KR20180018779A

KR20180018779A - Mram용 세차 운동 스핀 전류 구조체

Info

Publication number: KR20180018779A
Application number: KR1020187001466A
Authority: KR
Inventors: 무스타파 마이클 피나바시; 미하일 조우프라스; 바트로미에이 아담 카르다즈
Original assignee: 스핀 트랜스퍼 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2018-02-21
Also published as: CN107750382B; CN107750382A; US20180315920A1; JP2018522409A; KR102479222B1; WO2016204835A1; JP6770002B2; EP3298636A4; US10553787B2; US9853206B2; US20160372656A1; US20180047894A1; EP3298636A1; US10026892B2; EP3298636B1

Abstract

자기 저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)가 개시된다. MRAM 디바이스는 자기 터널 접합 구조체에서 자유 층의 상당히 향상된 성능을 갖는 자기 터널 접합 스택을 갖는다. MRAM 디바이스는 세차 운동 스핀 전류(PSC) 자성 층의 평면 내 자화 방향이 자유롭게 회전하는 수직 MTJ와 연계하여 PSC 자성 층을 활용한다.

Description

MRAM용 세차 운동 스핀 전류 구조체

본 특허 문헌은 일반적으로 스핀 전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자기 터널 접합 구조체에서 자유 층의 성능을 향상시킨 자기 터널 접합 스택에 관한 것이다.

자기 저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random-access memory; MRAM)는 자기 저장 엘리먼트를 통해 데이터를 저장하는 불휘발성 메모리 기술이다. 이들 엘리먼트는, 자기장을 유지할 수 있는 두 개의 두 개의 강자성 플레이트 또는 전극이며 비자성 금속 또는 절연체와 같은 비자성 재료에 의해 분리된다. 일반적으로, 플레이트 중 하나는 자신의 자화가 고정되어 있는데(즉, "기준 층"), 이 층이 다른 층보다 더 높은 보자력을 가지며, 자신의 자화의 방위를 바꾸기 위해서는 더 큰 자기장 또는 스핀 분극 전류(spin-polarized current)를 필요로 한다는 것을 의미한다. 제2 플레이트는 통상적으로 자유 층으로 지칭되고, 그 자화 방향(magnetization direction)은 기준 층에 비해 더 작은 자기장 또는 스핀 분극 전류에 의해 변경될 수 있다.

MRAM 디바이스는 자유 층의 자화 방위를 변경시키는 것에 의해 정보를 저장한다. 특히, 자유 층이 기준 층에 대해 평행하게 정렬하는지 또는 반평행하게 정렬하는지의 여부에 기초하여, "1" 또는 "0" 중 어느 하나가 각각의 MRAM 셀에 저장될 수 있다. 스핀 분극 전자 터널링 효과로 인해, 셀의 전기 저항은 두 층의 자기장의 방위로 인해 변한다. 셀의 저항은 평행 상태 및 반평행 상태에 대해 상이할 것이고 따라서 셀의 저항은 "1"과 "0"을 구별하기 위해 사용될 수 있다. MRAM 디바이스의 중요한 피쳐 중 하나는, 그들이 불휘발성 메모리 디바이스이다는 것인데, 전력이 꺼져도 정보를 유지하기 때문이다. 두 개의 플레이트는 횡방향 사이즈가 미크론 미만일 수 있으며 자화 방향은 열적 변동에 대해 여전히 안정할 수 있다.

스핀 전달 토크 또는 스핀 전달 스위칭은, 자기 터널 접합에서의 자유 층의 자화 방위를 변경하기 위해 스핀 정렬("분극") 전자를 사용한다. 일반적으로, 전자는 스핀을 세차 운동(precess)한다, 즉 전자에 내재하는 양자화된 수의 각 운동량을 가지고 있다. 전류는 일반적으로 비극성인데, 즉 그것은 50% 스핀 업 및 50% 스핀 다운 전자로 구성된다. 자성 층을 통해 전류를 통과시키는 것은 자성 층(즉, 분극기(polarizer))의 자화 방향에 대응하는 스핀 방위로 전자를 분극시키고, 따라서 스핀 분극 전류를 생성한다. 스핀 분극 전류가 자기 터널 접합 디바이스 내의 자유 층의 자기 영역으로 전달되면, 전자는 그들의 스핀 각 운동량의 일부를 자화 층으로 전달하여 자유 층의 자화에 토크를 발생시킨다. 따라서, 이 스핀 전달 토크는 자유 층의 자화를 스위칭할 수 있는데, 이것은, 자유 층이 기준 층에 대해 평행 상태에 있는지 또는 반평행 상태에 있는지의 여부에 기초하여, "1" 또는 "0" 중 어느 하나를 유효하게 기록한다.

도 1은 종래의 MRAM 디바이스용 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; "MTJ)" 스택(100)을 예시한다. 도시되는 바와 같이, 스택(100)은, 퇴적된 층 위에서 소망하는 결정 성장을 개시하기 위해 스택(100)의 바닥에 제공되는 하나 이상의 시드 층(110)을 포함한다. 또한, MTJ(130)는 SAF 층(120)의 상부 상에 퇴적된다. MTJ(130)는 자성 층인 기준 층(132), 비자성 터널링 장벽 층(즉, 절연체)(134), 및 또한 자성 층인 자유 층(136)을 포함한다. 기준 층(132)은 실제로 SAF 층(120)의 일부이지만, 그러나 비자성 터널링 장벽 층(134) 및 자유 층(136)이 기준 층(132) 상에 형성되는 경우 MTJ(130)의 강자성 플레이트 중 하나를 형성한다는 것이 이해되어야 한다. 도 1에서 도시되는 바와 같이, 자기 기준 층(132)은 자신의 평면에 수직인 자화 방향을 갖는다. 도 1에서 또한 보여지는 바와 같이, 자유 층(136)은 또한 자신의 평면에 수직인 자화 방향을 가지지만, 그러나 그 방향은 180도만큼 변할 수 있다.

SAF 층(120) 내의 제1 자성 층(114)은 시드 층(110) 위에 배치된다. SAF 층(120)은 또한 제1 자성 층(114) 위에 배치되는 반강자성 커플링 층(116)을 갖는다. 또한, 비자성 스페이서(140)가 MTJ(130)의 상부 상에 배치되고, 분극기(150)가 비자성 스페이서(140)의 상부 상에 배치된다. 분극기(150)는, 자신의 평면 내에서 자기 방향(magnetic direction)을 갖는, 그러나 기준 층(132) 및 자유 층(136)의 자기 방향에 수직인 자성 층이다. 분극기(150)는 MTJ 구조체(100)에 인가되는 전자("스핀 정렬 전자")의 전류를 분극화하기 위해 제공된다. 또한, MTJ 스택(100) 아래의 층을 보호하기 위해 분극기(150)의 상부에 하나 이상의 캐핑 층(capping layer; 160)이 제공될 수 있다. 마지막으로, 하드 마스크(170)가 캐핑 층(160) 위에 퇴적되고 반응성 이온 에칭(reactive ion etch; RIE) 프로세스를 사용하여 MTJ 구조체(100)의 하부 층을 패턴화하도록 제공된다.

