KR102550681B1 - 자화 씨드층과 자화 자유층 접합 계면의 비대칭 구조를 이용하는 스핀 소자 - Google Patents

자화 씨드층과 자화 자유층 접합 계면의 비대칭 구조를 이용하는 스핀 소자 Download PDF

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Abstract

자화 자유층의 중심 영역으로 자구벽이 이동되는 스핀 소자가 개시된다. 자화 자유층의 가장자리 또는 에지 영역에 분포되는 다수의 결함을 회피하여 자구벽은 이동되고, 수직자기이방성은 변경된다. 이를 통해 안정적인 스핀 소자의 동작이 확보된다.

Description

자화 씨드층과 자화 자유층 접합 계면의 비대칭 구조를 이용하는 스핀 소자{Spin Decivice of using Asymmetric Structure between Magnetic Seed Layer and Magnetic Free Layer}
본 발명은 자기장의 변화를 감지하기 위한 스핀 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자화 씨드층과 자화 자유층 사이의 접합 계면에 비대층 구조를 형성하고, 노이즈에도 견실한 감지능력과 높은 감도를 가지는 스핀 소자에 대한 것이다.
스핀 소자는 강자성체로 구성된 막질이 가지는 자화를 이용하여 저항의 변화를 감지하거나 자기장의 변화를 감지하는 동작을 수행한다. 예컨대, 스핀 전달 토크를 이용하는 경우, 자유층과 고정층의 자화 방향에 따라 스핀 소자의 저항이 결정된다. 스핀 소자의 저항 상태는 스핀 메모리에서 데이터의 상태를 표현한다. 또한, 강자성체에서 자구벽의 이동에 따른 홀 전압을 감지하는 경우, 스핀 소자는 자기 센서로 사용될 수 있다.
자기 센서로 대표적인 소자는 홀 센서이다. 홀 센서는 크로스 바 형상을 가지고, 반도체층을 통과하는 자계의 변화를 전압차로 변환하는 소자이다. 홀 센서 이외에 자기 저항을 이용하는 자기 저항 센서는 자장의 존재 유무에 따라 재료의 전기 저항이 변경되는 현상을 이용한다. 자기 저항 센서는 이방성 자기 저항(Anisotropic Magneto-Resistance ; AMR), 거대 자기 저항(Giant Magneto-Resistance ; GMR) 또는 터널 자기 저항(Tunneling Magneto-Resistance ; TMR)을 이용한다.
특히, 이방성 자기 저항 현상은 강자성 금속과 이들의 합금에서 나타나는 효과로 정상적인 자기 저항 효과 이외의 부가적인 효과에 해당한다. 이는 강자성 금속을 흐르는 전류와 자화의 방향이 서로 평행일 때, 저항이 최대로 되고, 서로 수직한 경우, 저항이 최소가 되는 현상을 지칭한다. 이는 스핀 궤도 상호작용(spin-orbit interaction)에 기인한 것으로 강자성체의 자화 용이축, 외부 자계와 전류 사이의 각도에 의존하며, 비교적 낮은 감조를 가지는 것으로 알려져 있다.
거대 자기 저항 현상은 2개의 자성층들의 자화 방향이 평행/반평행인 경우에 저항이 크게 차이 나는 현상이다. 다층 구조를 통해 구현되며, 2개의 자성체 박막들 사이에 도전체막이 형성된다.
터널 자기 저항 현상은 스핀 터널 방식이며, 높은 재생 감도를 가지는 장점이 있다. 2개의 자성층들 사이에 배치되는 비자성층은 절연물로 형성되며, 절연물의 터널 효과가 고정층과 자유층의 자기 각도에 자기 각도에 따라 변화되는 현상을 이용한다.
상술한 자기 센서는 다양한 분야로의 적용이 검토되고 있다. 특히, 자동차 부품 등에서는 물체의 회전 및 위치 파악을 위해 3 축 방향으로 인가되는 자기장을 측정하기 위해 다수의 센서들이 사용된다. 통상, 3 축 방향으로 인가되는 자기장의 변화를 감지하기 위해서는 하나의 자기 센서 만으로는 불가능하며, 개별적으로 제작된 2 개의 자기 센서들을 패키징 공정을 통해 조합할 필요가 있다. 예컨대, 기존의 선형 홀 센서는 칩의 표면에 수직으로 변화되는 자기장을 감지하도록 배치되고, GMR 센서로 평면 방향의 자기장의 변화를 감지하는 구조가 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이 복수개의 자기 센서들이 하나의 패키지 내로 통합되기 위해서는 와이어 본딩 또는 외부 배선과의 연결을 위해 복잡한 구조가 요구된다.
