WO2012153926A2 - 자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자 - Google Patents

자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자 Download PDF

Info

Publication number
WO2012153926A2
WO2012153926A2 PCT/KR2012/003345 KR2012003345W WO2012153926A2 WO 2012153926 A2 WO2012153926 A2 WO 2012153926A2 KR 2012003345 W KR2012003345 W KR 2012003345W WO 2012153926 A2 WO2012153926 A2 WO 2012153926A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic layer
layer
free magnetic
free
pinned
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2012/003345
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012153926A3 (ko
Inventor
이경진
서수만
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea University Research and Business Foundation
Original Assignee
Korea University Research and Business Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea University Research and Business Foundation filed Critical Korea University Research and Business Foundation
Priority to JP2014510243A priority Critical patent/JP6028018B2/ja
Priority to US14/116,959 priority patent/US20140159175A1/en
Publication of WO2012153926A2 publication Critical patent/WO2012153926A2/ko
Publication of WO2012153926A3 publication Critical patent/WO2012153926A3/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US14/814,163 priority patent/US9478729B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly, by inserting a free magnetic layer having horizontal anisotropy into a free layer having vertical anisotropy, thereby inducing an alternating magnetic field by the device itself during current injection, thereby lowering the critical current density.
  • the present invention relates to a spin transfer torque magnetic memory device including two fixed magnetic layers in opposite directions of magnetization, in which the characteristics of the device due to leakage magnetic fields generated from the fixed magnetic layer are not degraded.
  • Ferromagnetic material refers to a material that is spontaneously magnetized even if a strong magnetic field is not applied from the outside.
  • a large magnetoresistance effect occurs in which electrical resistance varies depending on the relative magnetization directions of the two magnetic layers. This occurs because the electrical resistance felt by the up and down spins is different.
  • Such a large magnetoresistance effect is widely used as a core technology of a sensor for reading information recorded on a hard disk.
  • the giant magnetoresistance effect describes the phenomenon in which the relative magnetization directions of the two magnetic layers control the flow of current, while controlling the magnetization direction of the magnetic layer using the applied current according to Newton's third law, the action-reaction law. It is also possible.
  • the current spin-polarized by the first magnetic body (fixed magnetic layer) transmits its spin angular momentum while passing through the second magnetic body (free magnetic layer), which is spin-transfer torque. -torque).
  • a device that inverts or continually rotates the magnetization of a free magnetic layer using spin transfer torque has been proposed by IBM and later experimentally identified.
  • magnetic memory devices using the spin transfer torque phenomenon have been in the spotlight as new memory devices replacing dynamic random access memory (DRAM).
  • DRAM dynamic random access memory
  • the basic magnetic memory element has a spin valve structure as described above. That is, as shown in FIG. 1, the conventional magnetic memory device 100 includes a second magnetic material (free magnetic layer) in which the direction of magnetization is changed by a lower electrode / first magnetic material (fixed magnetic layer 101) / nonmagnetic material 102 / current. 103) / has the structure of the upper electrode.
  • the magnetization reversal of the second magnetic body is induced by an externally applied current or magnetic field, and high resistance and low resistance are exhibited by the giant magnetoresistive effect as described above.
  • the present invention can be applied to a magnetic memory device which records this as information of "0" or "1".
  • ⁇ is the spin polarization efficiency constant determined by the material and device structure
  • M S is the saturation magnetization of the free magnetic layer
  • d is the thickness of the free magnetic layer
  • H K eff is the effective anisotropic magnetic field in the vertical direction of the film
  • H K, eff H K ⁇ -4 ⁇ M S.
  • K eff V / k B T is defined as the thermal stability factor ⁇ of the magnetic memory device.
  • ⁇ > 50 In order for a magnetic memory device to maintain nonvolatile characteristics, a condition of ⁇ > 50 must generally be satisfied. If the volume (V) of the free layer decreases as the size of the cell decreases, K eff must be increased to satisfy ⁇ > 50. As a result, J c increases according to [Equation 1].
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the magnetization inversion threshold current density of the free layer should be lowered, and the power used in recording should be reduced to reduce the magnetization inversion threshold current density of the free layer.
  • the critical current density of a magnetic memory element as described above is effective, because the magnetic anisotropy is proportional to the magnetic field (H K, eff), and to lower the critical current density of the device to reduce the effective magnetic anisotropy field (H K, eff) effective,
  • the frequency of the applied alternating magnetic field is applied to the resonance frequency of the recording medium magnetization.
  • the prior art described in FIG. 1 is dependent on the magnetization direction of the second magnetic body of the second magnetic body by the stray field generated from the first magnetic body. More specifically, when the magnetization direction of the first magnetic body is the + z axis which is the thickness direction of the film, the direction of the leakage magnetic field also becomes the + z axis. Under such conditions, due to the influence of the leakage magnetic field, ⁇ when the magnetization direction of the second magnetic body is -z axis is smaller than ⁇ when + z axis. In the magnetic memory device, the direction of the second magnetic body may have both the + z and -z directions, so the thermal stability of the magnetization is determined by the smaller ⁇ of the two cases. Therefore, there is a problem that the characteristics of the device are deteriorated by the leakage magnetic field generated from the first magnetic body.
  • the saturation magnetization value of the magnetic layer is 650 emu / cm 3 or more, the influence of the magnetic layer on the surrounding magnetic layer increases, which may cause a problem in the characteristics of the device.
  • a problem to be solved by the present invention is that in a magnetic memory device using spin transfer torque, in order to enable high integration of the device, a device having a lower critical current density and generating device characteristics due to leakage magnetic fields generated from a fixed magnetic layer may be used. It is to provide a magnetic memory device without deterioration.
  • a magnetic memory device comprising a first pinned magnetic layer, a first free magnetic layer, and a second free magnetic layer
  • the first pinned magnetic layer has a fixed magnetization direction, and is a thin film made of a material magnetized in a direction perpendicular to the film surface.
  • the first free magnetic layer is a thin film made of a material whose magnetization direction is changed by a current applied from the outside and magnetized in a direction perpendicular to the film surface.
  • the second free magnetic layer is a thin film made of a material whose magnetization direction is changed by a current applied from the outside and magnetized in a horizontal direction with respect to the membrane surface.
  • a magnetic memory device includes a first nonmagnetic layer and a second nonmagnetic layer, respectively, between the first pinned magnetic layer and the first free magnetic layer and between the first free magnetic layer and the second free magnetic layer.
  • the magnetic memory device may further include a second pinned magnetic layer, and thus, may further include a third nonmagnetic layer between the second free magnetic layer and the second pinned magnetic layer.
  • the second pinned magnetic layer may be a thin film made of a material having a pinned magnetization direction opposite to the first pinned magnetic layer and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface.
  • the saturation magnetization value of the material magnetized in the horizontal direction of the second free magnetic layer may be 300-2000 kA / m.
  • the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer may each independently be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and mixtures thereof.
  • first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer are a multilayer thin film (n ⁇ 1) formed by stacking n double layers consisting of an X layer and a Y layer, and the X and Y layers are each independently Fe, Co , Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd and mixtures thereof.
  • all or any one of the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer may be a semi-magnetic structure consisting of a first magnetic layer, a nonmagnetic layer and a second magnetic layer, the first magnetic layer and the first
  • the two magnetic layers may each independently be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and mixtures thereof.
  • At least one of the first magnetic layer and the second magnetic layer is a multilayer thin film (n ⁇ 1) in which n double layers composed of an X layer and a Y layer are laminated, and the X layer and The Y layers may each independently be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and mixtures thereof.
  • both the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer or any one thereof may be an exchange-biased diamagnetic body structure composed of an antiferromagnetic layer, a first magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second magnetic layer.
  • the antiferromagnetic layer is made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and mixtures thereof, and the first magnetic layer and the second magnetic layer are each independently Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and It may consist of a material selected from a mixture thereof.
  • At least one of the first magnetic layer and the second magnetic layer is a multilayer thin film (n ⁇ 1) in which n double layers composed of an X layer and a Y layer are laminated, and the X layer And the Y layer may each independently be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and mixtures thereof.
  • the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer may be made of different materials, and may have different multilayer thin film structures.
  • the first free magnetic layer may be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, and mixtures thereof.
  • the first free magnetic layer is a layer made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd and mixtures thereof; And a layer (n ⁇ 1) formed by n stacked double layers consisting of an X layer and a Y layer, wherein the X layer and the Y layer are each independently Fe, Co, Ni, B, and Si. , Zr, Pt, and Pd.
  • the second free magnetic layer may be made of a material selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and mixtures thereof.
  • the first nonmagnetic layer, the second nonmagnetic layer and the third nonmagnetic layer are made of different materials from each other, and each independently Ru, Cu, Al, Ta, Au, Ag, AlO x , MgO, TaO x , ZrO x, and mixtures thereof.
  • the first nonmagnetic layer, the second nonmagnetic layer, and the third nonmagnetic layer have an electrical conductivity higher than that of the first pinned magnetic layer, the first free magnetic layer, the second free magnetic layer, and the second pinned magnetic layer. It can be high or low.