자기 터널 접합(MTJ) 디바이스에서 자유 층 자화 스위칭을 지원하기 위해 다양한 메커니즘이 제안되었다. 하나의 문제는, 평면 내 MTJ 구조체에 대한 직교 스핀 전달 효과를 실현하기 위해, 스위칭에 큰 스핀 전류가 필요로 될 수도 있다는 것이었다. 큰 스위칭 전류의 필요성은 이러한 디바이스의 상업적 적용성을 제한할 수도 있다. 스위칭 전류를 줄이기 위해 제안된 하나의 방식은, 자유 층의 자화를 낮추는 것이다. 그러나, 자유 층의 유효 자화가 현저히 감소되면, 자유 층이 자유 층 자화의 최종 상태를 비결정적으로 만들 세차 운동 모드로 가지 않도록 직교 효과는 제한되어야 한다. 이것은 평면 내 OST 구조체에 대한 동작 윈도우를 정의한다. 평면 내 디바이스에서, 도 1에 도시되는 것과는 달리, 기준 층 및 자유 층의 자화 방향은 층의 평면 내에 있다. 평면 내 디바이스의 다른 양태는, 열적 안정성 요건이 MTJ 디바이스의 사이즈를 대략 60 나노미터 또는 그 이상으로 제한할 수도 있다는 것이다.

도 1에서 도시되는 바와 같은 수직 MTJ 구조체의 경우, 세차 운동은 문제가 되지 않는다. 직교 분극기는 초기 상태에서 자유 층 자화에 작용하지만, 그러나 세차 운동이 유지되면, 고정된 직교 분극기(150)는 자유 층 자화 회전의 사이클의 절반만 돕고 사이클의 나머지 절반을 방해한다. 이것은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다. 도 2a 및 도 2b는 MTJ의 자유 층(136)의 스위칭을 도시한다. 보여지는 바와 같이, 자유 층(136)은 분극기(150)의 자화 방향에 수직인 자화 방향(200)을 갖는다. 자유 층(136)의 자화 방향(200)은 180도만큼 회전할 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 자유 층(136)의 자화 벡터(magnetization vector)의 축에 대한 세차 운동을 도시한다. 세차 운동 동안, 자기 벡터(magnetic vector)(200)는 자신의 자화 벡터(200')가 자유 층(136)의 수직 축(202)으로부터 편향되도록 원추 모양의 방식으로 자신의 축을 중심으로 회전하기 시작한다. 세차 운동을 시작하기 전에 자기 벡터(200)의 성분은 자유 층(136)의 평면에 없지만, 일단 세차 운동이 시작하면, 평면 내에서 그리고 자유 층(136)에 직각인 자기 벡터(200')의 성분이 발견될 수 있다. 자기 벡터(200')가 세차 운동(즉, 스위칭)을 계속함에 따라, 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 벡터(200')의 회전은 자유 층(136)의 중심으로부터 더 연장한다.

분극기(150)와 같은 분극기를 사용하는 모든 종래의 MTJ 디바이스에서, 분극기(150)의 자화 방향은 고정되어 있는데, 이것은 도 1 및 도 3에서 도시되어 있다. 또한, 분극 층의 자화의 방향은 전류의 존재시 변할 수 없다는 것을 언급하는 미국 특허 제6,532,164호를 참고한다. 전류가 MTJ를 통과하기 이전에, 자유 층(136)은 분극기(150)의 자화 방향에 수직인 자화 방향(200)을 갖는다. 자유 층(136)의 자화 방향(200)이 180도만큼 회전할 수 있지만, 이러한 회전은, 축(202)을 가리키는 벡터(205)(도 2a 뿐만 아니라 도 3에서 점선으로서 도시됨)에 의해 표현되는 자유 층의 고유한 감쇠 능력(205)에 의해 일반적으로 배제된다. 축(202)은 자유 층(136)의 평면에 수직이다. 이 감쇠(205)는, 자유 층(136)의 자화 방향을 유지하는, 감쇠 상수에 의해 정의되는 값을 갖는다.

분극기(150)를 통해 전류를 통과시키는 것은, 자화 벡터(200)에 대해 분극기(150)의 방향에서 스핀 전달 토크(210)를 생성하는 스핀 분극 전류를 생성한다. 분극기로부터의 이러한 스핀 전달 토크는, 자유 층 자화 방향 스위칭을 야기하는 주요 스핀 전달 토크에 더해진다. 도 1에 도시되는 것과 같은 디바이스에서, 스핀 전달 토크(210)가 자유 층(136)에 고유한 감쇠(205)를 극복하는 것을 돕기 시작하면, 자기 방향(200')은, 도 2a에서 도시되는 바와 같이, 자신의 축을 중심으로 세차 운동을 시작한다. 도 3에서 보여지는 바와 같이, 스핀 전달 토크(210)는 자유 층(136)의 자화 방향이 층의 평면에 수직인 축(202) 둘레에서 원추 모양의 방식으로 세차 운동하는 것을 돕는다. 스핀 분극 전류가 스택(100)을 가로지르는 경우, 자유 층(136)의 자기 방향이 스핀 토크가 세차 운동을 야기하기 이전의 자기 방향에 대향할 때까지, 즉, 자유 층(136)의 자기 방향이 180도만큼 스위칭할 때까지, 자유 층(136)의 자화는 유지된 진동을 가지고 연속적인 방식으로 세차 운동한다(즉, 자유 층(136)은 도 3에서 도시되는 것과 같이 연속적인 방식으로 자기 자신을 턴온시킨다).

