WO2021020736A1 - 합성형 반강자성체 및 이를 이용하는 다중 비트 메모리 - Google Patents

합성형 반강자성체 및 이를 이용하는 다중 비트 메모리 Download PDF

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홍진표
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한양대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a structure of a synthetic antiferromagnetic material and a memory using the same, and more particularly, using a synthetic antiferromagnetic material and a synthetic antiferromagnetic material using spin orbital torque and RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) interaction. It relates to a memory capable of storing multiple bits.
  • Spin Orbit Torque is a combination of spin transfer torque and spin orbit coupling.
  • a current flows through the nonmagnetic layer
  • the spin orbit is combined.
  • a ferromagnetic material is disposed on the non-magnetic metal layer, and when a current is applied to the non-magnetic metal layer, a torque is generated in the magnetization of the ferromagnetic material by spin orbital coupling. If the rotational force applied to the magnetization of the ferromagnetic material is properly used, magnetic information is controlled by current, so it can be used as a memory device.
  • the spin orbital coupling is a concept that indicates that the spins of electrons interact with orbital motion. That is, moving electrons feel as if there is a magnetic field even when there is no external magnetic field, and this magnetic field is proportional to the momentum of the electron and the strength of the electric field applied to move the electron. Therefore, electrons have spin orbital binding energy, and in the absence of magnetic material, they generate a spin current in nonmagnetic material.
  • a ferri magnetic material may be used instead of a ferromagnetic material.
  • the spin current induced by the spin Hall effect in the heavy metal layer acts on the sublattice constituting the ferri magnetic material, so the efficiency of the spin orbit torque does not increase significantly. Does not. That is, since the sub-lattices are arranged in a direction different from the magnetization direction of the spin current, the efficiency of the torque transmitted to the ferri magnetic material is not significantly increased.
  • US application 15/845,985 introduces a synthetic antiferromagnetic material and uses it as a fixed layer. Since the pinned layer must have spin asymmetry, a symmetrical fracture layer is added to the lower or upper portion of the structure of the composite antiferromagnetic material. However, it does not use the spin orbit torque.
  • a first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a synthetic antiferromagnetic material capable of performing magnetization reversal at a low current.
  • a second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a multi-bit memory using a composite antiferromagnetic material provided through the first technical problem.
  • the present invention for achieving the above-described first technical problem, the lower ferromagnetic layer; An RKKY induction layer formed on the lower ferromagnetic layer; And an upper ferromagnetic layer formed on the RKKY induction layer, wherein magnetization directions of the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are set opposite to each other by applying a charge current in a direction parallel to the surface of the RKKY induction layer.
  • the RKKY induction layer provides a synthetic antiferromagnetic material, characterized in that it has a thickness in which the RKKY interaction occurs maximally.
  • the first synthetic type antiferromagnetic material for achieving the second technical problem, the first synthetic type antiferromagnetic material; A first tunnel barrier layer formed on the first synthetic antiferromagnetic material; A second synthetic antiferromagnetic material formed on the first tunnel barrier layer; A second tunnel barrier layer formed on the second synthetic antiferromagnetic material; And a third composite antiferromagnetic material formed on the second tunnel barrier layer, wherein each composite antiferromagnetic material includes a lower ferromagnetic layer; An RKKY induction layer formed on the lower ferromagnetic layer; And an upper ferromagnetic layer formed on the RKKY induction layer, wherein the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer have perpendicular magnetic anisotropy by a program current applied parallel to the surface of the RKKY induction layer, It provides a multi-bit memory characterized by having a magnetic moment.
  • the program current used to store data in the memory has a very small value compared to the current that induces magnetization reversal of a conventional ferromagnetic material.
  • synthetic antiferromagnetic materials stacked vertically form resistance units.
  • An RKKY induction layer is disposed between each of the resistance units.
  • the RKKY induction layer acts as a channel of program current that induces RKKY interaction.
  • the program current flows in a direction parallel to the surface of the RKKY induction layer, and the ferromagnetic layers in contact with the RKKY induction layer have antiferromagnetic properties due to antiparallel magnetization.