  • the magnetic memory device may further include an upper electrode and a lower electrode for supplying current to the device.
  • the magnetic memory device of the new structure according to the present invention further includes a free magnetic layer, which is a horizontally variable magnetization layer having a constant saturation magnetization value, which significantly reduces the switching current compared to the conventional magnetic memory device, thereby enabling high integration of the device.
  • the power consumption of the device can be reduced by lowering the critical current density required for magnetization reversal.
  • the magnetic field information recorded by reducing the leakage magnetic field effect generated from the fixed magnetic layer is thermally stable.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a magnetic memory device using a conventional spin transfer torque.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a magnetic memory device using spin transfer torque according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a magnetic memory device using spin transfer torque according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 4A is a graph showing the applied current over time for the device according to FIG. 2.
  • 4B is a graph showing magnetization behavior of a first free magnetic layer over time for the device of FIG. 2.
  • 4C is a graph illustrating magnetization behavior of a second free magnetic layer over time for the device of FIG. 2.
  • 4D is a graph illustrating an alternating magnetic field generated in the first free magnetic layer according to the precession of the second free magnetic layer with respect to the device of FIG. 2.
  • FIG. 5A is a graph illustrating switching probabilities for currents applied to the structure of FIG. 1 and the structure of FIG. 2.
  • FIG. 5A is a graph illustrating switching probabilities for currents applied to the structure of FIG. 1 and the structure of FIG. 2.
  • FIG. 5B is a graph showing derivative values of switching probabilities with currents for currents applied to the structure of FIG. 1 and FIG. 2.
  • FIG. 5B is a graph showing derivative values of switching probabilities with currents for currents applied to the structure of FIG. 1 and FIG. 2.
  • FIG. 6 is a graph illustrating switching currents of a magnetic memory device with respect to the saturation magnetization value and spin polarization efficiency of the second free magnetic layer of the device of FIG. 2.
  • FIG. 7A is a graph illustrating switching probabilities for currents applied to the structure of FIG. 1 and the structure of FIG. 3.
  • FIG. 7B is a graph showing derivative values of switching probabilities for currents applied to the structures of FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 8A is a graph illustrating switching current density of the magnetic memory device having the structure of FIG. 1 and switching current with respect to the saturation magnetization value of the second free magnetic layer for the magnetic memory device having the structure of FIG. 3.
  • FIG. 8B is a graph illustrating a switching current density distribution of the magnetic memory device of FIG. 1 and a switching current density distribution of the saturation magnetization value of the second free magnetic layer of the magnetic memory device of FIG. 3.
  • the present invention provides a magnetic memory device of a new structure for inducing an alternating magnetic field by itself, and for controlling it.
  • the magnetic memory device 200 may include a pinned magnetic layer 201, a first nonmagnetic layer 202, a first free magnetic layer 203, a second nonmagnetic layer 204, and a second free magnetic layer.
  • the pinned magnetic layer is a thin film made of a material having a pinned magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the film surface, and the first free magnetic layer is changed by a current applied from the outside
  • the thin film is made of a material magnetized in a direction perpendicular to the second free magnetic layer, characterized in that the magnetization direction is changed by a current applied from the outside, and is a thin film made of a material magnetized in a horizontal direction with respect to the film surface.
  • the second free magnetic layer 205 having horizontal anisotropy is additionally inserted into the first free magnetic layer 203 having vertical anisotropy, so that the second free magnetic layer magnetization rotates due to the effect of spin transfer torque upon application of current.
  • a DC current By applying a DC current, the free layer having in-plane magnetization rotates at a high frequency, and as a result, an AC magnetic field having a high frequency is generated by itself, thereby effectively lowering the critical current density of the device.
  • the magnetic memory device 300 may include a first pinned magnetic layer 301, a first nonmagnetic layer 302, a first free magnetic layer 303, a second nonmagnetic layer 304, A second free magnetic layer 305, a third nonmagnetic layer 306, and a second pinned magnetic layer 307, wherein the first and second pinned magnetic layers have opposite pinned magnetization directions, and are perpendicular to the membrane surface.
  • the first free magnetic layer is a thin film made of a material that is magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface and the magnetization direction is changed by a current applied from the outside, and the second free magnetic layer is applied externally. The magnetization direction is changed by the electric current, and the thin film is made of a material that is magnetized in the horizontal direction with respect to the membrane surface.
  • a second free magnetic layer 305 having horizontal anisotropy is further inserted into the first free magnetic layer 303 having vertical anisotropy, and the second free magnetic layer performs precession through the spin transfer torque effect generated when the current is applied.
  • the high frequency alternating magnetic field generated through this can lower the critical current density of the device.
  • the alternating magnetic field due to the precession of the second free magnetic layer is determined by the current applied from the outside and the effective magnetic field of the second free magnetic layer.
  • the induction magnetic field may be generated in a direction perpendicular to the membrane surface of the second free magnetic layer by inserting the second pinned magnetic layer. Therefore, the precession of the second free magnetic layer can be controlled according to the structure and the property values of the second fixed free layer. That is, it is possible to adjust the alternating magnetic field generated in the device not only by the external current but also by the device structure and property values.
  • the magnetization direction of the first pinned magnetic layer and the magnetization direction of the second pinned magnetic layer it is possible to reduce the leakage magnetic field applied to the first free magnetic layer compared with the conventional device. This can improve the thermal stability of the magnetization information recorded in the device.
  • the device according to the present invention basically has a fixed magnetic layer 201 having a lower electrode and vertical magnetization.
  • 2 has a structure including a free magnetic layer 205 and an upper electrode.
  • the shape anisotropic magnetic field is significantly larger than the magnetic anisotropic magnetic field, the direction of magnetization is stabilized in the plane of the thin film. Therefore, the magnetization of the first free magnetic layer 203 and the second free magnetic layer 205 maintains a large angle even when no current is applied.
  • the first free magnetic layer 203 When a current is applied for magnetization switching, the first free magnetic layer 203 receives spin transfer torque from electrons spin-polarized by the fixed magnetic layer 201. Also. Since the first free magnetic layer 203 and the second free magnetic layer 205 sandwich the second nonmagnetic layer 204, the second free magnetic layer 205 is spin-polarized by the first free magnetic layer 203. Receive spin transfer torque from electrons. That is, when a voltage is applied to the magnetic memory device, the magnetization of the second free magnetic layer 205 receives spin transfer torque close to the vertical direction, thereby causing high speed rotation.
  • the second free magnetic layer 205 that rotates at high speed may provide a modulated magnetic field to the device, thereby effectively reducing the critical current density of the first free magnetic layer 203. If the overall resistance of the device is low, more current flows at the same applied voltage, thereby reducing the power required for magnetization reversal.
  • the first nonmagnetic layer 202 and the second nonmagnetic layer 204 may use a metal having high electrical conductivity.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a spin transfer torque magnetic memory device 300 according to another embodiment of the present invention.
  • the device according to the present invention basically includes a first pinned magnetic layer having a lower electrode and a magnetization in a vertical direction. 301, the first nonmagnetic layer 302, the first free magnetic layer 303 having vertical anisotropy, and the direction of magnetization changed by the current, and the nonmagnetic layer 304 having the horizontal anisotropy, and the direction of magnetization by the current.
  • the second free magnetic layer 305, the third nonmagnetic layer 306, the second pinned magnetic layer 307 having the magnetization in the vertical direction, and the upper electrode may be formed.
  • the second free magnetic layer 305 is stabilized in the plane of the thin film by the shape anisotropic magnetic field, and as a result, the two free magnetic layers maintain a large angle even when no external magnetic field or current is applied.
  • the first free magnetic layer 303 When a current is applied for magnetization reversal, the first free magnetic layer 303 receives spin transfer torque from a current spin-polarized by the first pinned magnetic layer 301, and the first free magnetic layer 303 and the second free magnetic layer. Since the magnetic layer 305 has the second nonmagnetic layer 304 interposed therebetween, the second free magnetic layer 305 receives spin transfer torque from the current spin-polarized by the first free magnetic layer 303. Therefore, when a voltage is applied to the magnetic memory device, the magnetization of the second free magnetic layer 305 receives spin transfer torque of a component close to the vertical direction, and as a result, the magnetization rotates at high speed.
  • the spin transfer torque and the current are spin-polarized by the second pinned magnetic layer 307. They are subjected to an induced magnetic field, which are parallel or antiparallel to each other by the direction of the applied current, and act in the vertical direction of the membrane surface. Therefore, it affects the frequency and magnitude of the high frequency alternating magnetic field described above.
  • the second free magnetic layer 305 that rotates at high speed provides the device with a modulated magnetic field, thereby effectively reducing the critical current density of the first free magnetic layer 303, and the current applied through the second pinned magnetic layer.
  • the modulation magnetic field can be effectively adjusted using the induced magnetic field.
  • by adjusting the magnetization direction of the first pinned magnetic layer and the relative magnetization direction of the second pinned magnetic layer it is possible to reduce the leakage magnetic field applied to the first free magnetic layer compared with the conventional device. This can improve the thermal stability of the magnetization information recorded in the device.
  • the first nonmagnetic layers 202 and 302, the second nonmagnetic layers 204 and 304, and the third nonmagnetic layer 306 may use a metal having high electrical conductivity.
