WO2019151696A1 - 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자 - Google Patents

교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자 Download PDF

Info

Publication number
WO2019151696A1
WO2019151696A1 PCT/KR2019/000878 KR2019000878W WO2019151696A1 WO 2019151696 A1 WO2019151696 A1 WO 2019151696A1 KR 2019000878 W KR2019000878 W KR 2019000878W WO 2019151696 A1 WO2019151696 A1 WO 2019151696A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
conductive line
free layer
layer
magnetic
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/000878
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이경진
고경춘
이승재
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to CN201980007054.1A priority Critical patent/CN111527546B/zh
Publication of WO2019151696A1 publication Critical patent/WO2019151696A1/ko
Priority to US16/878,920 priority patent/US11107513B2/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • 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
    • 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
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1653—Address circuits or decoders
    • G11C11/1655—Bit-line or column circuits
    • 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
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1697—Power supply circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • 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
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly, to a spin track torque magnetic memory device capable of significantly lowering a critical current due to an effective magnetic field effect generated when an in-plane alternating current is injected.
  • Magnetic memory devices have been studied as memory devices that meet these requirements. Magnetic memory devices may have high-speed operation and / or non-volatile characteristics, and thus are attracting attention as next generation memories.
  • the magnetic memory device is a memory device using a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • the magnetic tunnel junction includes two magnetic layers and a tunnel barrier layer interposed therebetween.
  • the resistance of the magnetic tunnel junction varies depending on the relative direction of the magnetic moments of the two magnetic layers. Specifically, if the relative directions of the magnetic moments of the two magnetic layers are antiparallel, the resistance of the magnetic tunnel junction may be large, and if the relative directions of the magnetic moments of the two magnetic layers are parallel, the resistance of the magnetic tunnel junction may be small.
  • the magnetic memory device can read data using the difference in resistance of the magnetic tunnel junction.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic memory device having improved switching efficiency of a free layer.
  • An object of the present invention is to provide a method of writing a magnetic memory device having improved switching efficiency of a free layer.
  • a magnetic memory includes a magnetic tunnel junction including a free layer, a reference layer, and a tunnel barrier layer disposed between the free layer and the reference layer; A first conductive line disposed adjacent the free layer; And a second conductive line disposed adjacent to the free layer and intersecting the first conductive line.
  • the magnetization switching method of the magnetic memory may include applying an alternating current having a first frequency to the first conductive line; And applying a second current in an alternating current form to the second conductive line with the first frequency.
  • the free layer performs magnetization reversal by the first current and the second current, and the magnetic tunnel junction is disposed on an intersection point of the first conductive line and the second conductive line.
  • the first conductive line and the second conductive line may be disposed in the same plane.
  • the phase difference between the first current and the second current may be 90 degrees.
  • it may have a phase difference between the first current and the second current according to the magnetization direction of the free layer.
  • the first frequency may be several hundred MHz to several tens of GHz.
  • the free layer may have an axis of easy magnetization perpendicular to its surface to have perpendicular magnetic anisotropy.
  • the first conductive line and the second conductive line may include at least one of Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and combinations thereof.
  • a magnetic memory may include: a plurality of first conductive lines extending in a first direction; A plurality of second conductive lines extending in a second direction perpendicular to the first direction; A plurality of magnetic tunnel junction elements each comprising a free layer, a reference layer, and a tunnel barrier layer disposed between the free layer and the reference layer and disposed at intersections between the first conductive lines and the second conductive lines, respectively. field; A first alternating current power source providing a first current of alternating current to the first conductive lines; A second alternating current power source providing a second current of alternating current to the second conductive lines; And bit lines extending parallel to the first conductive lines and connected to the reference layer of the magnetic tunnel junction elements arranged in the first direction.
  • the first current and the second current may switch the free layer.
  • the switching operation of the magnetic memory device may use an alternating current flowing through a pair of conductive lines that cross each other. Therefore, the magnitude of the current required during the write operation of the magnetic memory element can be reduced.
  • FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a phase graph illustrating a first current and a second current in FIG. 1A.
  • 1C is a graph showing an effective magnetic field in the vertical direction generated in the rotational coordinate system.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating phases of a first current and a second current in a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates simulation results showing a magnetization direction of a free layer according to an embodiment of the present invention.
  • 4A is a simulation result showing switching current density according to non-flying parameters.
  • 4B is a simulation result showing switching time according to the injected current density.
  • 4C is a simulation result showing switching current density according to driving angular frequency.
  • FIG. 5A shows the switching probabilities according to the non-parallel parameter ⁇ and the injection current density.
  • FIG. 5B shows the switching probabilities according to the driving frequency and the injection current density.
  • FIG. 6 is a simulation result showing the switching probability when both the first current and the second current are applied and the switching probability when only the first current is applied.
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a magnetic memory according to another embodiment of the present invention.
  • a method of writing a magnetic memory device may be provided.
  • the magnetic memory device includes a magnetic tunnel junction including a reference layer, a free layer, and a tunnel barrier layer therebetween, and first and second conductive lines crossing each other adjacent to the free layer.