도 3은 자성 층(150)을 분극시키는 것에 의해 제공되는 스핀 분극 전류에 의해 지원되는 MTJ의 자유 층(136)의 세차 운동을 예시한다. 분극기(150)로부터의 스핀 분극 전자는, 스핀 분극 전류에 의해 제공되는 토크(210)가 자유 층(136)의 고유한 감쇠(205)의 것과 반대이기 때문에 세차 운동(215)의 전반기에서 감쇠(205)를 극복하는 것을 돕는 토크(210)를 제공한다. 이것은 도 3의 중간 부분의 오른쪽에서 도시된다. 그러나, 분극기(150)로부터의 스핀 분극 전자는 실제로 세차 운동(220)의 후반기 동안 스위칭 프로세스를 방해한다. 이것에 대한 이유는, 스핀 분극 전류에서의 전자의 스핀은 그들의 분극 방향으로만 토크(210)를 인가하기 때문이다. 따라서, 자기 벡터가 분극 전자의 스핀과 반대인 세차 운동 사이클(220)의 절반에 있을 때, 스핀 전달 토크(210)는 자유 층(136)의 고유한 감쇠(205)와 실제로 작용하여 회전을 더욱 어렵게 만든다. 이것은 도 3의 중간 부분의 왼쪽에서 도시된다. 실제로, 전자의 스핀이 세차 운동을 방해하는 세차 운동 사이클의 절반 동안 자유 층(136)의 감쇠뿐만 아니라 스핀 전달 토크(210)를 극복하는 것은 기준 층(132)(도 3에서 도시되지 않음)의 자화 벡터이며, 따라서 세차 운동의 완료를 허용하는 것은 기준 층(132)이다.

따라서, 종래의 디바이스에서는, 분극기(150)의 자화 방향이 고정되기 때문에, 일단 세차 운동이 지속되면, 그것은 전체 180도 세차 운동에 대해 스위칭 메커니즘에 대해 긍정적 영향을 갖지 않는다. 이것은, 모든 벡터가 밀접하게 정렬될 때 분극 전자가 스핀 전달 토크에 가장 도움이 될 것이기 때문이다.

따라서, 스위칭에 필요한 전류의 양을 감소시키면서 또한 고속으로 스위칭하고 감소된 칩 면적을 필요로 하는 스핀 토크 전달 디바이스에 대한 필요성이 존재한다.

상당히 낮은 스위칭 전류를 요구하고 MRAM 애플리케이션에 대한 스위칭 시간을 현저하게 감소시키는 자기 터널 접합 구조체에서 자유 층의 상당히 향상된 성능을 갖는 자기 터널 접합 스택을 갖는 MRAM 디바이스가 개시된다.

하나의 실시형태에서, 자기 디바이스는 제1 평면에 합성 반강자성 구조체(synthetic antiferromagnetic structure)를 포함한다. 합성 반강자성 구조체는 제1 평면에 수직이고 고정된 자화 방향을 갖는 자화 벡터를 갖는 자기 기준 층을 포함한다. 디바이스는 또한 자기 기준 층 위에 배치되는 제2 평면에 비자성 터널 장벽 층을 포함한다. 자유 자성 층은 제3 평면에 있고 비자성 터널 장벽 층 위에 배치된다. 자유 자성 층은 제3 평면에 수직인 자화 벡터를 가지며 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동할 수 있는 자화 방향을 또한 갖는다. 자기 기준 층, 비자성 터널 장벽 층 및 자유 자성 층은 자기 터널 접합을 형성한다. 디바이스는 또한, 자유 자성 층 위에 배치되는 제4 평면에 비자성 스페이서를 포함한다. 디바이스는, 자유 자성 층으로부터 물리적으로 분리되고 비자성 스페이서에 의해 자유 자성 층에 커플링되는 제5 평면에 세차 운동 스핀 전류 자성 층(precessional spin current magnetic layer)을 포함한다. 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은, 임의의 자기 방향에서 자유롭게 회전할 수 있는 제5 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 갖는다. 디바이스는 또한, 세차 운동 스핀 전류 자성 층, 비자성 스페이서, 자유 자성 층, 비자성 터널 장벽 층, 및 자기 기준 층을 통해 전류를 지향시키는 전류원을 포함한다. 전류의 전자는 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자기 방향으로 정렬된다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자화 방향은 자유 자성 층의 자화 방향의 세차 운동을 따르며, 그에 의해, 스핀 전달 토크로 하여금 자유 자성 층의 자화 벡터의 스위칭을 지원하게 한다.

다른 실시형태에서, 자기 디바이스의 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 원형 형상을 갖는다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자화 벡터의 자화 방향은 제5 평면 내에 있다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자화 방향은, 제5 평면에서 자유롭게 회전할 수 있는 제5 평면 내의 자화 성분을 갖는다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 CoFeB를 포함한다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 자유 자성 층에 자기적으로 커플링된다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 자유 자성 층에 전자적으로 커플링된다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 세차 운동은 자유 자성 층의 세차 운동에 동기화된다.

다른 실시형태에서, 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 0보다 큰 회전 주파수를 갖는다.

다른 실시형태에서, 자기 디바이스는 제1 평면에 세차 운동 스핀 전류 자성 층을 포함한다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층은, 임의의 자기 방향에서 자유롭게 회전할 수 있는 제1 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 갖는다. 디바이스는 제2 평면에 있으며 세차 운동 스핀 전류 자성 층 위에 배치되는 비자성 스페이서 층을 포함한다. 자유 자성 층은 제3 평면에 있고 비자성 스페이서 층 위에 배치된다. 자유 자성 층은 제3 평면에 수직인 자화 벡터를 가지며 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동할 수 있는 자화 방향을 또한 갖는다. 디바이스는 제4 평면에 있으며 자유 자성 층 위에 배치되는 비자성 터널 장벽 층을 갖는다. 합성 반강자성 구조체는 제5 평면 내에 있다. 합성 반강자성 구조체는, 제5 평면에 수직인 자화 벡터를 갖는 자기 기준 층을 포함한다. 자기 기준 층은 고정된 자화 방향을 갖는다. 자기 기준 층, 비자성 터널 장벽 및 자유 자성 층은 자기 터널 접합을 형성한다. 디바이스는 세차 운동 스핀 전류 자성 층, 비자성 스페이서, 자유 자성 층, 비자성 터널 장벽 및 자기 기준 층을 통해 전류를 지향시키는 전류원을 갖는다. 전류의 전자는 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자기 방향으로 정렬된다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자화 방향은 자유 자성 층의 자화 방향의 세차 운동을 따르며, 그에 의해, 스핀 전달 토크로 하여금 자유 자성 층의 자화 벡터의 스위칭을 지원하게 한다.