  • the in-plane magnetic shape anisotropy is the same in any direction so that the cross section of the element is close to a circle capable of easily rotating the magnetization of the first free magnetic layers 203 and 303 and the second free magnetic layers 205 and 305 to facilitate high speed rotation. .
  • the effect of the magnetic memory device according to the present invention was confirmed through micromagnetic modeling using the equation of motion of magnetization. This method has been sufficiently justified by the existing computer hard disk development and spin transfer torque research.
  • m 1 and m 2 are unit magnetization vectors of the first free magnetic layers 203 and 303 and the second free magnetic layers 205 and 305, respectively, ⁇ is a magnetic rotation constant, and H 1 eff and H 2 eff are respectively the first free magnetic layer.
  • P 1 is a unit vector indicating the spin direction of the spin polarization current incident from the first pinned magnetic layer 201 and 301 to the first free magnetic layer 203 and 303
  • P 2 is a second vector in the second pinned magnetic layer 307.
  • the unit vector indicates the spin direction of the spin polarization current incident on the free magnetic layer 305.
  • P 1 and P 2 are unit vectors parallel to the z-axis, which is the thickness direction of the film.
  • the following figure 4a is a graph showing the applied current over time. To examine the switching behavior of magnetization, a current pulse with a rise time of 40 ps and a width of 5 ns was applied.
  • 4B is a graph showing the magnetization behavior of the first free magnetic layer 203 over time.
  • 4C is a graph showing the magnetization behavior of the second free magnetic layer 205 over time.
  • the vibration of the second free magnetic layer 205 according to time, that is, the precession motion, is spin-polarized vertical spin torque by the first free magnetic layer 203 which is magnetized in the vertical direction when a current is applied to the entire structure. Is caused by.
  • 4D is a graph showing an alternating magnetic field generated in the first free magnetic layer 203 by precession of the second free magnetic layer 205 over time.
  • the alternating magnetic field is a magnetic field generated by the magnetization of the second free magnetic layer 205 at the position of the first free magnetic layer 203, which is caused by the precession of the second free magnetic layer 205 with time.
  • an alternating magnetic field having a magnitude of about 200 Oe having an x-component is generated by itself in the magnetic memory device structure according to the present invention. Therefore, in the device structure according to the present invention, a device for generating an alternating magnetic field outside the device is not required to reduce the current density for reversing the magnetization of the first free magnetic layer 203. will be.
  • the alternating magnetic field induced in the first free magnetic layer appears to have a much larger x-component than the z-component.
  • the induced magnetic field reduces the anisotropic energy of the easy magnetization axis (z-axis) of the first free magnetic layer 203, thereby facilitating magnetization switching of the first free magnetic layer 203.
  • the cross-sectional area of the entire structure is equally 314 nm 2 in both structures.
  • the pinned magnetic layer, the first nonmagnetic layer (nonmagnetic layer) and the free magnetic layer (first free magnetic layer) commonly included in the conventional structure and the new structure according to the present invention have the same structure and property values.
  • the temperature of the device considered in the present experimental example is 300 K, and the probability of magnetization switching was measured by repeating 100 experiments at each applied current.
  • Figure 5a is a graph showing the switching probability (P SW ) according to the applied current for the new structure (Fig. 2) and the conventional structure (Fig. 1) according to the present invention.
  • the switching current is defined as a current having a switching probability P SW of 0.5.
  • the switching current is 7.9 mA and 17.6 mA in the existing structure. That is, the switching current is reduced by about 55%.
  • 5B is a graph showing a value obtained by differentiating the switching probability illustrated in FIG. 5A with a current.
  • the Q-factor is a value obtained by dividing the x-axis value of the peak by the width of the distribution function at the point where the y-axis value is 0.5 (FWHM, full width half maximum). In the example, it is defined as I C / ⁇ I.
  • the Q-factor is 13.5 and the conventional structure of FIG. 1 represents 3.6.
  • the high Q-factor of the structure of the magnetic memory device according to the present invention means that the switching probability distribution is small, which means that the dispersion of current to be applied to change the magnetization state is small. It can be seen that the memory device structure is very excellent in terms of commercialization.
  • the temperature of the device considered in the present experimental example is 300K
  • the switching current was measured the switching probability after 100 experiments at each applied current, as in Experiment 2 above.
  • FIG. 6 is a graph showing the switching current versus the saturation magnetization value and spin polarization efficiency of the second free magnetic layer 205.
  • the switching current changes according to the saturation magnetization value M S2 of the second free magnetic layer 205 having horizontal anisotropy.
  • M S2 saturation magnetization value
  • the case where M S2 is 0 emu / cm 3 corresponds to a structure without a second free magnetic layer having horizontal anisotropy, that is, a conventional magnetic memory device structure shown in FIG. 1.
  • M S2 is 300 emu / cm 3 or more
  • the switching current is reduced compared to the existing structure regardless of the spin polarization efficiency of the second free magnetic layer 205, in particular, M S2 is 300 to 500 emu / cm 3 It can be seen that the effect of reducing the switching current is greatest.
  • an induction alternating magnetic field of the second free magnetic layer 205 is required.
  • the switching current density reduction effect occurs when the saturation magnetization value M S2 of the second free magnetic layer 205 is 300 emu / cm 3 or more.
  • the new magnetic memory device structure according to the present invention can be seen that the switching current is effectively reduced compared to the existing structure by inserting a second free magnetic layer 205 having a predetermined saturation magnetization value and horizontal magnetization.
  • the cross-sectional area of the entire structure is equally 314 nm 2 in both structures.
  • the temperature of the device is 300 K, and the experiment is repeated 100 times at each applied current to determine the probability that the magnetization direction of the free layer (first free layer) will switch from the initial direction to the opposite direction. Measured.
  • FIG. 7 is a graph showing the switching probability (P SW) according to the electric current applied to the new arrangement according to the invention of Figure 3 in the prior art structure of Figure 1;
  • a solid line shows the value which fitted [Equation 4] which is the following cumulative distribution function.
  • I app is the applied current density
  • I SW is the switching current density
  • ⁇ is the standard deviation of the probability distribution.
  • the switching current is defined as a current having a switching probability P SW of 0.5, and is obtained by fitting Equation 4 above.
  • the switching current is 10.1 mA and 18.36 mA in the conventional structure. That is, the switching current of the magnetic memory device to which the structure according to the present invention is applied is reduced by about 45%.
  • FIG. 7B is a graph showing the derivative of the switching probability P SW according to the current applied to the conventional structure of FIG. 1 and the new structure according to the present invention of FIG.
  • the Q-factor in the general probability distribution is obtained by dividing the x-axis value of the peak by the width of the distribution function at the point at which the y-axis value is 0.5 (FWHM, full width half maximum). In this experimental example, it is defined as I SW / ⁇ I.
  • the Q-factor is 7.14 and the conventional structure of FIG. 1 is 3.43.
  • the standard deviation ( ⁇ ) obtained from Equation 4 is 1.21 for the new structure, and 2.26 for the conventional structure.
  • the magnetic memory device structure according to the present invention has a high Q-factor. Therefore, it means that the current dispersion required to change the magnetization state in the new structure is small, which is a very excellent characteristic from the commercialization point of view.
  • the cross-sectional area of the entire structure is equally 314 nm 2 in both structures.
  • the temperature of the device is 300 K, and the experiment is repeated 100 times at each applied current to determine the probability that the magnetization direction of the free layer (first free magnetic layer) will switch from the initial direction to the opposite direction. Measured.
  • P-to-AP is applied to the free magnetic layer (first free magnetic layer) by an applied current in a state in which the relative directions of the free magnetic layer (first free magnetic layer) and the fixed magnetic layer (first fixed magnetic layer) before applying current are in parallel. This is the case where magnetization switching occurs and the magnetizations are arranged in a parallel state.
  • AP-to-P is a free magnetic layer (first free magnetic layer) by an applied current in a state in which the relative directions of the free magnetic layer (first free magnetic layer) and the fixed magnetic layer (first fixed magnetic layer) before applying current are antiparallel. This is the case where magnetization switching occurs and magnetization is arranged in parallel.
  • FIG. 8A shows a switching current and a distribution diagram of a magnetic memory device of the conventional structure (FIG. 1), and a switching current according to the saturation magnetization value of the second free magnetic layer 305 for the magnetic memory device of the new structure (FIG. 3).
  • FIG. 1 shows a switching current and a distribution diagram of a magnetic memory device of the conventional structure (FIG. 1), and a switching current according to the saturation magnetization value of the second free magnetic layer 305 for the magnetic memory device of the new structure (FIG. 3).
  • the switching current changes according to the saturation magnetization value M S2 of the second free magnetic layer 305 having horizontal anisotropy.
  • the switching current of the magnetic memory device of the new structure (FIG. 3) according to the present invention is the same as that of the conventional structure (FIG. 1) indicated by solid black lines. Always have a lower value than the value.
  • M S2 exhibits the greatest reduction of switching current at 300-500 kA / m.
  • FIG. 8B shows a distribution diagram of switching currents of the magnetic memory device of the conventional structure (FIG. 1) and the saturation magnetization value of the second free magnetic layer 305 for the magnetic memory device of the structure (FIG. 3) according to the present invention.
  • the magnetic memory device having the new structure according to the present invention can be seen that the switching current and distribution are effectively reduced by the second free magnetic layer 305 having a saturation magnetization value and horizontal magnetization, compared to the existing structure. have.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것으로서, 일정한 포화자화값을 갖는 수평방향 가변 자화층인 자유 자성층을 더 포함하여, 종래 자기 메모리 소자에 비해 스위칭 전류가 현저히 감소하여 소자의 고집적화 구현이 가능하고, 자화 반전에 필요한 임계전류 밀도를 낮추어 소자의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장 효과를 저감하여 기록된 자화정보가 열적으로 안정성을 가진다.