또한, AMR 센서는 스핀 궤도 토크 현상을 이용하나, 자화의 스위칭을 위해 상대적으로 큰 전류가 요구된다. 또한, 강자성체 내의 불순물들로 인해 구동 전력이 증가하는 문제가 있다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
스핀 궤도 토크(Spin Orbit Torque ; SOT)를 이용하여 스핀의 자화 방향이 제어되는 경우, 기존의 스핀 메모리에 사용되는 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque ; STT)를 이용하는 경우에 비해 적은 양의 전류로 스위칭 동작을 유발하는 장점을 가진다. 그러나, SOT를 이용하는 스핀 소자는 다층 구조를 가지며, 다층 구조 내의 자화 씨드층 및 자화 자유층은 대칭 구조를 가진다. 대칭 구조라 함은 자화 씨드층의 프로파일과 자화 자유층이 프로파일이 동일함을 의미한다. 즉, 상호 동일한 형상으로 인해 접합면인 계면에서는 가장자리는 상대적으로 큰 결함이 나타난다. 가장자리의 결함으로 인해 자구벽의 이동시 많은 전력이 소요되며, 자기 센서로 작동될 경우, 자화 방향이 갑자기 변경(jumping)되어 자계의 측정이 어려워진다.
따라서, 자구벽의 이동이 자화 자유층의 가장자리로 일어나지 않거나, 자화 자유층의 중심을 통해 일어나는 새로운 스핀 소자의 구조는 여전히 요구된다 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자구벽이 안정적으로 이동되고, 자구벽의 점핑 현상이 방지되는 스핀 소자를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 형성되고, 비자성 중금속을 가지는 자화 씨드층; 상기 자화 씨드층 상에 형성되고, 수직자기이방성을 가지는 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및 상기 자화 자유층 상에 형성되고, 상기 자화 자유층에 수직자기이방성을 부여하기 위한 산화물층을 포함하고, 상기 자화 씨드층의 폭은 상기 자화 자유층보다 작으며, 상기 자화 자유층에서 자구벽은 상기 자화 자유층 가장자리 영역 이외의 영역에서 이동되는 것을 특징으로 하는 스핀 소자를 제공한다.
본 발명의 상기 기술적 과제는 기판 상에 형성된 산화물층; 상기 산화물층 상에 형성되고, 수직자기이방성을 가지는 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및 상기 자화 자유층 상에 형성되며, 비자성 중금속을 가지는 자화 씨드층을 포함하고, 상기 자화 씨드층의 폭은 상기 자화 자유층보다 작으며, 상기 자화 자유층에서 자구벽은 상기 자화 자유층 가장자리 영역 이외의 영역에서 이동되고, 상기 자화 씨드층은 상기 자화 자유층의 폭에 대해 36.4 % 내지 80 %의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 소자의 제공을 통해서도 달성된다.
상술한 본 발명에 따르면, 자화 씨드층의 폭은 자화 자유층에 비해 작은 값으로 설정된다. 자화 자유층은 강자성체이며, 가장자리에 가장 많은 결정 결함을 가진다. 스핀 궤도 토크에 의해 자구벽이 이동하는 경우, 결정 결함은 예측할 수 없는 점핑 현상을 유발한다. 따라서, 본 발명에서는 자구벽이 자화 자유층의 가장자리를 회피하여 이동하도록 한다. 이를 통해 안정적인 자구벽의 이동을 유도할 수 있고, 동작의 선형성이 확보된다. 또한, 가역적인 자구벽의 이동이 가능해진다. 상기 특성은 스핀을 이용하는 메모리, 홀 센서 및 신경망 소자에 적용가능하다. 특히, 점핑 현상에 기인한 노이즈가 효과적으로 억제될 수 있으며, 동작의 선형성이 확보됨을 통해 신뢰성 있는 스핀 소자가 제작될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스핀 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스핀 소자의 다른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 스핀 소자의 상부 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따라 제작된 스핀 소자의 상부 이미지이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 2의 스핀 소자의 자구벽 이동을 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 자구벽의 이동에 따른 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 의해 제작된 스핀 소자의 자구벽 이동을 도시한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 비교예에 따라 제작된 스핀 소자의 자구벽 점핑 현상을 도시한 이미지이다.