  • the RKKY induction layer is composed of a non-magnetic heavy metal, it acts as a channel to supply a read current during a read operation. That is, a resistance unit is disposed in at least two RKKY induction layers, a read current or read voltage is applied in a direction perpendicular to the surface of the RKKY induction layer, and resistance of the ferromagnetic layers due to spin orbit coupling is measured. Accordingly, when composite antiferromagnetic materials are stacked and stacked, multi-bit data can be stored, and a read operation of data according to various stored states can be performed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a synthetic antiferromagnetic material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the composite antiferromagnetic material of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph measuring the magnetic moment of the composite antiferromagnetic material according to the manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic structure according to the manufacturing example of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a graph measuring Hall resistance of a magnetic device according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 6 is an image for measuring Hall resistance of the magnetic element of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a graph measuring Hall resistance of another magnetic element for comparison with the magnetic element of FIG. 5 according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a memory using a composite antiferromagnetic material according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 9 to 11 are cross-sectional views for explaining the operation of the memory of FIG. 8 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a synthetic antiferromagnetic material according to an embodiment of the present invention.
  • the composite antiferromagnetic material of this embodiment has a lower ferromagnetic layer 110, an RKKY induction layer 120, and an upper ferromagnetic layer 130.
  • the lower ferromagnetic layer 110 is a conventional ferromagnetic material, has Co, Fe, Ni, Mn, or one or more alloys thereof, and preferably includes CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt or FePd.
  • the RKKY induction layer 120 is a non-magnetic metal or a conductive oxide.
  • Ru, W, or Ta may be used as the non-magnetic metal, and general conductive oxides such as ITO or IZO may be used as the conductive oxide.
  • the upper ferromagnetic layer 130 is a conventional ferromagnetic material, has Co, Fe, Ni, Mn, or one or more alloys thereof, and preferably includes CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt or FePd. It is preferable that the upper ferromagnetic layer 130 is made of the same material as the lower ferromagnetic layer 110.
  • the RKKY induction layer 120 uses the RKKY interaction so that the lower ferromagnetic layer 110 and the upper ferromagnetic layer 130 have magnetic moments in opposite directions to each other.
  • the probability of a spin electron having an up spin or a down spin at a specific point by the RKKY interaction is expressed in terms of wavelength. That is, the probability that the spins of electrons can be aligned in one direction varies according to the thickness of the RKKY induction layer 120.
  • the RKKY interaction is related to the coupling mechanism of the nuclear magnetic moment in the metal or the electron spin of the local internal d or f orbitals through the interaction of conduction electrons.
  • the RKKY induction layer 120 when the RKKY induction layer 120 has a specific thickness, it should be understood that the lower ferromagnetic layer 110 and the upper ferromagnetic layer 130 have opposite spins.
  • each ferromagnetic layer 110 , 130, the RKKY induction layer 120 is positioned on one side, and the oxide layer needs to be positioned in a direction facing the RKKY induction layer 120 around the ferromagnetic layers 110 and 130.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the composite antiferromagnetic material of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the current is applied through the RKKY induction layer 120.
  • the current can be divided into a charge current and a spin current.
  • the charge current refers to a flow of electric charges due to an electric field or voltage difference applied to the RKKY induction layer 120, which is an applied conductor.
  • the spin current refers to that when electrons having up-spin or down-spin flow under the influence of an electric field and the spin polarization ratio is not zero, spin transport occurs along with movement of electrons.
  • the current is lower ferromagnetic layer 110 Alternatively, it flows toward the upper ferromagnetic layer 130.
  • electrons having different spin states are directed to different ferromagnetic layers. For example, electrons in a spin up state may flow toward the upper ferromagnetic layer 130, and electrons in a spin down state may flow toward the lower ferromagnetic layer 110. This can be explained as a kind of spin Hall effect.
  • the spin state of electrons flowing into the ferromagnetic layer from the nonmagnetic metal layer RKKY induction layer 120 is determined by the direction of the charge current or the sign of the spin-orbit coupling of the nonmagnetic metal layer.
  • the number of electrons flowing toward the ferromagnetic layer and the intensity of the spin orbital torque are determined by the thickness of the RKKY inducing layer 120 by the RKKY interaction.
  • spins of electrons in the ferromagnetic layer may be set to an antiparallel state or a parallel state.
  • the spins of electrons in each ferromagnetic layer are set to an antiparallel state. Therefore, when electrons flowing into the lower ferromagnetic layer 110 set the spin of the lower ferromagnetic layer 110 to the up state, the electrons flowing into the upper ferromagnetic layer 130 turn the spin of the upper ferromagnetic layer 130 down. Set. This is the spin-orbit torque due to the spin Hall effect. Further, when the thickness of the RKKY induction layer is D2, the spins of electrons in each ferromagnetic layer are set in a parallel state.