Description

자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자
본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 이방성을 갖는 자유층에 수평 이방성을 가지는 자유자성층을 삽입하여, 전류 주입시 소자 자체적으로 교류 자기장을 유도시켜 임계 전류밀도를 낮출 수 있으며, 자화의 방향이 서로 반대인 두 고정 자성층을 포함하여 고정 자성층으로부터 발생하는 누설 자기장에 의한 소자의 특성이 열화되지 않는 스핀전달토크 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
강자성체는 외부에서 강한 자기장을 인가하지 않더라도 자발적으로 자화가 되어있는 물질을 말한다. 두 강자성체 사이에 비자성체를 삽입한 스핀 밸브 구조 (제1 자성체/비자성체/제2 자성체)에서 두 자성층의 상대적인 자화 방향에 따라 전기 저항이 달라지는 거대 자기저항 효과가 발생하며, 이는 스핀 밸브 구조에서 업스핀과 다운스핀이 느끼는 전기저항이 다르기 때문에 발생한다. 이러한 거대 자기저항 효과는 하드디스크에 기록된 정보를 읽기 위한 센서의 핵심기술로 널리 이용되고 있다.
거대 자기저항 효과는 두 자성층의 상대적인 자화 방향이 전류의 흐름을 제어하는 현상을 기술하는 반면, 뉴턴의 제3 법칙인 작용-반작용 법칙에 따라 인가된 전류를 이용하여 자성층의 자화 방향을 제어하는 것 역시 가능하다. 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하여, 제1 자성체(고정 자성층)에 의해 스핀 분극된 전류가 제2 자성체(자유 자성층)를 통과하면서 자신의 스핀 각운동량을 전달하게 되며, 이를 스핀전달토크(Spin-transfer-torque)라고 한다. 스핀전달토크를 이용하여 자유 자성층의 자화를 반전시키거나 지속적으로 회전시키는 소자가 IBM에서 제안되었으며, 이후 실험적으로 규명되었다. 특히, 스핀전달토크 현상을 이용한 자기 메모리 소자는 DRAM(dynamics random access memory)을 대체한 새로운 메모리 소자로서 각광을 받고 있다.
기본적인 자기 메모리 소자는 상기 기술한 바와 같이 스핀 밸브 구조를 갖는다. 즉, 하기 도 1과 같이 종래의 자기 메모리 소자(100)는 하부 전극 / 제1 자성체(고정 자성층, 101) / 비자성체(102) / 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제 2 자성체(자유 자성층, 103) / 상부 전극의 구조를 갖는다. 외부에서 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 제2 자성체의 자화 반전이 유도되며, 상기 기술한 바와 같이 거대 자기저항 효과에 의해 높은 저항과 낮은 저항이 나타난다. 이를 "0" 또는 "1"의 정보로 기록하는 자기 메모리 소자로 응용이 가능하다.
자유층의 자화를 제어하기 위해 외부 자기장을 이용할 경우, 소자의 크기가 작아질수록 반-선택 셀(half-selected cell)문제가 발생하여 소자의 고집적화에 제약이 따른다. 반면, 소자에 전압을 인가하여 발생하는 스핀전달토크를 이용할 경우에는, 소자의 크기에 무관하게 선택적인 셀의 자화 반전이 용이하다. 상기 기술한 스핀전달토크의 물리적 기구에 따르면, 자유 자성층에 발생하는 스핀전달토크의 크기는 인가된 전류밀도(또는 전압)의 양에 비례하며, 자유 자성층의 자화 반전을 위한 임계 전류밀도가 존재한다. 고정층과 자유층이 모두 수직 이방성을 갖는 물질로 구성한 경우, 임계전류밀도 Jc는 하기 [수학식 1]과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2012003345-appb-M000001
상기 [수학식 1]에서, α는 Gilbert 감쇠상수이며, ħ(=1.05×10-34 J.s)는 Planck 상수를 2π로 나눈 값이고, e(=1.6×10-19 C)는 전자의 전하양, η는 물질 및 소자의 구조에 의해 결정되는 스핀 분극효율 상수, MS는 자유 자성층의 포화자화양, d는 자유 자성층의 두께, HK,eff는 막의 수직방향의 유효이방성 자계 로 HK,eff= HK⊥-4πMS로 정의된다.
소자의 고집적화를 위해 셀의 크기를 줄이게 되면 상온에서의 열에너지에 의해 기록된 자화 방향이 임의적으로 바뀌는 현상이 발생한다. 이는 초상자성 한계로서, 기록된 자기정보가 원하지 않게 지워지는 문제를 야기한다. 열에너지를 극복하여 평균적으로 자화 방향이 유지되는 시간 (τ)은 하기 [수학식 2]와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2012003345-appb-M000002
상기 [수학식 2]에서, τ0는 시도주파수의 역수로 1 ns 정도이며, Keff는 자유 자성층의 유효 자기 이방성 에너지 밀도(=HK,effMS/2), V는 소자의 부피, kB는 볼쯔만 상수(=1.381×10-16 erg/K), T는 캘빈 온도이다.
여기서, KeffV/kBT를 자기 메모리 소자의 열적 안정성 팩터(Δ)로 정의한다. 자기 메모리 소자가 비휘발성 특성을 유지하기 위해서는 일반적으로Δ>50의 조건이 만족되어야 한다. 셀의 크기의 감소에 따라 자유층의 부피 (V)가 감소하게 되면, Δ>50를 만족시키기 위해 Keff를 증가시켜야 한다. 그 결과 상기 [수학식 1]에 따라 Jc가 증가하게 된다.
이와 같이, 자기 메모리 소자의 Δ와 Jc가 모두 Keff에 비례하기 때문에, 소자의 상용화를 위해서는 충분히 높은Δ 와 충분히 낮은 Jc를 만족시켜야 한다. 뿐만 아니라, 일반적으로 CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터 소자에서 제공할 수 있는 전류의 양은 제한되기 때문에, 자유 자성층의 자화반전을 위한 낮은 임계 전류밀도가 요구되며, 소자 구동에 필요한 소비전력을 저감하는 측면에서 임계 전류밀도를 낮추는 것은 필수 요소이다.
즉, 메모리 소자의 크기를 줄이면서 고집적화를 구현하기 위해서는 자유층의 자화반전 임계 전류밀도를 낮추어야 하고, 자유층의 자화반전 임계 전류밀도를 낮추어 기록시 사용되는 전력이 저감 효과까지 발휘할 수 있어야 한다.
상기 기술한 바와 같이 자기 메모리 소자의 임계전류밀도는 유효 자기이방성자계(HK,eff)에 비례하므로, 소자의 임계전류밀도를 낮추기 위해서는 유효 자기이방성 자계(HK,eff)를 효과적으로 줄여야 하고, 이러한 방안으로서, 하드디스크 드라이브의 기록헤드로부터 발생하는 자기장에 더하여 고주파 변조 자기장을 동시에 인가하여 기록 자기장의 크기를 저감시키는 방안이 제안되었는데, 이는 인가된 교류자기장의 주파수가 기록매체 자화의 공진주파수에 근접하여 원래 HK,eff보다 낮은 자기장에서 자화반전이 일어나는 원리를 이용한 것으로서, 전류 구동형 자기 메모리 소자에 동일한 원리를 적용하여 임계전류밀도를 낮추는 방안이 실험적으로 검증되었다. 하지만, 이러한 원리 및 구조는 변조 자기장을 유도하기 위한 추가적인 소자가 반드시 필요하며, 전체 소자의 관점에서 보면 구동 전력의 감소 효과는 미미한 것으로 판명되었다.
또한, 하기 도 1에 기술된 종래 기술은 제1 자성체로부터 발생하는 누설 자기장(stray field)에 의해 제2 자성체의 가 제2 자성체의 자화 방향에 따라 달라지게 된다. 보다 구체적으로 제1 자성체의 자화방향이 막의 두께 방향인 +z 축인 경우, 누설자기장의 방향도 +z 축이 된다. 이런 조건 하에서는 누설 자기장의 영향으로 인하여 제2 자성체의 자화 방향이 -z 축인 경우의 Δ가 +z 축인 경우의 Δ에 비하여 작게 된다. 자기 메모리 소자는 제2 자성체의 방향이 +z 및 -z 방향을 모두 가질 수 있으므로 자화의 열적 안정성은 두 경우 중 보다 작은 Δ에 의해서 결정된다. 따라서, 제1 자성체로부터 발생하는 누설자기장에 의해서 소자의 특성이 열화된다는 문제점이 있다.
또한, 자성층의 포화자화값이 650 emu/cm3 이상이면 해당 자성층이 주위자성층에 미치는 영향이 커져서 소자의 특성상 문제를 일으킬 가능성이 높아지게 된다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자에 있어서, 소자의 고집적화 구현을 가능하도록 하기 위하여 보다 낮은 임계 전류밀도를 갖고, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장에 의한 소자 특성의 열화가 없는 자기 메모리 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,
제1 고정자성층, 제1 자유자성층 및 제2 자유자성층을 포함하는 자기 메모리 소자로서,
상기 제1 고정자성층은 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
상기 제1 자유자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며,
상기 제2 자유자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
상기 제1 고정자성층과 제1 자유자성층 사이 및 제1 자유자성층과 제2 자유자성층 사이에는 각각 제1 비자성층 및 제2 비자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자를 제공하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 자기 메모리 소자는 제2 고정자성층을 더 포함할 수 있고, 이에 따라 상기 제2 자유자성층과 제2 고정자성층 사이에는 제 3 비자성층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 고정 자성층은 상기 제1 고정 자성층과 반대되는 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막일 수 있다.
또한, 상기 제2 자유자성층을 이루는 수평 방향으로 자화되는 물질의 포화 자화값은 300-2000 kA/m일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 1고정자성층 및 제2 고정자성층은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층으로 이루어진 반자성체 구조일 수 있고, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 반강자성층, 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체 구조일 수 있고, 상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어지고, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층은 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있으며, 서로 상이한 다층박막 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어진 층; 및 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 층(n≥1);으로 이루어진 다층박막일 수 있으며, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제2 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 서로 상이한 물질로 이루어지고, 각각 독립적으로 Ru, Cu, Al, Ta, Au, Ag, AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정자성층, 제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정자성층보다 전기전도도가 높거나 또는 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 자기 메모리 소자는 소자에 전류를 공급하는 상부 전극과 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 새로운 구조의 자기 메모리 소자는 일정한 포화자화값을 갖는 수평방향 가변 자화층인 자유 자성층을 더 포함하여, 종래 자기 메모리 소자에 비해 스위칭 전류가 현저히 감소하여 소자의 고집적화 구현이 가능하고, 자화 반전에 필요한 임계전류 밀도를 낮추어 소자의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설자기장 효과를 저감하여 기록된 자화정보가 열적으로 안정성을 가진다.
도 1은 종래의 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스핀전달토크를 이용한 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 도 2에 따른 소자에 대해서 시간에 따른 인가된 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 도 2에 따른 소자에 대해서 제1 자유 자성층의 시간에 따른 자화 거동을 나타낸 그래프이다.
도 4c는 도 2에 따른 소자에 대해서 제2 자유 자성층의 시간에 따른 자화 거동을 나타낸 그래프이다.