  • the first conductive line is configured such that a first current of an alternating current type flows through the first conductive line, and the second current of the second conductive line flows.
  • an alternating current is applied to the first conductive line and the second conductive line.
  • in-plane is substantially within or parallel to the plane of one or more layers or conductive line (s) of the magnetic tunnel junction.
  • perpendicular corresponds to a direction that is substantially perpendicular to one or more layers or conductive lines of the magnetic junction.
  • FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a phase graph illustrating a first current and a second current in FIG. 1A.
  • 1C is a graph showing an effective magnetic field in the vertical direction generated in the rotational coordinate system.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating phases of a first current and a second current in a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the magnetic memory device 100 may include a magnetic tunnel junction 120, a first conductive line 112, and a second conductive line 114.
  • the magnetic tunnel junction 120 includes a free layer 122, a reference layer 126, and a tunnel barrier layer 124 disposed between the free layer and the reference layer.
  • the first conductive line 112 It is disposed adjacent to the free layer 122.
  • the second conductive line 114 is disposed adjacent to the free layer 122 and crosses the first conductive line 112.
  • the magnetization switching method of the magnetic memory may include applying an alternating current having a first frequency (jx) to the first conductive line (112); And applying a second current j y of the alternating current shape to the second conductive line 114 at the first frequency.
  • the free layer 122 performs magnetization inversion by the first current and the second current.
  • the magnetic tunnel junction 120 is disposed at an intersection point of the first conductive line 112 and the second conductive line 114.
  • the total current vector may rotate with time at the position where the magnetic tunnel junction 120 is disposed.
  • the alternating current turns into a problem of direct current.
  • an effective magnetic field in the vertical direction corresponding to the rotational angular velocity appears.
  • the effect of alternating current is converted to the problem of direct current in a system with an effective magnetic field in the vertical direction.
  • the magnetization of the free layer can be reversed very easily because of the effect of the effective magnetic field in the vertical direction.
  • Equation 1 The equation of motion of the magnetization of the free layer 122 by the spin trajectory torque is as shown in Equation 1 below.
  • m is the unit magnetization vector of the free layer 122
  • ⁇ is the magnetic rotation constant
  • H K is the effective magnetic anisotropy magnetic field of the free layer 122
  • ⁇ is Gilbert damping constant
  • c J and d J represent spin orbit spin transfer torques exhibited by the spin hole effect, and correspond to damping-like torque and field-like torque, respectively.
  • ⁇ SH is a spin hole angle exhibiting a spin hole effect.
  • Equation 1 The coordinate direction (x, y, z) of Equation 1 is specified in FIG.
  • Equation 2 Equation 2
  • ⁇ is the angular velocity of the rotating coordinate system
  • the angular velocity of the rotating coordinate system is equal to the angular frequency of the phase of the injected current.
  • Direction of current applied in equation (2) Does not change over time.
  • Equation 2 an additional effective magnetic field ⁇ / ⁇ in the vertical direction appears. If the effective magnetic field ⁇ / ⁇ in the vertical direction is to reduce the resonant frequency, it will switch. Since the effective magnetic field in the vertical direction helps the switching, the switching threshold current can be made much smaller than before. The power used at the time of recording can be greatly reduced. In addition, a separate external magnetic field is not required for switching.
  • the first conductive line 112 and the second conductive line 114 may be materials that cause a spin hole effect or a lash bar effect.
  • a first current flows in the first conductive line 112
  • a spin polarization perpendicular to the advancing direction of the first conductive line 112 occurs, and the spin current is in the free layer direction (z-axis direction). Proceed.
  • the first conductive line 112 may have a line shape extending along the x direction.
  • the second conductive line 114 may have a line shape crossing the first conductive line 112.
  • the second conductive line 114 may have a line shape extending along the y direction.
  • the first conductive line 112 and the second conductive line 114 may cross each other at one point and may be connected to each other.
  • the first conductive line 112 and the second conductive line 114 may be located on the same plane (ie, x-y plane).
  • the magnetic tunnel junction 120 may be located at the intersection of the first and second conductive lines 112 and 114.
  • the free layer 122 of the magnetic tunnel junction 120 may be adjacent to the intersection of the first and second conductive lines 112 and 114. Accordingly, the free layer 122 may be interposed between the intersection of the tunnel barrier layer 124 and the conductive lines 112 and 114.
  • Each of the first and second conductive lines 112 and 114 may comprise a material exhibiting strong spin orbital interaction.
  • each of the first and second conductive lines 112 and 114 may be copper (Cu), tantalum (Ta), platinum (Pt), turnsten (W), gadolinium (Gd), bismuth (Bi), and It may include at least one of iridium (Ir).
  • the magnetic memory element 100 to flow a first conductive line (J y), a second current in the first current (J x) is made to flow to the first AC power supply 132 and the second conductive line 114 in the (112) May include a second AC power source 134.
  • the first current J x may be a current flowing in the plane of the first conductive line 112
  • the second current J y is a current flowing in the plane of the second conductive line 114.
  • charge carriers having spins polarized in the y direction or the ⁇ y direction may be incident into the free layer 122.
  • charge carriers having spins polarized in the x direction or the ⁇ x direction may be incident into the free layer 122. This may be due to spin trajectory interactions (eg, spin hole effects) occurring in the conductive lines 112 and 114. Charge carriers having such polarized spins may apply torque to the magnetic moment of the free layer 122.
  • spin orbital torque When the magnetization direction of the free layer 122 is in the negative z-axis direction, the direction of rotation of the current may be clockwise to reverse magnetization in the positive z-axis direction.
  • the torque exerted on the magnetic moment of the free layer due to in-plane current is called spin orbital torque.
  • the magnetic tunnel junction 120 may include a reference layer 126, a free layer 122, and a tunnel barrier layer 124 therebetween, and a capping electrode 128 disposed on the reference layer 126.
  • the reference layer 126 may have a fixed magnetic moment during a write operation of the magnetic memory device.
  • the magnetic moment of the reference layer may not be switched by the spin orbital torque caused by the currents flowing through the conductive lines 112 and 114.
  • the free layer 122 may have a switchable magnetic moment during a write operation of the magnetic memory device.