다른 실시형태에서, 자기 디바이스는 제1 평면에 자기 터널 접합을 포함한다. 자기 터널 접합은 자유 자성 층 및 기준 자성 층을 포함한다. 자유 자성 층 및 기준 자성 층은 비자성 터널링 장벽 층에 의해 분리된다. 자유 자성 층은 제1 평면에 수직인 자화 벡터를 가지며, 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동할 수 있다. 디바이스는 또한, 자유 자성 층에 커플링되는 제2 평면에서 비자성 스페이서를 갖는다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 제3 평면에 존재하고 비자성 스페이서를 통해 자유 자성 층에 커플링된다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 비자성 스페이서에 의해 자유 자성 층으로부터 분리된다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층은, 임의의 자기 방향으로 자유롭게 회전할 수 있는 제3 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 갖는다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자화 방향은, 디바이스에 전류의 인가시, 자유 자성 층의 자화 방향의 세차 운동을 따른다. 이것은, 스핀 전달 토크로 하여금, 자유 자성 층의 자화 벡터의 스위칭을 지원하게 한다.

본 명세서의 일부로서 포함되는 첨부된 도면은 현 시점의 바람직한 실시형태를 예시하며, 상기에서 주어지는 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명과 함께, 본원에서 설명되는 MTJ 디바이스의 원리를 설명하고 교시하는 기능을 한다.
도 1은 MRAM 디바이스에 대한 종래의 MTJ 스택을 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 MTJ에서의 자유 층의 세차 운동을 예시한다.
도 3은 고정된 자화 방향을 갖는 분극 자성 층과 함께 사용되는 MTJ에서의 자유 층의 세차 운동을 예시한다.
도 4는, 자유롭게 회전하는 자화 방향을 갖는 세차 운동 스핀 전류 자성 층과 함께 사용되는 MTJ 내에서의 자유 층의 세차 운동을 예시한다.
도 5는 세차 운동 스핀 전류 자성 층을 갖는 MRAM 디바이스에 대한 MTJ 스택을 예시한다.
도 6은 한 실시형태의 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 자기 방향을 예시한다.
도 7a 내지 도 7e는 세차 운동 스핀 전류 자성 층을 갖는 MTJ 디바이스의 성능에서의 향상을 예시하는 시뮬레이션의 그래프이다.
도 8은 세차 운동 스핀 전류 자성 층을 갖는 MRAM 디바이스에 대한 MTJ 스택의 대안적인 실시형태를 예시한다.
도면은 반드시 일정한 비례로 묘사되지는 않으며 유사한 구조체 또는 기능의 엘리먼트는 도면 전체에 걸쳐 예시적인 목적을 위해 동일한 참조 번호에 의해 일반적으로 나타내어진다. 도면은 오로지 본원에서 설명되는 다양한 실시형태의 설명을 용이하게 하도록 의도되며; 도면은 본원에서 개시되는 교시의 모든 양태를 설명하는 것은 아니며 청구범위의 범위를 제한하지는 않는다.

다음의 설명은, MRAM 디바이스와 같은 자기 반도체 디바이스에 대한 세차 운동 스핀 전류 구조체를 임의의 기술 분야의 숙련된 자가 생성 및 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제시된다. 본원에서 개시되는 피쳐 및 교시의 각각은, 개시된 시스템 및 방법을 구현하기 위해 개별적으로 또는 다른 피쳐와 연계하여 활용될 수 있다. 이들 부가적인 피쳐 및 교시 중 많은 것을, 개별적으로 그리고 조합하여, 활용하는 대표적인 예가, 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다. 이 상세한 설명은 본 교시의 바람직한 양태를 실시하기 위한 추가적인 상세를 기술 분야의 숙련된 자에게 교시하도록 의도되는 것에 불과하며 청구범위의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 그러므로, 이하의 상세한 설명에서 개시되는 피쳐의 조합은 가장 폭 넓은 의미에서는 본 교시를 실시하는 데 필수적이지 않을 수도 있으며, 대신, 단지 본 교시의 특별히 대표적인 예를 설명하기 위해 교시되는 것에 불과하다.

이하의 설명에서, 단지 설명의 목적만을 위해, 특정한 명명법이 본 교시의 철저한 이해를 제공하도록 기술된다. 그러나, 이들 특정한 세부 사항은 본 교시를 실시하는 데 필수적인 것은 아니다는 것이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다.

이 본 특허 문헌은, 고정된 자화 방향을 갖는 분극 층을 사용하지 않는 MRAM 디바이스를 개시하며, 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명된다. 고정된 자화 방향을 갖는 분극 층 대신, 이 특허 문헌에서 설명되는 MRAM 디바이스는, 수직 MTJ와 연계하여 세차 운동 스핀 전류(precessional spin current: PSC) 자성 층(350)을 활용하는데, 이 경우 PSC 층의 평면 내 자화 성분 방향은 회전이 자유롭다. 하나의 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 자유 층 자화 세차 운동 동력학(precessional dynamics)을 갖는 공진 거동을 가지고 회전할 것이다. 이것은 자유 층(336)의 고유한 감쇠를 극복하는 스핀 전류의 영향을 현저하게 향상시킬 것인데, 세차 운동의 단지 절반보다는 세차 운동 사이클의 전체 궤도 운동을 통해 스핀 토크가 이러한 감쇠를 극복하는 것을 PSC 층이 돕기 때문이다. 전체 180도 회전 전체에 걸친 이 세차 운동 스핀 전류 효과는 자유 층 자화 스위칭을 상당히 향상시킨다.

도 4는, 고정된 자화 방향을 갖는 자기 벡터를 갖는 분극 층(150) 대신, 회전하는 자화 벡터(270)를 갖는 PSC 자성 층(350)을 사용하는 MRAM 디바이스 배후의 개념을 도시한다. 이 실시형태에서의 자유 층(336)은, 스핀 전달 토크의 지원으로 극복될 수 있는 고유한 감쇠 특성(205)을 가지기 때문에, 앞서 논의된 자유 층(136)과 유사하다. 그러나, 도 4에서 도시되는 실시형태는 분극 층(150)을 PSC 자성 층(350)으로 대체한다. 도 4의 하부에서 보여지는 바와 같이, 자유 층(336)을 통과하는 스핀 전류에 의해 생성되는 스핀 전달 토크(310)의 방향은 PSC 자성 층(350)의 회전에 따라 변한다. 도 4의 중간에서 보여지는 바와 같이, 스핀 전달 토크(310)는 자유 층(336)의 자화 방향(200')으로 하여금 층의 평면에 수직인 축(202) 둘레로 원추 모양의 방식으로 세차 운동하게 한다. 도 4는 축(202)에 대한 자기 방향(200')의 회전의 진행의 세차 운동을 도시한다. 논의되는 바와 같이, 스핀 분극 전류가 디바이스를 가로지르는 경우, 자유 층(336)의 자기 방향이 스핀 토크가 세차 운동을 야기하기 이전의 자기 방향에 대향할 때까지, 즉, 자유 층(136)의 자기 방향이 180도만큼 스위칭할 때까지, 자유 층(336)의 자화는 유지된 진동을 가지고 연속적인 방식으로 세차 운동한다(즉, 자유 층(336)은 도 4에서 도시되는 것과 같이 연속적인 방식으로 자기 자신을 턴온시킨다). 세차 운동 스핀 전류 층(350) 및 자유 층(336)은, PSC 자성 층(350)의 자화 벡터(270)의 자화 방향이 자유 층(336)의 자기 벡터의 세차 운동 회전을 따르도록, 자기적으로 및/또는 전자적으로 커플링된다. 이것은 도 4에서 알 수 있다.