도 4d는 도 2에 따른 소자에 대해서 제2 자유 자성층의 세차운동에 따라 제1 자유 자성층에 발생하는 교류 자기장을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 도 1의 구조와 도 2의 구조에 대해서 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 도 1의 구조와 도 2의 구조에 대해서 인가된 전류에 대해 스위칭 확률을 전류로 미분한 값을 나타낸 그래프이다.
도 6는 도 2에 따른 소자에 대해서 제 2 자유 자성층의 포화자화값 및 스핀분극 효율에 대한 자기 메모리 소자의 스위칭 전류를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 도 1의 구조와 도 3의 구조에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (b)는 도 1의 구조와 도 3의 구조에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 전류로 미분한 값을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 도 1 구조의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류 밀도와 도 3 구조의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층의 포화자화값에 대한 스위칭 전류를 나타낸 그래프이다.
도 8b는 도 1 구조의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류 밀도 분포도와 도 3 구조의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층의 포화자화값에 대한 스위칭 전류 밀도 분포도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 자기 메모리 소자에 있어서, 열적 안정성을 유지하면서, 소자의 임계전류밀도를 낮추어 소자의 크기를 줄여 고집적화 구현이 가능하고 기록시 사용 전력 소모를 감소시킨 것을 특징으로 한다. 또한, 고정 자성층으로부터 발생하는 누설 자기장에 의한 소자의 특성이 열화되지 않는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 이를 위하여 소자 자체적으로 교류 자기장을 유도하고, 이를 제어하기 위한 새로운 구조의 자기 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 자기 메모리 소자(200)는 고정 자성층(201), 제1 비자성층(202), 제1 자유 자성층(203), 제2 비자성층(204) 및 제2 자유 자성층(205)을 포함하고, 상기 고정 자성층은 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제1 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제2 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막인 것을 특징으로 한다.
즉, 수직 이방성을 갖는 제 1자유 자성층(203)에 수평 이방성을 갖는 제 2 자유 자성층(205)을 추가적으로 삽입하여, 전류를 인가시 스핀전달토크의 효과로 인해 제 2 자유 자성층 자화가 회전운동을 하게 되고, 직류전류를 인가하여 면내 자화를 갖는 자유층이 높은 주파수로 회전하게 되고, 그 결과 높은 주파수를 갖는 교류자기장이 자체적으로 발생하게 되어 소자의 임계전류밀도를 효과적으로 낮추는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따른 자기 메모리 소자(300)는 제1 고정 자성층(301), 제1 비자성층(302), 제1 자유 자성층(303), 제2 비자성층(304), 제2 자유 자성층(305), 제3 비자성층(306) 및 제2 고정 자성층(307)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 고정 자성층은 서로 반대인 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제1 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며, 상기 제2 자유 자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막인 것을 특징으로 한다.
즉, 수직 이방성을 갖는 제1 자유 자성층(303)에 수평 이방성을 갖는 제2 자유 자성층(305)을 추가로 삽입하여, 전류 인가시 발생하는 스핀전달토크 효과를 통해 제2 자유 자성층이 세차운동을 하며, 이를 통해 발생하는 고주파 교류 자기장이 소자의 임계전류밀도를 낮추는 것이 가능하다.
또한, 제2 자유 자성층의 세차운동에 의한 교류 자기장은 외부에서 인가한 전류와 제2 자유 자성층의 유효 자기장에 의해 결정된다. 특히, 제2 고정 자성층을 삽입함으로서 제2 자유 자성층의 막면에 수직 방향으로 유도 자기장을 발생시킬 수 있다. 따라서, 제2 고정 자유층의 구조 및 물성값에 따라 제2 자유 자성층의 세차운동을 조절할 수 있다. 즉, 외부 전류뿐만 아니라 소자의 구조 및 물성값으로 소자 내에 발생하는 교류 자기장을 조절하는 것이 가능하다.
또한, 제1 고정 자성층의 자화방향과 제2 고정 자성층의 자화방향을 조절하여 제1 자유 자성층에 인가되는 누설자기장을 종래 소자에 비해 줄이는 것이 가능하다. 이를 통해 소자에 기록된 자화정보의 열적 안정성을 개선할 수 있다.
하기 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 스핀전달토크 자기 메모리 소자(200)의 구조를 나타내는 단면도로서, 본 발명에 따른 소자는 기본적으로 하부 전극, 수직방향의 자화를 갖는 고정 자성층(201), 제 1 비자성층(202), 수직 이방성을 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제 1 자유 자성층(203), 제 2 비자성층(204), 수평 자화를 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제 2 자유 자성층(205) 및 상부 전극을 포함하는 구조를 갖는다.
제 1 자유 자성층(203)은 일반적으로 자화를 수직으로 세우려고 하는 수직 결정 이방성 자계(HK⊥=2K⊥/MS)가 자화를 수평으로 눕히려고 하는 형상 이방성 자계(Hd=4πMS)에 비해 현저하게 크기 때문에 자화의 방향이 박막의 수직 방향으로 안정화된다. (즉, HK,eff = HK⊥-Hd = HK⊥-4πMS > 0).
제 2 자유 자성층(205)은 형상 이방성 자계가 자기 이방성 자계에 비해 현저하게 크기 때문에 자화의 방향이 박막의 면내에서 안정화 된다. 따라서, 제 1 자유 자성층(203)과 제 2 자유 자성층(205)의 자화는 전류를 인가하지 않은 상태에서도 큰 각도를 유지하게 된다.
자화 스위칭을 위해 전류를 인가하게 되면, 제 1 자유 자성층(203)은 고정 자성층(201)에 의해 스핀분극된 전자로부터 스핀전달 토크를 받게 된다. 또한. 제 1 자유 자성층(203)과 제 2 자유 자성층(205)은 제 2비자성층(204)을 사이에 두고 있기 때문에, 제 2 자유 자성층(205)은 제 1 자유 자성층(203)에 의해 스핀분극된 전자로부터 스핀전달 토크를 받는다. 즉, 자기 메모리 소자에 전압을 인가하게 되면 제 2 자유 자성층(205)의 자화는 수직방향에 가까운 스핀전달토크를 받게 되어, 고속 회전하게 된다.
따라서, 고속 회전하는 제 2 자유 자성층(205)은 소자에 변조 자기장을 제공하여, 제 1 자유 자성층(203)의 임계전류밀도를 효과적으로 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 소자의 전체 저항이 낮으면 동일한 인가전압에서 보다 많은 양의 전류가 흐르게 되어, 자화 반전에 필요한 전력을 감소시킬 수 있다. 제 1비자성층(202)과 제2 비자성층(204)은 전기전도도가 현저히 높은 금속을 사용할 수 있다.
하기 도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 스핀전달토크 자기 메모리 소자(300)의 구조를 나타내는 단면도로서, 본 발명에 따른 소자는 기본적으로 하부 전극, 수직 방향의 자화를 갖는 제1 고정 자성층(301), 제1 비자성층(302), 수직 이방성을 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제1 자유 자성층(303), 제2 비자성층(304), 수평 이방성을 갖고 전류에 의해 자화의 방향이 변하는 제2 자유 자성층(305), 제3 비자성층(306), 수직 방향의 자화를 갖는 제2 고정 자성층(307) 및 상부 전극을 포함하는 구조를 가진다.
제1 자유 자성층(303)은 자화를 수직으로 세우려는 수직 결정 이방성 자계 (HK⊥=2K⊥/MS)가 자화를 수평으로 눕히려고 하는 형상 이방성자계(Hd=4πMS)에 비해 현저하게 크기 때문에, 자화의 방향이 막면에 대해 수직 방향으로 안정화된다. (즉, HK,eff = HK⊥-Hd = HK⊥-4πMS > 0). 반면, 제2 자유 자성층(305)은 형상 이방성 자계에 의해 박막의 면내에서 안정화되며, 그 결과 외부 자기장 또는 전류를 인가하지 않더라도 두 자유 자성층은 큰 각도를 유지하게 된다.
자화 반전을 위해 전류를 인가하게 되면, 제1 자유 자성층(303)은 제1 고정 자성층(301)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크를 받게 되며, 제1 자유 자성층(303)과 제2 자유 자성층(305)는 제2 비자성층(304)을 사이에 두고 있기 때문에, 제2 자유 자성층(305)은 제1 자유 자성층(303)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크를 받는다. 따라서, 자기 메모리 소자에 전압을 인가하게 되면, 제2 자유 자성층(305)의 자화는 수직 방향에 가까운 성분의 스핀전달토크를 받게 되며, 그 결과 자화가 고속 회전하게 된다.
또한, 제2 자유 자성층(305)과 제2 고정 자성층(307)은 제3 비자성체(306)를 사이에 두고 있기 때문에, 제2 고정 자성층(307)에 의해 스핀분극된 전류로부터 스핀전달토크 및 유도 자기장을 받게 되며, 이들은 인가된 전류의 방향에 의해 서로 평행 또는 반평행하며, 막면의 수직 방향으로 작용한다. 따라서, 상기 기술한 고주파 교류 자기장의 주파수 및 크기에 영향을 미친다.
따라서, 고속 회전하는 제2 자유 자성층(305)은 소자에 변조 자기장을 제공하여, 제1 자유 자성층(303)의 임계전류밀도를 효과적으로 감소시키는 효과를 제공하며, 제2 고정 자성층을 통해 인가된 전류 및 유도 자기장을 이용하여 변조 자기장을 효과적으로 조절할 수 있다. 또한 제1 고정 자성층의 자화방향과 제2 고정 자성층의 상대적인 자화방향을 조절하여 제1 자유 자성층에 인가되는 누설자기장을 종래 소자에 비해 줄이는 것이 가능하다. 이를 통해 소자에 기록된 자화정보의 열적 안정성을 개선할 수 있다.
제1 비자성층(202, 302), 제2 비자성층(204, 304) 및 제3 비자성층(306)은 전기전도도가 현저히 높은 금속을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 전기전도도가 현저히 낮은 물질을 사용할 수 있는데, 이는 동일 전압 하에서 전류는 감소하지만, 전자의 터널링 효과에 의해 자화 회전에 따른 자기저항의 차이가 매우 커지게 되므로 높은 자기 저항비를 얻을 수 있다. 따라서, 제1 비자성층(202), 제2 비자성층(204) 및 제3 비자성층(206) 중 적어도 하나 또는 상기 3개의 비자성층 모두에 전기전도도가 현저히 낮은 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자에서는 높은 전류밀도를 얻기 위하여, 패터닝 기술을 이용하여 가능한 한 작은 크기의 구조를 구현해야 한다. 이때, 면내 자기 형상 이방성이 어느 방향에서도 동일하여 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)의 자화의 고속 회전이 용이하도록 소자의 단면이 가능한 원에 가까운 것이 바람직하다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
본 발명에 따른 자기 메모리 소자의 효과를 자화의 운동방정식을 이용한 미소자기모델링을 통해서 확인하였다. 이러한 방식은 기존의 컴퓨터 하드디스크 개발 및 스핀전달토크 연구를 통해 정당성이 충분히 확보되었다.
자화의 운동방정식은 하기 [수학식 3]과 같다.
수학식 3
Figure PCTKR2012003345-appb-M000003
상기 [수학식 3]에서,