  • the spin current toward the upper ferromagnetic layer 130 sets the upper ferromagnetic layer 130 to be magnetized in a spin-up state, and the spin current toward the lower ferromagnetic layer 110 spins the lower ferromagnetic layer 110. It will be described as setting the magnetization in the down state.
  • the two ferromagnetic layers 110 and 130 have magnetizations in an antiparallel state with each other by RKKY interaction.
  • the spin current in each direction is magnetized in the up state through the spin-orbit torque in the upper ferromagnetic layer 130, and the lower ferromagnetic layer 110 is magnetized in the down state. I try to make it.
  • the spin-orbit torque gives the torque to make the upper ferromagnetic layer and the lower ferromagnetic layer in opposite directions, and the RKKY interaction at the first thickness D1 serves to help the spin-orbit torque.
  • the upper ferromagnetic layer 130 and the lower ferromagnetic layer 130 have magnetization in a parallel state through RKKY interaction.
  • the RKKY interaction acts to interfere with the spin-orbit torque at the second thickness D2.
  • the thickness D1 of the RKKY induction layer 120 in which the RKKY interaction occurs at the maximum is defined as the first maximum point
  • the thickness D2 of the RKKY induction layer 120 is defined as the first minimum point
  • the RKKY interaction serves to help the spin-orbit torque acting on the lower ferromagnetic layer 110 and the upper ferromagnetic layer 130, and vice versa.
  • the RKKY interaction serves to interfere with the spin-orbit torque applied to the lower ferromagnetic layer 110 and the upper ferromagnetic layer 130.
  • the thickness of the RKKY induction layer 120 has a value between the first maximum point D1 and the second maximum point D2
  • the interaction between the lower ferromagnetic layer 110 and the upper ferromagnetic layer 130 disappears, and each Since the magnetic layer behaves independently, the role of the RKKY interaction is lost.
  • the spin of the induced electrons generates a general spin-orbital torque that is not strengthened or weakened at the interface between the RKKY induction layer 120 and the ferromagnetic layers 110 and 130 in a spin down state or a spin up state.
  • the RKKY induction layer has a specific thickness due to the RKKY interaction (first maximum point, D1), the spin trajectory torque of the ferromagnetic layer is enhanced. Therefore, even when a low current is applied to the RKKY induction layer, the two ferromagnetic layers have perpendicular magnetic anisotropy and an antiferromagnetic state having spins in opposite directions can be formed.
  • 3 is a graph measuring the magnetic moment of the composite antiferromagnetic material according to the manufacturing example of the present invention.
  • a first PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy) induction layer as an oxide, a lower ferromagnetic layer, an RKKY induction layer, an upper ferromagnetic layer, a second PMA induction layer as an oxide, and a capping layer are formed on a silicon oxide substrate.
  • the lower ferromagnetic layer, the RKKY induction layer, and the upper ferromagnetic layer constitute the composite antiferromagnetic material of FIG. 1, and the first PMA induction layer and the second PMA induction layer are used to induce perpendicular magnetic anisotropy of the adjacent ferromagnetic layer.
  • the first PMA induction layer is MgO, and is formed to a thickness of 1 nm by applying RF power of 50 W.
  • the lower ferromagnetic layer is CoFeB, and is formed to a thickness of 1.3 nm through DC power of 12 W using a target having a content of 20% Co, 60% Fe and 20% B.
  • the RKKY induction layer is composed of W and has a thickness of 0.1 nm to 2.5 nm through 12 W of DC power.
  • the upper ferromagnetic layer is formed using the same formation process as the lower ferromagnetic layer, has a material of CoFeB, and has a thickness of 1.3 nm.
  • the second PMA induction layer is formed by the same process as the first PMA induction layer described above, and has a thickness of 1 nm in MgO material.
  • the capping layer is made of Ta and has a thickness of 3 nm through 12 W of DC power.
  • each process is performed at room temperature. After formation of the film, a heat treatment is performed at 350° C. for 1 hour.
  • a magnetic structure of SiO 2 /MgO(1 nm)/CoFeB(1.3 nm)/W(t w )/CoFeB(1.3 nm)/MgO(1 nm)/Ta(3 nm) is formed through the above process, CoFeB/W/CoFeB forms a synthetic antiferromagnetic material.
  • MgO is used as a film material to induce perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB. Since CoFeB easily has perpendicular magnetic anisotropy at the oxide interface, MgO is used.
  • Ta used as the capping layer prevents further oxidation of MgO.
  • the graph in FIG. 3 indicates the parallel magnetic moment when an external magnetic field is applied in a direction parallel to the interface between the films, and the graph ⁇ is the external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the interface between the films.