  • the free layer 122 may have a magnetic moment that can be switched parallel or antiparallel to the magnetic moment of the reference layer 126.
  • the magnetic moment of the free layer 122 may be switched using spin orbital torque caused by currents J x and J y flowing through the conductive lines 112 and 114.
  • Each of the reference layer 126 and the free layer 122 may have an easy axis that is substantially perpendicular to its surface.
  • the surface of the reference layer 126 may be parallel to the x-y plane.
  • the easy magnetization axis of the reference layer 126 may be substantially parallel to the z axis.
  • the surface of the free layer 122 may be parallel to the x-y plane, and the easy magnetization axis of the free layer 122 may be substantially parallel to the z axis.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the reference layer 126 and the free layer 122 are at least one of a material having an L1 0 crystal structure, a material having a Hexagonal Close Packed lattice (HCP), and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. It may include.
  • HCP Hexagonal Close Packed lattice
  • RE-TM amorphous Rare-Earth Transition Metal
  • the reference layer 126 and the free layer 122 may include at least one of materials having an L1 0 crystal structure, such as Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pd 50 , Co 50 Pt 50 , Co 50 Pd 50 , or Fe 50 Ni 50 . It may include.
  • the reference layer 126 and free layer 122 are cobalt-platinum (CoPt) disordered alloys or Co 3 Pt ordered alloys having a platinum (Pt) content of 10 at.% To 45 at.%. It may include at least one of materials having a dense hexagonal grid (HCP), such as.
  • CoPt cobalt-platinum
  • HCP dense hexagonal grid
  • the reference layer 126 and the free layer 122 include at least one of the rare earth elements terbium (Tb), dysprosium (Dy), and gadolinium (Gd) and the transition metal elements iron (Fe), cobalt (Co), and nickel ( Ni) and at least one of the amorphous RE-TM alloys including at least one selected from.
  • the reference layer 126 and the free layer 122 may include a material having an interface perpendicular magnetic anisotropy.
  • Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a vertical magnetization direction due to an influence from an interface with another layer adjacent thereto.
  • the reference layer 126 and the free layer 122 may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni).
  • the reference layer 126 and the free layer 122 include boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), and silver ( It may further include at least one of nonmagnetic materials such as Ag), gold (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N).
  • the reference layer 126 and the free layer 122 include CoFe or NiFe, but may further include boron (B).
  • the reference layer 126 and the free layer 122 may further include at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si). Can be.
  • reference layer 126 may have a single layer structure. According to other embodiments, unlike shown in FIG. 1, reference layer 126 may comprise a synthetic antiferromagnetic material having ferromagnetic layers separated by nonmagnetic layer (s).
  • the tunnel barrier layer 124 may be interposed between the reference layer 126 and the free layer 122.
  • the tunnel barrier layer 124 includes an oxide of magnesium (Mg), an oxide of titanium (Ti), an oxide of aluminum (Al), an oxide of magnesium-zinc (MgZn), an oxide of magnesium-boron (MgB), and titanium (Ti). At least one of the nitride of, and the nitride of vanadium (V).
  • the tunnel barrier layer () may comprise crystalline magnesium oxide (MgO).
  • the phase difference between the first current and the second current may be given according to the magnetization direction of the free layer.
  • the phase difference between the first current and the second current may be 90 degrees.
  • the first frequency f may be several hundred MHz to several tens of GHz.
  • FIG. 3 illustrates simulation results showing a magnetization direction of a free layer according to an embodiment of the present invention.
  • switching current density (j) is 2.26 X 10 7 A / cm 2 It may be abnormal.
  • the switching current density j is about one tenth of the current density when switching to DC current.
  • 4A is a simulation result showing switching current density according to non-flying parameters.
  • 4B is a simulation result showing switching time according to the injected current density.
  • 4C is a simulation result showing switching current density according to driving angular frequency.
  • the threshold current required for switching is smaller as the non-adiabaticity parameter ⁇ is larger.
  • the non-adiabaticity parameter ⁇ may be one or more.
  • the area of the free layer is ⁇ x 15 2 nm 2
  • the thickness of the free layer is 2 nm
  • the perpendicular magnetic anisotropy constant (K eff ) is 2.2 x 10 6 erg / cm 3
  • the saturation magnetization value (Ms) is 1000 emu / cm 3
  • the Gilbert damping constant ⁇ was 0.01
  • the spin hole angle ⁇ SH was 0.3
  • the non-parallel parameter ⁇ was 0-3.
  • the switching time decreases as the injection current density increases.
  • the optimum frequency is 60 GHz.
  • the driving frequency may be several GHz to tens of GHz, preferably 50 GHz to 70 GHz.
  • FIG. 5A shows the switching probabilities according to the non-parallel parameter ⁇ and the injection current density.
  • FIG. 5B shows the switching probabilities according to the driving frequency and the injection current density.
  • the driving frequency is 40 GHz to 100 GHz.
  • switching occurs at the lowest injection current density.
  • FIG. 6 is a simulation result showing the switching probability when both the first current and the second current are applied and the switching probability when only the first current is applied.
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a magnetic memory according to another embodiment of the present invention.
  • the magnetic memory 10 may include a plurality of first conductive lines 212 extending in a first direction (x-axis); A plurality of second conductive lines 214 extending in a second direction perpendicular to the first direction; A plurality of magnetic tunnel junction elements each comprising a free layer, a reference layer, and a tunnel barrier layer disposed between the free layer and the reference layer and disposed at intersections between the first conductive lines and the second conductive lines, respectively.
  • a second alternating current power source (234) for providing a second alternating current to the second conductive lines;
  • bit lines 242 extending parallel to the first conductive lines and connected to the reference layer of the magnetic tunnel junction elements arranged in the first direction.
  • the first current jx and the second current jy switch the free layer 122.
  • Bit lines 242 are used to read the resistance state of the magnetic tunnel junction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리는, 자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 포함하는 자기 터널 접합; 상기 자유층에 인접하게 배치된 제1 도전 라인; 및 상기 자유층에 인접하게 배치되고 상기 제1 도전 라인과 교차하는 제2 도전라인을 포함한다. 상기 자기 메모리의 자화 스위칭 방법은, 제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류를 상기 제1 도전 라인에 인가하는 단계; 및 상기 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류를 상기 제2 도전 라인에 인가하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류에 의하여 상기 자유층은 자화반전을 수행하고, 상기 자기 터널 접합은 상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인의 교차점 상에 배치된다.