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 스핀 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100), 자화 씨드층(110), 자화 자유층(120), 산화물층(130) 및 상부 전극(140)을 가진다.
상기 기판(100)은 상부의 막질들이 형성되기 위해 지지판으로 기능하며, 상부의 막질들의 동작에 영향을 미치지 않는 소재로 선택된다. 이를 위해 상기 기판(100)은 절연물임이 바람직하다. 예컨대, 상기 기판(100)은 SiO2 재질을 가질 수 있다.
상기 기판(100) 상에는 자화 씨드층(110)이 형성된다. 자화 씨드층(110)은 비자성 중금속이며, Ta, W, Hf, Mo, Nb, Ti, Pt 또는 Pd를 포함한다. 자화 씨드층(110)은 상기 기판(100)에 함몰된 형태로 제공된다. 따라서, 자화 씨드층(110)의 상부 평면은 기판(100)의 상부 평면과 동일 평면을 이룸이 바람직하다. 이를 위해 기판(100)의 일부 영역을 식각하여 트렌치를 형성하고, 트렌치를 비자성 중금속으로 매립하여 자화 씨드층(110)을 형성할 수 있다.
자화 씨드층(110) 상에는 자화 자유층(120)이 형성된다. 상기 자화 자유층(120)은 강자성체이며, Co, Fe, Ni, Mn 또는 이들의 합금으로 구성되며, CoFeB, NiFe, CoPd, CoPt, FePt 또는 FePd를 가짐이 바람직하다. 또한, 자화 자유층(120)은 자화 씨드층(110)이 가지는 결정 구조를 추종하여 형성되며, 자화 자유층(120)의 표면에 대해 수평으로 인가되는 전류 및 외부 자계에 의해 자구벽이 이동하는 특징을 가진다.
자화 자유층(120)은 자화 씨드층(110)의 표면을 완전히 커버하며, 자화 씨드층(110)보다 넓은 폭을 가진다. 따라서, 자화 씨드층(110)의 표면을 흐르는 전류 및 전류와 평행한 방향으로 인가되는 외부 자기장에 의한 자기 모멘트의 변화는 자화 자유층(120)의 중심 영역에서 일어나며, 자구벽의 이동도 자화 자유층(120)의 중심 영역에서 주도적으로 발생된다.
상기 자화 자유층(120) 상에는 산화물층(130)이 형성된다. 산화물층(130)으로 사용될 수 있는 대표적인 소재는 MgO이다. 상기 산화물층(130)은 수 nm의 얇은 박막이며 얇은 박막으로 인해 자화 자유층(120) 내의 수직자기이방성이 확보될 수 있다.
또한, 상기 산화물층(130) 상에는 상부 전극(140)이 형성된다. 상기 상부 전극(140)은 도전성 재질을 가지는 금속물이면 여하한 형태라도 가능할 것이다.
상기 도 1에서 자화 자유층(120) 및 산화물층(130)은 동일한 프로파일을 가지므로 상호간에 동일한 폭을 가진다. 다만, 자화 씨드층(110)은 자화 자유층(120) 및 산화물층(130)보다 작은 폭을 가진다. 또한, 자화 자유층(120) 및 산화물층(130)은 대략 십자형의 구조를 가지며, 자화 씨드층(110)도 십자형의 구조를 가진다. 다만, 자화 씨드층(110)의 십자형 구조는 자화 자유층(120)에 비해 작은 사이즈로 자화 씨드층(110)의 십자형 구조는 자화 자유층(120)의 십자형 구조 내에 완전히 포함됨이 바람직하다.
또한, 상기 자화 씨드층(110)은 기판(100) 상에 함몰된 형태로 제공될 수 있으며, 기판(100) 상에 돌출될 형태로 제공될 수도 있다. 자화 씨드층(110)이 기판(100) 상에 돌출된 형태로 제공되는 경우, 자화 씨드층(110)의 측면에는 비자성 절연체가 배치됨이 바람직하다. 즉, 자화 자유층(120)이 가지는 표면적 대비 자화 자유층(120)이 자화 씨드층(110)과 접하는 표면적이 작다면 여하한 구성이라도 가능할 것이다.