  • the X axis represents the magnetic field applied from the outside
  • the Y axis represents the magnetic moment of the magnetic structure.
  • the graph ⁇ is the measurement of the magnetic moment in the direction perpendicular to the interface by applying an external magnetic field in the direction perpendicular to the interfaces of the magnetic structure. It can be seen that the formed magnetic structure reacts very sensitively to a vertical magnetic field applied from the outside. That is, it can be seen that the formed magnetic structure is a very easy structure to have perpendicular magnetic anisotropy. However, since the unit value for the external magnetic field is large, the exact change of the perpendicular magnetic moment with respect to the strength of the external magnetic field is not recognized.
  • FIG. 4 is a graph showing perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic structure according to the manufacturing example of FIG. 3.
  • the graph of FIG. 3 is enlarged and displayed. It can be seen that two ferromagnetic layers operate as one layer when the thickness of the RKKY induction layer W is 0.1 nm to 1 nm. In other words, typical hysteresis characteristics appearing in one ferromagnetic material appear. However, when the thickness of W is 1.5 nm or more, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are clearly separated. That is, when the external magnetic field has a value of 0 Oe, it can be seen that the magnetic moment also has a value of 0 emu. It is interpreted that the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material exhibit antiferromagnetic coupling.
  • FIG. 5 is a graph measuring Hall resistance of a magnetic device according to a comparative example of the present invention.
  • the thickness of W which is an RKKY inducing layer, is 2 nm, and two ferromagnetic layers are mutually antiferromagnetic coupling due to RKKY interaction.
  • the magnetic element has a structure of SiO 2 /MgO(1 nm)/CoFeB(1.3 nm)/W(2 nm)/CoFeB(1.3 nm)/MgO(1 nm)/Ta(3 nm) as described. And acts as a Hall element.
  • FIG. 6 is an image for measuring Hall resistance of the magnetic element of FIG. 5.
  • the magnetic element 20 has a cross-shaped structure for measuring Hall resistance, and the electrodes are set to Ti (3 nm)/Pt (50 nm).
  • the magnetic element 20 is arranged in a cross shape on the SiO 2 substrate 10, current is applied to the two input electrodes 21 and 22 arranged on the X axis, and two outputs arranged on the Y axis. Hall voltage is measured through the electrodes 23 and 24. Hall resistance is the measured Hall voltage divided by the applied current.
  • an external magnetic field is applied in a direction horizontal to the substrate 10. This is to induce magnetization reversal of the magnetic element 20 by the spin orbit torque. That is, the external magnetic field is applied in the same direction as the current direction.
  • the switching current at which magnetization inversion occurs has a value of 0.5 mA to 1.2 mA.
  • the switching current tends to increase. This is because the magnetic field applied from the outside interferes with the RKKY interaction.
  • FIG. 7 is a graph measuring Hall resistance of another magnetic element for comparison with the magnetic element of FIG. 5 according to a comparative example of the present invention.
  • the structure of another magnetic device has a structure of SiO 2 /W (2 nm)/CoFeB (1.3 nm)/MgO (1 nm)/Ta (3 nm). That is, W, a nonmagnetic heavy metal, is disposed at the bottom, and MgO for inducing perpendicular magnetic anisotropy is formed on the CoFeB, which is a ferromagnetic layer.
  • the formed magnetic element has the structure disclosed in FIG. 6.
  • magnetization reversal is performed at approximately 2 mA to 3 mA. In other words, it is changed from a (+) value to a (-) value, or from a (-) value to a (+) value.
  • the composite antiferromagnetic structure is excluded. That is, magnetization reversal characteristics of a ferromagnetic material having general perpendicular magnetic anisotropy appear.
  • FIGS. 5 and 7 Comparing FIGS. 5 and 7, it can be seen that the structure of FIG. 5 having a composite antiferromagnetic structure requires a very low current for magnetization reversal. In the case of FIG. 7, a current of 2 mA to 3 mA is required for magnetization reversal, but an operating current of 0.5 mA to 1.2 mA is required in FIG. 5. That is, the synthetic diamagnetic structure requires a low operating current for magnetization reversal, and thus has an advantage of very low power consumption when manufacturing a device.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a memory using a composite antiferromagnetic material according to a preferred embodiment of the present invention.
  • synthetic antiferromagnetic materials 200, 300, and 400 are vertically stacked. Although not shown, other functional films or wirings may be formed on the substrate, and the vertically stacked structure of the composite antiferromagnetic materials 200, 300, and 400 may store multiple bits.
