KR20140044941A

KR20140044941A - 스핀 홀 효과 자기 장치, 방법, 및 적용

Info

Publication number: KR20140044941A
Application number: KR1020147006914A
Authority: KR
Inventors: 로버트 에이. 버만; 루차오 리우; 다니엘 씨. 랄프; 치-펭 파이
Original assignee: 코넬 유니버시티
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-04-15
Also published as: US20140169088A1; US9576631B2; WO2013025994A3; CN103890855B; WO2013025994A2; US20150348606A1; US9105832B2; CN103890855A; KR101457511B1

Abstract

ST-MRAM 구조체, ST-MRAM 구조체를 제조하는 방법, 및 ST-MRAM 구조체에 기인한 ST-MRAM 디바이스를 작동시키는 방법은 각각 스핀 홀 효과 베이스 층을 이용하며, 스핀 홀 효과 베이스 층은 자기 자유 층과 접촉하고, 스핀 홀 효과 베이스 층 내의 측방향 스위칭 전류의 결과로서 자기 자유 층 내의 자기 모멘트 스위칭을 달성한다. 이 결과적인 ST-MRAM 디바이스는 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자기 자유 층, 비-자기 스페이서 층 및 고정 층을 포함하는 자기저항성 스택을 통해 독립적인 감지 전류 및 감지 전압을 이용한다. 스핀 홀 효과 베이스 층에 대한 바람직한 비-자기 전도체 재료들은 적어도 약 0.05의 스핀 홀 각도 및 스핀 홀 효과 베이스 층의 두께의 약 5 배 이하의 스핀 확산 길이를 갖는 특정 타입의 탄탈룸 재료들 텅스텐 재료들을 포함한다.

Description

스핀 홀 효과 자기 장치, 방법, 및 적용{SPIN HALL EFFECT MAGNETIC APPARATUS, METHOD AND APPLICATIONS}

본 출원은, 각각 "Spin Hall Effect Apparatus, Method and Applications"이라는 제목으로, (1) 2011년 8월 18일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호61/524,998; (2) 2011년 9월 14일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 61/534,517; (3) 2011년 10월 11일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 61/545,705; 및 (4) 2012년 4월 3일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 61/619,679에 관한 것이고, 이로부터 우선권을 도출하며, 이 가특허출원의 각각의 내용은 본 명세서에서 전체적으로 인용 참조된다.

본 명세서에 개시된 실시예들 및 본 명세서에 청구된 발명을 이끌어 낸 연구는, 어워드(award) W911NF-08-2-0032 하의 미국 육군연구소(United States Army Research Office), 어워드 HR0011-1l-C-0074 하의 미국 방위고등연구계획국(United States Defense Advanced Research Project Agency); 및 어워드 N00014-10-1-0024 하의 미국 해군연구소(United States Office of Naval Research)에서 자금을 받아 진행되었다. 미국 정부는 본 명세서에 청구된 발명에 권리를 갖는다.

실시예들은 일반적으로 자기 메모리 디바이스들, 예컨대 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 디바이스들(단, 이로 제한되지 않음)에 관한 것이다. 더 상세하게, 실시예들은 향상된 성능을 갖는 자기 메모리 디바이스들, 예컨대 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 디바이스들(단, 이로 제한되지 않음)에 관한 것이다.

자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 매우 높은 수준의 자기 데이터 밀도를 달성할 것으로 예상되는, 비-휘발성이고 빠르며 에너지-효율적인 데이터 저장 디바이스들의 부류를 포함한다. 각각의 MRAM 셀은 하나의 이진 비트의 데이터를 저장한다. MRAM 디바이스 셀의 중심 구성요소는 박막 자기저항성 요소(thin film magnetoresistive element)이며, 이 요소는 박막 재료들의 조합이고, 이의 전기 저항은 2 이상의(하지만, 일반적으로는 2 개 만의) 박막 강자성 재료 층들의 상대 자기 방위에 의존한다. 박막 강자성 재료 층들 중 하나는 통상적으로 정해진(fixed) 자기 방위를 가지며 고정 층(pinned layer: PL)이라고 칭해지는 한편, 박막 강자성 재료 층들 중 다른 하나는 스위치가능한 자기 방위(switchable magnetic orientation)를 가지며 자유 층(free layer: FL)이라고 칭해진다.

MRAM 디바이스들의 또 다른 서브-카테고리는 스핀-토크 MRAM(spin-torque MRAM: ST-MRAM) 디바이스들이다. 보다 종래의 MRAM 디바이스들과 비교해, ST-MRAM 디바이스들은 (부연하면, 전류에 의해 생성된 자기 장이 아닌) 전류에 의해 생성된 스핀-토크를 이용하여, 고정 층(PL)에 대해 자유 층(FL)의 상대 자기 방위를 스위치한다.

집적 회로 디바이스의 치수가 감소하였고 집적 회로 디바이스의 밀도가 증가하였음에 따라, ST-MRAM 구조체들을 포함한 더 효율적이고 더 신뢰성 있는 MRAM 구조체들, 그리고 ST-MRAM 구조체들을 포함한 더 효율적이고 더 신뢰성 있는 MRAM 구조체들을 제조 및 작동시키는 방법들을 제공하는 것이 바람직하게 되었다.

본 실시예들은 ST-MRAM 구조체, ST-MRAM 구조체를 제조하는 방법, 그리고 ST-MRAM 구조체에 기인한 ST-MRAM 디바이스를 작동시키는 방법을 제공한다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 관련 방법들은 향상된 스핀 홀 효과를 갖는 베이스 층(base layer)[즉, 스핀 홀 효과 베이스 층(SHE base layer)]를 이용하며, 이는 ST-MRAM 구조체 내의 자유 층과 접촉하여 위치되고 형성된다. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 관련 방법들은 자유 층 내에 자기 정렬 스위칭을 제공하는 SHE 베이스 층에 대해 인가된 측방향 스위칭 전류(lateral switching current)의 사용에 근거한다. 고정 층, 비-자기 스페이서 층(non-magnetic spacer layer), 및 ST-MRAM 구조체 내의 SHE 베이스 층과 접촉하는 자유 층을 순차적으로 포함하는 박막 자기저항성 요소의 스택(stack)을 통해 감지 전류 및 감지 전압이 측정되거나, 이를 통해 수직으로 감지 전류 및 감지 전압이 인가될 수 있다.

따라서, 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스는: (1) 고정 층에 대해 자유 층의 자기 방위를 스위칭하는 SHE 베이스 층 내에 평면-내 측방향 스위칭 전류(in-plane lateral switching current)를 제공하고, 이와 공동으로; (2) ST-MRAM 구조체 및 디바이스를 작동시킬 때, 고정 층, 비-자기 스페이서 층, 및 (SHE 베이스 층과 접촉하는) 자유 층을 포함하는 박막 자기저항성 요소의 스택을 통해 평면에 수직인 감지 전류(perpendicular to plane sensing current) 및 감지 전압을 제공한다.

이전의 결과들을 달성하기 위해, 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스 내의 SHE 베이스 층은 비-자기 전도체 재료를 포함하며, 비-자기 전도체 재료는, (1) 약 0.05 이상(또한, 더 바람직하게는 약 0.10 이상)의 스핀 홀 각도; 및 (2) 비-자기 전도체 재료 내에서 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하(또한, 더 바람직하게는 스핀 확산 길이의 약 1.5 배 내지 약 3 배)의 최대 두께를 갖는다. 또한, 자기 자유 층의 평형 자화(equilibrium magnetization)가 샘플 평면(sample plane)에 있는 디바이스 지오메트리에 대해, 이전의 스핀 홀 각도를 갖는 비-자기 전도체 재료는, (3a) 자기 자유 층에 인접하고 이와 접촉하는 상기 재료의 존재로, 자기 자유 층 재료에 대한 고유 값(intrinsic value) 이상에서 2 배수(factor) 이하로 자기 자유 층의 자기 감쇠(magnetic damping)를 증가시키는 특성을 가져야 한다. 자기 자유 층의 평형 자화가 샘플 평면에 수직인 디바이스 지오메트리에 대해, 이전의 스핀 홀 각도를 갖는 비-자기 전도체 재료는, (3b) 상기 재료와 자기 자유 층 사이의 계면이 자기 자유 층의 이방성 에너지(anisotropy energy)를 허용하는 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 자기 자유 층에 제공하여, 40 k_BT 내지 300 k_BT[여기서 k_B는 볼츠만 상수(Boltzmann constant)이고, T는 온도임] 사이의 최적화된 값을 달성하는 특성을 가져야 한다.

