KR20230049265A - 누설 자기장을 이용하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 제1 방향으로 연장되어 형성된 중금속 입력단자 및 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되어 형성되고 강자성층을 구비하는 정보단자를 포함하고, 여기서 정보단자는 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(spin hall effect, SHE)에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
Description
본 발명은 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자에 외부 자기장 없이 정보를 입력하는 기술적 사상에 관한 것이다.
스핀궤도토크 기반의 정보 저장 매체에서 정보를 입력하는 방식은 기존의 스핀전달토크 기반 기술과는 달리 입력을 위한 전류가 직접적으로 자성층을 통과하지 않기 때문에 전류에 의한 자성층의 파괴가 적어 더 안정적인 입력이 가능하다는 장점을 가지고 있으며, 이로 인해 최근 스핀궤도토크 현상을 이용한 정보 저장 소자들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
현재 진행되고 있는 스핀궤도토크 기반 소자 연구는 입력소자가 수직자기이방성을 가지는 경우가 많으며 수직자기이방성을 가지는 스핀궤도토크 기반의 정보입력을 확정하기 위하여 면방향의 자기장 인가가 필수적이다.
그러나, 이러한 외부 자기장 인가는 스핀궤도토크 기반 정보 입력 방식의 가장 큰 단점으로, 이를 극복하기 위해 면방향 자기장 인가 없이 스핀궤도토크를 이용하여 정보입력을 시행하는 다양한 기술이 제안되고 있으나, 이러한 기술은 강자성층 내부의 자화 대칭성을 깨기 위한 추가적인 수단을 필요하는 문제가 있다.
본 발명은 외부 자기장 인가 및 자화 대칭성을 깨기 위한 추가적인 수단의 구비 없이 입력단자를 통해 인가되는 입력 전류만을 이용하여 용이하게 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 입력 전류로 인해 강자성층에서 필연적으로 발생하는 누설 자기장을 이용하여 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 제1 방향으로 연장되어 형성된 중금속 입력단자 및 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되어 형성되고, 강자성층을 구비하는 정보단자를 포함하고, 정보단자는 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(spin hall effect, SHE)에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자는 중금속 입력단자를 통해 인가되는 전류로 인해 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자는 제1 방향에 대응되는 폭과 제2 방향에 대응되는 길이의 비율이 1 : 2 내지 1 : 9로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 중금속 입력단자는 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 강자성층은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 터븀(Tb), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자는 강자성층 상에 형성된 터널 베리어층을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 터널 베리어층은 산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 타이타늄(TiO2), 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 중금속 입력단자의 하부에 형성된 버퍼층 및 정보단자의 상부에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 제1 방향으로 연장되는 중금속 입력단자를 형성하는 단계 및 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고, 강자성층을 구비하는 정보단자를 형성하는 단계를 포함하고, 정보단자는 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(spin hall effect, SHE)에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자는 중금속 입력단자를 통해 인가되는 전류로 인해 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자를 형성하는 단계는 제1 방향에 대응되는 정보단자의 폭과 제2 방향에 대응되는 정보단자의 길이의 비율이 1 : 2 내지 1 : 9가 되도록 정보단자를 형성할 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 외부 자기장 인가 및 자화 대칭성을 깨기 위한 추가적인 수단의 구비 없이 입력단자를 통해 인가되는 입력 전류만을 이용하여 용이하게 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 입력 전류로 인해 강자성층에서 필연적으로 발생하는 누설 자기장을 이용하여 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 자기장 세기에 따른 스위칭 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 특성에 대한 전산모사 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 자기장 세기에 따른 스위칭 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 특성에 대한 전산모사 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1a 내지 도 1b는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 도 1a는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 개념도를 도시하고, 도 1b는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 실제 이미지를 도시한다.
구체적으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 외부 자기장 인가 및 자화 대칭성을 깨기 위한 추가적인 수단의 구비 없이 입력단자를 통해 인가되는 입력 전류만을 이용하여 용이하게 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있다.
또한, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 입력 전류로 인해 강자성층에서 필연적으로 발생하는 누설 자기장을 이용하여 무자기장 자화 반전을 구현할 수 있다.