특히, 전류 또는 전압의 인가에 따라 자화 자유층(120)의 자구벽이 이동하는 경우, 이동하는 자구벽의 폭은 상기 자화 자유층(120)이 가지는 폭보다 작음이 바람직하다. 예컨대, 상기 도 1에서 자화 자유층(120)의 자구벽이 지면에 유입되는 방향으로 이동하는 경우, 자구벽의 폭은 자화 자유층(120)이 가지는 폭보다 작음이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스핀 소자의 다른 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(100), 산화물층(130), 자화 자유층(120), 자화 씨드층(110) 및 상부 전극(140)을 가진다.
기판(100) 상에 산화물층(130)이 형성되고, 산화물층(130) 상에 자화 자유층(120) 및 자화 씨드층(110)이 순차적으로 형성된다.
상기 도 2에 개시된 각각의 구성요소의 재질은 상기 도 1에 설명된 바와 동일하다. 다만, 상기 도 2는 도 1의 구조에 비해 역구조의 형태를 가진다. 또한, 자화 씨드층(110)의 폭은 자화 자유층(120)의 폭보다 작으며, 자화 씨드층(110)에 인가되는 펄스 전류 및 수평 자계에 의해 발생되는 스핀 궤도 토크에 의해 자화 자유층(120)의 자구벽은 이동한다. 자화 자유층(120)의 자구벽의 이동은 상기 도 1에 설명된 바와 동일하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 스핀 소자의 상부 평면도이다.
도 3을 참조하면, 점선으로 표시된 영역은 자화 씨드층(110)의 외곽을 표현한 것이고, 실선으로 표시된 영역은 자화 자유층(120)의 외곽을 표현한 것이다. 자화 씨드층(110)은 비자성 중금속 재질이며, 자화 자유층(120)은 강자성체로 금속 재질이다. 따라서, 전기적으로 자화 씨드층(110)과 자화 자유층(120)은 단락된 것으로 해석하여도 무방하다. 또한, 상기 도 2의 상부 평면도는 상기 도 3에서 자화 씨드층(110)과 자화 자유층(120)의 위치가 서로 변경되는 것을 제외하고 동일한 형상을 가진다. 따라서, 자화 씨드층(110)으로 공급되는 펄스 전류 및 외부 자계에 의한 자화 자유층(120)의 자구벽의 이동 동작은 이하 설명하는 메커니즘에 따른다.
상부 평면도에서 나타난 바와 같이 자화 씨드층(110)과 자화 자유층(120)은 십자형 구조를 가지며, 자화 자유층(120)은 자화 씨드층(110)에 비해 넓은 폭을 가진다. 다만, 자화 씨드층(110)의 중심선은 자화 자유층(120)의 중심선과 일치함이 바람직하다.
x축으로 신장된 영역에서의 폭과 y축으로 신장된 영역에서의 폭이 다르게 설계될 수 있으므로 자화 자유층(120) 대비 자화 씨드층(110)의 폭의 비율은 . 다만, 십자형 구조 내에서 전류 방향과 평행한 부분의 폭에서 자화 씨드등의 폭은 36.4 % 내지 80 %로 설정됨이 바람직하다.
자화 씨드층(110)에서 x 방향으로 전류 및 외부 자계가 인가되면, 스핀 궤도 토크에 의해 자화 자유층(120)에서는 자구벽의 이동이 발생된다. 예컨대, 전류 및 외부 자계가 인가되기 이전 상태에서 자화 자유층(120)은 지면을 향하는 방향의 수직자기이방성을 가진 것으로 가정한다. 자화 씨드층(110)에 전류 및 외부 자계가 언급된대로 x 방향을 인가되면, 스핀 궤토 토크에 의해 자화 자유층(120)의 자화 반전을 위한 힘이 발생되고, 이는 자구벽의 이동으로 나타난다. x 방향으로 인가되는 전류가 펄스열의 형태를 가지면, 자구벽은 x 방향을 따라 단계별로 이동한다.