Description

교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자
본 발명은 자기 메모리 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 면내에 교류전류를 주입했을 때 발생하는 유효자기장 효과로 임계전류를 크게 낮출 수 있는 스핀궤도토크 자기메모리소자에 관한 것이다.
전자 기기의 고속화, 저전력화에 따라 이에 내장되는 메모리 장치 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족하는 기억 소자로 자기 메모리 소자(Magnetic memory device)가 연구되고 있다. 자기 메모리 소자는 고속 동작 및/또는 비휘발성의 특성을 가질 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다.
자기 메모리 소자는 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ)을 이용하는 메모리 장치이다. 자기 터널 접합은 두 자성층들과 그 사이에 개재된 터널 배리어 층을 포함한다. 두 자성층들의 자기 모멘트들의 상대적인 방향에 따라 자기 터널 접합의 저항이 달라진다. 구체적으로, 두 자성층들의 자기 모멘트들의 상대적인 방향이 반평행하면 자기 터널 접합의 저항은 클 수 있고, 두 자성층들의 자기 모멘트들의 상대적인 방향이 평행하면 자기 터널 접합의 저항은 작을 수 있다. 자기 메모리 소자는 이러한 자기 터널 접합의 저항의 차이를 이용하여 데이터를 판독할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유층의 스위칭 효율이 향상된 자기 메모리 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유층의 스위칭 효율이 향상된 자기 메모리 소자의 쓰기 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리는, 자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 포함하는 자기 터널 접합; 상기 자유층에 인접하게 배치된 제1 도전 라인; 및 상기 자유층에 인접하게 배치되고 상기 제1 도전 라인과 교차하는 제2 도전라인을 포함한다. 상기 자기 메모리의 자화 스위칭 방법은, 제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류를 상기 제1 도전 라인에 인가하는 단계; 및 상기 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류를 상기 제2 도전 라인에 인가하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류에 의하여 상기 자유층은 자화반전을 수행하고, 상기 자기 터널 접합은 상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인의 교차점 상에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인은 동일한 평면 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이의 위상차는 90도 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유층의 자화 방향에 따라 상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이에 위상차를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 주파수는 수 백 MHz 내지 수십 GHz일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유층은 수직자기 이방성을 가지도록 그 표면에 수직한 자화 용이축을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 라인과 제2 도전 라인은 Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir, 및 이들의 조합 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리는, 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인들; 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 도전라인들; 자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 각각 포함하고 상기 제1 도전 라인들과 상기 제2 도전라인들 사이의 교차점들에 각각 배치되는 복수의 자기터널 접합 소자들; 상기 제1 도전 라인들에 교류의 제1 전류를 제공하는 제1 교류 전원; 상기 제2 도전 라인들에 교류의 제2 전류를 제공하는 제2 교류 전원; 및 상기 제1 도전 라인들과 나란히 연장되고 상기 제1 방향으로 배열된 자기터널 접합 소자들의 기준층에 연결되는 비트라인들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류는 상기 자유층을 스위칭할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자기 메모리 소자의 스위칭 동작은 교차하는 한 쌍의 도전 라인에 흐르는 교류 전류를 이용할 수 있다. 따라서, 자기 메모리 소자의 쓰기 동작 중에 요구되는 전류의 크기는 감소될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 개념도이다.
도 1b는 도 1a에서 제1 전류와 제2 전류를 나타내는 위상 그래프이다.
도 1c는 회전좌표계에서 발생하는 수직방향의 유효자기장을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자에서 제1 전류와 제2 전류의 위상을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 자유층의 시간에 따른 자화 방향을 나타내는 시뮬레이션 결과들이다.
도 4a는 비서행 매개변수에 따른 스위칭 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 4b는 주입된 전류 밀도에 따른 스위칭 시간을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 4c는 구동 각주파수에 따른 스위칭 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 5a는 비서행 매개변수(β)와 주입 전류 밀도에 따른 스위칭 확률을 나타내는 결과들이다.
도 5b는 구동 주파수와 주입 전류 밀도에 따른 스위칭 확률을 나타내는 결과들이다.
도 6은 제1 전류와 제2 전류를 모두 인가한 경우의 스위칭 확률과 제1 전류만을 인가한 경우의 스위칭 확률을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리를 나타내는 회로도이다.
자기 메모리 소자의 쓰기 방법이 제공될 수 있다. 자기 메모리 소자는 기준층, 자유층, 및 이들 사이의 터널 배리어 층을 포함하는 자기 터널 접합, 및 상기 자유층에 인접하여 서로 교차하는 제1 도전 라인과 제2 도전 라인을 포함한다. 상기 제1 도전 라인은 교류형태의 제1 전류가, 상기 제2 도전라인은 교류형태의 제2 전류가 흐르도록 구성된다. 자기 메모리 소자의 쓰기 방법은 교류형태의 전류를 상기 제1 도전 라인 및 제2 도전 라인에 인가한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다. 명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 스핀 궤도 상호작용, 스핀 궤도 토크, 스핀 전달 토크, 및 그 외의 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 실시예들의 작동에 대한 이론적 설명들이 이러한 물리적 현상들에 대한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 발명의 실시예들은 특정한 물리적 설명에 의존하는 것은 아니다.