m1과 m2는 각각 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)의 단위 자화벡터, γ는 자기회전상수, H1 eff과 H2 eff는 각각 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)의 모든 유효 자기장벡터, α는 Gilbert 감쇠상수이며,ħ (=1.05×10-34 J·s)는 Planck 상수를 2π로 나눈 값이고, e(=1.6×10-19 C)는 전자의 전하양, η1,η2 및 η3는 물질 및 소자의 전체 구조에 의해 결정되는 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)에서의 스핀 분극효율 상수, je는 인가 전류밀도, MS1과 MS2는 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)의 포화 자화값, d1과 d2는 각각 제1 자유 자성층(203, 303) 및 제2 자유 자성층(205, 305)의 두께를 나타낸다. P1은 제1 고정 자성층(201, 301)에서 제1 자유 자성층(203, 303)으로 입사하는 스핀분극 전류의 스핀방향을 나타내는 단위 벡터이며, P2는 제2 고정 자성층(307)에서 제2 자유 자성층(305)으로 입사하는 스핀분극 전류의 스핀방향을 나타내는 단위 벡터이다. 여기서, P1 및 P2는 막의 두께 방향인 z-축에 평행한 단위 벡터이다.
실험예1. 본 발명에 따른 소자에 대해 전류를 인가함에 따라 발생하는 제 1 자유 자성층 및 제 2 자유 자성층 자화의 시간에 따른 거동
(1) 하기 도 2와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자에 대해 전류를 인가할 경우 수직 이방성을 갖는 제 1 자유 자성층 및 수평 이방성을 갖는 제 2 자유 자성층의 자화 거동이 개시된다.
(2) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적=314 nm2,
고정 자성층(201)/제 1 비자성층(202)/제 1 자유 자성층(203): "두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수(K⊥) = 6×106 erg/cm3, 포화자화값 (MS1) = 1000 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0"
제 2 비자성층(204): 두께 t=1 nm
제 2 자유 자성층(205): "두께 (t) = 1 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 erg/cm3, 포화자화값 (MS2) = 700 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η2) = 1.0"
(3) 하기 도 4a는 시간에 따른 인가된 전류를 도시한 그래프이다. 자화의 스위칭 거동을 살펴보기 위해 rise time이 40 ps 이고, 너비가 5ns인 전류 펄스를 인가하였다.
하기 도 4b는 시간에 따른 제 1 자유 자성층(203)의 자화 거동을 도시한 그래프이다.
하기 도 4b를 참조하면, 막면에 수평방향인 x-성분은 시간에 대해 진동을 하고, t = 1ns 부근에서, z-성분이 +1000 emu/cm3에서 -1000 emu/cm3으로 바뀌는 것을 볼 수 있다. 이는 자화 성분이 인가된 전류에 의해 스위칭이 된 것을 의미한다.
하기 도 4c는 시간에 따른 제 2 자유 자성층(205)의 자화 거동을 도시한 그래프이다.
하기 도 4c를 참조하면, 제 2 자유 자성층(205)은 자화가 면내 성분 (= x축 성분)이 수직성분 (= z 축 성분)에 비해 매우 크며, 제 1 자유 자성층 (203)의 자화와 같은 주기로 시간에 대해 진동하는 거동을 보여준다. 이러한 제 2 자유 자성층(205)의 시간에 따른 진동, 즉 세차운동은, 전체 구조에 전류를 인가하였을 때, 수직방향으로 자화되어있는 제 1 자유 자성층(203)에 의한 스핀분극된 수직방향 스핀토크에 의해 발생한다.
하기 도 4d는 시간에 따른 제 2 자유 자성층(205)의 세차운동에 의해 제 1 자유 자성층(203)에 발생하는 교류자기장을 도시한 그래프이다. 이러한 교류자기장은 제 2 자유 자성층(205)의 자화가 제 1 자유 자성층(203)의 위치에 만들어내는 자기장이며, 이는 제 2 자유 자성층(205) 자화의 시간에 따른 세차운동을 하기 때문에 발생한다.
하기 도 4d를 참조하면, x-성분을 갖는 200 Oe 정도 크기의 교류 자기장이 본 발명에 따른 자기 메모리 소자 구조에서 자체적으로 발생하는 것을 의미한다. 따라서, 종래의 소자 구조와 달이 본 발명에 따른 소자 구조에서는, 제 1 자유 자성층(203)의 자화를 반전시키기 위한 전류밀도를 낮추기 위해, 소자 외부에 추가적으로 교류자기장을 만들어내는 장치가 필요하지 않은 것이다.
즉, 제 2 자유 자성층(205)은 면내 성분이 큰 세차운동을 하기 때문에, 제 1 자유 자성층에 유도된 교류 자기장은 x-성분이 z-성분에 비해 매우 크게 나타난다. 결과적으로 유도 자기장은 제 1 자유 자성층(203)의 자화 용이축 (z-축)의 이방성 에너지를 감소시켜, 제 1 자유 자성층(203)의 자화 스위칭을 용이하게 한다.
실험예 2. 종래 구조에 따른 소자 및 본 발명에 따른 소자에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률 측정
(1) 하기 도 1의 종래 구조와 하기 도 2에 개시된 본 발명에 따른 새로운 구조의 소자에 대해 스위칭 전류를 개시한다.
(2) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적은 두 구조에서 동일하게 314 nm2 이다.
하기 도 1의 종래 구조는 고정 자성층(101)/비자성층(102)/자유 자성층 (103): " 두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 6×106 erg/cm3, 포화자화값 (MS1) = 1000 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0 "
하기 도 2의 본 발명에 따른 새로운 구조의 물성값은 다음과 같다.
고정 자성층(201)/제 1 비자성층(202)/제 1 자유 자성층(203): "두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 6×106 erg/cm3, 포화자화값 (MS1) = 1000 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0"
제 2 비자성층(204): 두께 t=1 nm
제 2 자유 자성층(205): "두께 (t) = 1 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 erg/cm3, 포화자화값 (MS2) = 700 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η2) = 1.0"
종래 구조와 본 발명에 따른 새로운 구조에서 공통적으로 포함된 고정 자성층, 제 1 비자성층(비자성층) 및 자유 자성층(제1자유 자성층)는 동일한 구조 및 물성 값을 갖는다.
(3) 본 실험예에서 고려한 소자의 온도는 300 K 이며, 각각의 인가 전류에서 100회의 실험을 반복하여 자화가 스위칭이 될 확률을 측정하였다.
하기 도 5a는 본 발명에 따른 새로운 구조(도 2)와 종래 구조(도 1)에 대해 인가된 전류에 따른 스위칭 확률 (PSW)을 도시한 그래프이다.
하기 도 5a를 참조하면, 스위칭 전류는 스위칭 확률(PSW)이 0.5인 전류로 정의되는데, 새로운 구조에서는 스위칭 전류가 7.9 ㎂ 이고, 기존 구조에서는 17.6 ㎂ 이었다. 즉, 스위칭 전류가 약 55% 정도 감소한 것을 의미한다.
하기 도 5b는 하기 도 5a에 도시된 스위칭 확률을 전류로 미분한 값을 도시한 그래프이다.
하기 도 5b를 참조하면, 일반적인 확률 분포에서 Q-인자는 피크의 x-축 값을 y-축 값이 0.5인 지점(FWHM, full width half maximum)에서 분포 함수의 폭으로 나눈 값이며, 본 실험 예에서는 IC/ΔI로 정의된다. 본 발명에 따른 하기 도 2의 새로운 구조의 경우 Q-인자는 13.5이고, 도 1의 종래 구조는 3.6을 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 자기 메모리 소자 구조의 높은 Q-인자는 스위칭 확률 분포가 작은 것을 의미하며, 이는 자화상태를 바꾸기 위해 인가하여야 하는 전류의 분산이 작다는 것을 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 자기 메모리 소자 구조가 상용화 관점에서 매우 우수함을 알 수 있다.
실험예 3. 본 발명에 따른 소자에 대한 제 2 자유 자성층(205)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류 측정
(1) 본 발명에 따른 새로운 구조에서 제 2 자유 자성층(205)의 포화자화값 (Ms2)에 따른 스위칭 전류의 변화를 개시한다.
(2) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적=314 nm2
고정 자성층(201)/제 1 비자성층(202)/제 1 자유 자성층(203): "두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 6×106 erg/cm3, 포화자화값 (MS1) = 1000 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0"
제 2 비자성층(204): 두께 t=1 nm
제 2 자유자성층(205): "두께 (t) = 1 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 erg/cm3, 포화자화값 (MS2) = 0-2000 emu/cm3, Gilbert 감쇠상수(α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η2)=0-1.0"
본 실험예에서 고려한 소자의 온도는 300K이고, 스위칭 전류는 상기 실험예 2와 같이, 각각의 인가 전류에서 실험을 100회 실시 후 스위칭 확률을 측정하였다.
하기 도 6은 제 2 자유 자성층(205)의 포화자화값 및 스핀분극 효율에 대한 스위칭 전류를 도시한 그래프이다.
하기 도 6을 참조하면, 수평 이방성을 갖는 제 2 자유 자성층(205)의 포화자화값(MS2) 에 따라 스위칭 전류가 변하는 것을 알 수 있다. 여기서, MS2가 0 emu/cm3인 경우가 수평이방성을 갖는 제 2 자유 자성층이 없는 구조, 즉 하기 도 1에 개시된 종래 자기 메모리 소자 구조에 해당한다. 본 발명에 따르면, MS2가 300 emu/cm3 이상인 경우 제 2 자유 자성층(205)의 스핀분극 효율과 무관하게 기존 구조에 비해 스위칭 전류가 감소하며, 특히 MS2가 300~500 emu/cm3에서 스위칭 전류의 저감 효과가 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 제 1 자유 자성층(203)의 스위칭 전류를 감소시키기 위해서는 제 2 자유자성층(205)의 유도 교류 자기장이 필요하다. 본 실험예와 같이 제 2 자유 자성층(205)의 포화자화값 (MS2)이 300 emu/cm3 이상에서 스위칭 전류밀도 감소 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 새로운 자기 메모리 소자 구조는 일정 이상의 포화자화값을 갖고 수평 자화를 갖는 제 2 자유 자성층(205)을 삽입함으로써, 기존 구조에 비해 스위칭 전류가 효과적으로 감소하였음을 알 수 있다.
실험예 4. 종래 구조에 따른 소자 및 본 발명에 따른 소자에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률 측정
(1) 하기 도 1의 종래 구조와 하기 도 3에 개시된 본 발명에 따른 새로운 구조의 소자에 대해 인가된 전류에 대한 스위칭 확률을 개시한다.
(2) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적은 두 구조에서 동일하게 314 nm2이다.
하기 도 1의 종래 구조는 고정 자성층(101) / 비자성층(102) / 자유 자성층(103) [두께 (t) = 3 nm , 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 kA/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0] 이다.
하기 도 3의 본 발명에 따른 새로운 구조는 제1 고정 자성층(301) / 제1 비자성체(302) [두께 (t) = 1 nm ] / 제1 자유 자성층(303) [두께 (t) = 3 nm , 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 kA/m, Gilbert 감쇠상수 (a) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (1) = 1.0] / 제2 비자성층(304) [두께 (t) = 1 ] / 제2 자유 자성층(305) [두께 (t) = 1 , 수직 이방성 상수 (K) = 0 erg/, 포화자화값 (MS2) = 800 /m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 제1 자유 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η2) = 1.0, 제2 고정 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η3) = 0] / 제3 비자성층(306) [두께 (t) = 1 nm] / 제2 고정 자성층(307) [두께 (t) = 3 nm, 포화자화값 (MS) = 1100 kA/m] 이다. 따라서, 종래 구조와 본 발명에 따른 새로운 구조에서 공통적으로 포함된 고정층(제1 고정 자성층), 비자성층(제1 비자성층) 및 자유 자성층 (제1 자유 자성층)은 동일한 구조 및 물성 값을 갖는다.