다만, 자화 씨드층(110)은 비자성 중금속 재질이므로 결정 내의 결함들이 존재하고, 자유 전자의 산란이 발생하더라도 공급되는 전류가 특정 영역으로 편중되는 현상은 발생하지 않는다. 그러나, 스핀 궤도 토크가 발생되는 영역인 자화 자유층(120)에서는 결함의 존재는 자구벽의 이동에 큰 영향을 미친다. 상기 도 3에서 자화 자유층(120)의 에지 부근은 중심 영역에 비해 많은 결함들을 가진다. 결함은 다양한 형태일 수 있으나, 결정성이 낮아지거나, 공공(vacancy)이 발생되는 경우를 가정한다. 자화 자유층(120)의 에지 부근에서는 결함으로 인해 자구벽의 이동이 빨라지거나 느려지는 불규칙성이 증가하는 경향이 있다. 예컨대, 전류 및 외부 자계의 인가에 의해 자화 반전이 신속하게 진행될 수 있다. 즉 에지 부근에서 구조의 불규칙성으로 인해 자구벽의 이동은 불규칙해질 수 있으며, 자구벽이 에지 영역만으로 진행하여 특정의 영역에서 자구벽이 크게 형성되는 점핑(jumping) 현상이 발생될 수 있다.
이는 스핀 소자의 오동작을 초래하고, 반복되는 자계의 감지 동작에서 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
그러나, 상기 도 3에서 자화 씨드층(110)과 접하는 자화 자유층(120)의 영역은 전체가 아닌 중심 부위의 일부에 해당한다. 따라서, 자화 자유층(120)이 자화 씨드층(110)과 접하는 부위는 가장자리인 에지 영역을 회피한 영역이며, 결함으로 인해 자구벽의 불규칙한 이동이 발생되지 않는 영역이다. 따라서, 단계적으로 펄스 전류가 인가되는 조건에서 자구벽은 안정적으로 이동될 수 있다.
제조예
스핀 소자가 제작된다. 기판으로는 SiO2가 사용되며, 자화 씨드층으로는 텅스텐(W)이 사용된다. 자화 씨드층의 두께는 1.2 nm이다. 또한, 자화 씨드층을 완전히 차폐하는 자화 자유층은 CoFeB 재질을 가지며 두께는 1.2 nm이다. 자화 자유층 상에는 산화물층으로 1 nm의 두께를 가지는 MgO가 형성되고, 산화물층 상에는 상부 전극으로 Ta가 3 nm의 두께로 형성된다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따라 제작된 스핀 소자의 상부 이미지이다.
스핀 소자는 십자형의 형상을 가진다. x 축 방향으로 신장된 제1 영역(121)과 y 축 방향으로 신장된 제2 영역(122)이 서로 교차하며, 제2 영역(122)과 별도로 y 축 방향으로 신장된 추가 영역(123)이 형성된다. 상기 추가 영역(123)은 스핀 소자의 동작에 실질적인 영향을 미치지 않으나, 초기 자구벽 이동 동작시 추가 바이어스 또는 펄스를 인가하여 자구벽 이동을 개시하는데 사용된다. 따라서, 당업자는 스핀 소자의 설계시 추가 영역을 생략할 수 있다. 추가 영역이 생략되면, 제1 영역(121)으로 인가되는 펄스 전류의 크기 또는 듀티를 조절하여 자구벽 이동을 개시할 수 있다.
제1 영역(121)의 폭은 4 um이며, 제2 영역(122)의 폭은 2 um이다. 또한, 제1 영역(121)은 자화 씨드층, 자화 자유층, 산화물층 및 상부 전극의 적층구조를 가지며, 제2 영역(122)도 동일한 구조를 가진다. 다만, 제1 영역(121)의 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 자화 씨드층과 전기적으로 연결되고, 제1 전극(111)으로부터 제2 전극(112)을 향하여 자계 및 펄스 전류가 인가된다.
제1 영역(121) 내의 자화 씨드층의 폭은 2 um이며, 자화 자유층 및 산화물층의 폭은 4 um이다. 제1 영역(121)과 제2 영역(122)의 최상층에 형성된 상부 전극은 제2 영역(122)에서 제3 전극(141) 및 제4 전극(142)과 전기적으로 연결된다.
제1 영역(121)이 신장된 방향와 평행하게 펄스 전류와 외부 자계가 인가된다. 펄스 전류와 인가되는 외부 자계에 의해 자화 씨드층과 자화 자유층의 계면에서는 스핀 궤도 토크가 발생되고, 자화 자유층의 수직자기이방성은 반전된다. 예컨대, 지면으로 유입되는 방향의 자기 모멘트는 펄스 전류의 인가에 따라 지면으로부터 유출되는 자기 모멘트를 가진다. 펄스 전류의 인가가 누적될수록 자화가 반전된 영역은 제1 영역(21)의 제1 전극 영역으로부터 제2 전극 영역으로 확대된다.