이를 위해, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 중금속 입력단자(HM line, 110)와, 중금속 입력단자(110) 상에 형성되고 강자성층(FM slap)을 구비하는 정보단자(120)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 중금속 입력단자(110)는 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 강자성층은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 터븀(Tb), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 중금속 입력단자(110)는 백금(Pt) 물질을 포함하고, 강자성층은 코발트(Co) 물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 중금속 입력단자(110)는 제1 방향으로 연장되어 형성되고, 정보단자(120)는 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 정보단자(120)는 중금속 입력단자(110)와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자(110)와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(SHE)에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
다시 말해, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 정보 입력을 위한 중금속 입력단자(110)와, '0' 및 '1' 중 어느 하나의 정보를 지니는 강자성층을 구비하는 정보단자(120)가 서로 수직한 형태로 형성될 수 있다.
즉, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 기존의 스핀궤도토크 기반 입력단자와 다르게 정보단자(120)가 중금속 입력단자(110)에 국한되어 있는 것이 아니라 중금속 입력단자(110)에서 벗어나 충분한 길이를 갖도록 설계되어 이 때 생기는 비균일 스핀궤도토크 효과와 누설자기장으로부터 외부자기장 인가 없이 자화 반전이 수행될 수 있다.
바람직하게는, 정보단자(120)는 제1 방향에 대응되는 폭과 제2 방향에 대응되는 길이의 비율(즉, 가로세로비율)이 1 : 2 내지 1 : 9로 최적화되어 형성될 수 있다. 일례로, 정보단자(120)는 폭과 길이의 비율이 1 : 8.3으로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자(120)는 중금속 입력단자(110)를 통해 인가되는 전류로 인해 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
예를 들면, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 중금속 입력단자(110)의 양 단에 별도의 전류 인가 수단이 연결될 수 있으며, 강자성층 양단에 별도의 전압 인가 수단이 연결될 수 있다.
또한, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 중금속 입력단자(110)에 인가된 입력 전류가 중금속 입력단자(110) 내부에서 스핀 홀 효과(SHE)에 의해 스핀 전류로 변환되며, 변환된 스핀 전류가 강자성층의 자화에 스핀전달효과를 주어 정보 입력이 수행될 수 있다.
구체적으로, 최적화된 가로세로비율로 설계된 강자성층은 강자성층의 자화에 스핀궤도토크 효과(SHE)가 주어지고 있을 때, 스핀궤도토크에 의해 영향을 받는 부분(즉, 제1 영역)과 영향을 받지 않는 부분(즉, 제2 영역)으로 나뉘어 두 영역 사이의 비대칭성으로부터 외부자기장 없이 소자에 '1' 또는 '0'의 정보 입력을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 중금속 입력단자(110)에 입력 전류가 지나가게 되면 스핀 홀 효과에 의해 형성된 스핀전류가 정보단자(120)에 구비된 강자성층(FM slap)의 자화에 영향을 주게되고, 강자성층에 충분한 스핀전류가 흐를 때 τDL과 τFL에 의해 자화 방향이 자화 용이 축으로부터 벗어나게 되며, 이후 면 내 방향으로 정렬될 수 있다.
이때, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(100)는 중금속 입력단자(110)가 강자성층의 일부만을 지나가므로 제1 영역과 제2 영역의 자화 방향이 달라지며, 이로 인해 강자성층에는 비균일 누설 자기장이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 비균일 누설 자기장은 소자 내부에서 자체적으로 대칭을 깨며 외부 자기장 없이 자화 반전을 구현할 수 있다.
일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 이후 실시예 도 2를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 제1 방향으로 연장되어 형성된 중금속 입력단자(210)와, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되어 형성되는 정보단자(220)를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 정보단자(220)는 강자성층(220-1)과, 강자성층(220-1) 상에 형성된 터널 베리어층(220-2)을 포함할 수 있다.
또한, 정보단자(220)는 중금속 입력단자(210)와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자(210)와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(SHE)에 기초하여 강자성층(220-1)의 자화 반전이 제어될 수 있다.
예를 들면, 중금속 입력단자(110)는 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 중금속 입력단자(110)는 매우 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로는 0.1nm 내지 3nm의 두께를 갖는 것이 좋은데, 이는 0.1nm 내지 3nm의 상당히 얇은 두께 범위로 중금속층(110)을 형성해야 강자성층(220-1)과의 계면에서 스커미온 핵생성(skyrmion nucleation)이 일어날 수 있기 때문이다.
강자성층(220-1)은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 터븀(Tb), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
터널 베리어층(220-2)은 산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 타이타늄(TiO2), 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 터널 베리어층(220-2)은 산화 마그네슘(MgO) 물질을 포함할 수 있다.