(3) 본 실험예에서 소자의 온도는 300 K이며, 각각의 인가 전류에서 100 회의 실험을 반복하여 자유층(제1 자유층)의 자화의 방향이 초기 방향에서 반대 방향으로 스위칭이 될 확률을 측정하였다.
하기 도 7의 (a)는 도 1의 종래 구조와 도 3의 본 발명에 따른 새로운 구조에 대해 인가된 전류에 따른 스위칭 확률 (PSW)을 도시한 그래프이다. 여기서, 실선은 하기 누적 분포 함수인 [수학식 4]를 fitting한 값을 나타낸다.
수학식 4
Figure PCTKR2012003345-appb-M000004
상기 [수학식 4]에서, Iapp는 인가된 전류밀도, ISW는 스위칭 전류밀도, σ는 확률분포의 표준 편차이다.
하기 도 7의 (a)를 참조하면, 스위칭 전류는 스위칭 확률 (PSW)이 0.5인 전류로 정의되며, 상기 [수학식 4]를 fitting하여 얻어진다. 본 발명에 따른 구조에서는 스위칭 전류가 10.1 ㎂이고, 종래 구조에서는 18.36 ㎂이다. 즉, 본 발명에 따른 구조를 적용한 자기 메모리 소자의 스위칭 전류가 약 45% 정도 감소하였다.
하기 도 7의 (b)는 도 1의 종래 구조와 도 3의 본 발명에 따른 새로운 구조에 대해 인가된 전류에 따른 스위칭 확률 (PSW)을 전류로 미분한 값을 도시한 그래프이다.
하기 도 7의 (b)를 참조하면, 일반적인 확률 분포에서 Q-인자는 피크의 x-축 값을 y-축 값이 0.5인 지점(FWHM, full width half maximum)에서 분포 함수의 폭으로 나눈 값이며, 본 실험예에서는 ISW/ΔI로 정의된다. 본 발명에 따른 하기 도 3의 새로운 구조의 경우 Q-인자는 7.14이고, 도 1의 종래의 구조는 3.43이다. 또한, 상기 [수학식 4]로부터 구한 표준 편차 (σ)는 새로운 구조는 1.21이고, 종래 구조의 경우 2.26이다.
본 발명에 따른 자기 메모리 소자 구조는 높은 Q-인자의 특성을 갖는다. 따라서, 새로운 구조에서 자화상태를 바꾸기 위해 필요한 전류의 분산이 작다는 것을 의미하는 것으로서, 이는 상용화 관점에서 매우 우수한 특성이다.
실험예5. 종래 구조에 따른 소자의 스위칭 전류 및 본 발명에 따른 소자에 대한 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류 및 분포도 측정
(1) 하기 도 1의 종래 구조의 스위칭 전류 및 분포도를 개시한다.
(2) 하기 도 3에 개시된 본 발명에 따른 새로운 구조의 소자에 대한 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값(MS2)에 따른 스위칭 전류 및 분포도의 변화를 개시한다.
(3) 소자의 구조와 물성 값은 다음과 같다.
전체 구조의 단면적은 두 구조에서 동일하게 314 nm2이다.
하기 도 1의 종래 구조는 고정 자성층(101) / 비자성층(102) / 자유 자성층(103) [두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 kA/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0]이다. 즉, 상기 실험예 1에서 고려한 구조 및 물성 값과 동일하다.
하기 도 3의 본 발명에 따른 새로운 구조는 제1 고정 자성층(301) / 제1 비자성체(302) [두께 (t) = 1 nm] / 제1 자유 자성층(303) [두께 (t) = 3 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 7×105 J/㎥, 포화자화값 (MS1) = 1100 kA/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 스핀분극효율 상수 (η1) = 1.0] / 제2 비자성층(304) [두께 (t) = 1 nm] / 제2 자유 자성층(305) [두께 (t) = 1 nm, 수직 이방성 상수 (K⊥) = 0 J/㎥, 포화자화값 (MS2) = 0 - 1500 kA/m, Gilbert 감쇠상수 (α) = 0.01, 제1 자유 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η2) = 1.0, 제2 고정 자성층에 의한 스핀 분극효율 상수 (η3) = 0] / 제3 비자성층(306) [두께 (t) = 1 nm] / 제2 고정 자성층(307) [두께 (t) = 3 nm, 포화자화값 (MS) = 1100 kA/m] 이다.
(4) 본 실험예에서 소자의 온도는 300 K이며, 각각의 인가 전류에서 100 회의 실험을 반복하여 자유층(제1 자유 자성층)의 자화의 방향이 초기 방향에서 반대 방향으로 스위칭이 될 확률을 측정하였다.
(5) 자기 메모리 소자는 고정 자성층과 자유 자성층의 상대적인 방향에 따라 두 가지 경우의 스위칭이 발생한다.
P-to-AP는 전류를 인가하기 전의 자유 자성층 (제1 자유 자성층)과 고정 자성층 (제1 고정 자성층)의 상대적인 방향이 평행한 상태에서, 인가 전류에 의해 자유 자성층 (제1 자유 자성층)의 자화 스위칭이 발생하여 반 평행한 상태로 자화가 배열되는 경우이다.
AP-to-P는 전류를 인가하기 전의 자유 자성층 (제1 자유 자성층)과 고정 자성층 (제1 고정 자성층)의 상대적인 방향이 반평행한 상태에서, 인가 전류에 의해 자유 자성층 (제1 자유 자성층)의 자화 스위칭이 발생하여 평행한 상태로 자화가 배열되는 경우이다.
하기 도 8a는 종래 구조(도 1)의 자기 메모리 소자에 대한 스위칭 전류 및 분포도, 새로운 구조(도 3)의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류를 도시한 그래프이다.
하기 도 8a를 참조하면, 수평 이방성을 갖는 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값(MS2)에 따라 스위칭 전류가 변하는 것을 알 수 있다. 본 실험예에 따르면, 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값과 무관하게 본 발명에 따른 새로운 구조(도 3)의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류는 검은색 실선으로 표시된 종래 구조(도 1)의 값에 비해 항상 낮은 값을 갖는다. 특히, MS2가 300-500 kA/m에서 스위칭 전류의 저감 효과가 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 하기 도 8b는 종래 구조(도 1)의 자기 메모리 소자의 스위칭 전류의 분포도 및 본 발명에 따른 구조(도 3)의 자기 메모리 소자에 대해 제2 자유 자성층(305)의 포화자화값에 따른 스위칭 전류의 분포도를 도시한 그래프이다.
하기 도 8b를 참조하면, 상기 예시된 스위칭 전류값과 유사한 경향성을 보인다. 본 발명에 따라 새로운 구조를 적용한 자기 메모리 소자의 경우 종래 구조에 비해 작은 스위칭 전류 분포도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히, MS2가 300 kA/m 이상에서 50% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
이와 같이, 본 발명에 따른 새로운 구조의 자기 메모리 소자는 일정 이상의 포화자화값을 갖고 수평 자화를 갖는 제2 자유 자성층 (305)에 의해, 기존 구조에 비해 스위칭 전류 및 분포도가 효과적으로 감소하였음을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 제1 고정자성층, 제1 자유자성층 및 제2 자유자성층을 포함하는 자기 메모리 소자로서,
    상기 제1 고정자성층은 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
    상기 제1 자유자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며,
    상기 제2 자유자성층은 외부에서 인가되는 전류에 의해서 자화 방향이 변하고, 막면에 대하여 수평 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이고,
    상기 제1 고정자성층과 제1 자유자성층 사이 및 제1 자유자성층과 제2 자유자성층 사이에는 각각 제1 비자성층 및 제2 비자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 메모리 소자는 제2 고정자성층을 더 포함하고, 상기 제2 자유자성층과 제2 고정자성층 사이에는 제 3 비자성층을 더 포함하며,
    상기 제2 고정 자성층은 상기 제1 고정 자성층과 반대되는 고정 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 수직 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평 방향으로 자화되는 물질의 포화 자화값은 300-2000 kA/m인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1고정자성층 및 제2 고정자성층은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Tb, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  6. 제 1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층으로 이루어진 반자성체 구조로서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것으로 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층 모두 또는 이 중 어느 하나는 반강자성층, 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체 구조로서,
    상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어지고,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 자성층 및 제2 자성층은 중 적어도 하나 이상은 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 다층박막(n≥1)이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것으로 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 고정자성층 및 제2 고정자성층은 서로 상이한 물질로 이루어지며, 서로 상이한 다층박막 구조인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어진 층; 및 X층 및 Y층으로 이루어진 2중층이 n개 적층되어 이루어진 층(n≥1);으로 이루어진 다층박막이고, 상기 X층 및 Y층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt 및 Pd 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 서로 상이한 물질로 이루어지고, 각각 독립적으로 Ru, Cu, Al, Ta, Au, Ag, AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정자성층, 제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정자성층보다 전기전도도가 높은 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 비자성층, 제2 비자성층 및 제3 비자성층은 상기 제1 고정자성층, 제1 자유 자성층, 제2 자유 자성층 및 제2 고정자성층보다 전기전도도가 낮은 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 메모리 소자는 소자에 전류를 공급하는 상부 전극과 하부 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
PCT/KR2012/003345 2011-05-12 2012-04-30 자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자 Ceased WO2012153926A2 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014510243A JP6028018B2 (ja) 2011-05-12 2012-04-30 磁気共鳴歳差現象と２重スピンフィルター効果とを利用するスピン伝達トルク磁気メモリ素子
US14/116,959 US20140159175A1 (en) 2011-05-12 2012-04-30 Spin transfer torque magnetic memory device using magnetic resonance precession and the spin filtering effect
US14/814,163 US9478729B2 (en) 2011-05-12 2015-07-30 Spin transfer torque magnetic memory device using magnetic resonance precession and the spin filtering effect