이하에서, “면 내(in-plane)”는 실질적으로 자기 터널 접합의 하나 이상의 층들 혹은 도전 라인(들)의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, “수직인(perpendicular)”은 자기 접합의 하나 이상의 층들 혹은 도전 라인들에 실질적으로 수직인 방향에 해당한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 개념도이다.
도 1b는 도 1a에서 제1 전류와 제2 전류를 나타내는 위상 그래프이다.
도 1c는 회전좌표계에서 발생하는 수직방향의 유효자기장을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자에서 제1 전류와 제2 전류의 위상을 나타내는 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자기 메모리 소자(100)는 자기 터널 접합(120), 제1 도전 라인(112), 및 제2 도전 라인(114)을 포함할 수 있다. 자기 터널 접합(120)은, 자유층(122), 기준층(126), 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층(124)을 포함한다. 제1 도전 라인(112)은 상기 자유층(122)에 인접하게 배치된다. 제2 도전라인(114)은 상기 자유층(122)에 인접하게 배치되고 상기 제1 도전 라인(112)과 교차한다. 상기 자기 메모리의 자화 스위칭 방법은, 제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류(jx)를 상기 제1 도전 라인(112)에 인가하는 단계; 및 상기 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류(jy)를 상기 제2 도전 라인(114)에 인가하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류에 의하여 상기 자유층(122)은 자화반전을 수행한다. 상기 자기 터널 접합(120)은 상기 제1 도전 라인(112)과 상기 제2 도전 라인(114)의 교차점 상에 배치된다.
상기 제1 도전 라인(112)에 제1 각주파수(ω)를 가진 제1 전류를 주입하고, 상기 제2 도전 라인(114)에 상기 제1 각주파수(ω)를 가진 제2 전류를 주입하는 경우, 상기 자기터널 접합(120)이 배치된 위치에서 총 전류 벡터는 시간에 따라 회전할 수 있다.
총 전류 벡터의 위상과 같이 회전하는 좌표계 입장에서 문제를 바라보면, 교류전류는 직류전류의 문제로 바뀐다. 한편, 회전하는 좌표계 입장에서는, 회전 각속도에 대응하는 수직방향의 유효자기장이 나타난다. 즉, 교류전류의 효과는 수직방향의 유효자기장이 있는 시스템에서의 직류전류의 문제로 변환된다. 이 경우, 수직방향의 유효자기장의 효과 때문에 자유층의 자화는 매우 쉽게 반전될 수 있다.
스핀궤도토크에 의한 자유층(122)의 자화의 운동방정식은 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2019000878-appb-I000001
여기서, m은 자유층(122)의 단위 자화벡터, γ는 자기 회전 상수, HK,eff는 자유층(122)의 유효 자기 이방성 자계, α는 Gilbert 감쇠상수,
Figure PCTKR2019000878-appb-I000002
는 인가된 전류의 방향을 나타낸다.
본 발명에 따른 스핀전달토크소자에서는
Figure PCTKR2019000878-appb-I000003
가 시간에 따라 선형 혹은 원형으로 진동하는 것이 기존방식과의 차이점이다.
cJ와 dJ는 스핀홀 효과에 의해서 나타나는 스핀궤도 스핀전달토크들을 나타내고, 각각 댐핑-라이크 토크(damping-like torque)와 필드-라이크 토크( field-like torque)에 대응한다. θSH은 스핀 홀 효과를 나타내는 스핀홀 각도이다.
여기서는 β는 비서행 매개변수(non-adiabaticity parameter)이라고 불리는 양인데 댐핑-라이크 토크(damping-like torque)와 필드-라이크 토크( field-like torque) 사이의 비율(β=dJ/cJ)을 나타낸다.
J는 인가된 전류밀도, e(=1.6×10-19C)는 전자의 전하량, MS는 자유 자성층의 포화 자화양, d는 자유 자성층의 두께를 나타낸다. 수학식1의 좌표 방향(x,y,z)은 도 1에 명시되어 있다.
회전하는 교류전류를 이용하는 경우, 주입된 전류의 위상과 같이 회전하는 좌표계에서의 자화의 운동방정식은 작은 감쇠를 가정하면 아래의 [수학식 2]로 근사된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2019000878-appb-I000004
여기서, ω는 회전하는 좌표계의 각속도이고, 상기 회전하는 좌표계의 각속도는 주입된 전류의 위상이 가지는 각주파수와 같다. 수학식 2에서 인가된 전류의 방향(
Figure PCTKR2019000878-appb-I000005
)은 시간에 대해 변하지 않는다.
수학식 2를 살펴보면, 추가적으로 수직방향의 유효자기장 ω/γ 이 나타난다. 수직방향의 유효자기장 ω/γ 이 공명 주파수를 줄이는 방향이면 스위칭을 돕니다. 여기서 수직방향의 유효자기장이 스위칭을 도와주기 때문에 스위칭 임계전류를 기존보다 훨씬 작게 할 수 있다. 기록시 사용되는 전력을 크게 저감시킬 수 있다. 또한, 스위칭을 위한 별도의 외부 자기장이 요구되지 않는다.
상기 제1 도전 라인(112) 및 상기 제2 도전 라인(114)은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 물질일 수 있다. 상기 제1 도전 라인(112)에 제1 전류가 흐르는 경우, 상기 제1 도전 라인(112)의 진행하는 방향에 수직한 스핀 분극이 발생하고, 스핀 전류는 상기 자유층 방향(z축방향)으로 진행한다.
제1 도전 라인(112)은 x 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 제2 도전 라인(114)은 제1 도전 라인(112)에 교차하는 라인 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 도전 라인(114)은 y 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다.
제1 도전 라인(112)과 제2 도전 라인(114)은 일 지점에서 서로 교차할 수 있으며, 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 라인(112) 및 제2 도전 라인(114)은 동일한 평면(즉, x-y 평면) 상에 위치할 수 있다.
자기 터널 접합(120)은 제1 및 제2 도전 라인들(112,114)의 교차점 상에 위치할 수 있다. 자기 터널 접합(120)의 자유층(122)이 제1 및 제2 도전 라인들(112,114)의 교차점에 인접할 수 있다. 이에 따라, 자유층(122)은 터널 배리어 층(124)과 도전 라인들(112,114)의 교차점 사이에 개재될 수 있다.