따라서, 본 실시예들은 감지 전류가 복수의 막들의 평면에 대해 수직으로 흐르게 하는 자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction), 그리고 막 평면에서 흐르는 전류를 운반할 수 있는 비교적 강한 스핀 홀 효과(SHE)를 갖는 재료를 포함하는 인접한 비-자기 금속 스트립(adjacent non-magnetic metallic strip)을 포함한다. 비교적 큰 스핀 홀 각도를 갖는 금속 원소들은 Ta 및 W을 포함하며(단, 이로 제한되지 않음), 이는 아래에 자세히 설명하기로 한다. 고-저항률 베타-상들(high-resistivity beta phases)에서의 Ta 및 W은 평면-내 편광 자기 자유 층들(in-plane polarized magnetic free layers)을 다루기에 특히 적합한 한편, 고-저항률 베타-상들에서의 Ta 및 W, 그리고 Pt은 그들의 자화가 박막 평면에 수직으로 방위 잡힌 자기 자유 층들을 다루기에 적합하다. 또한, 강한 SHE 효과를 갖는 이들 및 다른 원소의 합금들이 형성될 수 있으며, 본 실시예들의 범주 내에서 사용될 수 있다. 자기 터널 접합부는 정해진 자화 방향을 갖는 강자성 층[즉, 고정 층(PL)], 스핀 전류 또는 자기장 하에서 자유롭게 회전하는 자화를 갖는 또 다른 강자성 층[즉, 자유 층(FL)], 및 자유 층과 고정 층을 분리하는 터널링 배리어(tunneling barrier) 또는 비-자기 금속 층(즉, 비-자기 스페이서 층)으로 구성된다. 비-자기 스트립을 포함하는 SHE 베이스 층은 자기 자유 층과 접촉하며, 자유 층/터널링 배리어 계면의 반대쪽에 위치된다. 기록 전류(write current)는 어떠한 실질적인 부분의 기록 전류도 터널 배리어를 통과하지 않고 비-자기 스트립의 SHE 베이스 층에서 측면방향으로 흐르는 한편, 판독 또는 감지 전류는 자기 터널 접합부에 걸쳐 인가된다. 또한, 자기 터널 접합부는 다른 층들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 자기 고정 층은 반강자성 층(antiferromagnetic layer)으로, 또는 간접적 교환 상호작용에 의해 2 개의 자기 층들의 반-평행한 자기 정렬을 유도하는 두께로 된 Ru와 같은 얇은 비-자기 층에 의해 분리된 2 개의 얇은 강자성 층들로 구성된 합성 반강자성 삼중 층(synthetic antiferromagnetic tri-layer)에 의해, 또는 몇몇 다른 자기 고정 방법에 의해 고정될 수 있으며; 및/또는 자기 고정 층 및 자유 층들은 합성 반강자성 층들 또는 다른 강자성 다층들을 포함할 수 있다.

강한 스핀 홀 효과(SHE)를 갖는 재료에 대해, 어떤 특정한 이론에 의해 구속되지 않으면서, 종방향으로(longitudinally) 흐르는 충전 전류(charge current)가 존재할 때, 금속의 이온들과 전류의 전자들 간의 소위 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)으로 인해, 일 방위의 스핀을 가진 전자들을 전류에 대해 횡방향인(transverse) 일 방향으로 우선적으로 편향되도록 하는 한편, 반대 스핀을 갖는 전자들은 반대쪽 횡방향으로 편향된다. 최종 결과(net result)는 충전 전류에 대해 횡방향으로 흐르는 전자들의 "스핀 전류"이다. 스핀 전류 방향은 충전 전류의 흐름 방향 및 스핀 방위의 외적(cross product)에 의해 결정된다. 이 스핀 전류를 형성하는 스핀 편광된 전류들이 SHE가 생성되는 비-자기 층의 SHE 베이스 층과 FL 사이의 계면에 도달할 때, 이 전자들은 FL에 스핀 토크를 가할 것이며, 이에 의해 FL의 자화가 회전되거나 스위치될 수 있다. FL에 바로 인접한(즉, 접해 있는) 매우 얇은 층에서 스핀 홀 효과가 일어나기 때문에, 전기 리드로부터의 확산(diffusion out the electrical leads)에 의한 스핀 전류의 상당한 손실이 존재하지 않는다. 또한, 이는 전류의 전자당 전달된 스핀(transferred spin)(h/4pi)의 1 단위 이상에(more than one unit) 대응하는 토크를 허용하기 때문에[여기서, h는 플랑크 상수(Planck's constant)이고, pi는 그 직경에 대한 원의 원주의 비에 의해 결정된 기본 상수임], 스핀 홀 효과는 스핀 전류를 생성하는 효율 면에서 우수하다. 자기 터널 접합부 또는 자기 스핀 값의 스핀 필터링을 통해 스핀 전류를 생성하는 종래의 방법은 전류의 전자당 전달된 스핀의 정확히 1 단위 이하에(strictly less than one unit) 대응하는 토크로 제한된다. 그 결과, SHE를 이용함으로써 종래의 전류 유도된 스위칭과 비교해 더 적은 전류 및 에너지 비용을 갖는 자성체를 스위칭할 수 있음에 따라, 디바이스 효율을 개선할 수 있다. 또한, 자기 터널 접합부들의 종래의 전류 유도된 스위칭에 비해, SHE 디바이스 지오메트리는 판독 및 기록을 위한 전류 경로들의 분리를 제공하며, 이는 디바이스 신뢰성[현재 ST-MRAM 상업화(commercialization)의 주요 장애요소]을 크게 개선할 수 있다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 메모리 셀에 저장된 데이터를 판독하기 위해, 자기 터널 접합부에 걸쳐 수직으로 전류가 인가된다. 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance)으로 인해 FL 및 PL의 자화가 평행하거나 반-평행할 수 있기 때문에, 메모리 셀은 낮은 저항 상태 또는 높은 저항 상태에 있을 것이며, 이 두 상태들 중 하나의 상태는 이진 데이터 0을 나타낼 수 있고, 다른 상태는 이진 데이터 1을 나타낼 수 있다.

본 실시예들에 따른 특정한 ST-MRAM 구조체는 기판 상에 위치된 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함한다. 또한, 이 특정한 구조체는 기판 상에 위치되고 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자기 자유 층을 포함한다. 구조체 내에, 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는: (1) 약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및 (2) 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖는다.

본 실시예들에 따른 또 다른 특정한 ST-MRAM 구조체는, 기판 상에 위치되고, 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들을 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함한다. 또한, 이 다른 특정한 구조체는: (1) 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기 자유 층; (2) 상기 자기 자유 층 상에 위치되는 비-자기 스페이서 층; 및 (3) 비-자기 스페이서 층 상에 위치된 고정 층을 포함하고, 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기저항 스택을 포함한다. 또한, 이 다른 특정한 구조체는 고정 층에 전기적으로 연결된 제 3 단자를 포함한다. 이 다른 특정한 구조체 내에, 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는: (1) 약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및 (2) 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖는다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체를 제조하는 특정한 방법은: (1) 약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및 (2) 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖는 비-자기 전도체 재료를 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층을 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 이 특정한 방법은 기판 상에 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 자기 자유 층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체를 작동시키는 특정한 방법은: (1) 기판 상에 위치되고, 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들을 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층; (2) 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되고, (a) 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기 자유 층; (b) 상기 자기 자유 층 상에 위치된 비-자기 스페이서 층; 및 (c) 비-자기 스페이서 층 상에 위치된 고정 층을 포함하는, 자기저항 스택; 및 (3) 고정 층에 전기적으로 연결된 제 3 단자를 포함하는 자기 구조체를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법 내에서, 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는: (1) 약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및 (2) 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖는다. 또한, 이 방법은 고정 층에 대해 자유 층의 자기 방향을 스위칭하기 위해 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들에 스위칭 전류를 인가하는 단계를 포함한다.

본 실시예들의 목적들, 특징들, 및 장점들은 아래에 설명되는 바와 같은 실시예들의 상세한 설명의 내용을 토대로 이해된다. 본 실시예들의 상세한 설명은 본 명세서의 재료 부분을 형성하는 첨부한 도면들의 내용을 토대로 이해된다.
도 1은 본 실시예들에 따른 기록 동작을 위해 SHE를 이용하는 3-단자 ST-MRAM 디바이스 셀을 예시하는 개략적 사시도이다. ST-MRAM 셀은 강한 SHE를 갖는 비-자기 스트립과 자기 터널 접합부로 구성된다. 이 특정한 실시예에서, 비-자기 스트립은 디바이스 구조체의 최하부에 위치된다.
도 2는 도 1에 예시된 실시예의 대안예를 나타내며, 여기서 강한 SHE를 갖는 비-자기 스트립은 ST-MRAM 디바이스 구조체의 최상부에 위치된다.
도 3은 도 1에 예시된 실시예의 또 다른 대안예를 나타내며, 여기서 FL 및 PL의 자기 모멘트의 평형 위치들은 막 평면에 수직이다.
도 4는 주입된 스핀(σ)의 방향, 그리고 충전 전류(J_c) 및 스핀 전류(J_s)의 흐름 방향을 나타낸다.
도 5는 상이한 주파수 하에서 Pt(6 nm), Ta(8 nm) 또는 W(6 nm)을 갖는 CoFeB(3 내지 4 nm)로부터 얻어진 강자성 공진(ferromagnetic resonance: FMR) 선폭을 나타낸다. 도 5에 도시된 데이터의 선형 피트(linear fit)로부터 감쇠 계수(damping coefficients: α)가 얻어진다.
도 6은 SHE 베이스 층으로서 탄탈룸 막을 이용하는 3-단자 스핀 홀 효과 디바이스의 개략도이다.
도 7은 평면-내-자화된 강자성 층의 실온에서의 SHE 유도된 자기 스위칭을 나타내는, 탄탈룸 SHE 베이스 층을 갖는 3-단자 스핀 홀 효과로부터 얻어진 실험 데이터를 나타낸다.
도 8a는 FL 자기 모멘트의 상이한 방위들 하에서 유효 스핀 토크 필드(effective spin torque field: B _ST )의 방향을 예시하는 도면이다. 주입된 스핀들은 일 예시로서 -x 방향을 따르는 것으로 가정된다.
도 8b는 유효 스핀 토크 필드(B _ST )의 방향과 인가된 필드(B _ext )의 방향 간의 관계를 예시하는 도면이다.
도 9는 수직으로 자화된 강자성 층의 실온에서의 SHE 유도된 자기 스위칭을 나타내는, Pt/Co/Al 다층으로부터 얻어진 실험 데이터를 나타낸다.
도 10은 확정 스위칭 방향(definite switching direction)을 정의하는데 요구되는 평면-내 필드를 제공하는, 추가 평면-내-자화된 강자성 재료 층을 갖는 도 3에 도시된 구조체의 변형예이다.
도 11은 Ta 및 Pt에 대한 주입된 스핀 전류 및 충전 전류 간의 비를 별도로 나타낸다. 이 결과들은 일련의 구동 주파수 하에서 CoFeB/Ta 및 Pt/퍼말로이(Permalloy) 샘플 상에서의 스핀 토크 강자성 공진 실험들로부터 별도로 얻어진다.
도 12는 기록 메커니즘으로서 SHE를 이용하고 자기 도메인들에 정보를 저장하는 자기 데이터 저장 디바이스의 개략도를 나타낸다. MTJ의 고정 층 및 FM 와이어 둘 모두에 대한 자기 모멘트는 평면-내에서 자화된다.
도 13은 평면에 수직인 자기 이방성을 갖는 도 12에 도시된 구조체의 변형예이다.
도 14는 알파-상 텅스텐 및 베타-상 텅스텐의 결정 구조, 저항률, 및 안정 특성들을 나타낸다.
도 15는 DC 마그네트론 스퍼터 증착(DC magnetron sputter deposition)을 이용한 두께의 함수로서 텅스텐 얇은 막들의 저항률을 나타낸다.
도 16은 6 nm 두께의 텅스텐 막에서의 스핀 홀 각도의 측정들의 그래프 결과들을 나타낸다.
도 17은 FMR 데이터로부터의 3 개의 상이한 텅스텐 막들 및 스위칭 데이터로부터의 1 개의 텅스텐 막의 스핀 홀 각도 측정들의 결과들을 나타낸다.
도 18은 SHE 베이스 층으로서 텅스텐 막을 이용하는 3-단자 스핀 홀 효과 디바이스의 개략도를 나타낸다.
도 19의 좌측은 스핀 홀 효과 메모리 요소의 개략도이고, 우측은 6 nm 두께의 텅스텐 막 층을 이용하는 3-단자 스핀 홀 효과 디바이스에 대한 실온에서의 스핀 홀 스위칭 동작(spin Hall effect switching behavior)의 개략도이다.
도 20의 좌측은 디바이스 파라미터들을 나타내고, 우측은 고-저항률의 5.2 nm 두께의 텅스텐 막 층을 이용하는 3-단자 스핀 홀 효과 디바이스에 대한 실온에서의 스핀 홀 효과 스위칭 동작을 나타낸다.