  • the memory has a first synthetic type antiferromagnetic material 200, a second synthetic type antiferromagnetic material 300, and a third synthetic type antiferromagnetic material 400, and the three synthetic type antiferromagnetic materials 200, 300, 400 are vertical. Are stacked.
  • tunnel barrier layers 250 and 350 are formed between each of the composite antiferromagnetic materials 200, 300 and 400. That is, the first tunnel barrier layer 250 is formed between the first synthetic type antiferromagnetic material 200 and the second synthetic type antiferromagnetic material 300, and the second synthetic type antiferromagnetic material 300 and the third synthetic type antiferromagnetic material 300
  • a second tunnel barrier layer 350 is formed between the ferromagnetic material 400.
  • the number of composite antiferromagnetic materials stacked may increase. However, it is preferable that tunnel barrier layers 250 and 350 are formed between each of the synthetic antiferromagnetic materials 200, 300, and 400.
  • each of the synthetic antiferromagnetic materials 200, 300, 400 has a configuration as described in FIG. 1. Accordingly, the RKKY induction layers 220, 320, 420 are formed between the lower ferromagnetic layers 210, 310, 410 and the upper ferromagnetic layers 230, 330, 430, and the RKKY induction layers 220, 320, 420 are It induces an antiparallel state of spin electrons applied to the upper or lower ferromagnetic layer. Therefore, the RKKY induction layers 220, 320, and 420 have a maximum thickness.
  • the composition and material of the synthetic antiferromagnetic materials 200, 300, and 400 are the same as those described in FIGS. 1 to 2 above.
  • the tunnel barrier layers 250 and 350 may be selected as a material that is easy to induce perpendicular magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer to be contacted. Therefore, the tunnel barrier layers 250 and 350 are oxides, preferably MgO.
  • resistance is changed according to the magnetization direction of the two ferromagnetic layers in contact with the tunnel barrier layers 250 and 350. That is, the upper ferromagnetic layer and the lower ferromagnetic layer disposed around the tunnel barrier layers 250 and 350 form one resistance unit 260 and 360. Also, the resistance of the resistance units 260 and 360 is determined according to the spin directions of the upper and lower ferromagnetic layers disposed around the tunnel barrier layers 250 and 350.
  • the resistance unit becomes a low resistance state.
  • the resistance unit becomes a high resistance state.
  • Resistance units 260 and 360 are defined by the stacked composite antiferromagnetic materials 200, 300, and 400. That is, the first upper ferromagnetic layer 230, the first tunnel barrier layer 250, and the second lower ferromagnetic layer 310 form the first resistance unit 260. In addition, the second upper ferromagnetic layer 330, the second tunnel barrier layer 350, and the third lower ferromagnetic layer 410 form a second resistance unit 360. If another synthetic antiferromagnetic material is added to the lower part of the first synthetic antiferromagnetic material 200, or another synthetic antiferromagnetic material is added to the upper part of the third synthetic antiferromagnetic material 400, the resistance unit will be further increased. I can.
  • Each of the resistance units 260 and 360 has a structure disposed between the RKKY induction layers 220, 320 and 420. Therefore, during a program or write operation of the memory, a program current is applied in a direction parallel to the RKKY induction layers 220, 320, 420 to induce anti-equilibrium magnetization of the ferromagnetic layer, and in a read operation, the RKKY induction layer 220, Current or voltage is supplied in a direction perpendicular to 320 and 420 to measure the resistance state of the resistance units 260 and 360.
  • the RKKY induction layers 220, 320, 420 implement an antiparallel magnetization state in which magnetization is opposite to each other in the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer in contact therewith.
  • the other lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer implement antiparallel magnetization in a specific direction by the direction of current flowing through the RKKY induction layer in the adjacent synthetic antiferromagnetic material.
  • Tunnel barrier layers 250 and 350 are provided between the composite antiferromagnetic materials 200, 300 and 400, and ferromagnetic materials in contact with the tunnel barrier layers 250 and 350 implement a memory state according to spin orbit coupling.
  • 9 to 11 are cross-sectional views for explaining the operation of the memory of FIG. 8 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a first program current I1 flows through the first RKKY induction layer 220
  • a second program current I2 flows through the second RKKY induction layer 320
  • the third RKKY induction layer 420 flows.
  • Program current I3 flows.
  • Each of the program currents flows parallel to the interface of the RKKY induction layers 220, 320, and 420 in contact with the ferromagnetic layers.