도 4의 우측에서 보여지는 바와 같이, 스핀 분극 전자는 세차 운동(215)의 전반기에서 감쇠(205)를 극복하는 것을 돕기 위해 토크(310)를 제공하는데, 그 이유는 스핀 분극 전류에 의해 제공되는 토크(310)가 자유 층(336)의 고유한 감쇠(205)의 것과 반대이기 때문이다. 논의되는 바와 같이, PSC 자성 층(350)의 자화 벡터(270)의 자화 방향은 회전한다. 따라서, PSC 자성 층(350)에 의해 생성되는 스핀 전류의 전자의 자화도 또한 변한다. 이것은, 자유 층(336)의 자기 벡터에 가해지는 토크(310)의 방향도 또한 변한다는 것을 의미하는데, 이것은 도 4의 하부에서 보여진다. 따라서, 고정된 분극 자성 층(150)을 갖는 종래의 디바이스와는 달리, 스핀 분극 전류 내의 전자의 스핀은, 고정된 분극 자성 층(150)을 갖는 디바이스가 세차 운동에 실제를 해를 끼치는 세차 운동 사이클(220)의 절반을 비롯한, 세차 운동의 양 사이클에서 토크(310)를 인가한다. 이것은 도 4의 왼쪽에서 보여진다. 보여지는 바와 같이, 토크(310)는 전체 세차 운동 사이클에 걸쳐 자유 층(136)의 고유한 감쇠(205)를 극복하는 것을 계속 돕는다.

한 실시형태에서, PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270)는, 자유 층(336)과 정렬하는 것에 의해, 자유 층(336)의 자기 벡터의 세차 운동 회전을 따른다. 다른 실시형태에서, PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270)는, 후술되는 바와 같이, 자유 층의 자기 벡터를 추적하는(trailing) 것에 의해 자유 층(336)의 자기 벡터의 세차 운동 회전을 따른다. 자유 층의 자화 방향은, 전류의 방향이 최종 상태를 정의하는 기준 층(132)으로부터 스핀 토크(310)에 의해 스위칭된다.

세차 운동 스핀 전류 MTJ 구조체(300)를 갖는 메모리 셀이 도 5에서 도시된다. MTJ 구조체(300)는, 퇴적 층 위에서의 소망하는 결정 성장을 개시하기 위해, 스택(300)의 바닥에 제공되는 하나 이상의 시드 층(310)을 포함한다. 합성 반강자성(SAF) 층(320)이 시드 층(310) 위에 배치된다. SAF 층(320)은 제1 SAF 층(332), 반강자성 커플링 층(316) 및 제2 SAF 층(314)으로 구성된다. 제2 SAF 층(314)이 시드 층(310) 위에 퇴적되고, 반면 반강자성 커플링 층(316)이 제2 SAF 층(314) 위에 배치된다. MTJ(330)가 반강자성 커플링 층(316) 위에 퇴적된다. MTJ(330)는, MTJ의 기준 층으로서 작용하며, 또한 SAF 층(320)의 일부인 제1 SAF 층(332)을 포함한다. 터널링 장벽 층(즉, 절연체)(334)이 제1 SAF 층(332) 위에 있고, 한편 자유 층(336)은 터널링 장벽 층(334) 위에 배치된다. 도 5에서 도시되는 바와 같이, 제1 SAF 층(332)의 자화 벡터는, 자신의 평면에 수직인 자화 방향을 갖는 것이 바람직하지만, 몇 도의 변동은 수직으로 고려되는 것의 범위 내에 있다. 도 5에서 또한 보여지는 바와 같이, 자유 층(336)은 또한, 자신의 평면에 수직인 자화 벡터를 갖는 것이 바람직하지만, 그 방향은 180도만큼 변할 수 있다. 비자성 스페이서(340)가 MTJ(330) 위에 배치된다. PSC 자성 층(350)은 비자성 스페이서(340) 위에 배치된다. 하나의 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 자신의 평면에 평행한 자기 방향을 갖는 자화 벡터를 가지며, 자유 층(136) 및 기준 층(132)의 자기 벡터에 수직이다. MTJ 스택(100) 아래의 층을 보호하기 위해 PSC 층(150)의 상부에 하나 이상의 캐핑 층(370)이 제공될 수 있다.

비자성 스페이서(340)는 다수의 특성을 갖는다. 예를 들면, 비자성 스페이서(340)는 자유 층(336)과 PSC 층(350)을 물리적으로 분리시킨다. 비자성 스페이서(340)는, PSC 자성 층(350)의 자기 방향이 자유 층(336)의 세차 운동 사이클을 따르도록, 강한 자기적 및/또는 전자적 커플링을 촉진한다. 다시 말하면, 비자성 스페이서(340)는 PSC 자성 층(350)의 자기 방향을 자유 층(336)의 자기 방향에 커플링시킨다. 비자성 스페이서(340)는 PSC 자성 층(350)으로부터 자유 층(336) 안으로 스핀 전류를 효율적으로 전달하는데, 그 이유는 비자성 스페이서(340)가 긴 스핀 확산 길이를 갖는 것이 바람직하기 때문이다. 비자성 스페이서(340)는 또한 양호한 미세 구조 및 높은 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance; TMR)을 촉진하고 자유 층(336)의 감쇠 상수를 낮게 유지하는 것을 돕는다.

PSC 자성 층(350)은 적어도 다음의 특성을 갖는다. 첫째, 하나의 실시형태에서, PSC 자성 층(350)의 자화 방향은 층의 평면 내에 있지만 그러나 자유 층(336)의 자화 방향에 수직이다. 도 6에서 도시되는 바와 같은 다른 실시형태에서, PSC 자성 층(350)의 자화 방향은, 자유 층(336)의 평면과 PSC 자성 층(350)의 자기 방향(270) 사이의 각도

가 임의의 곳에서 0도와 90도 미만 사이에 있을 수 있도록, 수평 성분 X 및 수직 성분 Z를 가질 수 있다.