본 실시예들은 스핀 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(ST-MRAM) 구조체, ST-MRAM 구조체를 제조하는 방법, 그리고 ST-MRAM 구조체에 기인한 ST-MRAM 디바이스를 작동시키는 방법을 포함한다. 본 발명들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스는 ST-MRAM 구조체 및 디바이스 내의 자유 층과 접촉하여 위치되고 형성되는 스핀 홀 효과 베이스 층을 이용하여, 고정 층, 비-자기 스페이서 층, 및 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자유 층을 포함하는 자기저항성 요소를 통해 수직으로 감지 전압 및 감지 전류를 측정 또는 인가하면서, 고정 층에 대해 자유 층의 자기 방위를 스위칭하기 위해 SHE 베이스 층을 통한 측면 전류가 사용될 수 있다.

본 실시예들은 특정한 재료들이 Ta 및 W(단, 이로 제한되지 않음)와 같은 스핀 홀 효과 베이스 층에 대해 사용될 수 있음을 고려하며, Ta 및 W의 고-저항률 베타 형성(high-resistivity beta forms)은 특정 재료들의 특성과 관련하여 특히 바람직하다. 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함할 수 있는 추가 후보 재료들은 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb. Bi 뿐만 아니라, Cu₁ _- _xBi_x, Ag₁ _- _xBi_x, Cu₁ _-xIr_x, Ag₁ _- _xIr_x, Cu₁ _- _xW_x, Ag₁ _- _xW_x, Cu₁ _- _xTa_x, Ag₁ _- _xTa_x와 같은 이들의 전이 금속들에 기초한 합금, 및 높은 원자 번호를 갖는 1 이상의 원소를 통합한 고-저항률의 화합물, 예컨대 Ta₃Al, Nb₃Sn, W₃Ge와 같은 A15 결정 구조체를 갖는 화합물들 및 TaN, WN 및 NbN과 같은 다른 화합물을 포함한다(단, 이로 제한되지 않음).

I. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스 내의 스핀 홀 효과 베이스 층에 대한 비-자기 전도체 재료의 예시적인 선택 기준

본 실시예들은 일반적으로, ST-MRAM 구조체 내의 자유 층과 접촉하는 스핀 홀 효과 베이스 층을 이용하는, 도 1, 도 2, 도 3, 도 10, 도 12, 도 13에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스에 관한 것이다. 앞서 설명된 바와 같이, ST-MRAM 구조체 및 관련 디바이스는 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자유 층 내에 자기 스핀 전이를 달성(effecting)하기 위해 스핀 홀 효과 베이스 층 내에 측면 스위칭 전류를 제공한다. 그 후, 순차적으로 적층된(sequentially layered) 고정 층, 비-자기 스페이서 층, 및 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자유 층을 포함하는 자기저항 터널링 접합부 또는 자기 스핀 밸브 중 어느 하나를 통해 수직으로 개별적으로 판독하여, 자기저항 터널링 접합부 내의 0 데이터 상태 또는 1 데이터 상태를 결정하기 위해, 감지 전압 또는 감지 전류가 이용될 수 있다.

일반적으로, 본 실시예들에 따른 스핀 홀 효과 베이스 층은 앞서 자세히 설명된 바와 같이 탄탈룸 및 텅스텐을 포함하는(단, 이로 제한되지 않음) 수 개의 비-자기 전도체 재료들 중 어느 것을 포함할 수 있지만, 순수 금속들, 금속 합금들 및 화합물들과 같은 다른 비-자기 전도체 재료들이 실시예들의 내용 안에서 배제되지 않는다.

스핀 홀 효과 베이스 층으로 구성된 비-자기 전도체 재료의 제 1 특성은 비교적 큰 스핀 홀 각도이며; 0.05 이상의, 더 바람직하게는 약 0.1 이상의 값들이 구현가능한 디바이스들에 대해 요구될 것이다. 스핀 홀 각도는 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료 내의 충전 전류 밀도와 스핀 전류 밀도 간의 변환 효율(conversion efficiency)을 나타낸다. 아래에 자세히 나타나 있는 바와 같이, 이는 전도성 재료들의 고유 특성(intrinsic property)이므로, 스핀 토크 FMR 기술 또는 직접적 스위칭 실험들을 이용하여 각각의 특정 재료에 대해 측정되어야 한다.

또한, 스핀 홀 효과 베이스 층에 대한 비-자기 전도체 재료를 선택할 때, 본 실시예들은 이러한 비-자기 전도체 재료가 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료에 대한 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖도록 선택됨을 고려한다. 스핀 확산 길이는, 비-자기 금속의 전도 전자들의 비-평형 스핀 편광이 스핀 플립 스캐터링 공정들(spin flip scattering processes)에 의해 지수적으로 0으로 감소하는(decay) 길이 스케일을 나타낸다. 이러한 스핀 확산 길이는, 예를 들어 스핀 토크 FMR 기술을 이용함으로써 측정될 수 있으며, 일련의 샘플들은 스핀 홀 효과 베이스 층에 대해 상이한 두께를 갖는다. 이러한 최대 두께는, SHE 베이스 층의 두께가 스핀 확산 길이보다 훨씬 클 때 스위칭 전류가 이 두께에 따라 선형으로 증가한다는 고려사항에 의해 좌우된다.

스핀 홀 효과 베이스 층에 대한 비-자기 전도체 재료를 선택하는 추가 고려사항들은 자기 자유 층의 평형 자화 방위가 샘플 평면에 있는지 아니면 이 평면에 수직인지에 따라 상이할 것이다. 자유 층 자화가 평면-내에 있으면, 스핀 홀 토크는 자유 층의 유효 자기 감쇠를 수정(modifying)함으로써 자기 스위칭을 구동할 수 있다. 이 결과를 달성하기 위해, 전류의 부재 시 스핀 홀 재료의 고유 값 이상에서 2 배수 이상으로 자유 층의 자기 감쇠를 증가시키지 않도록 스핀 홀 재료가 선택되어야 한다. Ta 및 W는 이 기준을 만족하지만, Pt와 같은 강한 스핀-궤도 결합을 갖는 다른 재료들은 이 기준을 만족하지 않는다. 자유 층 자화가 샘플 평면에 수직인 경우, 스핀 홀 토크는 수직 이방성으로 인한 토크를 극복함으로써 스위칭을 달성할 수 있다. 이 결과를 달성하기 위해, 스핀 홀 재료가 자유 층의 수직 자기 이방성에 기여하여 40 k_BT 내지 300 k_BT 범위의 총 자기 이방성 에너지를 제공하여, 자기 자유 층이 열적 안정성을 가져도 여전히 낮은 값의 인가된 전류에서 스위칭될 수 있도록, 스핀-홀 재료들이 선택되어야 한다. W, Ta 및 Pt는 모두 이러한 기준을 만족할 수 있다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스 내에 스핀 홀 효과 베이스 층으로 구성될 수 있는 비-자기 전도체 재료에 대한 상기 재료들의 선택 고려사항들과 함께, 후보 재료들인 플래티늄, 탄탈룸 및 텅스텐에 대한 데이터가 다음의 표 I에 나타나 있다.

II. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 구조체 및 디바이스과 관련된 일반적인 고려사항들

본 실시예들은 실제 3-단자 ST-MRAM 디바이스에 대한 기록 메커니즘으로서 스핀 홀 효과를 이용한다. 기본 개념을 나타내기 위해, 도 1은 특히 3-단자 ST-MRAM 디바이스 구조체의 개략적인 단면도를 나타내며, 기록 메커니즘으로서 SHE가 이용되고, 자기 터널 접합부 내의 고정 층에 대한 자기 터널 접합부 내의 자유 층(FL)의 자기 방위를 통해 저장된 데이터를 판독하기 위해 MTJ 구조체가 이용된다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM 내에, 자기 터널 접합부는 일반적으로 서브-미크론 또는 나노미터 범위(즉, 약 10 nm 내지 약 500 nm)의 측면 치수를 갖는 필러형 자기저항 요소(pillar-shaped magnetoresistive element) 및 구성요소를 포함한다. 자기 모멘트(

)를 갖는 강자성 자유 층은 일반적으로 약 10 내지 약 5000 에르스텟(Oersted) 범위의 작은 내지는 중간의 보자력 장(coercive field)을 갖는 연질 강자성 재료로 만들어진다. 자유 층에 대한 통상적인 두께는 약 0.5 nm 내지 3 nm 범위이다. 자기 모멘트(

)를 갖는 강자성 고정 층은 추가 반강자성 층들에 의해 고정되거나, 일반적으로 약 100 내지 약 20000 에르스텟 범위의 큰 보자력 장을 갖는 연질 또는 강질 강자성 재료로 만들어진다. 자기 고정 층들에 대한 통상적인 두께는 약 4 nm 내지 50 nm 범위이다. FL 및 PL은 비-자기 스페이서 층에 의해 분리되며, 비-자기 스페이서 층은 절연성 산화물 재료, 또는 대안적으로 Cu 또는 Ag와 같은 비-자기 금속으로 구성된다. 비-자기 스페이서 층의 두께는 통상적으로 약 0.5 nm 내지 약 50 nm 범위이다. 자기 층들에 대한 통상적인 재료들은 Fe, Co, Ni, 이들의 합금, 예컨대 Ni₁ _- _xFe_x, 비-자기 재료를 갖는 이러한 원소들의 합금, 예컨대 Fe_1-xPt_x 및 Co_xFe_yB₁ _-(x+y), 및 이러한 재료들로 만들어진 강자성 다층들, 예컨대 (Co/Ni)_n, (Co/Pt)_n, 및 (Co/Pd)(여기서, n은 반복되는 다층 수를 나타냄)을 포함할 수 있다(단, 이로 제한되지 않음). 비-자기 스페이서 층에 대한 통상적인 산화물 재료들은 마그네슘 산화물(MgO), 붕소 도핑된 마그네슘 산화물(Mg(B)O), 화학양론적(stoichiometric) 및 비-화학양론적 알루미늄 산화물(Al₂O₃ 및 A10_x), 티타늄 산화물, 탄탈룸 산화물, 하프늄 산화물, 붕소 질화물 및 실리콘 산화물을 포함할 수 있다(단, 이로 제한되지 않음).

자기 터널 접합부의 FL과 접촉하여, 강한 스핀 홀 효과(SHE)를 나타내는 다수의 가능한 재료들 중 하나로 만들어진, 비-자기 박막 스트립(즉, 스핀 홀 효과 베이스 층)이 있다. 비-자기 스트립은 나노미터 스케일 또는 마이크로미터 스케일의 와이어들 내로 패터닝된다. 강한 SHE를 갖는 통상적인 재료들은 Ta, W, Pt, 이들 또는 다른 높은 원자 번호 원소들을 통합한 합금 및 화합물, 그리고 Cu₁ _- _xIr_x, Cu₁ _- _xBi_x와 같은 합금을 포함할 수 있다(단, 이로 제한되지 않음).

도 1에 도시된 바와 같이, ST-MRAM 구조체의 3 개의 단자들은 구조체에 대해 전기 연결부들이 만들어질 수 있는 곳에 형성된다. 일 단자는 MTJ의 PL에 근접한 필러에 생성되고, 다른 2 개의 단자들은 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 스트립의 2 개의 단부들에 생성된다. 비-자기 스트립의 2 개의 단자들 사이에 기록 전류가 인가되는 한편, 필러의 단자와 SHE 베이스 층을 포함하는 비-자기 스트립의 다른 두 개의 단자들 중 어느 하나 사이에 판독 전류가 인가된다.

도 1에 도시된 개략적 사시도는 각 층의 상대 위치를 제공하지만, 그들의 정확한 위치를 반영한 것은 아니다. 예를 들어, MTJ의 FL은 도 1에 도시된 바와 같은 필러의 최하부 또는 도 2에서와 같은 필러의 최상부에 배치될 수 있다. 하지만, 어느 경우에서도 강한 SHE를 갖는 비-자기 스트립은 항상 FL에 인접하다(또한, 통상적으로 접해 있다). 또한, FL이 최하부에 있을 때, 비-자기 스트립은 디바이스 구조체의 최하부에 기판(도시되지 않음) 다음으로(next to a substrate) 배치되고, 그 위로 본 실시예들에 따라 ST-MRAM 내의 모든 재료 층들이 위치되고 생성된다. FL이 최상부에 있을 때, PL은 터널 배리어의 기판 측에 위치되고 형성되며, FL은 터널 배리어 위에 배치되며, SHE 베이스 층을 포함하는 비-자기 스트립은 ST-MRAM 디바이스의 최상부에 위치된다.

FL 및 PL의 자기 모멘트들(

,

)의 평형 방위는 도 1에 예시된 바와 같이 막 평면에 있을 수 있거나, 도 3에 예시된 바와 같이 막 평면에 수직일 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, SHE로부터의 주입된 스핀들은 항상 막 평면에서 비-자기 스트립의 전류 흐름 방향에 수직으로 방위 잡힌다. 주입된 스핀들의 방위는 수학식

에 의해 결정된다. 여기서,

는 (각 운동량이 아닌) 주입된 스핀 모멘트들의 방향이고, θ _SH 는 스핀 홀 각도이며, 이는 각 재료에 대해 고유한 파라미터이고 그 특정 재료의 SHE의 크기를 정량화한다. FL이 충전 전류(J _c )를 운반하는 비-자기 스트립의 위 또는 아래에 배치되기 때문에, 스핀 전류(

)는 도 4의 +z 또는 -z를 따라 흐른다. 그러므로, 상기의 수학식에 따르면, 주입된 스핀(

)은 J _c 의 방향 및 스핀 홀 각도(θ _SH )의 부호에 따라 +x 또는 -x 방향을 따른다.

및

가 평면에 있고 앞서 언급된 전류 방향(즉, +/-x 축 방향)에 수직일 때,

은 SHE로부터의 주입된 스핀들(

)과 공선(collinear)이다(평행 또는 반평행함). 이 경우, 주입된 스핀들은 유효 자기 감쇠로서 작용하며, 이는 스핀의 방위에 따라, 어느 하나의 부호, 즉 양 또는 음의 감쇠일 수 있다. 이 구성 하에서, SHE 유도 스위칭은 종래의 스핀 토크 유도 스위칭과 동일한 방식으로 작동한다. 본 실시예들에 따른 스핀 홀 효과 ST-MRAM 디바이스 내에서, 강자성 편광자 층(단, 이로 제한되지 않음)과 같은 강자성 재료 층 대신 비-자기 재료를 이용하여 스핀 전류가 생성된다.

이

과 평행할 때, 스핀 전류는 전류 자화 방향을 더 안정하게 할 것이며, 스위칭을 유도하지 않을 것이다. 이와 달리,

이

과 반평행할 때, 스핀 전류가 충분히 크면, FL의 자화가 스위칭될 것이다. 그러므로, 반대 부호를 갖는 전류는 FL 내로 반대 방위를 갖는 스핀들을 주입할 것이며, 이 반대 방위는 FL 자화의 상이한 선호 방위를 유도할 것이므로, SHE 베이스 층으로 나타낸 SHE 생성 층을 통해 전류의 방향을 결정함으로써 가역적 결정 스위칭(reversible deterministic switching)이 실현될 수 있다.

FL 및 PL이 막들의 평면에서 자화될 때 FL의 스위칭에 요구되는 전류는 자유 층의 유효 자기 감쇠에 선형으로 비례하기 때문에, 이 유효 감쇠가 최소화될 때 가장 효율적인 스위칭이 일어날 것이다. 따라서, SHE가 생성되는 보통의 층(normal layer)이 Pt 이외의 소정 재료인 것이 매우 바람직하다. 이는 스핀-펌핑(S. Mizukami, Y. Ando 및 T. Miyazaki, J. Magn. Magn. Mater. 239, 42 (2002), Y. Tserkovnyak, A. Brataas, 및 G. E.W. Bauer, Phys. Rev. Lett. 88, 117601 (2002))으로서 알려진 공정을 이용하기 때문이며, Pt 층과 전기적인 접촉이 이루어질 때, 스핀을 신속히 완화시키는 FL로부터 Pt 내로의 계면에 걸친 스핀들의 확산에 의해 FL의 자기 감쇠가 크게 향상된다. 예를 들어, SHE를 생성하기 위해 Pt가 아닌 Ta 또는 W가 이용되는 경우, 스핀 펌핑 효과가 훨씬 적다. 도 5는 강자성 공진에 의해 결정되는 바와 같은 Pt의 얇은 층과 접촉하는 CoFeB의 강자성 층의 자기 감쇠, 그리고 비교를 위해 2 개의 유사한 이중층(하나는 Ta 막과 접촉하는 CoFeB의 강자성 막으로 구성되고, 다른 하나는 W 막과 접촉하는 CoFeB의 강자성 막으로 구성됨)의 자기 감쇠를 나타낸다. CoFeB/Ta 및 CoFeB/W 이중층들의 자기 감쇠는 CoFeB/Pt 이중층의 자기 감쇠보다 약 2 배수 이상 적으며, 반-감쇠 스핀 토크(anti-damping spin torque)를 통한 스핀 토크 스위칭을 위해 Pt가 아닌 Ta 또는 W, 또는 낮은 스핀 완화율을 갖는 또 다른 SHE 재료의 사용의 장점을 증명한다.

