KR102628006B1 - 자기장치 및 이의 자기접합에 대한 기입방법 - Google Patents

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Abstract

자기장치 및 자기장치를 프로그램하기 위한 방법이 설명된다. 자기장치는 복수의 자기접합들과, 복수의 면들을 갖는 적어도 하나의 스핀궤도 상호작용(Spin-Orbit Interaction: SO, 이하 "스핀궤도") 활성층을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 방향(들)으로 전류를 전달한다. 각각의 자기접합(들)은 상기 면들에 인접하며, 스핀궤도 활성층의 일부를 실질적으로 둘러싼다. 각각의 자기접합은 자유층, 기준층, 및 기준층과 자유층 사이의 비자성 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 스핀궤도 활성층(들)을 통해 흐르는 전류로 인해 자유층에 스핀궤도토크를 가한다. 자유층은 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 자유층은 전류, 일부 실시예들에 따르면 자기접합을 통해 구동된 다른 전류를 이용하여 기입될 수 있다.

Description

자기장치 및 이의 자기접합에 대한 기입방법{MAGNETIC DEVICE AND METHOD FOR WRITING TO MAGNETIC JUNCTION OF THE SAME}
본 개시는 수직형 스핀궤도토크 장치에 관한 것이다.
자기메모리, 구체적으로 자기 랜덤액세스 메모리(Magnetic Random-Access Memory: MRAM)는 빠른 독출/기입(read/write) 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 동작 시의 낮은 전력 소비와 같은 잠재력으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있다. MRAM은 자성재료를 정보기록매체로 사용하여 정보를 저장할 수 있다. 일부 자기메모리들은 전류를 이용하여 자성재료에 기입한다. 이러한 자기메모리 중 하나는 스핀궤도 상호작용(Spin-Orbit Interaction: SO, 이하 "스핀궤도") 토크를 이용하여 자기접합을 프로그램한다.
스핀궤도토크 자기 랜덤액세스 메모리(SOT-MRAM)와 같은 스핀궤도토크 기반 메모리는 높은 스핀궤도 상호작용을 갖는 라인(이하 "스핀궤도라인")과 함께 기존의 자기 터널링 접합(Magnetic Tunneling Junction: MTJ)을 이용한다. 기존 MTJ는 피고정층(pinned layer)(또는 기준층(reference layer)), 자유층(free layer) 및 기준층과 자유층 사이의 터널링 배리어층(tunneling barrier layer)을 포함한다. MTJ는 통상적으로 기판 상에 위치하며, 시드층, 캡핑층 및 반강자성(Antiferromagnetic: AFM)층을 포함할 수 있다. 기준층 및 자유층은 자성을 갖는다. 기준층의 자화는 특정 방향으로 고정(fixed 또는 pinned)된다. 자유층은 변경될 수 있는 자성을 갖는다. 기준층 및 자유층은 층들의 평면에 수직하게(perpendicular-to-plane) 배향된 자화, 또는 층들의 평면 내로(in-plane) (또는 층들의 평면들과 평행한 방향으로) 배향된 자화를 가질 수 있다. 스핀궤도라인은 기존 MTJ의 자유층에 인접한다. 높은 스핀궤도 상호작용은 재료 자체의 벌크효과(스핀 홀 효과)에 기인할 수 있거나, 계면 상호작용(라쉬바 효과, Rashba effect), 그 밖의 다른 효과 및/또는 이들의 조합에 기인할 수 있다.
기존 스핀궤도 메모리들에서 기입(writing)은 스핀궤도라인을 통해 평면 내 전류(Current In-Plane: CIP)를 구동함으로써 수행된다. 자유층 자기모멘트가 평면 내일 때 안정적인 경우, 평면 내 스핀궤도토크만으로 자유층을 안정 상태들 사이에서 반전(switch)시킬 수 있다. 따라서, 인접 스핀궤도라인을 통해 구동된 전류는 추가적인 반전 매커니즘(들) 없이 자유층의 자화 방향을 반전시킬 수 있는 스핀궤도토크를 발생시킨다. 이에 반해, 자유층이 평면에 수직으로 안정적인 자기모멘트를 갖는 경우에는 추가적인 토크가 사용된다. 스핀궤도토크는 평면 내이기 때문에, 평면 내 전류를 이용하여 자기모멘트를 확실히 반전시키려면, 추가적인 대칭성 파괴(symmetry breaking) 토크가 필요하며, 이는 소량의 외부 자기장, 스택 내(in-stack) 자기 바이어스 또는 MgO 배리어를 통한 스핀전달토크(Spin Transfer Torque: STT) 중 하나에 의해 획득될 수 있다. 평면 내 전류는 자유층 자기모멘트를 수직방향으로부터 가까운 평면 내 방향으로 회전시키는데 사용될 수 있는 스핀궤도토크를 발생시킨다. 외부 자기 바이어스 또는 스핀전달토크 전류를 이용하여 원하는 방향으로 반전이 완료된다. 예를 들어, 외부 자기장, 추가 반강자성(AFM) 층 또는 바이어스 구조는 원하는 상태로의 반전을 완료하기 위해 자유층을 자기적으로 바이어스할 수 있다.
기존 자기접합은 스핀전달을 이용하여 기입될 수 있고 스핀전달토크 랜덤액세스 메모리(Spin Transfer Torque Random Access Memory: STT-RAM)에 사용될 수 있음에도 불구하고, 여러 결점들이 존재한다. 일반적으로, 스핀궤도토크는 자유층을 반전시키기 위한 효율적인 매커니즘이 아니다. 달리 말하면, 스핀궤도각도(스핀궤도토크 효율성의 척도)가 일반적으로 작다. 이에 따라, 기입을 위해서 높은 기입전류(write current)가 필요할 수 있다. 또한, 자기접합에 인접하지 않은 영역들의 스핀전류는 기입에 이용되지 않는다. 따라서, 이러한 스핀전류는 낭비될 수 있다. 3-단자 소자가 기입동작 및 독출동작에 사용될 수 있기 때문에, 스핀궤도토크를 이용하는 메모리 셀들은 큰 풋프린트를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서는 자기접합의 여러 층들의 수직 자기모멘트들이 사용 가능하지 않을 수도 있다. 따라서, 크기변경 가능성(scalability)이 제한적일 수 있다. 결론적으로, 스핀궤도토크 자기장치를 개선하기 위한 매커니즘이 여전히 필요하다.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 성능이 개선된 스핀궤도토크 자기장치를 제공하는데 있다.
자기장치 및 자기장치를 프로그램하기 위한 방법이 설명된다. 자기장치는 복수의 자기접합들과, 복수의 면들을 갖는 적어도 하나의 스핀궤도 상호작용(Spin-Orbit Interaction: SO, 이하 "스핀궤도") 활성층을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 방향(들)으로 전류를 전달한다. 각각의 자기접합(들)은 상기 면들에 인접하며, 스핀궤도 활성층의 일부를 실질적으로 둘러싼다. 각각의 자기접합은 자유층, 기준층, 및 기준층과 자유층 사이의 비자성 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 스핀궤도 활성층(들)을 통해 흐르는 전류로 인해 자유층에 스핀궤도토크를 가한다. 자유층은 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 자유층은 전류, 일부 실시예들에 따르면 자기접합을 통해 구동된 다른 전류를 이용하여 기입될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 스핀궤도토크를 이용하여 기입된 자기접합들을 이용하는 자기장치들의 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 스핀전류를 위한 계면이 향상될 수 있고, 설계 시 크기변경이 보다 용이할 수 있으며, 더 적은 수의 선택소자들이 사용될 수 있고, 반전 시간(switching time)이 단축될 수 있으며, 독출 및 기입이 개별적으로 최적화될 수 있고, 및/또는 일부 실시예들에서 사용되는 터널링 배리어의 파괴(breakdown)가 감소될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합들을 포함하는 자기장치의 예시적인 실시예에 대한 사시도, 단면도 및 평면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 수직형 자기접합의 자기모멘트의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 스핀궤도토크를 이용한 반전 이후의 자유층의 자기모멘트의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 4는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 5는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 6은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 예시적인 실시예의 사시도 및 평면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 예시적인 실시예의 사시도, 단면도 및 평면도이다.
도 9a 내지 도 9f는 기입 및 독출 동안 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 10은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기메모리의 다른 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 11은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기메모리의 다른 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 12는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기메모리의 다른 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 13은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기메모리의 다른 예시적인 실시예의 회로도이다.
도 14는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기메모리의 다른 예시적인 실시예의 회로도이다.