자화가 반전된 영역이 제1 영역(121)과 제2 영역(122)이 교차하는 영역에 도달하면, 제3 전극(141)과 제4 전극(142) 사이에는 홀 전압의 변화가 일어난다. 이를 통해 누적된 펄스의 감지 동작이 수행된다.
비교예
상기 제조예에 의해 제작된 스핀 소자와의 성능의 비교를 위해 비교용 스핀 소자가 제작된다.
스핀 소자를 형성하는 막질들의 두께 및 재질은 상기 제조예와 동일하다. 또한, 스핀 소자들은 상기 제조예와 동일한 십자형의 형상을 가진다. 다만, 자화 씨드층의 폭은 자화 자유층과 동일하다. 따라서, 자화 씨드층 및 자화 자유층의 폭은 4 um이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 2의 스핀 소자의 자구벽 이동을 나타낸 이미지이다.
도 5를 참조하면, 통상의 광학 현미경이 사용될 경우, 자구벽의 이동은 관찰될 수 없다. 그러나, MOKE(magneto-otical kerr effect) 현미경이 사용되면 자구벽의 자화 상태에 따라 음영이 다르게 나타난다.
또한, 인가되는 펄스 전류는 (+)12 V의 레벨을 가지고, 1 ms 동안 인가된다. 인가회수가 증가하면, 지면으로 배출되는 자기 모멘트를 가지는 자구벽은 우측으로 이동된다. 다만 자구벽의 변화는 자화 자유층의 전체에 대해 일어나지 않고, 하부에 형성된 자화 씨드층의 프로파일을 따라 일어난다. 따라서, 자화 자유층의 중심 부위에서만 자구벽의 이동이 감지된다. 상기 도 3에서 노란 점선 영역은 제1 영역과 제2 영역이 교차되는 지점에 해당한다. 4회의 (+) 레벨을 가지는 펄스 전류가 4회 인가된 후, (-) 펄스를 가지는 펄스 전류가 4회 인가된다. (-)의 레벨을 가지는 펄스 전류의 인가에 따라 자구벽은 좌측으로 다시 회복된다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 자구벽의 이동에 따른 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 양의 레벨을 가지는 펄스 전류의 인가에 따라 홀 저항은 선형적으로 감소한다. 4번의 경우, 누적된 펄스 전류의 인가에 의해 홀 저항은 가장 낮은 값을 가진다. 이어서, 음의 레벨을 가지는 펄스가 인가되면, 자구벽은 좌측으로 후퇴하면서 홀 저항은 선형적으로 감소한다. 8번에서 펄스 전류가 인가되면, 최초의 펄스 전류가 인가되는 상태로 홀 저항은 회복된다.
상기 도 6에서는 펄스 전류의 인가에 따라 홀 저항이 선형적으로 변경되는 것이 관찰되며, 도 4에서는 자구벽의 이동이 가역적으로 일어나는 것이 확인된다.
도 7은 본 발명의 비교예에 의해 제작된 스핀 소자의 자구벽 이동을 도시한 이미지이다.
도 7을 참조하면, 자화 씨드층과 자화 자유층의 폭은 동일한 상태이다. 자화 씨드층을 통해 공급되는 펄스 전류 및 상기 펄스 전류와 동일 방향으로 인가되는 외부 자계에 의해 자구벽이 이동하는 현상은 상기 도 3에서 설명된 바와 동일하다.
또한, 인가된 펄스 전류는 (+)12 V의 레벨을 가지고, 1 ms 동안 인가된다. 펄스 전류가 누적 인가되는 임의의 지점에서 자구벽의 형상을 관찰하면, 매우 불규칙한 형상으로 자구벽이 이동된다. 또한, 펄스 전류가 인가되는 임의의 시점에서 자구벽의 말단의 이동 양상도 매우 불규칙하다. 이는 자화 자유층이 가지는 결정 구조의 결함에 기인한다.
자화 자유층의 측면은 중심부에 비해 많은 결정 결함을 가진다. 결정 결합에 의해 SOT 현상은 불규칙하게 일어나며, 자구벽의 이동도 불규칙하게 발생된다. 따라서, 동일 펄스 전류가 인가되더라도 자구벽의 양상은 불규칙하며 홀 전압 또는 홀 저항의 생성도 비선형적으로 발생된다.