인접한 자기 층들의 감쇠에 관한 작은 효과와 함께, Ta의 큰 SHE는, Ta가 자기 터널 접합부의 평면-내 자화된 자유 층의 스핀 토크 스위칭을 달성하는 우수한 재료가 되게 한다. 스핀들이 국부적 자기 모멘트의 초기 방위에 대해 거의 평행하거나 반평행하게 주입되는 종래의 반-감쇠 스핀 토크 스위칭에서, 열 변동(thermal fluctuations)이 없을 때 스위칭을 위한 임계 전류 밀도(J _C ₀)는:

으로서 근사적으로 계산될 수 있으며,

여기서, M _S , t, 및 H _C 는 각각 포화 자화(saturation magnetization), 두께, 및 자유 층의 보자력 장을 나타낸다.

Ta의 스핀 홀 효과에 의해 유도된 평면-내 자기 스위칭을 나타내기 위해, 도 6에 예시된 지오메트리 내로 패터닝된 다층: 기판/Ta(6.2)/CoFeB(1.6)/MgO(1.6)/ CoFeB(3.8)/Ta(5)/Ru(5)(nm 두께)으로 구성된 3-단자 디바이스가 제조되었다. Ta 최하부 층은 너비가 1 ㎛ 길이가 5 ㎛인 스트립(3 ㏀의 저항을 가짐) 내로 패터닝 되었고, ~ 100 × 350 nm의 측면 치수를 갖는 Ta 위에 자기 터널 접합부(MTJ) 나노필러를 형성하기 위해 나머지 층들이 에칭되었으며, 나노필러의 긴 축은 Ta의 마이크로스트립(microstrip)의 긴 축에 수직이다.

스핀 토크 스위칭 측정을 위해, DC 전류(I _Ta )가 Ta 마이크로스트립을 통해 흐르도록 인가된 한편, 자기 터널 접합부의 미분 저항(dV/dI)이 모니터링된다. 도 7은, 반평행 대 평행(antiparallel to parallel: AP-P) 스위칭을 유도하는, I _Ta 가 1 mA를 통과하여 지나갈 때(when I _Ta was swept through 1mA) 발생한 MTJ 저항의 급격한 이력현상 스위칭(abrupt hysteretic switching)을 나타낸다. 전류가 -1 mA를 되돌아 지나갈 때, 이 스위칭은 반대로 전환(P-AP 스위칭)된다. 최하부 층에 작용하는 MTJ의 최상부 층으로부터 자기 쌍극자 필드(magnetic dipole field)를 상쇄시키기 위해, 스핀-토크 스위칭 측정 동안 MTJ의 긴 축을 따라 -3.5 mT의 평면-내 자기장이 인가되었음을 유의한다. 이는 자기저항 루프의 중간점에서 접합부의 자유 층을 편향(bias)시켰다. 메모리 셀 어플리케이션에 최적화된 SHE 디바이스에서, 최상부 고정 층은, 예를 들어 FL에서의 순수 쌍극자 필드가 0에 가깝게 되도록 균형잡히는(balanced) 합성 반강자성 삼중층일 것이며, 이는 외부 평면-내 필드에 대한 필요성을 제거할 것이다.

이 3-단자 SHE 스위칭 결과는, MTJ를 통해 흐르도록 요구되는 어떠한 실질적인 부분의 스위칭 전류 없이, 베타-Ta에서의 스핀 홀 효과만큼 강한 스핀 홀 효과가 자기 터널 접합부의 자유 층을 스위칭하기에 매우 효과적임을 증명하며, 이는 종래의 2-단자 ST-MRAM 디바이스들과 연계된 중요한 신뢰성 문제를 해결한다. 또한, 이 결과는 이 실시예의 중요한 특징 - PL에 대해 FL을 평행(P)에서 반평행(AP)하게 스위칭하는데 요구되는 전류는 반대 방향, AP에서 P로 스위칭하는데 요구되는 것과 본질적으로 동일하며, 물론 기록 동작을 위한 전기 임피던스도 두 스위칭 방향들에 대해 동일함 - 을 증명한다. 이는, 스위칭 전류가 2 개의 스위칭 방향들에 대해 매우 상이하고 기록 동작의 시작 시 전기 임피던스 또한 2 개의 스위칭 방향들에 대해 매우 상이한 2-단자 MTJ 스핀 토크 디바이스의 경우와 상당히 대조적이다. 3-단자 SHE 스위칭된 MTJ 메모리 셀의 기록 동작의 이러한 대칭적 특성은 자기 메모리 회로들의 설계에 장점들을 제공한다.

또한, SHE 유도 스위칭은 평면에 수직으로 방위잡힌

및

로 실현될 수 있다. 이 구성에서, SHE로부터의 주입된 스핀들(

)은 여전히 +/- x-축을 따르는 한편,

에 대한 평형 위치는 +/- z 축을 따라 정렬된다. 그러므로,

의 방향 및

의 방향은 서로 수직이며, 주입된 스핀들의 효과는 더 이상 유효 감쇠와 같지 않다. 대신, 유효 자기장(B _ST )을 이용하여 스핀 토크의 효과가 설명될 수 있다. 주입된 스핀 전류에 의해 생성된 단위 모멘트당 스핀 토크는

로서 표현될 수 있으며, 여기서

, e, M _S , 및 t는 각각 플랑크 상수, 전자 전하, FL의 포화 자화, 및 FL의 두께를 나타내며, J _S 는 SHE로부터 FL 내로 주입된 전류이다. 한편, 일반적으로 자기장에 의해 생성된 토크는

로서 표현될 수 있다. 2 개의 토크들의 형태를 비교함으로써, 스핀 홀 효과에 의해 유도된 유효 자기장은

의 형태를 갖는다. 그러므로,

는 항상

에 수직이며, 주입된 스핀들의 방향에 따라 시계방향 또는 반시계방향을 가리킨다. 도 8a는 주입된 스핀(

)이 -x 방향을 따를 때

의 방향에 관한 예시를 제공한다.

이도록 J _S 가 충분히 큰 경우[여기서,

은 자기 막이 제공할 수 있는 최대 이방성 필드(maximum anisotropy field)임],

는

의 연속적인 회전을 유도할 것이다. 멀티-도메인 강자성 층(multi-domain ferromagnetic layer)에서, 자기 막(B _C )의 보자력 장이

보다 작다면,

에 관한 대응 요건은 근사적으로

로 완화될 수 있다.

의 효과 하에서,

은 결정적 최종 상태(deterministic final state) 없이 계속 스위칭될 것이다. 따라서, 결정적 스위칭을 얻기 위하여 외부 자기장이 도입되어야 한다. 도 8B에서는, 일 예시로서 +y 방향으로 외부 필드가 인가된다.

의 z 성분을 나타내기 위해 m_z를 이용하면, m_z > 0인 상태는

및

가 서로에 대해 균형잡힐 수 있기 때문에 안정한 상태인 한편, m_z < 0 상태는

및

가 동일한 방향으로 작용하여

이 계속 회전하게 하기 때문에 여전히 불안정함을 알 수 있다. 그러므로, +y 방향으로 인가된 필드 하에서, -x 방향으로 주입된 스핀들은

을 m_z > 0 상태로 스위칭할 수 있다. 기록 전류 방향을 반대로 전환시킴으로써, SHE로부터의 스핀들은 +x 방향을 따라 주입될 것이며,

이 m_z < 0 상태로 스위칭되게 한다. 결론적으로, SHE로부터 주입된 스핀들을 이용함으로써, 가역적 결정 스위칭이 실현될 수 있다. 외부 자기장(

)의 역할은 시스템의 대칭을 깨서 확정적 최종 상태(definite final state)를 얻는 것에 있다. 도 9는 SHE로부터의 스핀 전류를 이용하여 실온에서 자기 모멘트를 스위칭한 실험 결과를 나타낸다. 샘플은 너비가 20 ㎛ 두께가 2 nm인 Pt 스트립 및 이 Pt 스트립과 접촉하는 0.7 nm의 Co 자기 층에 의해 형성되었고, 이는 수직 자기 이방성을 가지며, 1.6 nm의 Al은 대기(atmosphere)에 의한 산화로부터 Co를 보호하기 위한 캡핑 층(capping layer)으로서 이용된다. 이상 홀 효과(anomalous Hall effect)는 Co 층의 자화 방위를 모니터링하는 데 사용된다. 도 9의 x-축은 Pt 스트립에 인가된 전류를 나타내고, y-축은 대응 전류 하에서의 이상 홀 저항을 반영한다. + 10 mT의 외부 필드 하에서, Co 층의 자기 모멘트는 반대로 인가된 전류를 이용하여 왔다갔다(back and forth) 스위칭될 수 있음을 알 수 있다. MRAM 셀들에 대한 디바이스 구성에서, 전류 흐름 방향을 따라 요구되는 외부 필드를 제공하기 위해, 도 10에 나타낸 바와 같이 수 나노미터 두께의 평면-내 자화고정된 자기 층이 MTJ 위에 추가될 수 있다. 이 평면-내 자기 층에 의해 생성된 쌍극자 필드는 전류 유도된-스위칭에 결정적 최종 상태를 제공할 것이다. 또한, 이 작은 외부 평면-내 자기장을 생성하기 위해 강자성 얇은 막의 다른 구성들이 이용될 수 있다.

FL 및 PL이 막 층들의 평면에 수직으로 자화될 때 FL과 접촉하는 Pt 층의 스핀 펌핑 효과 또는 감쇠 향상이 요구되는 스위칭 전류의 증가를 유도하지 않지만, 그 구성에서 Ta, W를 이용하거나 Pt 이외의 특정 재료를 이용하여 스핀 홀 효과에 의한 스핀 전류를 생성하는 것이 여전히 바람직할 것이다. 이는, 인가된 전류로부터 스핀 전류를 생성하는 데 있어서 Ta 및 W의 SHE의 효율이 Pt보다 훨씬 더 높기 때문이다. 이는 도 11에 나타나 있으며, 전류 밀도에 대한 스핀 전류 밀도의 비율은 NiFe/Pt 이중층에 대해 그리고 CoFeB/Ta 이중층에 대해 플롯되어 있다. Ta 경우에 대한 스핀 홀 효율은 Pt 경우의 2 배 이상이며, 그 베타 상의 W에 대한 스핀 홀 효율은 Ta의 대략 2 배이다.