또한, 중금속 입력단자(210)는 백금(Pt) 물질을 포함하고, 강자성층(220-1)은 코발트(Co) 물질을 포함할 수 있다.
한편, 스핀궤도토크 기반의 스위층 소자(200)는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄과 같은 다른 반도체 재료들, 실리콘 카바이드, 갈륨 비소, 갈륨 인, 갈륨 질화물, 인듐 인, 인듐 비소, 및/또는 인듐 안티몬(indium antimonide)을 포함하는 화합물 반도체, 실리콘 게르마늄(silicon germanium; SiGe), GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP, 및 GaInAsP를 포함하는 합금 반도체 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 기판(230) 상에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 실리콘(Si) 기판(230)의 단면 평탄화 작업이 진행된 산화규소(SiO2)층 상에 마그네트론 스퍼터를 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자(200)는 중금속 입력단자의 하부에 형성된 버퍼층(240)과, 정보단자(220)의 상부에 형성된 보호층(250)을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 버퍼층(240) 및 보호층(250)은 탄탈럼(Ta), 크롬(Cr), 루테늄(Ru)과 같은 비자성 금속 물질, 코발트 갈륨(CoGa), 망간 갈륨 질화물(MnGaN)과 같은 비자성 화합물 및 니켈 알루미늄(NiAl)과 같은 비자성 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 버퍼층(240) 및 보호층(250)은 탄탈럼(Ta) 물질을 포함할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 자기장 세기에 따른 스위칭 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 특성에 대한 전산모사 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 도 3의 (a)는 '+M에서 -M'의 방향으로 '-100mT 내지 100mT의 자기장을 인가하였을 때, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 결과를 도시하고, 도 3의 (b)는 '-M에서 M'의 방향(즉, 도 3의 (a)의 결과와 반대 방향)으로 '-100mT 내지 100mT의 자기장을 인가하였을 때, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 결과를 도시한다.
또한, 참조부호 400은 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 스위칭 결과를 Micromagnetic 전산모사를 이용하여 분석한 결과를 도시한다.
구체적으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 중금속 입력단자와, 강자성층을 포함하는 정보단자가 서로 수직한 형태로 형성되며, 정보단자가 중금속 입력단자에 국한되어 있는 것이 아니라 중금속 입력단자에서 벗어나 충분한 길이를 갖도록 설계되어 이 때 생기는 비균일 스핀궤도토크 효과와 누설자기장으로부터 외부자기장 인가 없이 자화 반전이 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 최적화된 가로세로비율로 설계된 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 강자성층의 자화에 스핀궤도토크 효과(SHE)가 주어지고 있을 때, 스핀궤도토크에 의해 영향을 받는 부분과 영향을 받지 않는 부분으로 나뉘어 두 영역 사이의 비대칭성으로부터 외부자기장 없이 소자에 '1' 또는 '0'의 정보 입력을 수행할 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)에 따르면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자에서 스핀 궤도 토크를 이용한 자화 반전을 관측하였을 때 외부 자기장이 0 mT가 아닌 약 100 mT에서 반전이 진행되는 것을 확인했으며, 이는 시료 내부에 충분한 비대칭이 형성되었음을 의미한다.
구체적으로, 도 3의 (a) 및 (b)는 자화 방향에 따른 스핀 궤도 토크 유도 자화 반전을 관측한 결과로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 측정을 진행할 때 전류의 방향과 자기장의 방향을 고정하였으므로 비대칭성은 초기 자화의 방향에만 의존하게 된다. 이는 자화 반전에 의해 내부 비대칭의 방향이 반대로 바뀐다는 증거이며, 외부 누설 자기장이 스핀 궤도 토크 유도 자화 반전에 영향을 준다는 것을 의미한다.
즉, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 스핀 궤도 토크가 강자성층의 일부 영역에만 영향을 끼칠 때 외부 자기장 없이 자화 반전이 가능하며, 이는 참조부호 400에 도시된 전산모사 결과를 통해서도 확인할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 510 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 제1 방향으로 연장되는 중금속 입력단자를 형성할 수 있다.
예를 들면, 중금속 입력단자는 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
다음으로, 520 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고 강자성층을 구비하는 정보단자를 형성할 수 있다.
예를 들면, 강자성층은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 터븀(Tb), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 정보단자는 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(SHE)에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
구체적으로, 정보단자는 중금속 입력단자를 통해 인가되는 전류로 인해 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 강자성층의 자화 반전이 제어될 수 있다.