도 8은 본 발명의 비교예에 따라 제작된 스핀 소자의 자구벽 점핑 현상을 도시한 이미지이다.
도 8을 참조하면, 상기 도 7의 스핀 소자에서 펄스 전류의 인가시 자구벽의 불규칙한 이동이 관찰된 바 있다. 양의 레벨을 가지는 펄스와 음의 레벨을 가지는 펄스를 반복하여 인가하면, 자구벽의 이동과 후퇴가 발생된다. 반복하여 펄스 전류를 인가하는 임의의 시점에서 상기 도 6의 스핀 소자에서는 점핑 현상이 발생된다. 즉, 자구벽이 선형적으로 이동하지 못하고, 자화 자유층의 가장자리를 타고 불특정 지점에서 자화가 반전된 영역이 나타난다. 이는 홀 센서 등에서 노이즈로 판단되며, 스핀 소자의 오동작을 유발한다.
상술한 바와 같이 자화 씨드층과 자화 자유층이 동일한 폭을 가지는 경우, 자화 자유층의 가장자리에 분포되는 다수의 결정 결함으로 인해 자구벽의 점핑 현상이 발생된다.
아래의 표 1은 자화 자유층의 폭에 대해 자화 씨드층이 가지는 폭의 범위를 조사한 것이다. 자화 씨드층이 가지는 폭은 변화되지 않으며, 자화 자유층의 폭을 변경하여 점핑 현상의 발생 여부를 판단한다. 또한, 상기 도 4에서와 같이 제3 전극 및 제4 전극에서 이상 홀 효과의 측정을 통해 4 회 펄스 전류의 인가시 홀 저항의 변화량이 측정된다. 당업자가 참고할 사항은 본 발명에서는 자화 씨드층의 폭을 고정하고 자화 자유층의 폭을 변경하였으나, 당업자가 보유한 공정 장비의 성능에 따라 자화 자유층의 폭을 고정하고, 자화 씨드층의 폭을 변경시킬 수 있을 것이다. 다만, 아래의 표에서 의미를 부여할 수치는 자화 자유층의 폭 대비 자화 씨드층의 폭의 비율이다. 본 실시예에서는 33.3 % 내지 100 % 까지 폭의 변화를 가하여 관찰한다. 또한, 홀 저항의 변화량은 상기 도 5에 도시된 4회 펄스 전류의 인가와 1회 펄스 전류의 인가시 홀 저항의 차잇값을 기준으로 설정한 것이다. 따라서, 각 샘플들의 홀 저항의 측정은 상기 도 4에 도시된 바에 따른다.
샘플 번호 자화 씨드층의 폭 자화 자유층의 폭 점핑 현상 유무 홀 저항의 변화
1 2 um 2 um 있음 83 %
2 2 um 2.5 um 없음 93 %
3 2 um 3 um 없음 95 %
4 2 um 3.5 um 없음 98 %
5 2 um 4 um 없음 100 %
6 2 um 4.5 um 없음 103 %
7 2 um 5 um 없음 101 %
8 2 um 5.5 um 없음 97%
9 2 um 6 um 없음 87 %
표 1을 참조하면, 자화 씨드층과 자화 자유층의 폭이 동일한 샘플 1에서는 점핑 현상이 발생된다. 따라서, 상기 샘플을 펄스 전류가 인가될 경우, 불규칙한 자구벽의 이동에 의해 홀 전압에서도 많은 노이즈가 발생되며, 스핀 소자의 오동작을 유발한다.
샘플 2 내지 샘플 6에서 자화 자유층 대비 자화 씨드층의 폭의 비율이 감소함에 따라 홀 저항은 증가하는 경향이 나타난다. 이는 자화 씨드층의 폭이 고정된 상태에서 상부에 형성되는 자화 자유층의 폭이 증가한 현상에 기인한다. 즉, 자화 씨드층을 통해 공급되는 펄스 전류는 고정된 상태이므로, 자화 씨드층과 접하는 자화 자유층의 폭이 증가하면, 접합 계면에서의 결정성도 향상된다. 따라서, 자구벽의 이동은 원활하고 가역성이 향상되므로 홀 저항의 변화량도 증가되는 경향이 나타난다.