앞서 설명된 바와 같이, 평면-내 및 평면에 수직인 자기 이방성을 갖는 자기 터널 접합부들에 대해 비-자기 스트립의 전류를 인가함으로써 기록 동작이 실현될 수 있다. 판독 동작은 종래의 ST-MRAM 디바이스와 유사해야 한다. 절연성 배리어에 걸친 감지 전류는 FL 및 PL의 상대 방위에 따라 상이한 전압 신호를 산출할 것이다.

종래의 ST-MRAM과 비교해, 기록 메커니즘으로서 SHE를 이용하는 MRAM 셀의 한 가지 장점은 단위 전류당 더 강한 토크이다. SHE는 인가된 전류의 전자당 스핀(h/2pi)의 1 단위보다 큰 전달 또는 각도 운동량에 대응하는 토크를 제공할 수 있으며, 종래의 ST-MRAM의 토크는 항상 전류의 전자당 전달된 스핀(h/2pi)의 1 단위보다 약해야 한다. 기록 메커니즘으로서 SHE를 이용하는 MRAM 셀의 두 번째 장점은 기록 전류가 더 이상 터널 배리어를 통과하지 않는다는 점에 있으며, 이는 메모리 셀의 수명을 크게 증가시킬 수 있고, 신뢰가능한 판독 및 기록을 달성하는데 요구되는 재현성 한계(reproducibility margins)를 크게 완화시킨다. 종래의 ST-MRAM에서는 기록 및 판독 동작이 모두 터널링 배리어에 의존하기 때문에, 큰 터널링 자기저항을 얻음과 동시에 많은 전류가 배리어를 통해 흐르도록 하기 위해서는, 바람직하지 않은 트레이드오프(trade-off)가 이루어져야 한다. 다수의 경우들에서, 이 두 가지 요건은 동시에 만족될 수 없다. 이에 반해, 기록 메커니즘으로서 SHE를 이용하는 3-단자 MRAM 셀에서는, 판독 동작에 대해서만 MTJ의 성능이 최적화될 수 있다. 그러므로, 이는 MTJ의 설계 시 상당한 자유를 얻는데, 예를 들어 기록 전류를 제공하는 회로 및 감지 전압을 판독하는 회로와의 적절한 임피던스 매치 그리고 최적의 터널링 자기저항을 얻기 위해 터널 배리어의 두께가 조정될 수 있다.

본 실시예들에 따른 ST-MRAM은 제조가 용이한 장점을 갖는다. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM은 제조 공정을 크게 복잡하게 하지 않고 기록 전류 및 판독 전류를 분리시킨다. 나노미터 스케일의 단일 필러만이 도 1 내지 도 3에 도시된 ST-MRAM 구조체에 제조된다.

지금까지, 도 1 내지 도 3 및 도 10에 설명된 ST-MRAM 디바이스 지오메트리에서, 박막 자기 자유 층은 제한된 측면 크기(limited lateral extent)로 구성되고, 이에 따라 (거의) 단일 자기 도메인을 포함하며, 이 자기 도메인의 2 개의 가능한 순 자화 방향들이 관련 도 1 내지 도 3 및 도 10에 화살표로 표시되어 있다. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 자기 메모리 디바이스의 또 다른 카테고리에서, 자기 자유 층은 긴 와이어, 또는 상이한 자화 방향들을 갖는 도메인들로 분리시키는 자기 도메인 벽들의 위치를 통해 정보가 저장되는 와이어 부분(wire segment)으로 구성된다.

이를 위해, 본 실시예들은, 도 12 및 도 13에 예시된 바와 같이, 자유 층의 자기 방위를 판독하기 위해 자기 고정 층과 조합하여, 자기 자유 층 와이어가 강한 SHE를 나타내는 비-자기 박막과 접촉하는 샘플들을 이용함으로써, SHE로부터의 토크를 이용하여 전류의 능력(ability)을 향상시켜 자기 도메인 벽들의 위치를 조절(manipulate)하는 것을 또한 제안한다. 전류는 샘플 평면에 평행하게 측면방향으로 흐를 수 있거나, 수직 전류와 조합하여 측면 전류가 인가될 수 있다. SHE로부터의 토크는 도메인 벽을 이동시키는 것을 직접적으로 도울 수 있으며, 이는 종래의 스핀 전달 토크 효과만의 영향에 비해, 개선된 효율 및 더 높은 속력으로 이동될 수 있도록 도메인 벽의 구성을 안정화할 수 있다.

Ⅲ. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 디바이스 구조체들의 스핀 홀 효과와 관련된 특정 재료들의 고려사항들

상기의 섹션 I에 따르면, SHE 생성된 스핀 전류에 의해 가해진 스핀 토크에 의하여 자유 층 자기 요소의 효율적인 스위칭에 대해 최적화될 수 있는, 스핀 홀 효과(SHE)가 일어나는 스핀 홀 효과 베이스 층의 재료 특성들과 관련된 적어도 3 개의 재료 파라미터들이 존재한다.

먼저, 충전 전류로부터 스핀 전류로의 변환 효율은 스핀 홀 각도,

에 의존하며, 이는 인가된 종방향 전류 밀도에 대한 생성된 횡방향 스핀 전류 밀도의 비이다. 이는 전도성 재료들의 고유 특성이며, 이는 재료마다 다르고 주어진 재료에 대한 재료 품질의 함수로서 변동한다. 큰 스핀 홀 각도는 큰 스핀 전류 생성 효율에 대응한다. 예를 들어, W, Ta 및 Pt는 매우 큰 스핀 홀 각도를 갖는다. 다른 금속 원소 또는 합금은 큰 스핀 홀 각도를 갖도록 포텐셜(potential)을 갖는다. 금속 원소, 합금, 및 높은 원자 번호 원소들을 통합한 화합물로부터 형성된 전도성 막들, 그리고 Pt로 도핑된 Au 또는 Ir 또는 Bi로 도핑된 구리와 같이 강한 스핀-궤도 산란을 갖는 높은 원자 번호 도펀트들로 도핑된 전도성 막들 또한 큰 스핀 홀 각도를 가질 수 있다.

제 2 파라미터는 SHE를 통해 횡방향 스핀 전류를 생성하는 데 사용되는 비자기 재료의 스핀 확산 길이(λ _SF )이다. 스핀 확산 길이는, 비-평형 스핀 밀도가 재료 내에서 평형으로 다시 완화되는 길이 스케일이다. 수학식

에 따라, 디바이스의 개략도(예를 들어, 도 1, 도 3 및 도 10을 참조)에서 스핀 확산 길이가 비-자기 박막 나노와이어의 두께(d)와 비슷하거나 이보다 작을 때, 스핀 전류 생성 효율이 최적화된다. 따라서, SHE 기록 메커니즘이 가장 높은 효율로 작동하도록, 통상적으로 가능한 한 짧은 스핀 확산 길이를 요구할 것이다. 한 가지 접근법은, 전도 전자들에 대한 짧은 탄성 평균 자유 경로(short elastic mean free path: l) 및 높은 스핀 홀 각도를 갖는 고저항성 재료를 직접적으로 l ^l ^/2 을 갖는 스핀 확산 길이로서 이용하는 것이다.

큰 스핀 홀 각도 및 짧은 스핀 확산 길이는 평면-내 또는 평면에-수직인 가역성 자유 층의 자기 모멘트를 갖는 MRAM 셀에 대해 유익하며, 이 두 가지 경우는 각각 도 1 및 도 3에 나타나 있다. 자유 층이 평면에 수직으로 자화된 후자의 경우에 대해, 열적으로 안정한(이방성 에너지 = 40 k _B T) 수직으로 편광된 자성체의 스핀 토크 스위칭을 개시하는데 요구되는 최소 전류는 다음에 의해 근사적으로 주어진다:

여기서,

는 스핀 홀 각도이고, d는 비-자기 금속 층(M)의 두께(이 층 내에서 SHE가 횡방향 스핀 전류를 생성하도록 작용함)이며, t는 자유 층 자성체의 두께이고, L은 전류 흐름 방향으로의 자유 층 자성체의 길이이며, k _B 는 볼츠만 상수이고, T는 디바이스의 절대 온도이며, σ _F 는 자유 층 자성체의 전기 전도율이고, 은 σ _SHM 은 비-자기 층의 전도율이며, λ _sf 는 스핀 홀 효과를 생성하는 층 내에서의 스핀 확산 길이이며,

는 옴 가열(ohmic heating)로 인한 전류에 따라 변동할 수 있는 자유 층 자성체의 포화 자화이고,

는 수직으로 편광된 자유 층의 유효 이방성 필드이다. 이방성 필드(

)는 자유 층 강자성체의 열적 안정성을 보장할 만큼만 충분히 커야 한다. 스핀 홀 각도가 최대화되고 스핀 확산 길이가 최소화될 때, 스위칭 전류가 명백히 최소화된다.

