US9076954B2 (en) * 2013-08-08 2015-07-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing magnetic memories switchable using spin accumulation and selectable using magnetoelectric devices
KR101829452B1 (en) 2016-01-11 2018-02-20 한국과학기술원 Magnetic Memory Device
KR102179913B1 (en) * 2016-09-29 2020-11-17 삼성전자주식회사 Magnetic memory device

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210045279A (en) 2021-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210234092A1 (en) Reduction of Barrier Resistance X Area (RA) Product and Protection of Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) for Magnetic Device Applications
EP3264481B1 (en) Perpendicularly magnetized ferromagnetic layers having an oxide interface allowing for improved control of oxidation
CN108352447B (en) Magnetic component with perpendicular magnetic anisotropy that maintains high coercivity after high temperature annealing
US20180301266A1 (en) Magnetic structures having dusting layer
EP3340246B1 (en) Improved storage element for stt mram applications
CN108182958B (en) Improved seed layers for multilayer magnetic materials
US10546997B2 (en) Magnetic structures including FePd
JP7081842B2 (en) Manufacturing method of spin starting torque-based switching element
Kaidatzis et al. Tailoring the magnetic anisotropy of CoFeB/MgO stacks onto W with a Ta buffer layer
WO2016171800A1 (en) Spin transfer torque structure for mram devices having a spin current injection capping layer
CN110741487A (en) Application to magnetic devices with perpendicular magnetic anisotropy for maintaining coercive field after high temperature annealing
CN105917480A (en) Magnetic tunnel junction structure for MRAM device
US20130032910A1 (en) Magnetic memory device and method of manufacturing the same
US9059389B2 (en) Free layers with iron interfacial layer and oxide cap for high perpendicular anisotropy energy density
WO2017091310A1 (en) Multilayer structure for reducing film roughness in magnetic devices
CN111200059A (en) Magnetic tunnel junction stack and method of making the same
US20140021568A1 (en) Magnentic resistance memory apparatus having multi levels and method of driving the same
Honjo et al. Impact of tungsten sputtering condition on magnetic and transport properties of double-MgO magnetic tunneling junction with CoFeB/W/CoFeB free layer
CN107004762B (en) Magnetic tunnel junction
KR102298399B1 (en) Switching device based on spin-orbit torque and manufacturing method thereof
US20170200885A1 (en) Magnetic Memory Device
US10686123B2 (en) Multilayered magnetic free layer structure for spin-transfer torque (STT) MRAM
WO2018163575A1 (en) Ferromagnetic tunnel junction element and manufacturing method therefor
US20070215955A1 (en) Magnetic tunneling junction structure for magnetic random access memory
US20200152699A1 (en) Multilayered magnetic free layer structure for spin-transfer torque (stt) mram

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant