KR102315910B1 - 자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법 - Google Patents

자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법이 개시된다. 자유층은 스핀 궤도 토크 또는 스핀 전달 토크를 통해 자화 반전이 유도되며, 고정층은 강자성 결합 및 반강자성 결합을 통해 설계자의 의도에 따라 자화 방향이 용이하게 설정될 수 있다.

Description

자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법{Magnetic Tunnel Junction Device and Method of operating the same}
본 발명은 자기 터널 접합 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정층의 자화를 상보적으로 설정할 수 있는 자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
자기 메모리(MRAM)의 핵심 요소로 사용되는 자기 터널 접합은 자유층, 터널 장벽층 및 고정층을 가진다. 자유층과 고정층이 가지는 자화 방향의 평행 상태 또는 반평행 상태에 의해 자기 터널 접합 구조의 저항은 결정된다. 저항의 변화는 메모리의 저장 상태의 변화로 해석되며, 저항 상태의 변화를 통해 메모리의 단위 셀에 정보가 저장된다.
자유층에서의 자화의 반전 동작은 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque) 또는 스핀 궤도 토크(Spin Orbit Torque)에 의해 수행된다. 스핀 전달 토크는 전도 전자의 자화 방향이 자성 금속 내부의 자화 방향에 의해 변하는 토크에 의한 반작용으로 해석된다. 스핀 전달 토크는 두 개의 자성 금속층 사이에 절연체가 삽입되고, 전자 전자가 양자 터널링을 통하는 자기 터널 접합 구조에 적용될 수 있다. 또한, 스핀 궤도 토크는 특수상대성 이론에 따라 움직이는 전자들이 자기장이 없는 상태에서도 자기장이 있는 것처럼 느끼고, 전자들이 스핀 궤도 결합 에너지를 가지는 현상에 기인한다.
자기 터널 접합 구조에서 자유층의 자화 반전 동작을 이용하여 저저항 상태와 고저항 상태가 구현된다. 또한, 터널 장벽층을 중심으로 자유층은 고정층과 대향한다. 고정층은 외부의 자계 또는 스핀 전류의 유입에도 자화 방향이 변경되지 않는 성질을 가진다. 고정층에서 자화를 고정하는 방법은 열처리 및 매우 강한 외부 자계를 인가하는 것이다. 또한, 합성형 반강자성체(Synthetic Antiferromagnet)는 고정층 상부에 형성되고, 합성형 반강자성체와 고정층 사이에는 비자성 금속층이 배치된다. 합성형 반강자성체는 비자성 금속층을 통해 고정층과 자기 결합이 된다. 따라서, 열처리 단계에서 1000 Oe 이상의 외부 자계를 인가하면 합성형 반강자성체의 자화는 고정되고, 자기 결합된 고정층의 자화를 설정한다.
합성형 반강자성체에서 고정된 자화는 이후에 외부 자계나 전류가 인가되더라도 변경되지 않는다. 따라서, 합성형 반강자성체와 자기 결합된 고정층의 자화도 변경되지 않는다.
다만, 소자의 제작 공정에서 다양한 자화 상태를 가지는 고정층들이 요구되는 경우가 빈번히 발생된다. 즉, 상향 방향의 자화를 가지는 고정층이 요구되기도 하고, 하향 방향의 자화를 가지는 고정층이 동시에 요구되기도 한다. 상술한 기존의 고정층의 자화 고정 공정을 따를 경우, 열처리 단계에서 외부 자계는 한 방향으로만 인가할 수 있으므로 복수개의 자기 터널 접합 구조에서 고정층들은 동일 방향의 자화를 가진다. 이는 소자의 설계자에게 매우 큰 제약 요소가 된다.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 자화의 세기를 달리하는 자화 유도부를 통해 고정층의 자화를 제어할 수 있는 자기 터널 접합 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루조가 하는 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제에 의해 제공되는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 하부 전극 상에 형성된 자유층, 터널 장벽층 및 고정층의 자기 터널 접합을 이루는 자기 터널 접합부; 상기 자기 터널 접합부 상에 형성되고, 강자성 결합 및 반강자성 결합을 가지고, 자기 터널 접합부의 고정 자화를 결정하기 위한 자화 유도부; 및 상기 자화 유도부 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 자기 터널 접합 소자를 제공한다.
상기 본 발명의 제1 기술적 과제는, 하부 전극 상에 형성된 자유층; 상기 자유층 상에 형성된 터널 장벽층; 상기 터널 장벽층 상의 일측에 형성된 제1 고정층; 상기 제1 고정층 상에 형성된 제1 자화 유도부; 상기 제1 자화 유도부 상에 형성된 제1 상부 전극; 상기 터널 장벽층 상에 형성되고, 상기 제1 고정층과 대향하는 제2 고정층; 상기 제2 고정층 상에 형성되고, 상기 제1 자화 유도부와 대향하는 제2 자화 유도부; 및 상기 제2 자화 유도부 상에 형성된 제2 상부 전극을 포함하는 자기 터널 접합 소자의 제공을 통해서도 달성된다.
또한, 상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 하부 전극 상에 형성된 자유층, 터널 장벽층 및 고정층의 자기 터널 접합을 이루는 자기 터널 접합부, 상기 자기 터널 접합부 상에 형성되고, 강자성 결합 및 반강자성 결합을 가지고, 자기 터널 접합부의 고정 자화를 결정하기 위한 자화 유도부, 및 상기 자화 유도부 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법에 있어서, 외부 자계를 인가하여 상기 자기 터널 접합부 및 상기 자화 유도부의 모든 강자성층들을 상기 외부 자계 방향으로 정렬하는 단계; 및 상기 외부 자계를 제거하고, 강자성 결합 및 반강자성 결합에 의해 상기 고정층의 자화를 정렬하는 단계를 포함하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 동일 방향의 외부 자계에 대해 고정단들에 대한 자화의 방향이 조절된다. 또한, 동일한 웨이퍼 또는 기판 상에 한 방향의 외부 자계의 인가 만으로도 다양한 방향의 자화 상태를 가지는 고정층들을 얻을 수 있다.
특히, 동일 기판 상에 복수개의 자기 터널 접합 소자들이 제작된 경우, 각각의 소자들 마다 고정층의 자화를 조절하는 것은 매우 어려운 작업이다. 이는 외부 자계를 특정의 소자에만 인가할 수 없는 이유에 기인한다. 본 발명의 경우, 기판 등에 일 방향으로 인가되는 외부 자계에 대해 다양한 사용자의 편의에 따라 고정층의 자화를 설정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 자화 유도부의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 자화 유도부의 동작을 설명하기 위한 다른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 제조예에 따른 자기 터널 접합 소자의 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 데이터를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 제조예에 따른 자기 터널 접합 소자의 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 데이터를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자의 활용예를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 자기 터널 접합 소자는 하부 전극(100), 자기 터널 접합부(200), 자화 유도부(300) 및 상부 전극(400)을 포함한다.
하부 전극(100)은 비자성 금속으로 구성된다.
하부 전극(100) 상에는 자기 터널 접합부(200)가 형성된다. 상기 자기 터널 접합부(200)는 자유층(210), 터널 장벽층(220) 및 고정층(230)을 가진다. 상기 자기 터널 접합부(200)는 통상의 당업계에서 사용되는 자기 터널 접합 구조이다.
따라서, 하부 전극(100) 상에 형성되는 자유층(210)은 수직 자기 이방성을 가지며, 터널 장벽층(220)을 흐르는 프로그램 전류에 의해 자화 방향이 변경되거나, 하부 전극(100)을 평행하게 흐르는 전류에 의해 자화 방향이 변경된다. 통상, 자유층(210)에서 자화 방향이 변경되는 현상은 자화 반전으로 표현된다. 이하 자유층(210)에서의 자화 방향이 변경 동작은 자화 반전으로 표현한다.
자유층(210) 상에는 터널 장벽층(220)이 구비되며, 터널 장벽층(220) 상에는 고정층(230)이 구비된다. 상기 고정층(210)과 자유층(230)은 동일 재질로 CoFe합금 또는 CoFeB임이 바람직하며, 이들은 모두 강자성체로 구성된다.
스핀 전달 토크 현상을 이용하는 경우, 터널 장벽층(220)을 수직으로 관통하는 프로그램 전류에 의해 자유층(210)에서는 자화 반전이 수행된다. 자유층(210) 및 고정층(230)이 수직 자기 이방성을 가지는 경우, 자유층(210) 및 고정층(230)의 자화가 평행한 경우(동일 방향), 자기 터널 접합부(200)은 저저항 상태가 된다.
만일, 자유층(210)의 자화 반전을 위해 스핀 궤도 토크가 이용되는 경우, 비자성 중금속으로 구성된 하부 전극(100)에 프로그램 전류를 인가한다. 또한, 필요에 따라 프로그램 전류의 방향에 평행한 외부 자계를 인가하여 자유층(210)의 자화 반전을 유도할 수 있다. 이외 자기 전기 효과(Magnetoelectric effect)을 일으키는 물질이 하부 전극(100)의 하부에 배치됨을 통해 자화 반전이 유도될 수 있다. 하부 전극(100)에 흐르는 전류에 의해 발생된 전계에 의해 자기 전기 효과 물질은 자화되고, 자계를 형성할 수 있다. 또한, 하부 전극(100)과 크로스 바 형태로 배치되는 자기 전기 효과 물질은 자유층(210)의 자화를 용이하게 반전한다. 다만, 하부 전극(100)과 자기 전기 효과 물질 사이에는 얇은 박막의 절연물이 배치될 필요가 있다. 자기 전기 효과 물질로는 비스무트 또는 산화철 등이 사용될 수 있다.
자화 유도부(300)는 자기 터널 접합부(200)의 고정층(230) 상에 형성된다. 자화 유도부(300)는 고정층(230)의 자화의 정렬 방향을 결정한다. 상기 자화 유도부(300)는 강자성 결합 유도층(310), 중간 강자성층(320), 반강자성 결합 유도층(330) 및 상부 강자성층(340)을 가진다.
고정층(230) 상에는 강자성 결합 유도층(310)이 형성되고, 강자성 결합 유도층(310) 상에는 중간 강자성층(320)이 형성된다.
고정층(230)과 중간 강자성층(320)은 강자성 결합 유도층(310)에 의해 강자성 결합(ferro coupling)을 수행한다. 고정층(230)과 중간 강자성층(320) 사이의 강자성 결합은 RKKY 상호작용(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interaction)에 기인한다. RKKY 상호작용은 전도 전자들의 상호작용을 통해 금속 내의 핵 자기 모멘트 또는 국부적인 내부 d 또는 f 궤도의 전자 스핀의 결합 메커니즘과 관련된다. RKKY 상호작용을 유도하는 특정의 막질의 두께에 따라 강자성체에서 전자의 스핀이 한 방향으로 정렬될 수 있는 확률은 변경된다. 또한, 특정의 지점에서 스핀 전자가 업 스핀 또는 다운 스핀을 가질 확률은 파장의 형태로 표시된다.
따라서, 강자성 결합 유도층(310)의 재질 및 두께에 의존하여 고정층(230)과 중간 강자성층(320)은 반강자성 결합(antiferro coupling)되거나, 강자성 결합될 수 있다. 반강자성 결합이 되면, 2개의 대향하는 강자성체들은 상호간에 서로 반대 방향의 스핀을 가지는 반평행 상태가 되고, 강자성 결합인 경우, 2개의 대향하는 강자성체들은 서로 동일 방향의 스핀을 가지는 평행 상태가 된다.
강자성 결합 유도층(310)에 의해 고정층(230)과 중간 강자성층(320)은 강자성 결합되고, 서로 동일 방향의 자화 상태를 가진다.
상기 중간 강자성층(320) 상에는 반강자성 결합 유도층(330) 및 상부 강자성층(340)이 형성된다. 반강자성 결합 유도층(330)에 의해 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340)은 반강자성 결합을 형성한다. 즉, 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340)은 서로 대향하는 자화를 가진다. 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340)의 반강자성 결합은 반강자성 결합 유도층(340)을 매개로 한 것으로 RKKY 상호작용에 기인한다.
상부 강자성층(340) 상에는 상부 전극(400)이 형성된다.
중간 강자성층(320), 반강자성 결합 유도층(330) 및 상부 강자성층(340)은 거대자기저항 효과를 유발할 수 있다. 즉, 이들 3종의 막질들의 계면에서는 자화 상태의 변화에 따라 전기 저항이 변화되는 현상이 유발된다. 이는 반강자성 결합 유도층(330)이 비자성 금속 소재임에 기인한다. 다만, 저항 변화율은 5% 미만이 되어 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340)에서의 자화의 변경이 저항의 변화를 일으키는 정도는 미미하며 자유층, 터널 장벽층 및 고정층에 의한 자기 터널링 접합에 의한 저항 변화 효과가 매우 크게 나타난다.
따라서, 상기 자기 터널 접합부에서의 저항 상태는 자유층과 고정층의 자화의 평행 상태 또는 반평행 상태에 의해 결정된다.
또한, 고정층(230)의 자화는 중간 강자성층(320) 및 상부 강자성층(340)의 강자성 결합 또는 반강자성 결합에 의해 제어된다.
특히, 중간 강자성층(320)의 자화의 세기는 고정층(230)의 자화의 세기보다 높은 값을 가진다. 이를 위해 중간 강자성층(320)은 고정층(230)보다 큰 두께를 가짐이 바람직하다.
또한, 상부 강자성층(340)의 자화의 세기는 중간 강자성층(320)의 자화의 세기보다 높은 값을 가지거나 낮은 값을 가질 수 있다. 다만, 상기 상부 강자성층(340)도 고정층(230)보다 큰 자화의 세기를 가진다.
상부 강자성층(340)이 중간 강자성층(320)보다 큰 자화의 세기를 가지기 위해 상부 강자성층(340)은 중간 강자성층(320)보다 큰 두께를 가질 수 있다. 또한, 상부 강자성층(340)이 중간 강자성층(320)보다 작은 자화의 세기를 가지기 위해 상부 강자성층(340)은 중간 강자성층(320)보다 작은 두께를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 자화 유도부의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상부 강자성층(340)은 중간 강자성층(320)보다 큰 자화의 세기를 가진다. 또한, 고정층(230)과 중간 강자성층(320)은 강자성 결합 유도층(310)에 의해 강자성 결합되고, 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340)은 반강자성 결합 유도층(330)에 의해 반강자성 결합된다. 상부 강자성층(340)이 중간 강자성층(320)보다 큰 자화의 세기를 가지므로, 상부 강자성층(340)의 자화에 의해 중간 강자성층(320)은 반대 방향의 자화를 가진다.
외부 자계 H가 상부 방향으로 인가되면, 모든 자성체의 자화는 상부 방향으로 설정된다. 즉, 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340) 사이의 반강자성 결합을 극복할 정도의 강한 자계에 의해 모든 강자성체의 자화 방향은 상부를 향한다.
이어서, 외부 자계 H가 제거되면, 반강자성 결합이 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340) 사이에 실현된다. 다만, 상부 강자성층(340)이 큰 자성(magnetization)을 가지므로 반강자성 결합력이 인가되더라도 상부 강자성층(340)의 자화 방향은 변경되지 않고, 중간 강자성층(320)의 자화 방향이 하부를 향하는 자화의 반전 동작이 수행된다. 이에 따라 반강자성 결합에 의해 중간 강자성층(320)의 자화는 안정화된다.
또한, 중간 강자성층(320)과 고정층(230)은 강자성 결합을 형성한다. 중간 강자성층(320)이 고정층(230)보다 큰 자화를 가지므로 중간 강자성층(320)의 자화 방향에 의해 고정층(230)의 자화 방향이 결정된다. 상술한 메커니즘을 통해 고정층(230)의 자화는 하부를 향하여 정렬된다.
만일, 외부 자계 H가 하부 방향을 향하면, 강한 자계에 의해 강자성체들의 자화 방향은 하부를 향한다. 또한, 외부 자계 H가 제거되면, 가장 강하게 자화된 상부 강자성층(340)은 하부를 향하는 자화를 유지한다. 반강자성 결합에 의해 중간 강자성층(320)의 자화는 상부를 향하도록 정렬된다.
또한, 중간 강자성층(320)과 고정층(230)은 강자성 결합을 수행하므로, 고정층(230)은 중간 강자성층(320)의 자화 방향과 동일하게 자화가 정렬된다. 따라서, 고정층(230)의 자화 방향은 상부를 향하도록 정렬된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 자화 유도부의 동작을 설명하기 위한 다른 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상부 강자성층(340)은 중간 강자성층(320)보다 작은 자화의 세기를 가진다. 이를 위해 상기 상부 강자성층(340)은 중간 강자성층(320)보다 작은 두께를 가질 수 있다.
외부 자계 H가 상부 방향으로 인가되면, 모든 자성체의 자화는 상부 방향을 향한다.
이어서, 외부 자계 H가 제거되면, 가장 강한 자화의 세기를 가지는 중간 강자성층(320)은 상부를 향하는 자화를 유지하고, 반강자성 결합에 의해 상부 강자성체(340)는 하부를 향하는 자화를 가진다. 또한, 강자성 결합에 의해 고정층(230)은 상부를 향하는 자화를 가진다.
또한, 외부 자계 H가 하부 방향으로 인가된 후, 외부 자계 H가 제거되면, 중간 강자성층(320)은 하부 방향의 자화를 가지고, 고정층(230)은 하부 방향이 자화를 가진다.
상술한 바와 같이 자화 유도부(300)는 단일 막질 또는 단일 종류의 강자성층이 고정층의 자화를 유도하기 위해 사용되는 것이 아니라, 서로 다른 자화의 세기를 가지는 2 종류의 강자성층들로 구성된다. 또한, 중간 강자성층(320)과 상부 강자성층(340) 사이의 자화의 세기를 조절하여 외부 자계가 인가될 경우, 고정층(230)의 자화 방향을 다르게 설정할 수 있다.
제조예 1 : 자기 터널 접합 소자의 제작 및 성능 평가
기판으로 SiO2가 사용된다. 기판 상에 하부 전극으로 W이 사용된다. W의 두께는 자기 터널 접합 소자의 성능에 영향을 미치지 않으므로 평가하지 않았다. 또한, 하부 전극은 Ta 또는 W3Ta가 사용될 수 있다. 하부 전극 상에 씨드층이 형성되며, 씨드층은 Ta로 5 nm의 두께를 가진다. 상기 씨드층으로 인해 자유층은 결정으로 성장될 수 있다. 씨드층 상에 자유층이 형성되며, CoFeB가 1.2 nm 내지 1.3 nm로 형성된다. 터널 장벽층으로는 MgO가 1.15 nm의 두께로 형성된다. 터널 장벽층 상에는 고정층으로 CoFeB가 1 nm의 두께로 형성된다.
강자성 결합 유도층의 재질은 Ta이며 0.35 nm의 두께를 가진다. 강자성 결합 유도층 상에 형성되는 중간 강자성층은 [Co(0.4 nm)/Pt(0.3 nm)]6의 구조를 가진다. 즉, 0.4 nm 두께의 Co와 0.3 nm 두께의 Pt의 적층 구조가 6층으로 반복 형성된다. 중간 강자성층 상부에 형성되는 반강자성 결합 유도층으로 Ru가 0.85 nm의 두께로 사용된다. 반강자성 결합 유도층 상에는 상부 강자성층으로 [Co(0.4 nm)/Pt(0.3 nm)]12가 사용된다. 즉, 0.4 nm 두께의 Co와 0.3 nm 두께의 Pt의 적층 구조가 12층으로 반복 형성된다. 상부 강자성층 상에는 상부 전극으로 Ta(0.5 nm)/Ru가 사용된다. 상술한 구조는 상부 강자성층의 자화의 세기가 중간 강자성층보다 크게 설정된 것으로 상기 도 2의 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 제조예에 따른 자기 터널 접합 소자의 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 데이터를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 외부 자계가 상부 방향으로 4 kOe로 인가되면, 자유층, 고정층, 중간 강자성층 및 상부 강자성층은 모두 상부 방향으로 자화된다.
상기 도 4에서 자유층, 고정층, 중간 강자성층 및 상부 강자성층의 자화 방향만이 간단하게 도시된다. 즉, 다른 기능성 막질들은 설명의 편의를 위해 생략된다. 따라서, 최하층은 자유층이며, 그 상부는 고정층, 고정층 상부에는 중간 강자성층의 자화 방향을 나타낸다. 최상층은 상부 강자성층의 자화 방향을 도시한다.
외부 자계가 가장 높은 값을 가진 후, 외부 자계를 서서히 감소시키면, 약 1.5 kOe에서 자기 모멘트가 갑자기 하강한다. 이는 중간 강자성층과 상부 강자성층의 반강자성 결합에 의해 중간 강자성층에서 자화의 반전이 일어나기 때문이다. 또한, 고정층은 중간 강자성층과의 강자성 결합에 의해 하부를 향하는 자화의 정렬이 수행된다. 자유층은 외부 자계에 의해 자화 방향이 결정되므로 상향 자화를 유지한다.
계속해서, 외부 자계가 0 kOe 이하의 음의 값으로 인가되어 외부 자계가 하부를 향하면 자유층은 하향 자화를 가진다. 상기 자화의 상태는 -2 kOe 까지 유지된다. 즉, 상기 구간에서 인가되는 외부 자계는 반강자성 결합을 극복할 정도의 자기 모멘트를 유발하지 못하는 것을 알 수 있다.
외부 자계가 -2 kOe 이하가 되면, 반강자성 결합을 외부 자계가 극복하여 모든 강자성체의 자화를 하향 방향으로 전환시킨다. 따라서, 자기 모멘트도 약 -1500 uemu의 값을 가진다.
외부 자계를 -4 kOe에서 서서히 증가시키면, 약 -1.5 kOe에서 자기 모멘트는 -500 uemu로 상승한다. 이는 반강자성 결합이 외부 자계를 극복하여 중간 강자성체에서 상부 방향으로 자화 반전이 일어나기 때문이다. 중간 강자성체의 자화 반전에 따라 강자성 결합을 이루는 고정층도 상향 자화를 형성한다. 또한, 하부의 자유층은 하향의 외부 자계에 의해 하향 자화를 유지한다.
외부 자계가 증가하여 (+) 값을 가지는 상향 자계가 인가되더라도, 가장 강한 자화를 유지하는 상부 강자성층은 하향 자화를 유지한다. 다만, 자유층은 외부 자계에 의해 상향 자화를 가진다.
외부 자계가 더욱 증가하여 약 2 kOe에 도달하면, 강한 외부 자계에 의해 상부 강자성층은 상향 자화를 가진다. 또한, 상부 강자성층과 중간 강자성층 사이의 반강자성 결합은 강자성체의 자화에 영향을 미치지 못하며, 모든 강자성층들이 상향 자화를 가진다.
상술한 바와 같이 외부 자계에 의해 고정층은 하향 자화 또는 상향 자화 상태로 설정될 수 있다.
제조예 2 : 자기 터널 접합 소자의 제작 및 성능 평가
자기 터널 접합부의 조성 및 두께는 제조예 1에서 도시된 바와 동일하다. 또한, 자화 유도부의 구성은 상기 제조에 1에서 설명된 자화 유도부의 구성과 동일하나, 상부 강자성층의 두께는 상부 강자성층의 두께와 상이하다. 상부 강자성층은 [Co(0.4 nm)/Pt(0.3 nm)]3이 사용된다. 즉, 0.4 nm 두께의 Co와 0.3 nm 두께의 Pt의 적층 구조가 3층으로 반복 형성된다. 따라서, 상부 강자성층의 두께보다 중간 강자성층의 두께가 더 크다. 이는 상기 도 3에서 개시된 자기 터널 접합 소자를 나타낸다. 또한, 상부 강자성층 상에는 상부 전극으로 Ta(0.5 nm)/Ru가 사용된다.
도 5는 본 발명의 제2 제조예에 따른 자기 터널 접합 소자의 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 데이터를 도시한 그래프이다.
상기 도 5에서는 도 4와 유사하게 자유층, 고정층, 중간 강자성층 및 상부 강자성층의 자화 방향만 개시되고, 나머지 기능성 막질들은 설명의 편의를 위해 생략된다.
도 5를 참조하면, 외부 자계가 상부 방향으로 4 kOe가 인가되면 자기 터널 접합 소자를 구성하는 모든 강자성체들은 상향 자화를 가진다. 즉, 중간 강자성층과 상부 강자성층 사이의 반강자성 결합의 영향에도 불구하고, 강한 외부 자계에 의해 모든 강자성체들은 상향 자화를 가진다.
외부 자계가 약 2.8 kOe가 되면, 반강자성 결합에 의해 상부 강자성층 만이 하향 자화를 가진다. 상부 강자성층의 자화 반전은 반강자성 결합이 하부의 강자성 결합보다 강한데 기인하며, 상부 강자성층의 두께가 제2 고정층의 두께보다 큼을 통해 알 수 있다.