SHE를 통한 ST-MRAM 셀의 데이터의 기록의 최적화에 중요한 제 3 재료 파라미터는, 스핀 홀 금속의 존재가 예를 들어 스핀-펌핑 효과를 통해 인접한 자기 층의 자기 감쇠 계수(α)를 증가시키게 될 정도(degree)이다. 도 1에 도시된 경우에서와 같이, 자기 모멘트가 막 평면에서 자화된 MRAM 디바이스들의 자유 층 강자성체의 자기 반전(magnetic reversal)을 달성하는데 필요한 전류를 최소화하기 위해, 이 증가된 감쇠를 최소화하는 것이 요구된다. Pt와 같이 큰 스핀 홀 각도를 갖는 몇몇 재료들은 바람직하지 않은 많은 양의 과도한 감쇠를 유도하는 한편, W 및 Ta와 같은 큰 스핀 홀 각도를 갖는 다른 재료들은 훨씬 더 적은 감쇠를 유도하기 때문에 바람직하다. 열적으로 안정한 평면-내 자화된 자유 층을 스위칭하는 데 요구되는 최소 전류는 다음에 의해 근사적으로 주어진다:

여기서, Vol은 자유 층 자성체의 부피(volume)이고, μ ₀은 자유 공간의 투자율(permeability)이며, H _K (I)는 자유 층 자성체의 평면-내 보자력 장이고, M _eff (I)는 자유 층 자성체의 유효 자기소거장(effective demagnetization field)이며, 이 둘은 가열 효과로 인한 전류에 따라 변동할 수 있다. 따라서, 평면-내 자화된 자유 층들을 갖는 MRAM 셀들의 경우에 대해, 가능한 한 큰 스핀 홀 각도, 가능한 한 짧은 스핀 확산 길이, 및 스핀 홀 금속과 접촉하는 자기 자유 층에 대한 낮은 값의 감쇠 파라미터(α)를 갖는 횡방향 스핀 전류를 생성할 재료를 이용함으로써, SHE 유도된 스위칭에 대한 향상된 효율의 직접적인 이점이 존재한다. 스핀 홀 각도를 포함하는 재료들의 특성들이 이미 특성화된 재료들을 이용하면, SHE에 의한 자기 반전의 효율이 종래의 스핀 토크 스위칭으로 달성가능한 최적의 값들과 매우 비슷할 수 있음을 계산하기가 수월하다(straightforward). 이 우수한 효율과 함께, SHE ST-MRAM 디바이스의 제조의 더 높은 신뢰성 및 용이성은 이를 고성능, 비휘발성 자기 메모리 어플리케이션에 대해 실질적으로 뛰어나게 한다.

Ⅳ. 본 실시예들에 따른 ST-MRAM 디바이스 구조체들의 SHE 베이스 층으로서 텅스텐과 관련된 추가 고려사항들

앞서 설명된 바와 같이, 적절한 타입의 얇고 보통의 금속 스트립에 흐르는 전류에 기인한 스핀 홀 효과는 보통의 금속 스트립에 인접하고 또한 이와 접촉하여 배치되는 작은 나노스케일의 강자성체의 극성의 자기 여기 및 반전을 효율적으로 달성할 수 있다. 본 실시예들의 작동의 어느 특정한 이론으로 한정되지는 않지만, 이는 높은 원자 번호(Z)를 갖는 금속들의 전도 전자의 스핀-궤도 상호작용에 기인하고, 하나의 스핀 방위를 갖는 전자들이 전자 전류의 흐름 방향에 횡방향인 일 방향으로 우선적으로 편향되며, 반대 방위의 스핀 방위를 갖는 전자들은 반대 횡방향으로 편향된다고 여겨진다. 그 결과, 보통의 금속 스트립의 2 개의 대향 표면들에 대해 스핀-편광된 전자들의 확산을 유도하며, 이는 스핀 홀 효과로 알려져 있다. 이 "스핀 전류"는, 이 스핀 전류가 막 마이크로스트립의 표면에 배치된 나노자성체의 표면 상에 닿을 때, 이제 잘 알려진 스핀 전달 현상을 통해 나노자성체에 스핀 토크를 가할 수 있다. 이는, 나노자성체의 국부적 모멘트에 횡방향인 나노자성체에 들어가거나 이로부터 반사되는 전자들의 양자 역학적 각 운동량(quantum mechanical angular momentum)이 그 모멘트에 의해 흡수되어야 하기 때문에 발생한다.

또한, Pt 및 Ta 박막들의 스핀 홀 효과가 어떻게 나노스케일 자기 메모리 셀들의 어플리케이션에 적합한 방식으로 자기 반전을 달성하기에 충분히 강할 수 있는지가 상기에 설명되어 있다. 일반적으로, 횡방향 스핀 전류 밀도에 대한 전류 밀도의 변환이 더 효율적일수록, 디바이스의 전체 유효성이 더 양호하다. 종방향 전류 밀도(J _e )에 대한 횡방향 스핀 전류 밀도(J _s )의 비는 스핀 홀 각도 θ = J _s / J _e 로서 알려져 있다. 이와 동일하게, θ = σ _s /σ _e 로서 스핀 홀 각도를 설명할 수 있으며, σ_s는 횡방향 스핀 전도율이고, σ _e 는 종방향 전기 전도율이다. 상기의 설명에 따르면, 소위 베타-상의 고-저항률 Ta 박막 마이크로스트립에 대한 스핀 홀 각도는 ≥0.15일 수 있다.

θ를 최대화하기 위해서는, 강한 스핀 궤도 상호작용을 갖는 재료를 이용하는 것이 필수적이다. 거론된(in question) 금속의 탄성 충돌(elastic collisions) 간의 전자 평균-자유-경로가 매우 짧은 금속 시스템의 경우, 스핀 홀 효과는 소위 고유한 체제(intrinsic regime)를 가질 것으로 예상된다. 그 경우, 전기 전도율(σ _e )은 전자 평균-자유-경로에 따라 선형으로 감소하지만, 전달 스핀 전도율(σ_s)[이는 금속의 높은 Z 원자들에 관해 원자 전자 궤도를 갖는 전도 전자의 상호작용에만 의존함]은 평균 자유 경로와 독립적이다. 따라서, 낮은 전도율 금속에서 큰 스핀-궤도 상호작용이 존재하는 경우, θ는 매우 클 수 있다.

일 예시로서, 적어도 부분적으로 베타-W 상(이는 일반적으로 A15 결정 구조를 갖는 것으로 여겨지며, 비교적 높은 저항성임)을 갖는 방식으로 생성된 텅스텐 W 박막들의 스핀 홀 각도는 약 0.3 및 가능하게는 그 이상일 수 있다. 알파-W 상은 BCC(body-centered-cubic) 결정 구조로 되어 있으며, 상당히 낮은 저항률을 갖는다. 예를 들어, 도 14를 참조한다. 베타-W 상은 매우 얇은 두께(≤ 10 nm)에서 안정하며, W 층들은 고 진공의 마그네트론 스퍼터링에 의해 또한 다른 수단에 의해 생성될 수 있다. 생성 방법, 두께, 및 후-증착 처리(post-deposition processing)에 따라, W 막은 거의 100 %의 베타 상, 혼합된 알파- 및 베타-상, 또는 순수 알파-상일 수 있으며, 베타-상에서 200 microOhm-cm 이상에서부터, 알파 상에서 30 microOhm-cm 미만에 이르기까지의 저항률을 갖는다. 두께 및 처리에 따른 저항률의 변동의 일 예시가 도 15에 도시되어 있다.

주어진 재료의 스핀 홀 효과의 강도를 결정하는 데 있어서, 가장 손쉬운 접근법(most straightforward approach)은 거론된 재료들의 얇은 마이크로 층을 생성한 다음, 최상부에 얇은 강자성 층을 증착하는 것이다. 그 후, 인가되는 가변 자기장의 존재 하에서 이중층을 통해 마이크로파 전류를 통하게 할 수 있다. 장의 진폭(amplitude)이 주파수와 장의 적절한 조합에서 변동됨에 따라, 강자성 공진(FMR) 여기가 강자성 재료 내에 생성될 수 있으며, 이는 이방성 자기저항 효과를 통해 검출될 수 있다. 공진이 생성될 수 있는 두 가지 방식이 존재한다. 첫 번째는 스핀 홀 재료에 흐르는 전류의 일부분에 의해 생성된 자기장에 기인하며, 두 번째는 스핀 전류가 강자성 층에 닿을 때 스핀 전달 효과를 통해 강자성 층에 스핀 토크를 생성하는 스핀 홀 효과로부터 횡방향 스핀 전류에 의해 생성된 자기장에 기인한다. 필드의 함수로서 FMR 반응의 대칭은 자기장 반응에 대한 공진 필드에 대하여 비대칭이지만, 스핀 홀 효과로부터 대칭이다. 이는 SHE의 강도의 직접적 캘리브레이션(direct calibration)을 허용한다. 또한, 스핀 홀 효과의 강도의 독립적인 측정(measure)은 이중층 마이크로스트립을 통해 흐르는 dc 전류의 함수로서 FMR 신호의 선폭을 결정하기 위함이다. 전류 흐름의 방향에 따라, SHE는 강자성 공진의 유효 감쇠를 선형으로 증가시킴에 따라, 필드의 함수로서 선폭을 축소 또는 확대시킨다. 이는 스핀 홀 각도를 결정하는 제 2의 방법을 제공할 수 있다. W 막을 갖는 이러한 측정의 결과들의 일 예시는 도 16에 도시되어 있다.

이러한 방식으로 몇몇 W 샘플들이 연구되었다. 막의 처리 및 막 두께에 따라, W 재료의 스핀 홀 각도가 매우 크며, Ta로 얻어진 것보다 훨씬 클 수 있음을 판단할 수 있다. 이 결과들은 W 저항률에 따라 적어도 선형으로 그리고 아마도 보다 신속히 변동하는 것으로 나타나 있다. 도 17을 참조한다.