도 15는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 다수의 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 16은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 다수의 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 17은 수직형 자기접합을 포함하며 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기장치를 제공하는 방법의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 18은 수직형 자기접합을 포함하며 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기접합를 프로그램하는 방법의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 자기장치(예: 자기메모리) 및/또는 논리장치에서 사용 가능한 자기접합 및 이러한 자기접합을 이용하는 장치에 관한 것이다. 자기메모리는 자기 랜덤액세스 메모리(Random-Access Memory: MRAM)를 포함할 수 있으며, 비휘발성 메모리를 채용하는 전자장치들에서 사용될 수 있다. 이러한 전자장치들은 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 랩탑 및 다른 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자가 발명을 생산 및 사용할 수 있도록 제시되며 특허 출원 및 그 요건들 하에서 제공된다. 예시적인 실시예들에 대한 다양한 변형들 및 본 명세서에 설명된 일반적인 원리들 및 특징들은 쉽게 명백해질 것이다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현예들에서 제시되는 특정 방법들 및 시스템들과 관련하여 설명된다. 그러나 이러한 방법들 및 시스템들은 다른 구현예들에서도 효과적으로 동작할 것이다. "예시적인 실시예”, "일 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 문구들은 동일하거나 상이한 실시예들을 지칭할 뿐만 아니라 다수의 실시예들을 지칭할 수 있다. 실시예들은 소정의 구성요소들을 포함하는 시스템들 및/또는 장치들과 관련하여 설명될 것이다. 다만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 것보다 많거나 적은 구성요소들을 포함할 수 있고 구성요소들의 배열 및 유형은 본 개시의 범위에서 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 소정의 단계들을 포함하는 특정 방법들의 관점에서 설명될 것이다. 그러나 본 방법 및 시스템은 다른 단계들 및/또는 추가 단계들을 포함하고 예시적인 실시예들과 모순되지 않는 상이한 순서의 단계들을 포함하는 다른 방법들에 대해서도 효과적으로 동작한다. 따라서, 본 개시는 도시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에서 설명되는 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위가 제공된다.
본 개시의 예시적인 실시예들은 특정 방법들, 자기접합들 및 소정의 구성요소들을 포함하는 자기메모리들과 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 개시가 다른 구성요소들 및/또는 추가 구성요소들 및/또는 본 개시와 모순되지 않는 다른 특징들을 포함하는 자기접합 및 자기메모리의 사용과 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 스핀궤도 상호작용 현상, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도의 맥락에서 설명된다. 결론적으로, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 작용에 대한 이론적 설명이 스핀궤도 상호작용, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상에 대한 현재의 이해도에 기초하여 이루어짐을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 방법 및 시스템은 특정 물리적 설명에 의존하는 것은 아니다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 또한, 본 방법 및 시스템이 기판에 대해 특정한 관계를 갖는 구조와 관련하여 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 그러나, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템이 다른 구조들과도 일치함을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 소정의 합성 및/또는 단순 층들과 관련하여 설명된다. 그러나, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 이러한 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 본 방법 및 시스템은 특정 층들을 포함하는 자기접합과 관련하여 설명된다. 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템과 모순되지 않는 추가적인 층 및/또는 다른 층을 갖는 자기접합이 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 소정의 구성요소들은 자성/자기(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)인 것으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "자성/자기"라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "평면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기접합의 하나 이상의 층의 평면 내부를 의미하거나, 또는 그 평면과 평행함을 의미한다. 반대로, "수직(perpendicular)" 및 "평면에 수직(perpendicular-to-plane)"은 자기접합의 하나 이상의 층에 실질적으로 수직인 방향에 대응한다.
본 개시를 설명하는 맥락에서(특히 청구범위의 맥락에서) 단수형태 용어는 본 명세서에서 달리 지시하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 단수 및 복수의 의미가 모두 내포된 것으로 해석되어야 한다. "포함하는", "갖는", "구비하는" 및 "함유하는" 등과 같은 용어들은 달리 언급되지 않는 한 확장 가능한 용어들(즉, "포함하지만 이에 한정되지 않음"을 의미)로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 "실질적으로", "약", "대략" 및 기타 유사한 용어들은 정도(degree)를 나타내는 용어가 아닌 근사함(approximation)을 나타내는 용어로서 사용되는 것이고, 본 개시가 속한 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 인식될 측정값 또는 계산값에 내재된 편차를 설명하기 위한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 달리 정의되지 않는 한 본 개시가 속한 기술분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 제공된 임의의 예시들 및 모든 예시들, 또는 예시적인 용어들의 사용은 달리 명시되지 않는 한 본 개시를 보다 명확히 설명하기 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님을 유의해야 한다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전들에서 정의된 모든 용어들은 달리 정의되지 않는 한 과도하게 해석되지 않을 수 있다.
자기장치 및 자기장치를 프로그램하기 위한 방법이 설명된다. 자기장치는 복수의 자기접합들과, 복수의 면들을 갖는 적어도 하나의 스핀궤도 상호작용(Spin-Orbit Interaction: SO, 이하 "스핀궤도") 활성층을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 방향(들)으로 전류를 전달한다. 각각의 자기접합(들)은 상기 면들에 인접하며, 스핀궤도 활성층의 일부를 실질적으로 둘러싼다. 각각의 자기접합은 자유층, 기준층, 및 기준층과 자유층 사이의 비자성 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)을 포함한다. 스핀궤도 활성층(들)은 스핀궤도 활성층(들)을 통해 흐르는 전류로 인해 자유층에 스핀궤도토크를 가한다. 자유층은 안정적인 자기상태(magnetic state)들 사이에서 반전 가능하다. 자유층은 전류, 일부 실시예들에 따르면 자기접합을 통해 구동된 다른 전류를 이용하여 기입될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합(110)을 포함하는 자기장치(100)의 예시적인 실시예에 대한 사시도, 단면도 및 평면도이다. 설명의 명확성을 위해, 도 1a 내지 도 1c는 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니다. 또한, 비트라인, 로우 및 컬럼 선택기 등과 같은 자기장치(100)의 일부분들은 도시되지 않는다. 자기장치(100)는 전술한 스핀궤도라인과 유사한 스핀궤도 활성층(130)과 자기접합들(110)을 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 선택소자들(미도시) 및 다른 구성요소들도 포함될 수 있다. 스핀궤도 활성층(130) 및 자기접합(110) 사이에 임의적인 삽입층이 존재할 수 있으나, 도시되지 않았다. 통상적으로, 다수의 자기접합들(110) 및 다수의 스핀궤도 활성층(130)이 자기장치(100)에 포함될 수 있다. 자기장치(100)는 다양한 전자장치들에 사용될 수 있다.
자기접합(110)은 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)을 포함한다. 자기접합(110)은 높은 스핀 분극을 갖는 임의적인 분극강화층(Polarization Enhancement Layer: PEL)(들)도 포함할 수 있다. 예를 들어, 분극강화층은 Fe, CoFe 및/또는 CoFeB를 포함할 수 있다. 분극강화층은 기준층(116)과 비자성 스페이서층(114) 사이, 및/또는 비자성 스페이서층(114)과 자유층(112) 사이에 위치할 수 있다. 콘택, 임의적인 시드층(들) 및 임의적인 캡핑층(들)이 존재할 수 있으나, 간결성을 위해 도시되지 않는다. 임의적인 고정층(pinning layer)(미도시)이 기준층(116)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 임의적인 고정층은 교환 바이어스 상호작용(exchange-bias interaction)에 의해 기준층(116)의 자화(미도시)를 고정하는 반강자성층 또는 다중층일 수 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 임의적인 고정층이 생략될 수 있거나, 다른 구조가 사용될 수 있다. 후술할 다른 실시예들에 따르면, 기준층(116) 및 비자성 스페이서층(114)은 생략될 수 있다.
구성요소들(110 및 130)이 성장되는 하부 기판은 도 1a 내지 도 1c에 도시되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 기판은 x-y 평면에 놓인다. 이러한 실시예에서, z 방향은 x-y 평면에 수직이며 세로 방향이다. 이러한 실시예들에 따르면, 자기접합(110)은 기판의 평면에 수직인 그의 층들(112, 114 및 116)의 평면을 갖는다. 달리 말하면, 층들(112, 114 및 116) 사이의 계면들은 기판 표면(미도시)으로부터 0이 아닌 각도에 위치할 것이다. 도시된 실시예에서, 기판이 x-y 평면에 놓인다면, 상기 계면들은 기판에 실질적으로 수직한다. 결과적으로, 자기접합(110)은 수직형 자기접합으로 간주될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 층들(112, 114 및 116) 사이의 계면들은 기판에 대하여 경사질 수 있다. 예를 들면, 측면에서 볼 때 자기접합(110)이 원통형이 아닌 원뿔형인 경우, 또는 자기접합이 원통형이지만 z축에 평행하지 않는 축을 갖는 경우가 그러하다. 다른 실시예들에 따르면, 기판은 다른 식으로 배향된다. 예를 들면, 기판은 x-z 평면 또는 y-z 평면에 놓일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀궤도 활성층(130)의 축은 수평방향이다. 이러한 실시예들에 따르면, 자기접합(110)의 일부는 스핀궤도 활성층(130) 아래에 놓인다. 그러나, 이러한 실시예들은 제조가 어려울 수 있다.