일측에 따르면, 520 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 제1 방향에 대응되는 정보단자의 폭과 제2 방향에 대응되는 정보단자의 길이의 비율이 1 : 2 내지 1 : 9가 되도록 정보단자를 형성할 수 있다.
예를 들면, 520 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 1.2μm의 폭과 10μm의 길이를 갖는 정보단자를 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 520 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 강자성층을 형성하고, 강자성층 상에 터널 베리어층을 형성할 수 있다.
예를 들면, 터널 베리어층은 산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 타이타늄(TiO2), 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 이후 실시예 도 6a 내지 도 6c를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 이하에서 설명하는 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄과 같은 다른 반도체 재료들, 실리콘 카바이드, 갈륨 비소, 갈륨 인, 갈륨 질화물, 인듐 인, 인듐 비소, 및/또는 인듐 안티몬(indium antimonide)을 포함하는 화합물 반도체, 실리콘 게르마늄(silicon germanium; SiGe), GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP, 및 GaInAsP를 포함하는 합금 반도체 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 기판(611) 상에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 실리콘(Si) 기판(611)의 단면 평탄화 작업이 진행된 산화규소(SiO2)층 상에 마그네트론 스퍼터를 이용하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 610 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 산화규소(SiO2)층(611) 상에 제1 방향으로 연장되는 버퍼층(612)을 형성하고, 버퍼층(612) 상에 제1 방향으로 연장되는 중금속 입력단자(613)를 형성할 수 있다.
예를 들면, 버퍼층(612)은 3nm 두께의 탄탈럼(Ta)층으로 형성되고, 중금속 입력단자(613)는 5nm 두께의 백금(Pt)층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 620 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 중금속 입력단자 상에 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되는 정보단자(621)를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 620 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 중금속 입력단자 상에 제2 방향으로 연장되는 강자성층(621-1)을 형성하고, 강자성층(621-1) 상에 제2 방향으로 연장되는 터널 베리어층(621-2)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 강자성층(621-1)은 0.8nm 두께의 코발트(Co)층으로 형성되고, 터널 베리어층(621-2)은 2nm 두께의 산화 마그네슘(MgO)층으로 형성될 수 있다. 또한, 강자성층(621-1)은 1.2μm의 폭과 10μm의 길이로 형성될 수 있다.
다음으로, 630 단계에서 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 터널 베리어층(621-2) 상에 제2 방향으로 연장되는 보호층(631)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 보호층(631)은 2nm 두께의 탄탈럼(Ta)층으로 형성될 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자는 중금속 입력단자(613) / 강자성층(621-1) / 터널 베리어층(621-2)의 적층 구조체와, 적층 구조체의 하부 및 상부에 각각 배치되는 버퍼층(612) 및 보호층(631)을 구비하여 수직 자기 이방성을 확보/보존할 수 있다.
한편, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 두 차례의 아르곤(Ar) 이온 밀링 건식 식각 과정을 수행하여 스위칭 소자를 완성할 수 있다.
여기서, 첫번째 식각 과정은 전기가 흐르는 전류선, 즉 중금속 입력단자(613)를 만들기 위한 전 층 식각 과정이며 두 번째 식각은 강자성 슬랩(slap), 즉 강자성층(621-1)을 만들기 위한 선별 층 식각 과정일 수 있다.
구체적으로, 일실시예에 따른 식각 과정에서는 텅스텐 와이어에서 나오는 열전자를 이용하여 밀링 건에 흐르는 아르곤 가스를 이온화 시키고, 이온화된 아르곤 이온을 400V 내지 600V로 가속시켜 시료 표면에 충돌시킴으로써 물질을 식각할 수 있으며, 식각이 될 부분과 식각이 되지 않을 부분을 전자빔 또는 포토 리소그래피를 이용하여 시료 표면에 레지스트 패턴을 형성함으로써 지정할 수 있다.
예를 들면, 시료는 균일한 시료 표면의 식각을 위해, 식각 과정 동안 이온 입사로부터 5°기울어져 20 rpm으로 회전할 수 있다.