제1 및 제2 도전 라인들(112,114)의 각각은 강한 스핀 궤도 상호 작용을 나타내는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전 라인들(112,114)의 각각은 구리(Cu), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt), 턴스텐(W), 가돌리늄(Gd), 비스무트(Bi), 및 이리듐(Ir) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
자기 메모리 소자(100)는 제1 도전 라인(112) 내에 제1 전류(Jx)가 흐르도록 제1 교류 전원(132) 및 제2 도전 라인(114) 내에 제2 전류(Jy)가 흐르도록 제2 교류 전원(134)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 전류(Jx)는 제1 도전 라인(112)의 면 내를 흐르는 전류일 수 있고, 제2 전류(Jy)는 제2 도전 라인(114)의 면 내를 흐르는 전류일 수 있다.
제1 전류(Jx)가 x 방향 또는 -x 방향으로 흐르면, y 방향 또는 -y 방향으로 편극된 스핀을 갖는 전하 캐리어들이 자유층(122) 내로 입사될 수 있다. 또한, 제2 전류(Jy)가 y 방향 또는 -y 방향으로 흐르면, x 방향 또는 -x 방향으로 편극된 스핀을 갖는 전하 캐리어들이 자유층(122) 내로 입사될 수 있다. 이는 도전 라인(112,114)에 발생하는 스핀 궤도 상호 작용(예를 들어, 스핀 홀 효과) 때문일 수 있다. 이러한 편극된 스핀을 갖는 전하 캐리어들은 자유층(122)의 자기 모멘트에 토크를 가할 수 있다.
자유층(122)의 자화 방향이 음의 z축 방향인 경우, 양의 z축 방향으로 자화 반전시키기 위하여, 전류의 회전 방향은 시계 방향일 수 있다. 면내 전류로부터 기인하여 자유층의 자기 모멘트에 가해지는 토크는 스핀 궤도 토크라 명명된다.
자기 터널 접합(120)은 기준층(126), 자유층(122), 및 이들 사이의 터널 배리어 층(124), 및 상기 기준층(126) 상에 배치된 캐핑 전극(128)을 포함할 수 있다.
기준층(126)은 자기 메모리 소자의 쓰기 동작 시 고정된 자기 모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 기준층의 자기 모멘트는 도전 라인들(112,114)을 흐르는 전류들에 의한 스핀 궤도 토크에 의하여 스위치 되지 않을 수 있다.
자유층(122)는 자기 메모리 소자의 쓰기 동작 시 스위치 가능한 자기 모멘트를 가질 수 있다. 예를 들어, 자유층(122)는 기준층(126)의 자기 모멘트에 평행하게 또는 반평행하게 스위치 될 수 있는 자기 모멘트를 가질 수 있다.
자유층(122)의 자기 모멘트는 도전 라인들(112,114)을 흐르는 전류들(Jx,Jy)에 의한 스핀 궤도 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다.
기준층(126) 및 자유층(122)의 각각은 그 표면에 실질적으로 수직한 자화 용이축(easy axis)을 가질 수 있다. 예를 들어, 기준층(126)의 표면은 x-y 평면에 평행할 수 있다. 기준층(126)의 자화 용이축은 z축에 실질적으로 평행할 수 있다.
유사하게, 자유층(122)의 표면은 x-y 평면에 평행할 수 있으며, 자유층(122)의 자화 용이축은 z축에 실질적으로 평행할 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
기준층(126) 및 자유층(122)는 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기준층(126) 및 자유층(122)는 Fe50Pt50,Fe50Pd50,Co50Pt50,Co50Pd50,또는 Fe50Ni50와 같은 L10결정 구조를 갖는 물질들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기준층(126) 및 자유층(122)는 10 at.% 내지 45 at.%의 백금(Pt) 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금(disordered alloy) 또는 Co3Pt질서 합금(ordered alloy)과 같은 조밀육방격자(HCP)를 갖는 물질들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기준층(126) 및 자유층(122)는 희토류 원소인 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나와 전이 금속 원소인 철(Fe), 코발트(Co), 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 비정질 RE-TM 합금들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기준층(126) 및 자유층(122)는 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다. 기준층(126) 및 자유층(122)는 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 기준층(126) 및 자유층(122)는 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준층(126) 및 자유층(122)는 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기준층(126) 및 자유층(122)는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
기준층(126)은 단일 층 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 바와 달리, 기준층(126)은 비자성 층(들)에 의해 분리된 강자성 층들을 갖는 합성 반강자성체를 포함할 수 있다.
터널 배리어 층(124)은 기준층(126)과 자유층(122) 사이에 개재될 수 있다. 터널 배리어 층(124)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al)의 산화물, 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 티타늄(Ti)의 질화물, 및 바나듐(V)의 질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터널 배리어 층()은 결정성 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다.
상기 자유층의 자화 방향에 따라 상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이의 위상차를 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이의 위상차는 90도 일 수 있다. 상기 제1 주파수(f)는 수 백 MHz 내지 수십 GHz일 수 있다. 제1 각주파수(ω=2πf)는 상기 제1 주파수(f)의 각주파수이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 자유층의 시간에 따른 자화 방향을 나타내는 시뮬레이션 결과들이다.
도 3을 참조하면, 제1, 제2 전류들(Jx,Jy)을 인가하면 자화가 세차운동을 하면서 빠른속도로 반전됨을 확인할 수 있다. 스위칭 속도는 수 나노초 수준이고, 스위칭 전류 밀도(j)는 2.26 X 107 A/cm2 이상일 수 있다. 스위칭 전류 밀도(j)는 DC 전류로 스위칭한 경우의 전류밀도보다 1/10 수준이다. 여기서, 비서행 매개변수(non-adiabaticity parameter, β)는 1이고, 교류전류의 제1 각주파수(ω=2πf)가 이방성으로 인한 공명 주파수와 다른 정도를 나타내는 상수는 1.3이다.