기준층(116)은 자성을 가지며 다중층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(116)은 Ru와 같은 비자성층(들)을 사이에 개재 및 삽입하고 있는 다중 강자성층들을 포함하는 합성 반강자성체(Synthetic Antiferromagnet: SAF)일 수 있다. 다른 다중층들이 기준층(116)에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기준층(116)은 CoFe, CoFeB, FeB 및/또는 CoPt 중 하나 이상을 포함하거나, 이들 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 본 명세서에 사용 및 나열된 CoFeB, FeB, CoB, CoPt 및 다른 재료들은 화학적 조성비가 표시되지 않은 합금들을 나타낸다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, CoFeB는 (CoFe)1-xBx를 포함할 수 있다. 여기서, x는 열처리를 하지 않은 상태(as-deposited)일 때, 0 이상 0.5 이하이다. 예를 들어, x는 적어도 0.2에서 0.4이하일 수 있다. 기준층(116)에 있어서 다른 재료들 및/또는 구조들도 가능하다. 기준층(116)의 자기모멘트는 후술하는 바와 같은 다양한 배열을 나타낼 수 있다.
비자성 스페이서층(114)은 기준층(116)과 자유층(112) 사이에 위치한다. 비자성 스페이서층(114)은 터널링 배리어층일 수 있다. 예를 들면, 비자성 스페이서층(114)은 MgO, 산화알루미늄 및/또는 산화타이타늄을 포함하거나, 이들로 구성될 수 있다. MgO층은 결정질일 수 있으며, 강화된 터널링 자기저항(Tunneling Magnetoresistance: TMR)을 위해 200 방위를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 비자성 스페이서층(114)은 다른 터널링 배리어층이거나, 도전층이거나, 또는 다른 구조를 가질 수 있다.
자유층(112)은 자성을 가지며 다중층일 수 있다. 자유층(112)은 합성 반강자성체(SAF) 또는 다른 다중층일 수 있다. 예를 들어, 자유층(112)은 CoFe, CoFeB 및/또는 Fe 중 하나 이상을 포함하거나, 이들 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 자유층(112)의 자기모멘트는 후술하는 바와 같은 다양한 안정 상태들을 가질 수 있다. 자유층(112)은 스핀궤도 활성층(130)의 측면들과 인접한다. 도시된 실시예에서, 스핀궤도 활성층(130)의 측면들은 원통형이며 x-y 평면에 수직한다. 자유층(112)은 실질적으로 x-y 평면에 수직하며 원통형이다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시예에서, 자유층(112)은 스핀궤도 활성층(130)의 측면들의 적어도 일부와 인접하거나 계면을 공유한다. 다른 실시예에 따르면, 얇은 층이 자유층(112)과 스핀궤도 활성층(130) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 이러한 층은 스핀궤도토크를 완화/강화시킬 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에는 자유층(112)이 자기접합(110)에 인접한 스핀궤도 활성층(130)의 측면들을 완전히 둘러싸는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예들에 따른 자유층(112)은 스핀궤도 활성층(130)을 완전히 둘러싸지 않을 수 있다. 예를 들면, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 자기접합(110)에서 빠지는 부분이 존재할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 예컨대 스핀궤도 활성층(130)의 일측면 상의 자기접합의 절반 이하가 생략될 수 있다. 그러나 일반적으로는, 스핀궤도 활성층(130)의 측면들의 일부분을 완전히 둘러싸는 자기접합(110)이 바람직하다.
자기접합(110)은 스핀궤도 활성층(130)의 축을 따라(예: 도 1a 내지 도 1c의 z축을 따라/±z방향을 따라)스핀궤도 활성층(130)을 통해 흐르는 기입전류를 이용하여 자유층(112)이 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능하도록 구성된다. 따라서, 자유층(112)은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능하다. 일부 실시예들에 따르면, 자유층(112)은 자기접합(110)을 통해 구동된 기입전류가 없어도 프로그램 가능하다. 달리 말하면, 일부 실시예들에서는 자기접합(110)에 기입하기 위하여 스핀전달토크(STT)를 필요로 하지 않는다. 다른 실시예들에 따르면, 자기접합(110)을 통해 구동된 소량의(modest) 전류 및/또는 외부 자기장/자기 바이어스가 자유층 자기모멘트의 반전을 돕는데 사용될 수 있다.
스핀궤도 활성층(130)은 강한 스핀궤도 상호작용을 갖는 층이며, 자유층(112)의 자기모멘트(미도시)를 반전시키는데 사용된다. 예를 들면, 스핀궤도 활성층은 T, W, IrMn, 또는 Pt 중 하나 이상과 같이 큰 스핀궤도결합과 함께 큰 스핀궤도각도를 갖는 물질들, 또는 BiTe, BiSe, BiSb 및/또는 SbTe와 같은 위상절연체(topological insulator)를 포함할 수 있거나, 이들로 구성될 수 있다. 전류전달라인(130)은 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시예에서 "층"으로 지칭되었으나, 스핀궤도 활성재료로 구성된다. 따라서, 스핀궤도 재료들과 함께 사용되는 경우, "층"이라는 용어는 특정 형상이나 기판에 대한 특정 배향을 의미할 필요가 없다. 예를 들어, 스핀궤도 활성층(130)은 얇거나, 직사각형이거나 평면일 필요가 없다. 도 1a 내지 도 1c에서는 라인(130)이 스핀궤도 활성층(130)으로 이루어졌으나, 다른 실시예들에서 라인(130)은 다른 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 도전성 재료가 자기접합(110)으로부터 먼 영역들의 스핀궤도 활성층(130)을 대체하거나 보충할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 보다 높은 비저항/보다 낮은 도전성 코어가 사용될 수 있다. 기입전류는 +z방향 또는 -z방향으로 스핀궤도 활성층(130)의 길이를 따라 구동된다. 이러한 기입전류는 부수적인 스핀궤도 상호작용을 야기하며, 이는 자유층(112)에 기입하는데 사용되는 스핀궤도토크를 발생시킨다.
전술한 바와 같이, 기준층(116)뿐만 아니라 자유층(112)의 안정적인 자기상태들도 다양한 배열을 나타낼 수 있다. 도 2a 내지 도 2c는 자기장치(100) 및 수직형 자기접합(110A, 110B 및 110C)의 자기모멘트의 예시적인 실시예들을 도시한다. 자기접합들(110A, 110B 및 110C)은 자기접합(110)과 유사하다. 자기접합(110A)은 자유층(112A), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116A)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 그러므로, 각 층들(112A, 114 및 116A)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 다만, 자유층(112A) 및 기준층(116A)의 자기모멘트들(113A 및 117A)은 각각 명시적으로 도시된다. 기준층 자기모멘트(117A)는 z축을 따른다. 자유층 안정 상태들은 +z방향 및 -z방향을 따른다. 달리 말하면, 자유층(112)은 도 1a에 도시된 z축에 평행한 자화 용이축(easy axis)을 갖는다. 자기장치(100A)는 향상된 크기변경 가능성을 가질 수 있으며, 빠른 반전(예: 0.5 나노세컨드 미만)이 가능하고, 열적으로 안정적일 수 있으나, 일부 실시예들에 따르면 반전을 위해 큰 전류 밀도를 필요로 할 수 있다.
자기접합(110B)은 자유층(112B), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116B)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 따라서, 각 층들(112B, 114 및 116B)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 다만, 자유층(112B) 및 기준층(116B)의 자기모멘트들(113B 및 117B)은 각각 명시적으로 도시된다. 기준층 자기모멘트(117B)는 z축 주위로, 이에 따라 스핀궤도 활성층(130) 주위로 순환한다. 자유층 안정 상태들도 z축 주위로 순환한다. 자기장치(100B)는 향상된 크기변경 가능성을 가질 수 있으며, 반전을 위해 더 낮은 전류 밀도(예: 3 MA/cm2)를 사용할 수 있고, 열적으로 안정적일 수 있으나, 더 긴 반전 시간(예: 10 나노세컨드 초과)을 필요로 할 수 있다.