보다 구체적으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 중금속 물질 / 강자성 물질 / 산화물을 포함하는 박막 시료에 전류선, 즉 중금속 입력단자에 대응되는 제1 레지스트 패턴을 리소그래피를 이용하여 패터닝하고 모든 레이어를 식각할 수 있으며, 이때 버퍼층 또는 보호층이 존재하면 이들 레이어들도 함께 포함하여 첫번째 식각 과정을 진행할 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 첫번째 식각 과정이 완료된 이후, 제1 레지스트 패턴을 제거할 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 첫번째 식각 과정이 완료된 시료에 강자성 슬랩에 대응되는 제2 레지스트 패턴을 첫번째 식각 과정에서와 동일한 방법으로 패턴 후 두번째 식각 과정을 진행할 수 있으며, 이때 식각은 중금속 입력단자가 식각되기 이전에 정지되고 강자성 슬랩을 제외한 패턴은 중금속 입력단자가 드러날 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 두번째 식각 과정이 완료된 이후, 제2 레지스트 패턴을 제거할 수 있다.
일측에 따르면, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 각 층을 식각 하기 위하여 물질별 식각 시간의 비율을 계산하고, 계산된 비율에 기초하여 총 식각 시간을 추정하여 상술한 식각 과정을 진행할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 투명한 기판을 통해 사용자가 식각된 시료의 두께를 추정하여 상술한 식각 과정을 진행할 수도 있다.
한편, 일실시예에 따른 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법은 식각과정이 마무리된 이후, 금(Au) 또는 구리(Cu) 전극을 증착하여 스위칭 소자를 완성할 수 있다.
결국, 본 발명은 중금속 입력단자를 일부만 점유하는 강자성층에 대한 무자기장 스핀궤도토크 기반 정보 입력 방식을 이용하여 기존의 스핀궤도 토크 방식의 메모리 소자는 물론이고, 자구벽 기반 스핀토크 다수결 게이트 같은 정보의 입력단이 정보 전달을 포함하는 입력단 소자에서 외부 자기장 없이 정보 입력을 전류만 이용하여 자유롭게 수행 할 수 있으며, 스위칭 소자를 기존 기술보다 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 스핀궤도토크 기반의 메모리 소자 뿐만 아니라, 자구벽 기반 스핀토크 다수결 게이트에서도 활용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자
110: 중금속 입력단자
120: 정보단자
120: 정보단자
Claims (11)
- 제1 방향으로 연장되어 형성된 중금속 입력단자 및
상기 중금속 입력단자 상에 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되어 형성되고, 강자성층을 구비하는 정보단자
를 포함하고,
상기 정보단자는,
상기 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 상기 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(spin hall effect, SHE)에 기초하여 상기 강자성층의 자화 반전이 제어되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 정보단자는,
상기 중금속 입력단자를 통해 인가되는 전류로 인해 상기 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 상기 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 상기 강자성층의 자화 반전이 제어되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 정보단자는,
상기 제1 방향에 대응되는 폭과 상기 제2 방향에 대응되는 길이의 비율이 1 : 2 내지 1 : 9로 형성되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 중금속 입력단자는,
백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 강자성층은,
코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 터븀(Tb), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 정보단자는,
상기 강자성층 상에 형성된 터널 베리어층을 더 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제6항에 있어서,
상기 터널 베리어층은,
산화 마그네슘(MgO), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2), 산화 타이타늄(TiO2), 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 이터비움(Yb2O3) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1항에 있어서,
상기 중금속 입력단자의 하부에 형성된 버퍼층 및
상기 정보단자의 상부에 형성된 보호층
을 더 포함하는 스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자. - 제1 방향으로 연장되는 중금속 입력단자를 형성하는 단계 및
상기 중금속 입력단자 상에 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고, 강자성층을 구비하는 정보단자를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 정보단자는,
상기 중금속 입력단자와 인접하는 제1 영역 및 상기 중금속 입력단자와 인접하지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역으로 인한 비균일적인 스핀궤도토크 효과(spin hall effect, SHE)에 기초하여 상기 강자성층의 자화 반전이 제어되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 정보단자는,
상기 중금속 입력단자를 통해 인가되는 전류로 인해 상기 강자성층에서 발생되는 누설 자기장과 상기 비균일적인 스핀궤도토크 효과에 기초하여 상기 강자성층의 자화 반전이 제어되는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 정보단자를 형성하는 단계는,
상기 제1 방향에 대응되는 상기 정보단자의 폭과 상기 제2 방향에 대응되는 상기 정보단자의 길이의 비율이 1 : 2 내지 1 : 9가 되도록 상기 정보단자를 형성하는
스핀궤도토크 기반의 스위칭 소자의 제조방법.
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