  • the first program current I1 and the third program current I3 flow to the right, and the second program current I2 flows to the left. That is, the program currents are applied by alternating directions according to the composite antiferromagnetic material.
  • the first lower ferromagnetic layer 210 of the first composite antiferromagnetic material 200 has a magnetic moment directed downward, and the first upper The ferromagnetic layer 230 has a magnetic moment facing upward.
  • the second lower ferromagnetic layer 310 of the second composite antiferromagnetic body 300 has a magnetic moment toward the upper portion by the second program current I2 flowing through the second RKKY induction layer 320, and the second upper portion The ferromagnetic layer 330 has a magnetic moment directed downward.
  • the third lower ferromagnetic layer 410 is lowered by the third program current I3 flowing through the third RKKY induction layer 420 in the third synthetic antiferromagnetic material 400 formed on the second synthetic antiferromagnetic material 300
  • the third upper ferromagnetic layer 430 has a magnetic moment toward the upper side, and the third upper ferromagnetic layer 430 has a magnetic moment toward the upper side.
  • first upper ferromagnetic layer 230, the first tunnel barrier layer 250, and the second lower ferromagnetic layer 310 form a first resistance unit 260.
  • second upper ferromagnetic layer 330, the second tunnel barrier layer 350, and the third lower ferromagnetic layer 410 form a second resistance unit 360.
  • Each of the resistance units 260 and 360 constitutes a magnetic memory by spin orbit coupling.
  • the ferromagnetic layers 230 and 310 constituting the first resistance unit 260 have magnetic moments in the same direction with each other. Accordingly, the first resistance unit 260 disposed between the second RKKY induction layer 320 and the first RKKY induction layer 220 has a low resistance of R1. Since the ferromagnetic layers 330 and 410 constituting the second resistance unit 360 formed on the first resistance unit 260 also have magnetic moments in the same direction, they have a low resistance value of R2. If the composition and thickness of the film forming the first resistance unit 260 and the second resistance unit 360 are the same, the low resistance values of the two resistance units 260 and 360 may be the same.
  • the resistance of the resistance unit becomes the minimum value, and the memory implementing the multi-bit becomes a low resistance state.
  • program currents I1, I2, and I3 flowing through the RKKY induction layers 220, 320, and 420 are all set in the same direction. Accordingly, each of the synthetic antiferromagnetic materials 200, 300, 400 exhibits the same magnetization state with each other. That is, magnetization of all lower ferromagnetic layers 210, 310, and 410 may be directed downward, and magnetization of all upper ferromagnetic layers 230, 330, and 430 may be directed upward.
  • the directions of magnetization of the lower ferromagnetic layers 210, 310, 410 and the magnetization of the upper ferromagnetic layers 230, 330, 430 are the program currents I1, I2, I3 flowing through the RKKY induction layers 220, 320, 420. It is determined by the direction.
  • the ferromagnetic bodies 230 and 310 constituting the first resistance unit 260 are in an antiparallel state having magnetization states in opposite directions to each other. Accordingly, the first resistance unit 260 has a high resistance R1+ ⁇ R1.
  • the ferromagnetic elements 330 and 410 constituting the second resistance unit 360 formed on the first resistance unit 260 also have a magnetization state in opposite directions to each other, and have a value of R2+ ⁇ R2, which is a high resistance. That is, when the program currents I1, I2, and I3 are set in the same direction from the memory to the RKKY induction layers 220, 320, and 420, the memory becomes the maximum resistance state.
  • the first program current I1 flowing through the first RKKY induction layer 220 of the first synthetic antiferromagnetic material 200 is the second RKKY induction layer 320 of the second synthetic antiferromagnetic material 300 It is the opposite direction to the second program current I2 flowing through. Accordingly, the first upper ferromagnetic layer 230 and the second lower ferromagnetic layer 310 constituting the first resistance unit 260 have a magnetization state in the same direction, and implement a low resistance state R1.
  • the third program current I3 and the second program current I2 flowing through the third RKKY induction layer 420 of the third synthetic antiferromagnetic material 400 are in the same direction. Accordingly, the second upper ferromagnetic layer 330 and the third lower ferromagnetic layer 410 constituting the second resistance unit 360 have magnetizations in opposite directions to each other.
  • the second resistance unit 360 having magnetization states in opposite directions to each other has a high resistance state and has a resistance value of R2+ ⁇ R2.