자기접합(110C)은 자유층(112C), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116C)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 따라서, 각 층들(112C, 114 및 116C)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 다만, 자유층(112C) 및 기준층(116C)의 자기모멘트들(113C 및 117C)은 각각 명시적으로 도시된다. 기준층 자기모멘트(117C)는 반경방향이다. 도시된 실시예에서, 기준층 자기모멘트(117C)는 z축을 향한다. 다른 실시예에 따르면, 기준층 자기모멘트(117C)는 z축으로부터 멀어지는 반경방향일 수 있다. 마찬가지로, 자유층 안정 상태들도 반경방향이다. 자기장치(100C)는 중간 정도의 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 자기장치(100C)는 향상된 크기변경 가능성을 가지며, 열적 안정성 향상을 위해 계면 수직 자기 이방성(Interfacial Perpendicular Magnetic Anisotropy: I-PMA)을 이용할 수 있으며, 중간 정도의 전류 밀도(예: 20 MA/cm2 초과)를 이용할 수 있고, 다소 짧은 반전 시간(예: < 1 나노세컨드)을 가질 수 있으나, 열적으로 덜 안정적일 수 있다.
따라서, 세 가지의 자기모멘트 배열들이 자기접합들(110A, 110B 및 110C)에 도시된다. 다른 실시예들에 따르면, 다른 배열들도 사용될 수 있다.
다시 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 자기접합(110)은 기존 방식대로 독출될 수 있다. 따라서, 스핀전달토크를 이용하여 자기접합(110)을 프로그램하기에는 불충분한 독출전류(read current)가 층들(112, 114 및 116) 사이의 계면들의 적어도 일부에 수직한 방향으로 자기접합(110)을 통해 구동될 수 있다. 도시된 실시예에서, 독출전류는 반경방향(z축에 수직한 방향), 또는 y축이나 x축을 따르는 등의 다른 방향으로 구동될 수 있다. 자기접합(110)의 저항은 자유층 자기모멘트 및 기준층 자기모멘트 사이의 배향에 기초한다. 그러므로, 자기접합(110)의 저항을 판단함으로써 자기접합(110)으로부터 데이터가 독출될 수 있다. 자기접합들(110A, 110B 및 110C)도 유사한 방식으로 독출될 수 있다.
다만, 자기접합(110)을 프로그램함에 있어서, 기입전류는 스핀궤도 활성층(130)을 통해 구동되며, 자유층(112)에 인접한 스핀궤도 활성층(130)의 면들에 실질적으로 수직한다. 도시된 실시예에서, 이는 z축을 따른다. 전류 방향을 기초로, 반대 방향들로 분극된 스핀들은 스핀궤도 활성층(130)의 반대 측면들로 이동할 수 있다. 자유층(112) 및 자기접합(110)이 스핀궤도 활성층(130)의 측면들을 실질적으로 둘러싸기 때문에, 이러한 모든 분극 스핀들은 자유층(112)에 기입 시 이용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 자유층(112)의 안정적인 자기상태들은 이러한 스핀들에 기인한 스핀궤도토크가 자유층(112)의 자기상태를 반전시킬 수 있도록 구성된다.
예를 들어, 도 3a 및 도 3b는 스핀궤도토크를 이용한 반전 이후의 자기접합(110B)의 자유층(112B)의 자기모멘트의 예시적인 실시예들을 도시한다. 전술한 바와 같이, 자유층(112B)은 z축(스핀궤도 활성층(130)) 주위로 순환하는 안정 상태들을 갖는다. 도 3a 및 도 3b는 기본적으로 자기모멘트들이 스핀궤도 활성층(130) 주위로 순환하는 경우, 기입 동안의 자기접합(110B)을 도시한다. 도 3a는 전류가 스핀궤도 활성층(130)을 통해 본 페이지의 평면 바깥으로 구동되는 경우의 자기장치(100/100B)를 도시한다. 이에 따라, 전류 밀도 Jc+가 도시된다. 스핀궤도 효과로 인하여, 스핀들은 도시된 바와 같이 스핀궤도 활성층(130)의 측면들로 이동한다. 스핀궤도 활성층(130)의 일측면 상의 스핀들은 스핀궤도 활성층(130)의 반대측면 상의 스핀들과 반대의 분극을 갖는다. 이러한 스핀들은 자유층(112)에 스핀궤도토크를 가하여 자유층 자기모멘트(113B')가 도시된 방향을 향하게 한다.
반대로, 도 3b는 전류가 스핀궤도 활성층(130)을 통해 본 페이지의 평면 안쪽으로 구동되는 경우의 자기장치(100/100B)를 도시한다. 이에 따라, 전류 밀도 Jc-가 도시된다. 스핀궤도 효과로 인하여, 스핀들은 도시된 바와 같이 스핀궤도 활성층(130)의 측면들로 이동한다. 스핀궤도 활성층(130)의 일측면 상의 스핀들은 여전히 스핀궤도 활성층(130)의 반대측면 상의 스핀들과 반대의 분극을 갖는다. 그러나, 배향은 뒤집힌 상태이다. 이러한 스핀들은 자유층(112)에 스핀궤도토크를 가하여 자유층 자기모멘트(113B'')가 도시된 방향을 향하게 한다. 따라서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예에서, 자유층(112)은 스핀궤도 활성층(130)을 흐르는 스핀궤도 전류 Jc+/Jc-만을 이용하여 프로그램될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 프로그래밍은 추가적인 전류 및/또는 자기장에 의한 조력을 받을 수 있다. 예를 들어, 스핀전달토크 전류가 자기접합(110B)을 통해 구동될 수 있다. 이러한 프로그래밍 매커니즘은, z축 주위로 순환하거나, z축을 중심으로 반경방향으로 배향되거나, 또는 z축을 따라 배향된 자유층 자기모멘트의 안정 상태들을 갖는 자기접합들(110A, 110B 및/또는 110C)과 함께 이용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀전달토크 전류는 자기모멘트의 최종 방향을 선택하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예들에서는 자유층(112)을 반전시키기 위해 보다 적은 스핀전달토크 전류가 사용될 수 있다.
자기장치들(100, 100A, 100B 및 100C)은 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유층(112/112A/112B/112C)은 스핀궤도토크 및 스핀궤도 활성층(130)을 통해 구동된 전류를 이용하여 프로그램될 수 있다. 프로그래밍을 위해 스핀전달토크 기입전류가 자기접합(110)을 통하여 구동되지 않으므로, 자기접합(110)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 터널링 배리어층(114)의 파괴가 방지될 수 있다. 스핀전달토크 기입전류가 자기접합(110/110A/110B/110C)을 통해 구동되더라도, 전류의 크기는 보다 작을 수 있다. 따라서, 자기접합(110/110A/110B/110C)의 손상이 감소되거나 방지될 수 있다. 이에 더하여, 자유층(112/112A/112B/112C)에 작용하는 스핀궤도토크에 대한 계면이 개선될 수 있다. 이로써, 자기접합(110/110A/110B/110C)에 마찬가지로 기입을 하면서도 보다 작은 기입전류가 스핀궤도 활성층(130)을 통해 구동될 수 있다. 자기접합(110/110A/110B/110C) 및 스핀궤도 활성층(130)의 배열은 크기변경이 보다 잘 될 수 있고, 반전 시간도 단축될 수 있다. 기입은 주로 스핀궤도 활성층을 통하는 전류를 이용하여 이루어질 수 있으며, 독출은 자기접합을 통하는 전류를 이용하여 수행될 수 있다. 결과적으로, 독출 및 기입이 개별적으로 최적화될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 각각 스핀궤도토크 및 스핀궤도 활성층(130D, 130E 및 130F)을 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합들(110D, 110E 및 110F)을 포함하는 자기장치들(100D, 100E 및 100F)의 다른 예시적인 실시예의 평면도이다. 자기접합들(110D, 110E 및 110F)은 자기접합들(110, 110A, 110B 및 110C)과 유사하다. 자기접합(110D)은 자유층(112D), 비자성 스페이서층(114D) 및 기준층(116D)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 그러므로, 각 층들(112D, 114D 및 116D)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 마찬가지로, 스핀궤도 활성층(130D)은 스핀궤도 활성층(130)과 유사하다. 따라서, 스핀궤도 활성층(130D)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 스핀궤도 활성층(130)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 자기접합(110D) 및 스핀궤도 활성층(130D)은 원형 대신 타원형의 풋프린트를 갖는다. 따라서, 자기장치(100)는 원형 풋프린트에 한정되지 않는다.
자기접합(110E)은 자유층(112E), 비자성 스페이서층(114E) 및 기준층(116E)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 그러므로, 각 층들(112E, 114E 및 116E)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 마찬가지로, 스핀궤도 활성층(130E)은 스핀궤도 활성층(130)과 유사하다. 따라서, 스핀궤도 활성층(130G)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 스핀궤도 활성층(130)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 자기접합(110E) 및 스핀궤도 활성층(130E)은 원형 대신 정사각형의 풋프린트를 갖는다. 따라서, 자기장치(100)는 원형 풋프린트에 한정되지 않는다. 또한, 중간층(118)이 도시된다. 이 중간층(118)은 스핀궤도 활성층(130E)과 자유층(112E) 사이에 위치한다. 중간층(118)은 자유층(112E)과 스핀궤도 활성층(130E) 사이의 상호작용을 조절(향상 및/또는 감소)하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 스핀궤도토크가 향상될 수 있다.