계속해서 외부 자계가 감소하여 0 kOe보다 작으면, 자유층에서는 외부 자계에 의한 자화 반전이 일어난다. 따라서, 자유층은 하향 자화를 가진다.
외부 자계가 약 -1 kOe 이하로 감소하면, 반강자성 결합에 비해 약한 결합력을 가진 강자성 결합이 끊어지고, 외부 자계에 의해 고정층의 자화 방향이 결정된다. 따라서, 고정층은 하향 자화를 가진다.
계속해서 외부 자계가 음의 방향으로 증가하여, -3.2 kOe 이하의 값이 되면, 강한 외부 자계는 반강자성 결합에도 불구하고, 중간 강자성층의 자화 반전을 유도한다. 따라서, 중간 강자성층은 하향 자화를 가지며, 외부 자계에 의해 상부 강자성층도 하향 자화를 유지한다. 따라서, 모든 강자성층들은 하향 자화를 가진다.
외부 자계가 -4 kOe부터 서서히 증가하여 약 -2.5 kOe에 도달하면, 강한 반강자성 결합은 외부 자계의 영향을 배제하여 상부 강자성층의 자화 반전을 유도한다. 따라서, 상부 강자성층은 상향 자화를 가지며, 다른 자성층들은 하향 자화를 가진다.
외부 자계가 더욱 증가하여 약 0.3 kOe에 도달하면, 자기 모멘트는 갑자기 증가한다. 이는 외부 자계에 의해 자유층의 자화가 상부 방향으로 반전되기 때문이다.
이어서, 외부 자계가 1 kOe 이상이 되면, 자기 모멘트는 500 uemu의 값을 가진다. 자기 모멘트의 급준한 증가는 반강자성 결합에 비해 상대적으로 약한 힘을 가진 강자성 결합에 참여하는 고정층의 자화가 반전되기 때문이다. 따라서, 고정층 및 자유층은 상향 자화를 가지고, 상부 강자성층은 상향 자화를 유지한다. 또한, 중간 강자성층이 가장 큰 자화를 가지므로 외부 자계에도 불구하고 하향 자화를 유지한다.
외부 자계가 약 3.3 kOe 이상이 되면, 강한 자계에 의해 모든 강자성체들이 상향 자화를 가진다.
상술한 도 5의 자기 터널 접합 소자의 동작에서 강한 외부 자계에 의해 자화 방향을 설정하고 외부 자계를 제거하는 경우, 외부 자계의 방향에 따라 고정층은 하향 자화 또는 상향 자화를 가짐을 알 수 있다. 또한, 히스테리시스 특성이 나타나므로 고정층의 자화 상태는 외부 자계의 영향에도 자화 상태를 일정하게 유지함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자의 활용예를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 자기 터널 접합 소자는 하부 전극(100) 상에 자유층(210) 및 터널 장벽층(220)을 가진다. 또한, 터널 장벽층(220) 상에는 상호간에 분리된 제1 고정층(231) 및 제2 고정층(232)을 가진다. 상기 구조는 하나의 자유층(210) 상에 2개의 고정층들(231, 232)이 형성된 것으로 하나의 자유층(210)을 이용하여 두가지 상태를 저장할 수 있다.
상기 도 1 내지 도 3에서 설명된 바와 같이 제1 고정층(231) 상에는 제1 자화 유도부(301)가 형성되고, 제1 자화 유도부(301) 상에는 제1 상부 전극(400)이 형성된다. 또한, 제1 자화 유도부(301)의 구성 및 동작은 상기 도 2에서 설명된 바와 동일하다.
즉, 제1 자화 유도부(301)는 제1 고정층(231) 상에 형성된 제1 강자성 결합 유도층(311), 제1 중간 강자성층(321), 제1 반강자성 결합 유도층(331) 및 제1 상부 강자성층(341)을 가진다. 또한, 제1 상부 강자성층(341)은 제1 중간 강자성층(321)보다 큰 자화의 세기를 가진다. 따라서, 외부 자계가 제거되는 경우, 제1 상부 강자성층(341)의 자화의 방향은 변경되지 않으며, 제1 중간 강자성층(321)은 제1 상부 강자성층(341)과 상호 반대 방향의 자화 상태를 가진다.
또한, 제1 고정층(231)은 제1 중간 강자성층(321)과 강자성 결합되므로, 제1 중간 강자성층(321)의 자화 방향과 동일 방향의 자화를 가진다.
또한, 제2 고정층(232) 상에는 제2 자화 유도부(302)가 형성되고, 제2 자화 유도부(302) 상에는 제2 상부 전극(420)이 형성된다. 제2 자화 유도부(302)의 구성 및 동작은 상기 도 3에서 설명된 바와 동일하다.
따라서, 제2 자화 유도부(302)는 제2 고정층(232) 상에 형성된 제2 강자성 결합 유도층(312), 제2 중간 강자성층(322), 제2 반강자성 결합 유도층(332) 및 제2 상부 강자성층(342)을 가진다.