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2011-0044587 2011-05-12
KR1020110044587A KR101195041B1 (ko) 2011-05-12 2011-05-12 자기 공명 세차 현상을 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/116,959 A-371-Of-International US20140159175A1 (en) 2011-05-12 2012-04-30 Spin transfer torque magnetic memory device using magnetic resonance precession and the spin filtering effect
US14/814,163 Division US9478729B2 (en) 2011-05-12 2015-07-30 Spin transfer torque magnetic memory device using magnetic resonance precession and the spin filtering effect

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2012153926A2 true WO2012153926A2 (ko) 2012-11-15
WO2012153926A3 WO2012153926A3 (ko) 2013-01-17

Family

ID=47139766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2012/003345 Ceased WO2012153926A2 (ko) 2011-05-12 2012-04-30 자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자

Country Status (4)

Country Link
US (2) US20140159175A1 (ko)
JP (1) JP6028018B2 (ko)
KR (1) KR101195041B1 (ko)
WO (1) WO2012153926A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015103755A (ja) * 2013-11-27 2015-06-04 富士通株式会社 磁気抵抗メモリ素子および磁気抵抗メモリ

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5982794B2 (ja) * 2011-11-30 2016-08-31 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置
US9013916B2 (en) * 2012-05-31 2015-04-21 Northrop Grumman Systems Corporation Josephson magnetic memory cell system
JP6018599B2 (ja) * 2014-03-20 2016-11-02 株式会社東芝 不揮発性記憶装置
KR20160019253A (ko) * 2014-08-11 2016-02-19 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
KR101721618B1 (ko) * 2015-03-18 2017-03-30 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
WO2016148393A1 (ko) * 2015-03-18 2016-09-22 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
KR101698532B1 (ko) * 2015-03-18 2017-01-20 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
WO2016148394A1 (ko) * 2015-03-18 2016-09-22 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
KR101756883B1 (ko) * 2015-03-18 2017-07-12 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
US10580964B2 (en) 2015-03-18 2020-03-03 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Memory device
US9728712B2 (en) 2015-04-21 2017-08-08 Spin Transfer Technologies, Inc. Spin transfer torque structure for MRAM devices having a spin current injection capping layer
US10468590B2 (en) 2015-04-21 2019-11-05 Spin Memory, Inc. High annealing temperature perpendicular magnetic anisotropy structure for magnetic random access memory
US9853206B2 (en) * 2015-06-16 2017-12-26 Spin Transfer Technologies, Inc. Precessional spin current structure for MRAM
US9773974B2 (en) 2015-07-30 2017-09-26 Spin Transfer Technologies, Inc. Polishing stop layer(s) for processing arrays of semiconductor elements
US10134808B2 (en) 2015-11-02 2018-11-20 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction (MTJ) devices with heterogeneous free layer structure, particularly suited for spin-torque-transfer (STT) magnetic random access memory (MRAM) (STT MRAM)
US9741926B1 (en) 2016-01-28 2017-08-22 Spin Transfer Technologies, Inc. Memory cell having magnetic tunnel junction and thermal stability enhancement layer
WO2017169291A1 (ja) * 2016-03-30 2017-10-05 ソニー株式会社 磁気抵抗素子、メモリ素子及び電子機器
US10665777B2 (en) * 2017-02-28 2020-05-26 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with non-magnetic insertion layer for MRAM
US10672976B2 (en) * 2017-02-28 2020-06-02 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with high in-plane magnetization for MRAM
US10510390B2 (en) * 2017-06-07 2019-12-17 International Business Machines Corporation Magnetic exchange coupled MTJ free layer having low switching current and high data retention
US10332576B2 (en) * 2017-06-07 2019-06-25 International Business Machines Corporation Magnetic exchange coupled MTJ free layer with double tunnel barriers having low switching current and high data retention
US10339993B1 (en) 2017-12-30 2019-07-02 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with skyrmionic assist layers for free layer switching
US10468588B2 (en) 2018-01-05 2019-11-05 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with skyrmionic enhancement layers for the precessional spin current magnetic layer
CN110419116B (zh) * 2018-02-28 2022-11-15 Tdk株式会社 自旋元件的稳定化方法及自旋元件的制造方法
US10686123B2 (en) * 2018-08-16 2020-06-16 International Business Machines Corporation Multilayered magnetic free layer structure for spin-transfer torque (STT) MRAM
US11195991B2 (en) * 2018-09-27 2021-12-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Magnetic random access memory assisted devices and methods of making
US10580827B1 (en) 2018-11-16 2020-03-03 Spin Memory, Inc. Adjustable stabilizer/polarizer method for MRAM with enhanced stability and efficient switching
US10862022B2 (en) 2018-12-06 2020-12-08 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with magnetically coupled assist layers and methods of operating the same
US10811596B2 (en) 2018-12-06 2020-10-20 Sandisk Technologies Llc Spin transfer torque MRAM with a spin torque oscillator stack and methods of making the same
US10797227B2 (en) 2018-12-06 2020-10-06 Sandisk Technologies Llc Spin-transfer torque MRAM with a negative magnetic anisotropy assist layer and methods of operating the same
KR102710350B1 (ko) 2019-10-02 2024-09-27 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
GB2588151B (en) * 2019-10-09 2022-05-04 Huo Suguo Hybrid perpendicular and in-plane STT-MRAM

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6765819B1 (en) * 2002-07-25 2004-07-20 Hewlett-Packard Development Company, Lp. Magnetic memory device having improved switching characteristics
KR100544690B1 (ko) * 2003-04-25 2006-01-24 재단법인서울대학교산학협력재단 비휘발성 자기 메모리 셀, 동작 방법 및 이를 이용한다진법 비휘발성 초고집적 자기 메모리
US7573737B2 (en) 2003-08-19 2009-08-11 New York University High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US6937497B1 (en) * 2004-11-18 2005-08-30 Maglabs, Inc. Magnetic random access memory with stacked toggle memory cells
JP2007081280A (ja) * 2005-09-16 2007-03-29 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
US7732881B2 (en) 2006-11-01 2010-06-08 Avalanche Technology, Inc. Current-confined effect of magnetic nano-current-channel (NCC) for magnetic random access memory (MRAM)
US20080246104A1 (en) * 2007-02-12 2008-10-09 Yadav Technology High Capacity Low Cost Multi-State Magnetic Memory
US20070297220A1 (en) * 2006-06-22 2007-12-27 Masatoshi Yoshikawa Magnetoresistive element and magnetic memory
JP4874884B2 (ja) * 2007-07-11 2012-02-15 株式会社東芝 磁気記録素子及び磁気記録装置
WO2009020251A1 (en) 2007-08-07 2009-02-12 Chang Young Choi Nonflammable paint composition
US7982275B2 (en) * 2007-08-22 2011-07-19 Grandis Inc. Magnetic element having low saturation magnetization
JP5360599B2 (ja) 2007-10-25 2013-12-04 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP4724196B2 (ja) * 2008-03-25 2011-07-13 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5370907B2 (ja) * 2008-04-03 2013-12-18 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
US7985994B2 (en) * 2008-09-29 2011-07-26 Seagate Technology Llc Flux-closed STRAM with electronically reflective insulative spacer
KR101178767B1 (ko) 2008-10-30 2012-09-07 한국과학기술연구원 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조
JP2010016408A (ja) * 2009-10-19 2010-01-21 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP5485846B2 (ja) 2010-09-17 2014-05-07 富士通テン株式会社 情報記録装置
JP5085703B2 (ja) * 2010-09-17 2012-11-28 株式会社東芝 磁気記録素子および不揮発性記憶装置
JP5514059B2 (ja) * 2010-09-17 2014-06-04 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015103755A (ja) * 2013-11-27 2015-06-04 富士通株式会社 磁気抵抗メモリ素子および磁気抵抗メモリ

Also Published As

Publication number Publication date
KR101195041B1 (ko) 2012-10-31
JP2014517516A (ja) 2014-07-17
US20140159175A1 (en) 2014-06-12
US9478729B2 (en) 2016-10-25
JP6028018B2 (ja) 2016-11-16
WO2012153926A3 (ko) 2013-01-17
US20150340595A1 (en) 2015-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012153926A2 (ko) 자기 공명 세차 현상과 이중 스핀 필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자
WO2014046361A1 (ko) 면내 전류와 전기장을 이용한 자기메모리 소자
JP4714918B2 (ja) スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置
WO2016182354A1 (ko) 자기 메모리 소자
KR102006671B1 (ko) 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치
WO2019177204A1 (ko) 저전력 테라헤르쯔 자기 나노 발진 소자
KR20160134598A (ko) 자기 메모리 소자
KR20200132623A (ko) 스핀-전하 변환 기반의 스핀 로직 소자 및 그 동작 방법
WO2020254905A1 (en) Control of switching trajectory in spin orbit torque devices
Huy et al. Integration of BiSb topological insulator and CoFeB/MgO with perpendicular magnetic anisotropy using an oxide interfacial layer for ultralow power SOT-MRAM cache memory
Lin et al. Experimental demonstration of integrated magneto-electric and spin-orbit building blocks implementing energy-efficient logic
KR101375871B1 (ko) 자기 공명과 이중 스핀필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자
Matsumoto et al. Efficiency of spin-transfer-torque switching and thermal-stability factor in a spin-valve nanopillar with first-and second-order uniaxial magnetic anisotropies
WO2014046360A1 (ko) 면내 전류와 전기장을 이용한 수평형 자기메모리 소자
WO2019203454A1 (ko) 자기 소자
CN115411178A (zh) 真随机数发生器及产生真随机数的方法
US7459998B2 (en) Control device for reversing the direction of magnetisation without an external magnetic field
WO2021153920A1 (ko) 자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법
WO2018021706A1 (ko) 자기 나노 발진 소자
WO2017164646A2 (ko) 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
de Orio et al. About the switching energy of a magnetic tunnel junction determined by spin-orbit torque and voltage-controlled magnetic anisotropy
JP2005503034A (ja) 磁気抵抗記憶セルの記憶層におけるバイアス磁界の補償
WO2010079881A2 (ko) 자벽이동 기억 장치 및 그 동작 방법
Klostermann et al. Magnetization reversal of sub-micron ferromagnetic tunnel junctions in external magnetic fields
Hao et al. Detection of interfacial spin accumulation induced by anomalous Hall effect in ferromagnets

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12782792

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014510243

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14116959

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12782792

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2