자기접합(110F)은 자유층(112F), 비자성 스페이서층(114F) 및 기준층(116F)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 그러므로, 각 층들(112F, 114F 및 116F)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 마찬가지로, 스핀궤도 활성층(130F)은 스핀궤도 활성층(130)과 유사하다. 따라서, 스핀궤도 활성층(130F)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 스핀궤도 활성층(130)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 자기접합(110E) 및 스핀궤도 활성층(130F)은 원형 대신 직사각형의 풋프린트를 갖는다. 또한, 자기접합(110F)은 스핀궤도 활성층(130F)을 완전히 둘러싸지 않는 것으로 도시되어있다. 대신, 개구 또는 슬롯(119)이 존재한다. 그러나 전술한 바와 같이 일반적으로는, 스핀궤도토크를 통한 상호작용에 이용 가능한 면적을 증가시킬 수 있도록 자기접합이 스핀궤도 활성층을 둘러싸는 것이 바람직하다.
도 7a 및 도 7b는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합(들)(110G)을 포함하는 자기장치(100G)의 다른 예시적인 실시예의 사시도 및 평면도이다. 자기접합(100G)은 자기접합들(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E 및 110F)과 유사하다. 자기접합(110G)은 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)을 포함하며, 이들은 각각 자유층(112), 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)과 유사하다. 그러므로, 자기접합(110G)의 각 층들(112, 114 및 116)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 자기접합(들)(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E 및 110F)의 각 층들(112, 114 및 116)의 구조, 기능 및 재료들과 유사하다. 마찬가지로, 스핀궤도 활성층(130G)은 스핀궤도 활성층(130)과 유사하다. 따라서, 스핀궤도 활성층(130G)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들은 스핀궤도 활성층(130)에 사용되는 구조, 기능 및 재료들과 유사하다.
그러나, 라인(131)은 스핀궤도 활성층(130G)과 코어(132)를 모두 포함한다. 코어(132)는 스핀궤도 활성층(130G)보다 낮은 도전성/높은 비저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 코어(132)는 폴리실리콘, SiN 및/또는 SiO를 포함하는 재료(들)로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
자기장치(100G)는 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E 및/또는 100F)의 이점들을 공유할 수 있다. 또한, 전류는 자유층(112)과의 계면에 더 가까운 스핀궤도 활성층(130G)을 통해 우선적으로 전달될 수 있다. 결과적으로, 스핀궤도 활성층(130G) 및 라인(131)은 보다 향상된 효율로 자유층(112)에 스핀궤도토크를 전달할 수 있다. 따라서, 자기장치(100G)의 성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합(110H)을 포함하는 자기장치(100H)의 예시적인 실시예에 대한 사시도, 단면도 및 평면도이다. 설명의 명확성을 위해, 도 8a 내지 도 8c는 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니다. 또한, 비트라인, 로우 및 컬럼 선택기 등과 같은 자기장치(100H)의 일부분들은 도시되지 않는다. 자기장치(100H)는 자기접합들(110H)과 스핀궤도 활성층(130)을 포함하며, 이들은 전술한 자기접합(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F 및/또는 110G)과 스핀궤도 활성층(130, 130D, 130E, 130F 및/또는 130G)과 유사하다. 일부 실시예들에 따르면, 선택소자들(미도시) 및 다른 구성요소들도 포함될 수 있다. 스핀궤도 활성층(130) 및 자기접합(110H) 사이에 층(118)과 같은 임의적인 중간층이 존재할 수 있으나, 도시되지는 않는다. 통상적으로, 다수의 자기접합들(110H) 및 다수의 스핀궤도 활성층(130)이 자기장치(100H)에 포함될 수 있다. 자기장치(100H)는 다양한 전자장치들에 사용될 수 있다.
자기접합(110H)은 자기접합(110)의 자유층(112)과 유사한 자유층(112)을 포함한다. 따라서, 자기접합(110H)의 자유층(112)의 재료 및 배열은 자기접합(110)의 재료 및 배열과 유사하다. 예를 들어, 자유층(112)은 합성 반강자성체(SAF) 또는 다른 다중층일 수 있다. 자기접합(110H)은 높은 스핀 분극을 갖는 임의적인 분극강화층(들)도 포함할 수 있다. 콘택, 임의적인 시드층(들) 및 임의적인 캡핑층(들)이 존재할 수 있으나, 간결성을 위해 도시되지 않는다. 자유층(112)이 스핀궤도 활성층(130)과 인접하는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예들에 따르면 중간층(118)과 같은 층이 스핀궤도 활성층(130)의 측면들과 자유층(112) 사이에 삽입될 수 있다. 또한, 자유층(112)이 스핀궤도 활성층(130)의 측면들을 완전히 둘러싸는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예들에 따르면 자유층(112)은 개구를 포함하거나, 스핀궤도 활성층(130)을 완전히 둘러싸지 않고 종결될 수 있다.
즉, 자기접합(110H)은 자유층(112)을 포함한다. 그러나, 자기접합(110)의 비자성 스페이서층(114) 및 기준층(116)은 생략된다. 따라서, 자유층(112)을 프로그램하는데 스핀전달토크가 사용되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 자유층(112)에 기입하기 위하여 스핀궤도토크 외에 추가적으로 외부 자기장이 사용될 수 있다. 또한, 자유층(112)을 프로그램하기에는 불충분하며 스핀궤도 활성층(130)을 통해 z축을 따라 구동된 전류를 이용하여 자기접합(110H)이 독출된다.
예를 들어, 도 9a 내지 도 9f는 기입 및 독출 동안 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합을 포함하는 자기장치(100H)의 예시적인 실시예의 단면도이다. 도 9a 및 도 9b는 프로그램된 직후의 자기접합(100H)을 도시한다. 도 9a는 스핀궤도 활성층(130)을 통해 기입전류 Jc+가 구동된 이후의 자기접합(110H)을 도시한다. 따라서, 자유층(112)은 자기모멘트(113H)가 도시된 배향에서 안정적이게 되도록 기입되었다. 도 9b는 스핀궤도 활성층(130)을 통해 기입전류 Jc-가 구동된 이후의 자기접합(110H)을 도시한다. 따라서, 자유층(112)은 자기모멘트(113H')가 반대방향에서 안정적이게 되도록 기입되었다.
도 9c 내지 도 9f는 독출 동안의 자기장치(100H)의 측면도를 도시한다. 자기접합(110H)은 스핀궤도 활성층(130)을 통해 z축을 따라 구동된 전류 밀도 J+ 및 J-를 갖는 전류를 이용하여 독출된다. 이 전류는 자유층(112)을 프로그램하기에는 불충분하다. 자유층(112)의 상태는 스핀궤도 활성층(130)의 스핀들 및 자유층(112)의 자기모멘트의 배열들에 기인한 저항 차이를 이용하여 독출된다. 도 9c 및 도 9d는 자유층 자기모멘트가 도시된 바와 같이 스핀궤도 활성층(130) 주위를 순환하는 경우(스핀궤도 활성층(130)의 일측면에서는 페이지의 평면 바깥 방향, 반대측면에서는 페이지의 평면 안쪽 방향)의 자기장치(100H)를 도시한다. 도 9c에서, 전류 J+는 도시된 바와 같이 반대 배향의 스핀들이 스핀궤도 활성층의 양측으로 이동하도록 만든다. 전류 J+에 의해, 스핀들은 자유층(112)의 자기모멘트와 정렬하여 저항 R1+를 발생시킨다. 도 9d에 도시된 바와 같이, 스핀궤도 활성층(130)의 스핀들은 자유층(112)의 자기모멘트와 반대이다. 결과적으로 저항은 R1-가 된다. 또한, R1- > R1+이다. 따라서, 차분 측정(differential measurement)에 따르면 J+와 J- 사이의 저항에 음의 차이가 존재한다.
도 9e 및 도 9f는 자유층(112)이 반대방향의 자기모멘트를 갖는 경우의 저항 측정을 도시한다. 전류 J+는 도 9c와 동일한 방식으로 스핀들이 스핀궤도 활성층(130) 내에서 이동하도록 만든다. 다만, 이 경우, 스핀들은 자유층 자기모멘트와 반대방향이며 저항 R2+를 발생시킨다. 전류 J-의 경우, 스핀들은 도 9d에 도시된 바와 같이 이동한다. 그러나, 이 경우 스핀들은 자유층(112)의 자기모멘트와 정렬하여 저항 R2-를 발생시킨다. 또한, R2- < R2+이다. 따라서, 차분 저항 측정에 따르면 J+와 J- 사이의 저항에 양의 차이가 존재한다. 따라서, 자기접합(100H)은 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류들만을 이용하여 독출 및 프로그램될 수 있다.