제2 중간 강자성층(322)은 제2 상부 강자성층(342)보다 큰 자화의 세기를 가지므로, 외부 자계가 제거되면 제2 중간 강자성층(322)의 자화 방향은 변경되지 않으며, 제2 고정층(232)은 강자성 결합에 의해 제2 중간 강자성층(322)과 동일 방향의 자화 상태를 가진다.
또한, 상기 도 6에 도시된 바와 같이 제1 고정층(231)과 제2 고정층(232)은 상호 대향하며, 제1 자화 유도부(301)와 제2 자화 유도부(302)도 상호 대향하여 배치된다.
만일 외부 자계가 하부 전극 방향으로 향하면, 제1 고정층(231)은 상향 자화를 가지고, 제2 고정층(232)은 하향 자화를 가진다. 이는 하부 방향을 향하는 강한 외부 자계가 인가되고, 외부 자계가 제거된 상태의 고정층들(231, 232)의 자화를 설명한 것이다. 즉, 한 방향의 외부 자계가 인가되더라도 자유층(210)을 공유하는 2개의 고정층들(231, 232)은 상호 반대 방향의 고정 자화 상태를 가진다.
이어서, 스핀 궤도 토크를 이용하여 하부 전극(100)에 평행한 방향으로 프로그램 전류 i0가 인가된다. 우측 프로그램 전류 i0에 의해 자유층(210)은 상향의 자화를 가진다고 가정한다. 또한, 프로그램 전류 i0가 좌측을 향하는 경우, 자유층(210)은 하향의 자화를 가진다고 가정한다.
상기 도 6에서 우측 방향으로 향하는 프로그램 전류 i0가 인가되므로 자유층(210)은 상향의 자화를 가진다. 제1 고정층(231)과 자유층(210)은 상호간에 동일 방향의 자화를 가지므로 저저항 상태를 구현하고, 제2 고정층(232)과 자유층(210)은 상호간에 반대 방향의 자화를 가지므로 고저항 상태를 구현한다.
즉, 하나의 프로그램 전류 i0 인가에 대해 2개의 저장 상태를 구현할 수 있으며, 제1 고정층(231)과 자유층(210)의 저항 상태를 버퍼로 사용하는 경우, 반전된 상태를 가지는 제2 고정층(232)과 자유층(210)의 저항 상태를 인버터로 사용할 수 있다.
만일, 상기 도 6의 자기 터널 접합 소자가 스핀 전달 토크를 이용하는 경우, 상부 전극(410, 420)에서 하부 전극(100)으로 향하는 동일 방향의 프로그램 전류를 인가하여 자유층(210)의 자화를 설정할 수 있다. 동작은 기 설명된 바와 동일하다.
상술한 본 발명에서는 동일 방향의 외부 자계에 대해 고정단들에 대한 자화의 방향이 조절된다. 또한, 동일한 웨이퍼 또는 기판 상에 한 방향의 외부 자계의 인가 만으로도 다양한 방향의 자화 상태를 가지는 고정층들을 얻을 수 있다.
특히, 동일 기판 상에 복수개의 자기 터널 접합 소자들이 제작된 경우, 각각의 소자들 마다 고정층의 자화를 조절하는 것은 매우 어려운 작업이다. 이는 외부 자계를 특정의 소자에만 인가할 수 없는 이유에 기인한다. 본 발명의 경우, 기판 등에 일 방향으로 인가되는 외부 자계에 대해 다양한 사용자의 편의에 따라 고정층의 자화를 설정할 수 있는 잇점이 있다.