PSC 자성 층(350)은 매우 낮은 보자력을 갖는 것이 바람직하고, 따라서 예를 들면, 오십(50) 에르스텟(Oersted) 보다 더 작은 매우 부드러운 자성 재료로 제조된다. PSC 자성 층(350)은, 자신의 축을 중심으로 세차 운동할 때 자신의 자화 방향이 자유 층(336)의 자기 방향을 따르도록, 자유 층(336)에 강한 자기적 커플링을 가져야 한다. 하나의 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 자유 층(336)의 세차 운동과 동일한 주파수 근처에서 자유롭게 회전한다. 거의 동일한 주파수의 자화 회전(PSC 자성 층(350) 자화 방향 및 자유 층(336) 자화 세차 운동)을 갖는 것에 의해, 자유 층 스위칭 시간은 현저하게 감소되고 또한 스위칭 시간의 열 분포를 강화한다. 하나의 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 제로보다 더 큰 회전 주파수를 갖는다. 마찬가지로, 한 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 자신의 자화 방향이 xy 평면에서(즉, 자성 막의 평면에서) 형상 유도된 이방성을 갖지 않도록, 원형(또는 거의 원형) 형상을 갖는다.

도 5에서 도시되는 MTJ 구조체 내의 시드 층(310)은 Ta, TaN, Cr, Cu, CuN, Ni, Fe 또는 이들의 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 제2 SAF 층(314)은 Co/Ni 또는 Co/Pt 다층 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 제1 SAF 층(332)은, 2 내지 5 옹스트롬의 두께를 갖는 탄탈 및 얇은 CoFeB 층(0.5 내지 3 나노미터)으로 구성되는 얇은 비자성 층 외에, Co/Ni 또는 Co/Pt 다층 구조 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 반강자성 커플링 층(316)은 3 내지 10 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 Ru로부터 제조되는 것이 바람직하다. 터널링 장벽 층(334)은 대략 10 옹스트롬의 두께를 갖는 MgO와 같은 절연 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 자유 층(336)은 터널링 장벽 층(334)의 상부에 퇴적되는 CoFeB로 제조되는 것이 바람직하다. 자유 층(336)은 또한 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금 층을 가질 수 있다. MTJ(330) 위의 스페이서 층(340)은, 2 내지 20 옹스트롬의 루테늄, 2 내지 20 옹스트롬의 Ta, 2 내지 20 옹스트롬의 TaN, 2 내지 20 옹스트롬의 Cu, 2 내지 20 옹스트롬의 CuN, 또는 2 내지 20 옹스트롬의 MgO 층과 같은 임의의 비자성 재료일 수 있다.

PSC 자성 층(350)은 CoFeB로 제조되는 것이 바람직하다. 그것은 또한 Co, Fe, Ni 자성 층으로 만들어질 수 있거나 또는 그들의 합금으로 만들어질 수 있다. 자기 합금은 또한 붕소, 탄탈, 구리 또는 다른 재료를 가질 수 있다. 마지막으로, 캐핑 층(370)은 Ta, TaN, Ru, MgO, Cu, 등등과 같은, PSC 층에 양호한 계면을 제공하는 임의의 재료일 수 있다.

이제, 세차 운동 스핀 전류 MTJ 구조체(300)를 사용하여 비트가 기록되는 방식이 설명될 것이다. 특히, 전류는, 예를 들면, 전류원(375)에 의해 공급되는데, 전류원(375)은, 세차 운동 스핀 전류 자성 층(350), 비자성 스페이서(340), 자유 자성 층(336), 비자성 터널링 장벽 층(334), 및 기준 층(332)을 통해 전류를 흐르게 한다. 세차 운동 스핀 전류 자성 층(350)을 통해 흐르는 전류의 전자는 자신의 자기 방향에서 스핀 분극되고, 따라서 비자성 스페이서 층(340), 자유 자성 층(336), 터널링 장벽 층(334), 및 기준 자성 층(332)을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 생성한다. 스핀 분극 전류는 자유 자성 층(336)에 대해 스핀 전달 토크를 가하는데, 이것은 자유 층(336)을 구성하는 자성 재료의 고유한 감쇠를 극복하는 것을 돕는다. 이것은 자유 자성 층(336)으로 하여금 자신의 축을 중심으로 세차 운동하게 하는데, 이것은 도 4에서 도시된다.

일단 자유 자성 층(336)의 자기 방향이 세차 운동하기 시작하면, 도 4에서 알 수도 있는 바와 같이, PSC 자성 층(350)의 자기 방향은 회전하기 시작한다. 이 회전은, 비자성 스페이서(340)를 통한 자유 자성 층(336)과 PSC 자성 층(350) 사이의 자기적 및/또는 전자적 커플링에 의해 야기된다. PSC 자성 층(350)의 자기 방향의 회전은, 전류의 전자의 스핀 분극으로 하여금, PSC 자성 층(350)의 자기 방향에 대응하는 방식으로 변하게 한다. 스핀 분극 전류의 전자의 스핀은 PSC 자성 층(350)의 자기 방향에 대응하고, PSC 자성 층(350)의 자기 방향은 자유 자성 층(336)의 세차 운동을 따르기 때문에, 전자의 스핀은 전체 스위칭 사이클을 통해 변하는 방향에서 자유 층(336)에 스핀 전달 토크를 인가한다. 따라서, PSC 자성 층(350)을 사용하는 디바이스는 전체 스위칭 사이클 동안 스핀 전달 토크(205)를 제공할 수 있다.

특히, PSC 자성 층(350) 및 스페이서 층(340)을 활용하는 본원에서 설명되는 구조체는, 전체 세차 운동 사이클에 걸쳐 MTJ의 자유 층(336)에 스핀 전류를 제공하고 따라서 자유 층 스위칭 프로세스를 현저하게 향상시키는 세차 자화를 생성하는데, 자유 층 스위칭 프로세스를 현저하게 향상시키는 것은 더 빠른 기록 시간으로 나타날 것이다.

본원에서 설명되는 구조체를 갖는 디바이스를 시뮬레이팅한 결과가 도 7a 내지 도 7e에서 보여진다. 도 7a 내지 도 7e에서, Y 축은 -1.0에서 +1.0까지의 디바이스(300)의 Z 축에서의 자화이다. X 축은 자유 층(336)의 자화 방향을 180도 스위칭하는 데 걸리는 시간의 양을 나타낸다. 시뮬레이션에서, PSC 자성 층(350)의 자화 방향의 세차 운동 빈도(precession frequency)는

로 표시되고, 한편 자유 층(336)의 세차 운동 빈도는

로 표시된다. 결과는 0(도 7a), 0.5(도 7b), 0.7(도 7c), 0.9(도 7d) 및 1.0(도 7e)의

비율에 대해 나타내어진다. 모든 경우에서 기울기 각도는 30도인데, 이것은 스핀 전류 효과의 효율성을 나타낸다.