특정 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G 및 100H) 및 특정 자기접합들(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G 및 110H)이 본 명세서에서 설명되었으나, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 설명된 하나 이상의 특징들이 명시적으로 도시되지 않은 방식으로도 결합될 수 있음을 인식할 것이다.
도 10은 스핀궤도토크를 이용하여 기입된 수직형 자기접합을 포함하는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H 및/또는 다른 자기장치들)을 이용할 수 있는 메모리(200A)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 자기메모리(200A)의 일부분만이 도시되어있다. 예를 들어, 워드라인 선택 드라이버(들) 및 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들은 도시되지 않는다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다.
메모리(200A)는 기판(202), 라인들(201 및 203) 및 메모리 셀들(210A)을 포함한다. 각 메모리 셀(210A)은 선택 트랜지스터(220A), 자기접합(212) 및 스핀궤도 활성층(211)을 포함한다. 셀 당 하나의 자기접합(212)만이 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 추가적인 자기접합들이 사용될 수 있다. 스핀궤도 활성층(211)은 스핀궤도 활성층(130, 130D, 130E, 130F 및/또는 130G)/라인(131)과 유사하다. 자기접합들(212)은 자기접합(들)(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H 및/또는 다른 수직형 자기접합)과 유사하다. 또한, 기판(202)에 대한 자기접합들(212)의 배향에 의해 알 수 있는 바와 같이, 자기접합들(212)은 기판(202)에 실질적으로 수직할 수 있는 계면들(미도시)을 갖는다. 도시된 트랜지스터(220A)는 평면 트랜지스터이다. 다른 실시예에 따르면, 다른 선택소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, OTS(Ovonic Threshold Selector) 소자가 사용될 수 있다. 또한, 독출 및/또는 기입을 위하여 자기접합(212)을 통한 전류를 구동시키는데 사용될 수 있는 라인들(201)이 도시된다. 다만, 자기접합(100H)의 자유층만이 사용된다면, 라인들(201)은 생략될 수 있다. 자기메모리(200A)는 자기접합들(212) 및 스핀궤도 활성층들(211)을 이용하기 때문에, 자기메모리(200A)는 전술한 이점들을 가질 수 있다.
도 11은 스핀궤도토크를 이용하여 기입된 수직형 자기접합을 포함하는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H 및/또는 다른 자기장치들)을 이용할 수 있는 메모리(200B)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 자기메모리(200B)의 일부분만이 도시되어있다. 예를 들어, 워드라인 선택 드라이버(들) 및 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들은 도시되지 않는다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다.
메모리(200B)는 기판(202), 라인들(201 및 203) 및 메모리 셀들(210B)을 포함한다. 각 메모리 셀(210B)은 선택 트랜지스터(220B), 자기접합(212) 및 스핀궤도 활성층(211)을 포함한다. 셀 당 하나의 자기접합(212)만이 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 추가적인 자기접합들이 사용될 수 있다. 스핀궤도 활성층(211)은 스핀궤도 활성층(130, 130D, 130E, 130F 및/또는 130G)/라인(131)과 유사하다. 자기접합들(212)은 자기접합(들)(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H 및/또는 다른 수직형 자기접합)과 유사하다. 또한, 기판(202)에 대한 자기접합들(212)의 배향에 의해 알 수 있는 바와 같이, 자기접합들(212)은 기판(202)에 실질적으로 수직할 수 있는 계면들(미도시)을 갖는다. 도시된 트랜지스터(220B)는 평면 트랜지스터이다. 다른 실시예에 따르면, OTS 선택소자를 포함한 다른 선택소자가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 독출 및/또는 기입을 위하여 자기접합(212)을 통한 전류를 구동시키는데 사용될 수 있는 라인들(201)이 도시된다. 다만, 자기접합(100H)의 자유층만이 사용된다면, 라인들(201)은 생략될 수 있다.
추가적인 선택기(230B)도 도시된다. 선택기(230B)는 OTS 선택기 또는 다른 유사한 소자일 수 있다. 자기메모리(200B)는 자기접합들(212) 및 스핀궤도 활성층들(211)을 이용하기 때문에, 자기메모리(200B)는 전술한 이점들을 가질 수 있다. 또한, 두 가지 선택소자들(220B 및 230B)을 사용함으로써 전류의 누설 경로를 줄이거나 제거할 수 있다. 이로써, 성능이 보다 향상될 수 있다.
도 12는 스핀궤도토크를 이용하여 기입된 수직형 자기접합을 포함하는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H 및/또는 다른 자기장치들)을 이용할 수 있는 메모리(200C)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 자기메모리(200C)의 일부분만이 도시되어있다. 예를 들어, 워드라인 선택 드라이버(들) 및 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들은 도시되지 않는다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다.
메모리(200C)는 기판(202), 라인들(201 및 203) 및 메모리 셀들(210C)을 포함한다. 각 메모리 셀(210C)은 선택 트랜지스터(220C), 자기접합(212) 및 스핀궤도 활성층(211)을 포함한다. 임의적인 제2 선택소자(230C)도 도시된다. 셀 당 하나의 자기접합(212)만이 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 추가적인 자기접합들이 사용될 수 있다. 스핀궤도 활성층(211)은 스핀궤도 활성층(130, 130D, 130E, 130F 및/또는 130G)/라인(131)과 유사하다. 자기접합들(212)은 자기접합(들)(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H 및/또는 다른 수직형 자기접합)과 유사하다. 또한, 기판(202)에 대한 자기접합들(212)의 배향에 의해 알 수 있는 바와 같이, 자기접합들(212)은 기판(202)에 실질적으로 수직할 수 있는 계면들(미도시)을 갖는다. 또한, 독출 및/또는 기입을 위하여 자기접합(212)을 통한 전류를 구동시키는데 사용될 수 있는 라인들(201)이 도시된다. 다만, 자기접합(100H)의 자유층만이 사용된다면, 라인들(201)은 생략될 수 있다. 도시된 트랜지스터(220C)는 평면 트랜지스터가 아닌 수직형(3차원) 트랜지스터이다.
자기메모리(200C)는 자기접합들(212) 및 스핀궤도 활성층들(211)을 이용하기 때문에, 자기메모리(200C)는 전술한 이점들을 가질 수 있다. 또한, 두 가지 선택소자들(220C 및 230C)을 사용하는 경우, 전류의 누설 경로가 감소되거나 제거될 수 있다. 이로써, 성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 자기메모리(200C)는 3차원 트랜지스터(220C)를 사용하므로 보다 높은 크기변경 가능성을 가질 수 있다. 따라서, 자기메모리(200C)는 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 13은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합들을 포함하는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H 및/또는 다른 자기장치들)을 이용할 수 있는 메모리(300A)의 예시적인 실시예의 개략도이다. 자기메모리(300A)의 일부분만이 도시되어있다. 예를 들어, 워드라인 선택 드라이버(들) 및 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들은 도시되지 않는다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다.
자기메모리(300A)는 워드라인들(301), Vcc/Vdd/그라운드/독출 전압 라인들(303), Vcc/Vdd/그라운드/플로팅 라인들(305), 감지 증폭기(sense amplifier)와 연결될 수 있는 출력 라인들(307), 자기접합들(312), 스핀궤도 활성층들(311), 선택소자들(320) 및 임의적인 추가 선택소자들(330A)을 포함한다. 구성요소들(311, 312, 320, 및 (임의적으로) 330A)은 셀들(310A)을 구성한다. 설명의 간결성을 위해 하나의 셀만 라벨링된다. 각각의 자기접합(312)은 라인(307)과 연결되는 것으로 도시된다. 그러나 자기접합(100H)의 자유층만이 사용된다면, 이 연결은 생략될 수 있다.
자기메모리(300A)는 자기접합들(312) 및 스핀궤도 활성층들(311)을 이용하기 때문에, 자기메모리(300A)는 전술한 이점들을 가질 수 있다. 또한, 두 가지 선택소자들(320 및 330A)을 사용하는 경우, 전류의 누설 경로가 감소되거나 제거될 수 있다. 이로써, 성능이 보다 향상될 수 있다. 트랜지스터(320)가 트랜지스터(220C)와 같이 수직형 트랜지스터인 경우, 자기메모리(330A)는 보다 높은 크기변경 가능성을 가질 수 있다. 따라서, 자기메모리(330A)는 향상된 성능을 나타낼 수 있다.