실제로, ST-MRAM 자기 메모리 셀 내의 자유 층의 기록 또는 자기 반전을 달성하도록 W 막들의 스핀 홀 효과의 효율을 증명하기 위해, 도 18에 개략적으로 도시된 바와 같이 얇은 W 박막 스트립에 자기 터널 접합부를 제조할 수 있다. 도 19 및 도 20에 예시된 바와 같이, W 샘플 및 저항률에 의존하여, W 스트립을 통과하는 350 microamps만큼 작은 직류가 자기 터널 접합부의 최하부 강자성 자유 층 전극의 자기 방위를 반전시킬 수 있으며, 이에 따라 W 스트립을 통해 흐른 전류의 방향에 따라 낮은 저항 상태에서 높은 저항 상태로 또는 이와 반대로 터널 접합부의 저항을 스위칭할 수 있다. 스핀 홀 재료의 스트립의 폭이 터널 접합부의 폭에 근접하도록 최소화되는 경우, 및/또는 자유 층의 수직 자기 이방성 필드(H _K )가 약 1000 Oe(0.1 mTelsa) 또는 이 이하로 되도록 감소되는 경우, 자기 터널 접합부의 강자성 자유 층의 자기 방위를 반전시키는데 여전히 낮은 전류로 충분할 수 있다.

각각의 참조가 인용 참조되도록 개별적으로 또한 상세하게 나타내었고 본 명세서 전문에 설명된 것처럼, 여기에 인용된 공보, 특허 출원, 및 특허를 포함한 모든 참조문헌들은 허용되는 범위까지 본 명세서에 인용 참조된다.

본 발명을 설명하는 내용에서(특히, 다음의 청구항들의 내용에서) "a", "an" 및 "the"이라는 용어들 그리고 이와 유사한 지시어들의 사용은, 본 명세서에서 다르게 나타내지 않거나 본문의 내용에 명백히 반하지 않는다면, 단수 및 복수를 둘 다 포괄하는 것으로 해석되어야 한다. "포함하는", "갖는", "포괄하는" 및 "함유하는"이라는 용어는, 다르게 언급되지 않는다면 비-제약적인 용어(즉, "포함하나, 이로 제한되지 않음"을 의미함)로서 해석되어야 한다. "연결된"이라는 용어는, 어떤 매개물이 존재하더라도, 부분적으로 또는 전체적으로 어느 대상물 내에 포함된, 이에 부착된, 또는 이와 함께 결합됨을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

여기서, 값들의 범위의 열거는, 본 명세서에서 다르게 언급되지 않는다면, 그 범위 내에 속하는 각각의 별도의 값을 개별적으로 일컫는 약칭적 방법으로만 역할하도록 의도되며, 각각의 별도의 값은 이값이 본 명세서에 개별적으로 열거된 것과 같이 본 명세서에 통합된다.

본 명세서에 설명된 모든 방법들은, 본 명세서에서 다르게 나타내지 않거나 본문의 내용에 명백히 반하지 않는다면, 어떤 적합한 순서로도 수행될 수 있다. 본 명세서에 제공되는 어느 하나의 또한 모든 예시들, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 본 발명의 실시예들을 보다 잘 나타내기 위해 의도된 것이며, 다르게 청구되지 않는다면, 본 발명의 범위에 제한을 두지 않는다.

본 명세서의 언어는 본 발명의 실시에 필수적인 것으로서 청구되지 않은 어떤 요소들을 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.

당업자라면, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 개시된 특정 형태 또는 형태들로 본 발명을 제한하려는 것이 아니라, 이와 반대로 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에 속하는 모든 변형들, 대안적인 구성들 및 등가물을 포괄하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 변형 및 변경들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 있다면 이 변형 및 변경들 그리고 이들의 등가물을 포괄하도록 의도된다.

Claims

자기 구조체에 있어서,
기판 상에 위치된 스핀 홀 효과 베이스 층(spin Hall effect base layer); 및
상기 기판 상에 위치되고 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하는 자기 자유 층을 포함하고, 상기 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는:
약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및
상기 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 갖는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 평면-내에 자기 편광되고(magnetically polarized in-plane);
상기 자기 자유 층의 감쇠 팩터(damping factor)는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 약 2 배수 이하로 증가되는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 수직으로 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)에 대한 기여는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 40 k_BT 내지 300 k_BT의 자기 자유 층의 총 이방성 에너지를 달성하기에 적합한 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 비-자기 전도체 재료는 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb 및 Bi 전도체 재료들 중 적어도 하나, 및 앞서 언급한 전도체 재료들의 합금들을 포함하는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 탄탈룸 재료 및 텅스텐 재료 중 적어도 하나를 포함하는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 베타-상 텅스텐 재료(beta phase tungsten material) 및 베타-상 탄탈룸 재료 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 포함하는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 상기 자유 층에 의해 측면방향으로 분리된(laterally separated) 2 개의 단자들을 포함하는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층 반대쪽 상기 자유 층의 측 상에 위치된 비-자기 스페이서 층(non-magnetic spacer layer);
상기 자유 층 반대쪽 상기 비-자기 스페이서 층의 측 상에 위치된 고정 층(pinned layer); 및
상기 고정 층에 전기적으로 연결되어 위치된 단일 단자 층을 더 포함하는 자기 구조체.
제 8 항에 있어서,
상기 고정 층과 상기 단일 단자 층 사이에 개재되어 위치된 제 2 비-자기 스페이서 층; 및
상기 제 2 비-자기 스페이서 층과 상기 단일 단자 층 사이에 개재되어 위치된 제 2 자유 층을 더 포함하는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 상기 자유 층보다 상기 기판에 더 가깝게 위치되는 자기 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 자유 층은 상기 스핀 홀 효과 베이스 층보다 상기 기판에 더 가깝게 위치되는 자기 구조체.
자기 구조체에 있어서,
기판 상에 위치되고 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들을 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층;
상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기저항성 스택(magnetoresistive stack) - 상기 자기저항성 스택은:
상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기 자유 층;
상기 자기 자유 층 상에 위치되는 비-자기 스페이서 층; 및
상기 비-자기 스페이서 층 상에 위치되는 고정 층을 포함함 -; 및
상기 고정 층에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 - 상기 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는:
약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및
상기 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 가짐 -;를 포함하는 자기 구조체.
제 12 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 평면-내에 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 감쇠 팩터는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 약 2 배수 이하로 증가되는 자기 구조체.
제 12 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 수직으로 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 수직 자기 이방성에 대한 기여는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 40 k_BT 내지 300 k_BT의 자기 자유 층의 총 이방성 에너지를 달성하기에 적합한 자기 구조체.
제 12 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb 및 Bi 전도체 재료들 중 적어도 하나, 및 앞서 언급한 전도체 재료들의 합금들을 포함하는 자기 구조체.
제 12 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 탄탈룸 재료 및 텅스텐 재료 중 적어도 하나를 포함하는 자기 구조체.
제 12 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 베타-상 텅스텐 재료 및 베타-상 탄탈룸 재료 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 포함하는 자기 구조체.
자기 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
비-자기 전도체 재료를 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층을 기판 상에 형성하는 단계 - 상기 비-자기 전도체 재료는:
약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및
상기 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 가짐 -; 및
상기 기판 상에 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 자기 자유 층을 형성하는 단계를 포함하는 자기 구조체 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 평면-내에 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 감쇠 팩터는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 약 2 배수 이하로 증가되는 자기 구조체 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 수직으로 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 수직 자기 이방성에 대한 기여는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 40 k_BT 내지 300 k_BT의 자기 자유 층의 총 이방성 에너지를 달성하기에 적합한 자기 구조체 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 비-자기 전도체 재료는 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb 및 Bi 전도체 재료들 중 적어도 하나, 및 앞서 언급한 전도체 재료들의 합금들을 포함하는 자기 구조체 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 텅스텐 재료 및 탄탈룸 재료 중 적어도 하나를 포함하는 자기 구조체 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 베타-상 텅스텐 재료 및 베타-상 탄탈룸 재료 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 포함하는 자기 구조체 제조 방법.
자기 디바이스를 작동시키는 방법에 있어서,
자기 구조체를 제공하는 단계 - 상기 자기 구조체는:
기판 상에 위치되고 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들을 포함하는 스핀 홀 효과 베이스 층;
상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기저항성 스택 - 상기 자기저항성 스택은:
상기 스핀 홀 효과 베이스 층과 접촉하여 위치되는 자기 자유 층;
상기 자기 자유 층 상에 위치되는 비-자기 스페이서 층; 및
상기 비-자기 스페이서 층 상에 위치되는 고정 층을 포함함 -; 및
상기 고정 층에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 - 상기 스핀 홀 효과 베이스 층을 포함하는 비-자기 전도체 재료는:
약 0.05 이상의 스핀 홀 각도; 및
상기 비-자기 전도체 재료의 스핀 확산 길이의 약 5 배 이하의 두께를 가짐 -;를 포함함 -;
상기 측면방향으로 분리된 2 개의 단자들에 스위칭 전류를 인가하여, 상기 고정 층에 대해 자유 층의 자기 방향을 스위칭하는 단계를 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 자유 층은 상기 기판에 대해 평면-내에 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 감쇠 팩터는 상기 스핀 홀 효과 베이스 층과의 접촉에 의해 약 2 배수 이하로 증가되는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 자기 자유 층은 상기 기판에 대해 수직으로 자기 편광되고;
상기 자기 자유 층의 수직 자기 이방성에 대한 기여는 40 k_BT 내지 300 k_BT의 자기 자유 층의 총 이방성 에너지를 달성하기에 적합한 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 비-자기 전도체 재료는 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb 및 Bi 전도체 재료들 중 적어도 하나, 및 앞서 언급한 전도체 재료들의 합금들을 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 자기저항성 스택을 통해 감지 전류 및 감지 전압 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 더 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 Pt, Pd, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pb 및 Bi 전도체 재료들 중 적어도 하나, 및 앞서 언급한 전도체 재료들의 합금들을 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 탄탈룸 재료 및 텅스텐 재료 중 적어도 하나를 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 스핀 홀 효과 베이스 층은 베타-상 텅스텐 재료 및 베타-상 탄탈룸 재료 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 포함하는 자기 디바이스 작동 방법.