도 8a에서 도시되는 디바이스에 대한

비율이 0이기 때문에, PSC 자성 층(350)은 회전하고 있지 않다. 따라서, 도 7a에서 도시되는 결과는 도 1 및 도 3에서와 같은 디바이스, 즉, 자화 방향이 회전하지 않는 분극 층(150)을 갖는 디바이스에 대한 스위칭 시간을 실제로 나타낸다. 대조적으로, 도 7b 내지 도 7e는 도 4 내지 도 6에서와 같은 디바이스, 즉 자화 방향이 회전하고 따라서 자유 층(336)의 세차 운동을 따르는 PSC 자성 층(350)을 갖는 디바이스에 대한

비율에 대한 스위칭 시간을 나타낸다. 이들 실시형태에서, PSC 자성 층(350)은 제로보다 더 큰 회전 주파수를 갖는다.

비율은 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270)가 자유 층(336)의 세차 운동에 얼마나 근접하게 따르는지를 나타낸다는 것을 유의한다. 다시 말해서,

비율이 1에 가까워짐에 따라, 세차 운동하는 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270') 및 세차 운동하는 자유 층(336)의 자기 방향은 더욱 밀접하게 정렬된다. 도 7a 내지 도 7e에서 도시되는 시뮬레이션에서 보여지는 바와 같이, 세차 운동하는 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270) 및 세차 운동하는 자유 층(336)의 자기 방향이 더 많이 정렬될수록, 층(336)의 자화 방향의 스위칭 시간은 더 짧아진다. 따라서, 한 실시형태에서, 세차 운동하는 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 벡터(270)의 회전 주파수는 자유 층(336)의 회전 주파수에 근접하도록 동기화된다. 도 7a는 도 1 및 도 3에서 도시되는 바와 같은 디바이스에 대한 스위칭 시간을 도시하는데, 여기서는 분극기(150)의 자화 방향은 고정되고 따라서 제로의 회전 주파수를 갖는다. 이 실시형태는 가장 긴 스위칭 시간을 갖는다. 자유 층(336)의 세차 운동 빈도

에 대한 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 빈도

의 비율이 0.5로 증가함에 따라, 스위칭 속도는 증가한다. 도 7c 내지 도 7e에서 도시되는 바와 같이, 자유 층(336)의 세차 운동 빈도에 대한 PSC 자성 층(350)의 세차 운동 빈도의 비율이 0.7, 0.9 및 1.0으로 증가함에 따라, 스위칭 속도는 상당히 증가하고, 따라서 본원에서 설명되는 다양한 실시형태에 의해 제공되는 상당한 향상을 입증한다.

대안적인 실시형태가 도 8에 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 자기 디바이스(400)는 자신의 MTJ 스택이 도 5에서 도시되는 실시형태에 대해 반전되어 있다. 특히, 자성 디바이스(400)는 시드 층(470)을 포함한다. PSC 자성 층(450)이 시드 층(450) 위에 배치된다. 비자성 스페이서(440)가 PSC 층(450) 위에 배치된다. 비자성 스페이서(440)는, 상기에서 논의되는 비자성 스페이서(340)와 동일한 특성, 구성 및 특성을 갖는다. PSC 자성 층(450)은 상기에서 논의되는 PSC 자성 층(350)과 동일한 특성, 구성 및 특성을 갖는다. MTJ(430)는 비자성 스페이서(440) 위에 배치된다. MTJ(430)는 일반적으로 자유 층(436)(이것은 비자성 스페이서(450) 위에 배치됨) 및 기준 층(432)으로 구성된다. 자유 층(436) 및 기준 층(432)은 절연 재료로 이루어지는 터널링 장벽 층(434)에 의해 서로 공간적으로 분리된다. 터널링 장벽 층(434)은 또한 합성 반강자성(SAF) 층(420)의 일부를 형성한다. SAF 층(420)은, 디바이스(400)의 기준 층이기도 한 제1 SAF 층(432), 반강자성 커플링 층(416) 및 제2 SAF 층(414)으로 구성된다. 반강자성 커플링 층(416)은 제1 SAF 층(432) 위에 배치된다. 마지막으로, 캐핑 층(410)이 SAF 층(420) 위에 배치된다. 전류는 전류원(474)에 의해 제공될 수 있다. 층의 순서 외에는, 자기 디바이스는 도 5에서 도시되는 실시형태와 관련하여 설명되는 것과 동일한 방식으로 동작한다. 따라서, 단지 도 4에서 도시되는 바와 같이, PSC 자성 층(450)은, 자유 층(436)의 전체 세차 운동 사이클에 걸쳐 유익한 방식으로 스핀 전달 토크(310)가 인가되는 방식으로 회전한다.

도 5 및 도 8에서 예시되는 디바이스(300 및 400)의 모든 층은, 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 이해되는 바와 같이 박막 스퍼터 퇴적 시스템에 의해 형성될 수 있다. 박막 스퍼터 퇴적 시스템은, 하나 이상의 타겟을 각각 갖는 필수적인 물리적 증착(physical vapor deposition; PVD) 챔버, 산화 챔버 및 스퍼터 에칭 챔버를 포함할 수 있다. 통상적으로, 스퍼터 퇴적 프로세스는, 초 고진공을 갖는 스퍼터 가스(예를 들면, 산소, 아르곤, 또는 등등)를 수반하고, 타겟은 기판 상에 퇴적될 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 따라서, 한 층이 다른 층 위에 배치된다는 것을 본 명세서가 기술하는 경우, 이러한 층은 이러한 시스템을 사용하여 퇴적될 수 있다. 다른 방법도 또한 사용될 수 있다. MTJ 스택(300)을 제조하는 데 필요한 나머지 단계는 기술 분야의 숙련된 자에게 널리 공지되어 있으며 본원의 본 개시의 양태를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해, 본원에서는 상세히 설명되지 않을 것이다.

복수의 MTJ 구조체(300)가 STT-MRAM 디바이스의 각각의 비트 셀로서 제조 및 제공될 수 있다는 것이 기술 분야에서 숙련된 자에게 인식되어야 한다. 다시 말하면, 각각의 MTJ 스택(300)은 복수의 비트 셀을 갖는 메모리 어레이를 위한 비트 셀로서 구현될 수 있다.