  • the resistance states of the resistance units 260 and 360 formed by the synthetic antiferromagnetic materials 200, 300 and 400 stacked in the vertical direction in FIGS. 9 to 11 are RKKY induction layers 220, 320, 420 It is determined by the direction of the current flowing parallel to ).
  • a read current is supplied from the top to the bottom to read the resistance state of the resistance units 260 and 360.
  • the resistance of the memory in the state of FIG. 9 is R1+R2
  • the resistance of the memory in the state of FIG. 10 is R1+R2+ ⁇ R1+ ⁇ R2
  • the resistance of the memory in the state of FIG. Becomes R1+R2+ ⁇ R2. 11 if the first program current I1 and the second program current I2 are set in the same direction, and the second program current I2 and the third program current I3 are set in opposite directions, the resistance value of R1+R2+ ⁇ R1 Can be implemented.
  • the resistance state of the resistance units 260 and 360 can be adjusted by adjusting the direction of the current applied to the RKKY induction layers 220, 320, 420, and the resistance units 260 and 360 It may be formed by stacked stacking of ferromagnetic materials 200, 300, and 400.
  • the RKKY induction layers 220, 320, and 420 have a thickness in which RKKY interaction is maximized, magnetization reversal switching can be induced even at a low current amount. Through this, there is an advantage of reducing the amount of program current supplied to change the resistance state of the resistance units 260 and 360.
  • the read operation is performed by applying a current or voltage to the resistance units 260 and 360 formed by being stacked vertically.
  • the program operation for storing data is performed by applying a program current in a direction parallel to the RKKY induction layers 220, 320, and 420, but the read operation for the stored data is performed through electrodes disposed at the top and bottom of the memory. It may be performed through the total resistance of the resistance units 260 and 360 formed by applying a current or voltage and combining a plurality of synthetic antiferromagnetic materials 200, 300 and 400.
  • the program current used to store data in the memory has a very small value compared to the current that induces magnetization reversal of a conventional ferromagnetic material.
  • synthetic antiferromagnetic materials stacked vertically form resistance units.
  • An RKKY induction layer is disposed between each of the resistance units.
  • the RKKY induction layer acts as a channel of program current that induces RKKY interaction.
  • the program current flows in a direction parallel to the surface of the RKKY induction layer, and the ferromagnetic layers in contact with the RKKY induction layer have antiferromagnetic properties due to antiparallel magnetization.
  • the RKKY induction layer is composed of a non-magnetic heavy metal, it acts as a channel to supply a read current during a read operation. That is, a resistance unit is disposed in at least two RKKY induction layers, a read current or read voltage is applied in a direction perpendicular to the surface of the RKKY induction layer, and resistance of the ferromagnetic layers due to spin orbit coupling is measured. Accordingly, when the composite antiferromagnetic materials are accumulated and stacked, multi-bit data can be stored, and a read operation of data according to various stored states can be performed.

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Abstract

RKKY 상호작용을 이용한 합성형 반강자성체 및 형성된 합성형 반강자성체를 이용한 다중 비트 메모리가 개시된다. 합성형 반강자성체는 중심에 RKKY 유도층으로 비자성 금속층을 가지고, RKKY 유도층의 두께에 따라 상부 와 하부의 강자성층 사이의 상호작용이 부여되고, 상호간에 반평행 상태의 자화가 극대화된다. 이들을 누적 적층하고, 각각의 합성형 반강자성체들 사이에 터널 장벽층이 구비되면 다중 비트의 저장이 이루어질 수 있다. 즉, RKKY 유도층의 표면과 평행하게 프로그램 전류를 공급하여 데이터를 저장할 수 있으며, RKKY 유도층의 표면에 수직한 방향으로 전류를 공급하여 저항상태를 확인할 수 있다.

Description

합성형 반강자성체 및 이를 이용하는 다중 비트 메모리
본 발명은 합성형 반강자성체의 구조 및 이를 이용하는 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스핀 궤도 토크 및 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 상호작용을 이용한 합성형 반강자성체 및 합성형 반강자성체를 이용하여 다중 비트를 저장할 수 있는 메모리에 관한 것이다.
스핀 궤도 토크(Spin Orbit Torque)는 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque) 현상에 스핀 궤도 결합(Spin Orbit Coupling)을 결합한 것으로 자성층과 비자성층이 결합된 구조에서 비자성층에 전류가 흐를 때, 스핀 궤도 결합에 의해 자성층에서 발생하는 스핀 회전력을 지칭한다. 즉, 비자성 금속층 상에 강자성체가 배치되고, 비자성 금속층에 전류가 인가되면 스핀 궤도 결합에 의해 강자성체의 자화에 회전력(torque)이 발생된다. 강자성체의 자화에 인가되는 회전력이 적절히 이용되는 경우, 전류로 자성 정보가 제어되므로 메모리 소자로 활용이 가능하다.