도 14는 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 수직형 자기접합들을 포함하는 하나 이상의 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H 및/또는 다른 자기장치들)을 이용할 수 있는 메모리(300B)의 예시적인 실시예의 개략도이다. 자기메모리(300B)의 일부분만이 도시되어있다. 예를 들어, 워드라인 선택 드라이버(들) 및 독출/기입 컬럼 선택 드라이버들은 도시되지 않는다. 다만, 다른 구성요소들 및/또는 상이한 구성요소들이 제공될 수도 있다.
자기메모리(300B)는 자기메모리(300A)와 유사하다. 따라서, 자기메모리(300B)는 워드라인들(301), Vcc/Vdd/그라운드/독출 전압 라인들(303), Vcc/Vdd/그라운드/플로팅 라인들(305), 감지 증폭기와 연결될 수 있는 출력 라인들(307), 자기접합들(312), 스핀궤도 활성층들(311) 및 선택소자들(320)을 포함하며, 이들은 각각 구성요소들(301, 303, 305, 307, 312, 311 및 320)과 유사하다. 구성요소들(311, 312, 320 및 (임의적으로) 332B)은 셀들(310B)을 구성한다. 설명의 간결성을 위해 하나의 셀만 라벨링된다. 각각의 자기접합(312)은 라인(307)과 연결되는 것으로 도시된다. 그러나 자기접합(100H)의 자유층만이 사용된다면, 이 연결은 생략될 수 있다.
각 메모리 셀(310B)은 임의적인 다이오드(332B)를 포함할 수 있다. 다이오드(332B)는 누설 경로를 제거하는데 사용될 수 있다. 다이오드 332B 대신, 다이오드로서 기능하는 다른 구성이 사용될 수도 있다.
자기메모리(300B)는 자기접합들(312) 및 스핀궤도 활성층들(311)을 이용하기 때문에, 자기메모리(300B)는 전술한 이점들을 가질 수 있다. 또한, 다이오드들(332B)이 사용되는 경우, 전류의 누설 경로가 감소되거나 제거될 수 있다. 이로써, 성능이 보다 향상될 수 있다. 트랜지스터(320)가 트랜지스터(220C)와 같은 수직형 트랜지스터인 경우, 자기메모리(300B)는 보다 높은 크기변경 가능성을 가질 수 있다. 따라서, 자기메모리(300B)는 향상된 성능을 나타낼 수 있다.
도 15 및 도 16은 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 다수의 수직형 자기접합들(412)을 포함하는 자기장치들(400A 및 400B)의 다른 예시적인 실시예들의 사시도이다. 자기접합들(412)은 자기접합(들)(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H 및/또는 다른 수직형 자기접합)과 유사하다. 스핀궤도 활성층들(130, 130D, 130E, 130F 및/또는 130G)/라인(131)과 유사한 스핀궤도 활성층들(411)도 도시된다. 설명의 간결성을 위해 도 15에서 모든 스핀궤도 활성층들(411)이 라벨링되지는 않는다. 각 자기장치(400A 및 400B)에는 특정 개수의 자기접합들이 도시되었으나, 다른 실시예들에 따르면 다른 개수(들)의 자기접합들이 사용될 수 있다. 자기장치(400B)에는 자기접합들(412) 사이에 분리소자들(414)이 개재된 것으로 도시되어있다. 예를 들어, 분리소자들(414)은 트랜지스터(220C)와 유사한 수직형 트랜지스터일 수 있다. 자기장치들(400A 및/또는 400B)은 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H) 및/또는 유사한 장치를 이용하는 장치에 통합될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 자기메모리들(200A, 200B, 200C, 300A 및/또는 300B)은 자기장치(400A 및/또는 400B)를 이용할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 자기접합들(412)은 스핀궤도 활성층(411)을 통해 구동된 전류(즉, 스핀궤도토크 이용) 및 자기접합을 통해 구동된 전류(예: 스핀전달토크)의 조합을 이용하여 개별적으로 프로그램될 수 있다. 이러한 실시예들은 스핀궤도토크가 자기접합(100B)과 같이 자화와 동일선상에 위치하는 경우를 포함한다. 예를 들어, 단독으로 자기접합(412)에 기입하기에는 불충분한 기입전류가 스핀궤도 활성층(411)을 통해 구동될 수 있다. 기입될 각 자기접합(412)은 그를 통해 구동되는 스핀전달토크 전류를 동시에 가질 수 있다. 예를 들어, 스핀전달토크 전류는 반경방향이거나, 또는 단순히 자기접합(412)의 층들 사이의 계면(들)을 통해 스핀전달토크 전류가 흐르도록 하는 방향일 수 있다. 적절한 방향들로 구동된 전류들의 조합은 원하는 자기접합들(412)에 대해 기입한다. 일부 실시예들에 따르면, 반전될 자기접합들(412)을 통하는 일 방향으로 구동된 스핀전달토크 전류는 프로그래밍을 돕는 반면, 반전되지 않을 자기접합들(412)을 통하는 반대방향으로 구동된 스핀전달토크 전류는 이러한 자기접합들에 대한 기입이 프로그래밍되는 것을 방해한다. 다른 실시예들에 따르면, 전류가 스핀궤도 활성층(411)을 통해 구동된다. 소량의 스핀전달토크 전류가 예컨대 프로그래밍 이후 최종 자화방향을 선택하기 위해 기입하고자 하는 자기접합들(412)을 통해 구동될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 각 자기접합(412)의 자유층의 자기모멘트는 자기접합(100C)과 유사하게 반경방향으로 안정적일 수 있다. 스핀궤도 활성층을 통해 구동된 전류는 자유층 자기모멘트들이 스핀궤도 활성층(411) 주위로 순환하도록 자기모멘트들을 불안정하게 만들 수 있다. 최종 자화방향은 프로그램하고자 하는 자기접합(들)(412)에 소량의 스핀전달토크 전류를 인가함으로써 정해질 수 있다. 이 전류가 제거될 때, 자기접합들(412)은 원하는 반경방향으로 프로그램된다. 다른 실시예들에 따르면, 각 자기접합(412)의 자유층의 자기모멘트는 자기접합(100A)과 유사하게 축방향으로(도 15 및 도 16에 도시된 원통의 축을 따라) 안정적이다. 이러한 실시예에서, 스핀궤도 활성층을 통해 구동된 전류는 자유층 자기모멘트들이 스핀궤도 활성층(411) 주위로 순환하도록 여전히 자기모멘트들을 불안정하게 만들 수 있다. 최종 자화방향은 프로그램하고자 하는 자기접합(들)(412)에 소량의 스핀전달토크 전류를 인가함으로써 정해질 수 있다. 이러한 스핀전달토크 토크는 기준층의 자기모멘트로 인하여 축방향을 갖는다. 전류가 제거될 때, 자기접합들(412)은 원하는 축방향으로 프로그램된다.
도 17은 수직형 자기접합을 포함하며 스핀궤도토크를 이용하여 프로그램 가능한 자기장치를 제조하는 방법(500)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질 수 있다. 또한, 본 방법(500)은 자기메모리를 형성하는 다른 단계들이 수행된 후에 개시될 수 있다. 설명의 간결성을 위해, 본 방법(500)은 자기장치(100)와 관련하여 설명된다. 그러나, 자기장치들(100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G 및/또는 100H)을 포함(다만, 이에 한정되지 않음)하는 다른 자기장치들이 형성될 수 있다.
단계 502를 통해 적어도 하나의 스핀궤도 활성층(130)이 제공된다. 단계 502는 각각의 스핀궤도 활성층(130)을 위한 바람직한 재료들을 증착하고 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 단계 502는 낮은 전도성 코어(132) 및 상기 코어(132) 상의 스핀궤도 활성층(130G)을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서, 단계 502에서 기둥구조가 형성될 수 있다. 단계 502의 일부로서 중간층(118)이 임의적으로 제공될 수 있다.
단계 504를 통해 자기접합들(110)이 형성될 수 있다. 단계 504는 자유층(112), 비자성 스페이서층(114), 기준층(116) 및 자기접합(110)에 필요한 임의의 추가 층들을 위한 층들을 전면증착(blanket deposition)하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 비자성 스페이서층(114) 및/또는 기준층(116)은 생략될 수 있다. 어닐링(들) 및/또는 다른 공정들도 수행될 수 있다. 그런 다음, 자기접합들(110)이 규정될 수 있다. 예를 들어, 평탄화 공정은 물리적으로 노출된 자기접합(110) 연결층(112, 114 및 116) 및 스핀궤도 활성층(130)의 일부분들을 제거할 수 있다.
이후, 단계 506을 통해 제조가 완료될 수 있다. 예를 들어, 분리소자 및/또는 선택소자가 형성될 수 있다. 자기장치들(400A 및/또는 400B)이 제조되면, 이어지는 스핀궤도 활성층들(130) 및 자기접합들(110)이 형성될 수 있다.