100 : 하부 전극 200 : 자기 터널 접합부
210 : 자유층 220 : 터널 장벽층
230 : 고정층 300 : 자화 유도부
310 : 강자성 결합 유도층 320 : 중간 강자성층
330 : 반강자성 결합 유도층 340 : 상부 강자성층
400 : 상부 전극

Claims (17)

  1. 하부 전극 상에 형성된 자유층, 터널 장벽층 및 고정층의 자기 터널 접합을 이루는 자기 터널 접합부;
    상기 자기 터널 접합부 상에 형성되고, 강자성 결합 및 반강자성 결합을 가지고, 자기 터널 접합부의 고정 자화를 결정하기 위한 자화 유도부; 및
    상기 자화 유도부 상에 형성된 상부 전극을 포함하고,
    상기 자화 유도부는
    상기 고정층 상에 형성된 강자성 결합 유도층;
    상기 강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 고정층과 함께 강자성 결합을 형성하여 상기 고정층과 동일 방향의 자화 방향을 가지는 중간 강자성층;
    상기 중간 강자성층 상에 형성되는 반강자성 결합 유도층; 및
    상기 반강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 중간 강자성층과 함께 반강자성 결합을 형성하여 상기 중간 강자성층과 반대 방향의 자화 방향을 가지는 상부 강자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 강자성층의 자화의 세기는 상기 중간 강자성층의 자화의 세기보다 크며, 외부 자계의 제거에 의해 상기 상부 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 상부 강자성층의 두께는 상기 중간 강자성층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 강자성층의 자화의 세기는 상기 중간 강자성층의 자화의 세기보다 작으며, 외부 자계의 제거에 의해 상기 중간 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 강자성층의 두께는 상기 중간 강자성층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  7. 하부 전극 상에 형성된 자유층;
    상기 자유층 상에 형성된 터널 장벽층;
    상기 터널 장벽층 상의 일측에 형성된 제1 고정층;
    상기 제1 고정층 상에 형성된 제1 자화 유도부;
    상기 제1 자화 유도부 상에 형성된 제1 상부 전극;
    상기 터널 장벽층 상에 형성되고, 상기 제1 고정층과 대향하는 제2 고정층;
    상기 제2 고정층 상에 형성되고, 상기 제1 자화 유도부와 대향하는 제2 자화 유도부; 및
    상기 제2 자화 유도부 상에 형성된 제2 상부 전극을 포함하고,
    상기 제1 자화 유도부는
    상기 제1 고정층 상에 형성된 제1 강자성 결합 유도층;
    상기 제1 강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 제1 고정층과 함께 강자성 결합을 형성하는 제1 중간 강자성층;
    상기 제1 중간 강자성층 상에 형성되는 제1 반강자성 결합 유도층; 및
    상기 제1 반강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 제1 중간 강자성층과 함께 반강자성 결합을 형성하는 제1 상부 강자성층을 포함하고,
    상기 제1 상부 강자성층은 상기 제1 중간 강자성층보다 큰 자화의 세기를 가지며,
    상기 제2 자화 유도부는
    상기 제2 고정층 상에 형성된 제2 강자성 결합 유도층;
    상기 제2 강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 제2 고정층과 함께 강자성 결합을 형성하는 제2 중간 강자성층;
    상기 제2 중간 강자성층 상에 형성되는 제2 반강자성 결합 유도층; 및
    상기 제2 반강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 제2 중간 강자성층과 함께 반강자성 결합을 형성하는 제2 상부 강자성층을 포함하고,
    상기 제2 중간 강자성층은 상기 제2 상부 강자성층보다 큰 자화의 세기를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 상부 강자성층은 상기 제1 중간 강자성층보다 큰 두께를 가지고, 외부 자계의 제거시 상기 제1 상부 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않으며, 상기 제1 중간 강자성층은 반강자성 결합에 의해 상기 제1 상부 강자성층의 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서, 상기 제2 중간 강자성층은 상기 제2 상부 강자성층보다 큰 두께를 가지고, 외부 자계의 제거시 상기 제2 중간 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않으며, 상기 제2 상부 강자성층은 반강자성 결합에 의해 상기 제2 중간 강자성층의 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  12. 하부 전극 상에 형성된 자유층, 터널 장벽층 및 고정층의 자기 터널 접합을 이루는 자기 터널 접합부, 상기 자기 터널 접합부 상에 형성되고, 강자성 결합 및 반강자성 결합을 가지고, 자기 터널 접합부의 고정 자화를 결정하기 위한 자화 유도부, 및 상기 자화 유도부 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법에 있어서,
    외부 자계를 인가하여 상기 자기 터널 접합부 및 상기 자화 유도부의 모든 강자성층들을 상기 외부 자계 방향으로 정렬하는 단계; 및
    상기 외부 자계를 제거하고, 강자성 결합 및 반강자성 결합에 의해 상기 고정층의 자화를 정렬하는 단계를 포함하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자화 유도부는
    고정층 상에 형성된 강자성 결합 유도층;
    상기 강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 고정층과 함께 강자성 결합을 형성하는 중간 강자성층;
    상기 중간 강자성층 상에 형성되는 반강자성 결합 유도층; 및
    상기 반강자성 결합 유도층 상에 형성되고, 상기 중간 강자성층과 함께 반강자성 결합을 형성하는 상부 강자성층을 포함하고,
    상기 외부 자계가 제거된 경우, 반강자성 결합에 의해 상기 상부 강자성층과 상기 중간 강자성층은 상호 반대 방향의 자화 상태를 가지며, 상기 중간 강자성층과 상기 고정층은 상호 동일 방향의 자화 상태를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 외부 자계의 제거에 의해 상기 상부 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않으며, 상기 중간 강자성층이 자화 방향은 반강자성 결합에 의해 자화 반전되며, 상기 고정층의 자화 방향은 상기 중간 강자성층과 동일한 방향의 자화를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 외부 자계의 제거에 의해 상기 중간 강자성층의 자화 방향은 변경되지 않으며, 상기 상부 강자성층이 자화 방향은 반강자성 결합에 의해 자화 반전되며, 상기 고정층의 자화 방향은 상기 중간 강자성층과 동일한 방향의 자화를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 고정층의 자화를 정렬하는 단계 이후에,
    상기 하부 전극과 평행한 방향으로 프로그램 전류를 인가하여 상기 자유층의 자화 반전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징을 하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 고정층의 자화를 정렬하는 단계 이후에,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 프로그램 전류를 인가하여 상기 자유층의 자화 반전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징을 하는 자기 터널 접합 소자의 동작 방법.
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