상기 설명 및 도면은, 본원에서 설명되는 피쳐 및 이점을 달성하는 특정한 실시형태를 예시하는 것으로서만 간주되어야 한다. 특정한 프로세스 조건에 대한 수정 및 대체가 이루어질 수 있다. 따라서, 본 특허 문헌의 실시형태는 상기의 설명 및 도면에 의해 제한되는 것으로 간주되지 않는다.

Claims

자기 디바이스로서,
제1 평면 내의 합성 반강자성 구조체 - 상기 합성 반강자성 구조체는 자기 기준 층을 포함하고, 상기 자기 기준 층은 상기 제1 평면에 수직인 자화 벡터를 구비하고 고정된 자화 방향을 가짐 - ;
제2 평면에 있으며 상기 자기 기준 층 위에 배치되는 비자성 터널 장벽 층;
제3 평면에 있으며 상기 비자성 터널 장벽 층 위에 배치되는 자유 자성 층 - 상기 자유 자성 층은 상기 제3 평면에 수직인 자화 벡터를 구비하고 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동(precess)할 수 있는 자화 방향을 가지며, 상기 자기 기준 층, 상기 비자성 터널 장벽 층 및 상기 자유 자성 층은 자기 터널 접합을 형성함 - ;
제4 평면에 있으며 상기 자유 자성 층 위에 배치되는 비자성 스페이서;
상기 자유 자성 층과는 물리적으로 분리되고 상기 비자성 스페이서에 의해 상기 자유 자성 층에 커플링되는 제5 평면 내의 세차 운동 스핀 전류 자성 층(precessional spin current magnetic layer) - 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 임의의 자기 방향에서 자유롭게 회전할 수 있는 상기 제5 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 가짐 - ; 및
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층, 상기 비자성 스페이서, 상기 자유 자성 층, 상기 비자성 터널 장벽 층, 및 상기 자기 기준 층을 통해 전류 - 상기 전류의 전자는 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자기 방향으로 정렬됨 - 를 지향시키는 전류원을 포함하고,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은 상기 자유 자성 층의 상기 자화 방향의 세차 운동을 따르는 것에 의해, 스핀 전달 토크로 하여금 상기 자유 자성 층의 상기 자화 벡터의 스위칭을 보조하게 하는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 원형 형상을 갖는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 벡터의 상기 자화 방향은 상기 제5 평면 내에 있는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은, 상기 제5 평면에서 자유롭게 회전할 수 있는 상기 제5 평면 내의 자화 성분을 갖는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 CoFeB를 포함하는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 자기적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 전자적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 세차 운동은 상기 자유 자성 층의 세차 운동에 동기화되는, 자기 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 제로보다 더 큰 회전 주파수를 갖는, 자기 디바이스.
자기 디바이스로서,
제1 평면 내의 세차 운동 스핀 전류 자성 층 - 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은, 임의의 자기 방향에서 자유롭게 회전할 수 있는 상기 제1 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 가짐 - , 및
제2 평면에 있으며 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층 위에 배치되는 비자성 스페이서 층;
제3 평면에 있으며 상기 비자성 스페이서 층 위에 배치되는 자유 자성 층 - 상기 자유 자성 층은 상기 제3 평면에 수직인 자화 벡터를 구비하고 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동할 수 있는 자화 방향을 가짐 - ;
제4 평면에 있으며 상기 자유 자성 층 위에 배치되는 비자성 터널 장벽 층;
제5 평면 내의 합성 반강자성 구조체 - 상기 합성 반강자성 구조체는 자기 기준 층을 포함하고, 상기 자기 기준 층은, 상기 제5 평면에 수직인 자화 벡터를 구비하고 고정된 자화 방향을 가지며, 상기 자기 기준 층, 상기 비자성 터널 장벽 및 상기 자유 자성 층은 자기 터널 접합을 형성함 - ;
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층, 상기 비자성 스페이서, 상기 자유 자성 층, 상기 비자성 터널 장벽, 및 상기 자기 기준 층을 통해 전류 - 상기 전류의 전자는 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자기 방향으로 정렬됨 - 를 지향시키는 전류원을 포함하고,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은 상기 자유 자성 층의 상기 자화 방향의 세차 운동을 따르는 것에 의해, 스핀 전달 토크로 하여금 상기 자유 자성 층의 상기 자화 벡터의 스위칭을 보조하게 하는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 원형 형상을 갖는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 벡터의 상기 자화 방향은 상기 제1 평면 내에 있는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은, 상기 제5 평면에서 자유롭게 회전할 수 있는 제1 평면 내의 자화 성분을 갖는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 CoFeB를 포함하는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 자기적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 전자적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 세차 운동은 상기 자유 자성 층의 세차 운동에 동기화되는, 자기 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 제로보다 더 큰 회전 주파수를 갖는, 자기 디바이스.
자기 디바이스로서,
자유 자성 층 및 기준 자성 층을 포함하는 제1 평면 내의 자기 터널 접합 - 상기 자유 자성 층 및 상기 기준 자성 층은 비자성 터널링 장벽 층에 의해 분리되고, 상기 자유 자성 층은 상기 제1 평면에 수직인 자화 벡터를 구비하며 제1 자화 방향으로부터 제2 자화 방향으로 세차 운동할 수 있는 자화 방향을 가짐 - ;
상기 자유 자성 층에 커플링되는 제2 평면 내의 비자성 스페이서;
상기 비자성 스페이서를 통해 상기 자유 자성 층에 커플링되는 제3 평면 내의 세차 운동 스핀 전류 자성 층 - 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 비자성 스페이서에 의해 상기 자유 자성 층으로부터 분리되고, 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 임의의 자기 방향에서 자유롭게 회전할 수 있는 상기 제3 평면 내의 자화 성분을 갖는 자화 벡터를 가짐 - 을 포함하고, 상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은, 상기 디바이스로의 전류의 인가시 상기 자유 자성 층의 상기 자화 방향의 세차 운동을 따르는 것에 의해, 스핀 전달 토크로 하여금 상기 자유 자성 층의 상기 자화 벡터의 스위칭을 보조하게 하는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 원형 형상을 갖는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 벡터의 상기 자화 방향은 상기 제1 평면 내에 있는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 상기 자화 방향은, 제5 평면에서 자유롭게 회전할 수 있는 제1 평면 내의 자화 성분을 갖는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 CoFeB를 포함하는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 자기적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 상기 자유 자성 층에 전자적으로 커플링되는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층의 세차 운동은 상기 자유 자성 층의 세차 운동에 동기화되는, 자기 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 세차 운동 스핀 전류 자성 층은 제로보다 더 큰 회전 주파수를 갖는, 자기 디바이스.