본 방법(500)을 이용하면, 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G) 및/또는 유사 자기장치들이 제조될 수 있다. 결과적으로, 자기장치들(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F 및/또는 100G)의 이점들이 성취될 수 있다.
도 18은 스핀궤도토크를 이용하여 자기접합을 프로그램하는 방법(510)의 예시적인 실시예를 도시한다. 설명의 간결성을 위해 일부 단계들의 생략, 수행 순서의 변경, 부속 단계들의 포함, 및/또는 일부 단계들의 통합이 이루어질 수 있다. 또한, 본 방법(510)은 다른 단계들이 수행된 후에 개시될 수 있다. 설명의 간결성을 위해, 본 방법(510)은 자기접합(110)과 관련하여 설명된다. 그러나, 자기접합들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H) 및/또는 유사 자기접합을 포함(다만, 이에 한정되지 않음)하는 다른 자기접합들이 프로그램될 수도 있다.
단계 512에 의해, 원하는 전류가 스핀궤도 활성층(130)/라인(131)을 통해 구동된다. 따라서, 전류는 스핀궤도 활성층(130)/라인(131)의 축을 따라, 이들의 면에 실질적으로 수직하게 구동된다. 스핀궤도토크를 통한 전류가 원하는 대로 장치를 프로그램하기에 충분한 실시예들에서는 본 방법(510)이 종결된다.
그러나, 일부 실시예들에 따르면 다수의 전류들이 자기접합을 프로그램하는데 사용된다. 따라서, 단계 514를 통해 추가적인 스핀전달토크 전류가 구동될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 스핀전달토크 전류는 프로그램될 자기접합들을 통해 구동된다. 이러한 실시예들에서, 스핀전달토크 전류는 자유층(112)의 최종 상태를 프로그래밍 및/또는 선택하는 것을 돕기 위해 필요하다. 다른 실시예들에 따르면, 스핀전달토크 전류는 자기접합들이 프로그램될지 여부와 무관하게 자기접합들을 통해 구동될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 단계 514에서 제공된 스핀전달토크 전류의 방향은 자기접합(110)이 프로그램될지 여부에 달려있다. 자기접합(110)이 프로그램되는 경우, 스핀전달토크 전류는 스핀궤도토크에 가중되는 방향으로 구동된다. 자기접합(110)이 프로그램되지 않는 경우, 스핀전달토크 전류는 스핀전달토크가 스핀궤도토크의 반대가 되는 방향으로 구동된다. 일부 실시예들에 따르면, 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류는 스핀전달토크 전류와 실질적으로 동시에 시작된다. 다른 실시예들에 따르면, 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류가 우선 시작되고, 이후 스핀전달토크 전류가 시작된다. 마찬가지로, 일부 실시예들에 따르면, 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류는 스핀전달토크 전류가 0이 되기 전에 소멸될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 스핀전달토크 전류는 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류보다 먼저 소멸될 수 있다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류 및 자기접합을 통하는 스핀전달토크 전류는 실질적으로 동시에 소멸될 수 있다. 그러나, 대부분의 실시예들에서, 스핀궤도 활성층(130)을 통하는 전류 및 스핀전달토크 전류는 시간 상 중첩된다.
따라서, 자기접합들(110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H, 212, 312 및/또는 412)이 프로그램될 수 있다. 결과적으로, 자기장치(들)(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H, 200, 200B, 200C, 300A, 300B, 400A 및/또는 400B)이 획득될 수 있다.
이상, 자기접합을 이용 및 제공하는 방법 및 시스템과 이 자기접합을 이용하여 제조된 메모리에 대하여 설명하였다. 본 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 따라 설명되었고, 본 개시의 기술분야에 속한 통상의 기술자는 본 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형들이 가능함을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 청구범위의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의한 많은 변형들이 이루어질 수 있다.
100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H: 자기장치
110, 110A, 110B, 110C, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H: 자기접합
112, 112A, 112B, 112C, 112D, 112E, 112F: 자유층
113A, 113B, 113B', 113B'', 113C, 113H, 113H': 자유층 자기모멘트
114, 114D, 114E, 114F: 비자성층
116, 116A, 116B, 116C, 116D, 116E, 116F: 기준층
117A, 117B, 117C: 기준층 자기모멘트
118: 중간층 119: 개구/슬롯
130, 130D, 130E, 130F, 130G: 스핀궤도 활성층
132: 코어 200A, 200B, 200C: 자기메모리
201, 203: 라인 202: 기판
210A, 210B, 210C: 메모리 셀 211: 스핀궤도 활성층
212: 자기접합
220A, 220B, 220C: 선택 트랜지스터
230B, 230C: 선택소자 300A, 300B: 자기메모리
301: 워드라인
303: Vcc/Vdd/그라운드/독출전압라인
305: Vcc/Vdd/그라운드/플로팅라인 307: 출력라인
310A, 310B: 메모리 셀 311: 스핀궤도 활성층
312: 자기접합 320, 330A: 선택소자
332B: 다이오드 400A, 400B: 자기장치
411: 스핀궤도 활성층 412: 자기접합
414: 분리소자

Claims (10)

  1. 복수의 면들을 갖는 적어도 하나의 스핀궤도 상호작용(이하, "스핀궤도") 활성층; 및
    적어도 하나의 자기접합을 포함하되,
    상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층은 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 적어도 하나의 방향으로 전류를 전달하고,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 상기 복수의 면들에 인접하며 상기 스핀궤도 활성층의 일부를 실질적으로 둘러싸고,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 자유층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층은 상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층을 통해 흐르는 상기 전류로 인해 상기 자유층에 스핀궤도토크를 가하고,
    상기 자유층은 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능한, 자기장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기접합은,
    기준층; 및
    비자성 스페이서층을 더 포함하고,
    상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층 및 상기 자유층 사이에 위치하는, 자기장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자유층의 상기 복수의 안정적인 자기상태들은 상기 적어도 하나의 방향에 따른 축방향의 제1 안정상태; 상기 복수의 면들과 평행한 제2 안정상태; 및 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 반경방향의 제3 안정상태 중에서 선택되는, 자기장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스핀궤도 활성층은 제1 비저항을 가지며, 제2 비저항을 갖는 코어를 포함하는 라인의 일부이고,
    상기 스핀궤도 활성층은 상기 코어를 실질적으로 둘러싸고,
    상기 제1 비저항은 상기 제2 비저항보다 작은, 자기장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 단일 자기접합이고,
    상기 자기장치는 상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층과 연결되는 선택소자를 더 포함하는, 자기장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기준층과 연결되는 다이오드를 더 포함하는, 자기장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 복수의 자기접합들인, 자기장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 자기접합들 사이에 개재되는 적어도 하나의 분리소자를 더 포함하는, 자기장치.
  9. 복수의 스핀궤도 상호작용(이하, "스핀궤도") 활성층;
    상기 복수의 스핀궤도 활성층 각각과 연결되되, 자유층, 기준층 및 배리어층을 포함하는 적어도 하나의 자기접합; 및
    상기 적어도 하나의 자기접합의 상기 기준층과 연결되는 복수의 라인을 포함하되,
    상기 복수의 스핀궤도 활성층은 각각 복수의 면들을 가지며, 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 적어도 하나의 방향으로 전류를 전달하고,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 상기 복수의 면들에 인접하며 상기 복수의 스핀궤도 활성층 각각의 일부를 실질적으로 둘러싸고,
    상기 배리어층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고,
    상기 복수의 스핀궤도 활성층은 각각 상기 복수의 스핀궤도 활성층 각각을 통해 흐르는 상기 전류로 인해 상기 자유층에 스핀궤도토크를 가하고,
    상기 자유층은 복수의 안정적인 자기상태들 사이에서 반전 가능하고,
    상기 자유층의 상기 복수의 안정적인 자기상태들은 상기 적어도 하나의 방향에 따른 축방향의 제1 안정상태; 상기 복수의 면들과 평행한 제2 안정상태; 및 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 반경방향의 제3 안정상태 중에서 선택되는, 자기장치.
  10. 자기장치의 적어도 하나의 자기접합에 기입하는 방법에 있어서,
    복수의 면들을 갖는 적어도 하나의 스핀궤도 상호작용(이하, "스핀궤도") 활성층을 통해 스핀궤도 기입전류를 구동하는 단계를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층은 상기 복수의 면들에 실질적으로 수직하는 적어도 하나의 방향으로 상기 스핀궤도 기입전류를 전달하고,
    상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 상기 복수의 면들에 인접하며 상기 스핀궤도 활성층의 일부를 실질적으로 둘러싸고, 상기 적어도 하나의 자기접합은 각각 적어도 자유층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층은 상기 적어도 하나의 스핀궤도 활성층을 통해 흐르는 상기 스핀궤도 기입전류로 인해 상기 자유층에 스핀궤도토크를 가하는, 방법.
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