샘플 8 및 샘플 9에서는 점핑 현상이 관찰되지 않으나, 홀 저항의 변화량이 감소하는 경향이 나타난다. 이는 자화 씨드층 대비 자화 자유층의 폭이 지나치게 넓은데 기인한다. 즉, 자화 씨드층 상부와 직접 접하는 자화 자유층의 영역에서만 SOT에 의해 자화 반전 및 자구벽의 이동이 진행될 필요가 있으나, 자화 자유층의 폭이 지나치게 넓으면, 자화 자유층으로 펄스 전류가 과도하게 확산되어 스핀 궤도 토크의 강도가 약해지고, 자구벽이 강하게 형성되지 못하는 현상에 기인한다. 따라서, 홀 저항의 변화량은 다소 감소하는 경향으로 나타난다.
당업자 수준에서 홀 저항의 변화가 90 % 미만이면, 센싱 감도의 저하와 등가로 판단되어 센싱 소자로의 활용도가 크게 떨어진다. 따라서, 샘플 2 내지 샘플 8의 범위 내에서 스핀 소자가 제작될 필요가 있다. 즉, 자화 씨드층은 자화 자유층의 폭 대비 36.4 % 내지 80 %의 폭을 가짐이 바람직하다.
상술한 본 발명에서 자화 씨드층의 폭은 자화 자유층에 비해 작은 값으로 설정된다. 자화 자유층은 강자성체이며, 가장자리에 가장 많은 결정 결함을 가진다. 스핀 궤도 토크에 의해 자구벽이 이동하는 경우, 결정 결함은 예측할 수 없는 점핑 현상을 유발한다. 따라서, 본 발명에서는 자구벽이 자화 자유층의 가장자리를 회피하여 이동하도록 한다. 이를 통해 안정적인 자구벽의 이동을 유도할 수 있고, 동작의 선형성이 확보된다. 또한, 가역적인 자구벽의 이동이 가능해진다. 상기 특성은 스핀을 이용하는 메모리, 홀 센서 및 신경망 소자에 적용가능하다. 특히, 점핑 현상에 기인한 노이즈가 효과적으로 억제될 수 있으며, 동작의 선형성이 확보됨을 통해 신뢰성 있는 스핀 소자가 제작될 수 있다.
100 : 기판 110 : 자화 씨드층
120 : 자화 자유층 130 : 산화물층
140 : 상부 전극

Claims (8)

  1. 기판 상에 형성되고, 비자성 중금속을 가지는 자화 씨드층;
    상기 자화 씨드층 상에 형성되고, 수직자기이방성을 가지는 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및
    상기 자화 자유층 상에 형성되고, 상기 자화 자유층에 수직자기이방성을 부여하기 위한 산화물층을 포함하고,
    상기 자화 씨드층의 폭은 상기 자화 자유층보다 작으며, 상기 자화 자유층에서 자구벽은 상기 자화 자유층 가장자리 영역 이외의 영역에서 이동되며,
    상기 자화 씨드층, 상기 자화 자유층 및 상기 산화물층은 십자형 구조를 가지되, 상기 자화 씨드층의 십자형 구조는 상기 자화 자유층의 십자형 구조에 포함되고,
    상기 자화 자유층이 십자형 구조는
    제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되고, 상기 자구벽이 이동되는 제1 영역; 및
    상기 제1 영역과 교차되며 제3 전극과 제4 전극 사이에 형성되어 상기 제1 영역과 교차되는 영역에서 상기 자구벽의 이동을 감지하기 위한 제2 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자화 씨드층은 상기 기판 상에 함몰된 형태를 가지고, 상기 기판과 동일 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자화 씨드층은 상기 자화 자유층의 폭에 대해 36.4 % 내지 80 %의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자화 자유층의 자구벽은 상기 자화 씨드층과 접하는 영역을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 영역 내에서 상기 자화 씨드층의 폭은 상기 자화 자유층의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
  8. 기판 상에 형성된 산화물층;
    상기 산화물층 상에 형성되고, 수직자기이방성을 가지는 강자성체로 이루어진 자화 자유층; 및
    상기 자화 자유층 상에 형성되며, 비자성 중금속을 가지는 자화 씨드층을 포함하고,
    상기 자화 씨드층의 폭은 상기 자화 자유층보다 작으며, 상기 자화 자유층에서 자구벽은 상기 자화 자유층 가장자리 영역 이외의 영역에서 이동되고,
    상기 자화 씨드층은 상기 자화 자유층의 폭에 대해 36.4 % 내지 80 %의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
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