도 4a는 비서행 매개변수에 따른 스위칭 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 4b는 주입된 전류 밀도에 따른 스위칭 시간을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 4c는 구동 각주파수에 따른 스위칭 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 4a를 참조하면, 스위칭에 필요한 임계 전류는 비서행 매개변수(non-adiabaticity parameter, β)가 클수록 작다. 따라서, 비서행 매개변수(non-adiabaticity parameter, β)는 1 이상일 수 있다. 자유층의 면적은 π x 152nm2, 자유층의 두께는 2 nm, 수직 자기 이방성 상수(Keff)는 2.2 x 106erg/cm3, 포화 자화 값(Ms)은 1000 emu/cm3, 길버트(Gilbert) 감쇠 상수(α)는 0.01, 스핀 홀 각도(θSH)는 0.3, 그리고 비서행 매개변수(β)는 0 내지 3이 사용되었다.
도 4b를 참조하면, 주입 전류 밀도가 증가하면 스위칭 시간은 감소한다.
도 4c를 참조하면, 스위칭 전류 밀도를 최소화하는 최적의 구동 주파수가 존재한다. 본 시뮬레이션에서는, 최적 주파수는 60 GHz 이다. 구동 주파수는 수 GHz 내지 수십 GHz이고, 바람직하게는 50 GHz 내지 70 GHz일 수 있다.
도 5a는 비서행 매개변수(β)와 주입 전류 밀도에 따른 스위칭 확률을 나타내는 결과들이다.
도 5b는 구동 주파수와 주입 전류 밀도에 따른 스위칭 확률을 나타내는 결과들이다.
도 5a를 참조하면, 비서행 매개변수(β)=1인 경우, 가장 낮은 주입 전류 밀도에서 스위칭이 발생한다.
도 5b를 참조하면, 구동 주파수는 40GHz 내지 100 GHz이다. 50 GHz인 경우, 가장 낮은 주입 전류 밀도에서 스위칭이 발생한다.
도 6은 제1 전류와 제2 전류를 모두 인가한 경우의 스위칭 확률과 제1 전류만을 인가한 경우의 스위칭 확률을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 1a 및 도 6을 참조하면, 이 결과는 온도 300K에서 50번을 계산씩 계산한 결과들이다. 실선은 제1 전류(jx)와 제2 전류(jy)를 모두 인가한 경우이다. 일점 쇄선은 제1 전류(jx)만을 인간한 경우이다. 비서행 매개변수(β)는 1이다. 제1 전류와 제2 전류를 모두 인가하고, 구동 주파수가 50 GHz인 경우, 가장 낮은 주입 전류 밀도에서 스위칭이 발생한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리를 나타내는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 자기 메모리(10)는, 제1 방향(x축)으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인들(212); 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 도전라인들(214); 자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 각각 포함하고 상기 제1 도전 라인들과 상기 제2 도전라인들 사이의 교차점들에 각각 배치되는 복수의 자기터널 접합 소자들(120); 상기 제1 도전 라인들(212)에 교류의 제1 전류를 제공하는 제1 교류 전원(232); 상기 제2 도전 라인들에 교류의 제2 전류를 제공하는 제2 교류 전원(234); 및 상기 제1 도전 라인들과 나란히 연장되고 상기 제1 방향으로 배열된 자기터널 접합 소자들의 기준층에 연결되는 비트라인들(242)을 포함한다. 상기 제1 전류(jx)와 상기 제2 전류(jy)는 상기 자유층(122)을 스위칭한다. 비트라인들(242)은 상기 자기터널접합의 저항 상태를 독출하기 위하여 사용된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 포함하는 자기 터널 접합; 상기 자유층에 인접하게 배치된 제1 도전 라인; 및 상기 자유층에 인접하게 배치되고 상기 제1 도전 라인과 교차하는 제2 도전라인을 포함하는 자기터널접합 소자의 자화 스위칭 방법에 있어서,
    제1 주파수를 가지는 교류형태의 제1 전류를 상기 제1 도전 라인에 인가하는 단계; 및
    상기 제1 주파수를 가지고 교류 형태의 제2 전류를 상기 제2 도전 라인에 인가하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류에 의하여 상기 자유층은 자화반전을 수행하고,
    상기 자기 터널 접합은 상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인의 교차점 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인은 동일한 평면 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이에 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층의 자화 방향에 따라 상기 제1 전류와 상기 제2 전류 사이의 위상차를 주는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 수 백 MHz 내지 수십 GHz인 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 자유층은 수직자기 이방성을 가지도록 그 표면에 수직한 자화 용이축을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 라인과 제2 도전 라인은 Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir, 및 이들의 조합 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리의 자화 스위칭 방법.
  8. 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인들;
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 도전라인들;
    자유층, 기준층, 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 배치된 터널배리어층을 각각 포함하고 상기 제1 도전 라인들과 상기 제2 도전라인들 사이의 교차점들에 각각 배치되는 복수의 자기터널 접합 소자들;
    상기 제1 도전 라인들에 교류의 제1 전류를 제공하는 제1 교류 전원;
    상기 제2 도전 라인들에 교류의 제2 전류를 제공하는 제2 교류 전원; 및
    상기 제1 도전 라인들과 나란히 연장되고 상기 제1 방향으로 배열된 자기터널 접합 소자들의 기준층에 연결되는 비트라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 전류와 상기 제2 전류는 상기 자유층을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리.
PCT/KR2019/000878 2018-01-30 2019-01-22 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자 WO2019151696A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980007054.1A CN111527546B (zh) 2018-01-30 2019-01-22 磁性存储器及其磁化切换方法
US16/878,920 US11107513B2 (en) 2018-01-30 2020-05-20 Spin-orbit torque magnetic memory device using alternating current

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180011547A KR102073467B1 (ko) 2018-01-30 2018-01-30 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자
KR10-2018-0011547 2018-01-30

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/878,920 Continuation US11107513B2 (en) 2018-01-30 2020-05-20 Spin-orbit torque magnetic memory device using alternating current

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019151696A1 true WO2019151696A1 (ko) 2019-08-08

Family

ID=67479046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2019/000878 WO2019151696A1 (ko) 2018-01-30 2019-01-22 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11107513B2 (ko)
KR (1) KR102073467B1 (ko)
CN (1) CN111527546B (ko)
WO (1) WO2019151696A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102475061B1 (ko) 2020-12-30 2022-12-08 재단법인대구경북과학기술원 스핀궤도 토크 메모리 소자 및 이의 제조방법
KR102442286B1 (ko) 2020-12-30 2022-09-15 재단법인대구경북과학기술원 스핀궤도 토크 메모리 소자 및 이의 제조방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040039493A (ko) * 2001-10-09 2004-05-10 인피네온 테크놀로지스 아게 자기 저항 메모리 셀이 배치된, 교차하는 워드 라인과비트 라인을 가진 반도체 메모리 장치
KR20080080386A (ko) * 2005-12-21 2008-09-03 유니버시티 오브 토론토 자기 메모리 구조 및 제조 방법
KR20090040033A (ko) * 2007-10-19 2009-04-23 서울대학교산학협력단 자기기록소자의 정보판독방법
KR20130124009A (ko) * 2012-05-04 2013-11-13 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 이에 대한 정보 쓰기 및 읽기 방법
KR20160133821A (ko) * 2015-05-13 2016-11-23 고려대학교 산학협력단 자기 메모리 소자
KR20180061555A (ko) * 2016-11-29 2018-06-08 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자의 쓰기 방법

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008098523A (ja) * 2006-10-13 2008-04-24 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US7852662B2 (en) * 2007-04-24 2010-12-14 Magic Technologies, Inc. Spin-torque MRAM: spin-RAM, array
KR101559216B1 (ko) * 2010-11-17 2015-10-13 뉴욕 유니버시티 바이폴라 스핀-전달 스위칭
KR102017623B1 (ko) * 2012-08-30 2019-09-03 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
TWI622048B (zh) * 2013-03-14 2018-04-21 三星電子股份有限公司 使用自旋軌道交互式切換之雙磁性隧道接面及其記憶體
US10008248B2 (en) * 2014-07-17 2018-06-26 Cornell University Circuits and devices based on enhanced spin hall effect for efficient spin transfer torque
US9489998B1 (en) * 2015-11-17 2016-11-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having a magnetoelastic free layer programmable using spin transfer torque
US10229724B1 (en) * 2017-12-30 2019-03-12 Spin Memory, Inc. Microwave write-assist in series-interconnected orthogonal STT-MRAM devices
CN112186096B (zh) * 2019-07-01 2023-03-21 上海磁宇信息科技有限公司 一种磁性随机存储器及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040039493A (ko) * 2001-10-09 2004-05-10 인피네온 테크놀로지스 아게 자기 저항 메모리 셀이 배치된, 교차하는 워드 라인과비트 라인을 가진 반도체 메모리 장치
KR20080080386A (ko) * 2005-12-21 2008-09-03 유니버시티 오브 토론토 자기 메모리 구조 및 제조 방법
KR20090040033A (ko) * 2007-10-19 2009-04-23 서울대학교산학협력단 자기기록소자의 정보판독방법
KR20130124009A (ko) * 2012-05-04 2013-11-13 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 이에 대한 정보 쓰기 및 읽기 방법
KR20160133821A (ko) * 2015-05-13 2016-11-23 고려대학교 산학협력단 자기 메모리 소자
KR20180061555A (ko) * 2016-11-29 2018-06-08 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자의 쓰기 방법

Also Published As

Publication number Publication date
CN111527546B (zh) 2023-06-20
US11107513B2 (en) 2021-08-31
KR20190092127A (ko) 2019-08-07
US20200286537A1 (en) 2020-09-10
CN111527546A (zh) 2020-08-11
KR102073467B1 (ko) 2020-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7573737B2 (en) High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US11605670B2 (en) Magnetic tunnel junction structures and related methods
US6980469B2 (en) High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US6603677B2 (en) Three-layered stacked magnetic spin polarization device with memory
CN106876582B (zh) 磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备
US20130134534A1 (en) Magnetoresistive Device
US20150311901A1 (en) A nonvolatile magnetic logic device
EP2201570A1 (en) Magnetic element having reduced current density
CN108123027B (zh) 磁存储器件及写磁存储器件的方法
JP2012533189A (ja) 直交磁化配向方向を伴う基準層を有する磁気スタック
CN111834521A (zh) 磁性隧道结器件
US20220149269A1 (en) Spintronics element and magnetic memory device
US20170033281A1 (en) Systems and Methods for Implementing Magnetoelectric Junctions Including Integrated Magnetization Components
US11211117B2 (en) Ferrimagnetic/ferromagnetic exchange bilayers for use as a fixed magnetic layer in a superconducting-based memory device
WO2019177204A1 (ko) 저전력 테라헤르쯔 자기 나노 발진 소자
CN109994598B (zh) 自旋轨道转矩型磁化旋转元件及磁阻效应元件
WO2019151696A1 (ko) 교류전류를 이용한 스핀 궤도 토크 자기 메모리 소자
CN109273593A (zh) 利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用
WO2014046360A1 (ko) 면내 전류와 전기장을 이용한 수평형 자기메모리 소자
WO2021020736A1 (ko) 합성형 반강자성체 및 이를 이용하는 다중 비트 메모리
CN114824062B (zh) 一种自旋轨道矩驱动的梯度合成反铁磁及其存储器应用
CN115458002A (zh) 无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法
CN115207208A (zh) 人工反铁磁多层膜结构及包括其的磁随机存储器
WO2016148393A1 (ko) 메모리 소자

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: 19748208

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19748208

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1