스핀 궤도 토크를 유도하기 위해 스핀 궤도 결합의 개념은 매우 중요하며, 스핀 궤도 결합은 전자의 스핀이 궤도운동과 상호결합하는 것을 나타내는 개념이다. 즉, 움직이는 전자들은 외부에서 인가되는 자기장이 없는 상태에서도 자기장이 있는 것처럼 느끼며, 이 자기장은 전자의 운동량과 전자를 움직이기 위해 인가되는 전기장의 세기에 비례한다. 따라서 전자들은 스핀 궤도 결합 에너지를 가지며, 자성물질이 없는 상태에서 비자성 물질 내에서 스핀 전류를 일으킨다.
다만, 스핀 궤도 토크를 이용하여 강자성체 내에서 자화반전을 일으키기 위해서는 높은 전류가 요구되어야 하는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 강자성체 대신 페리 자성체가 이용될 수 있다. 그러나, 페리 자성체가 이용될 경우, 하부의 비자성 금속인 중금속층에서 스핀 홀 효과에 의해 유도된 스핀 전류가 페리 자성체를 구성하는 부격자(sublattice)에 작용하므로 스핀 궤도 토크의 효율이 크게 증가하지 않는다. 즉, 부격자들은 스핀 전류의 자화 방향과 다른 방향으로 배열되므로 페리 자성체로 전달되는 토크의 효율이 크게 증가되지 않는다.
이를 개선하기 위해 합성형 반강자성체의 구조가 제안된다.
미국출원 15/845,985호는 합성형 반강자성체를 도입하며, 이를 고정층으로 사용한다. 고정층은 스핀 비대칭성을 가져야 하므로 합성형 반강자성체의 구조의 하부 또는 상부에 대칭 파괴층이 추가된다. 다만, 이는 스핀 궤도 토크를 이용하지 않는다.
따라서, 스핀 궤도 토크가 2개의 강자성층에 동시에 작용하여 저전력에서도 빠른 자화반전을 수행할 수 있는 구조는 요청된다 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 낮은 전류에서 자화 반전을 수행할 수 있는 합성형 반강자성체를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제를 통해 제공되는 합성형 반강자성체를 이용한 다중 비트 메모리를 제공하는데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 하부 강자성층; 상기 하부 강자성층 상에 형성된 RKKY 유도층; 및 상기 RKKY 유도층 상에 형성된 상부 강자성층을 포함하고, 상기 RKKY 유도층의 표면과 평행한 방향의 전하 전류의 인가에 의해 상기 하부 강자성층과 상기 상부 강자성층의 자화 방향이 상호간에 반대로 설정되고, 상기 RKKY 유도층은 RKKY 상호작용이 극대로 일어나는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체를 제공한다.
상기 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 제1 합성형 반강자성체; 상기 제1 합성형 반강자성체 상에 형성된 제1 터널 장벽층; 상기 제1 터널 장벽층 상에 형성된 제2 합성형 반강자성체; 상기 제2 합성형 반강자성체 상에 형성된 제2 터널 장벽층; 및 제2 터널 장벽층 상에 형성된 제3 합성형 반강자성체를 포함하고, 상기 각각의 합성형 반강자성체는 하부 강자성층; 상기 하부 강자성층 상에 형성된 RKKY 유도층; 및 상기 RKKY 유도층 상에 형성된 상부 강자성층을 포함하고, 상기 RKKY 유도층의 표면과 평행하게 인가되는 프로그램 전류에 의해 상기 하부 강자성층과 상기 상부 강자성층은 수직 자기 이방성을 가지고, 서로 반대 방향의 자기 모멘트를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 메모리에 데이터를 저장하기 위해 사용되는 프로그램 전류는 통상의 강자성체의 자화 반전을 유도하는 전류에 비해 매우 작은 값을 가진다. 또한, 수직으로 적층된 합성형 반강자성체들은 저항 단위체들을 형성한다. 각각의 저항 단위체들 사이에는 RKKY 유도층이 배치된다. 데이터의 저장 동작 시에는 RKKY 유도층은 RKKY 상호작용을 유도하는 프로그램 전류의 채널로 작용한다. 프로그램 전류는 RKKY 유도층의 표면과 평행한 방향으로 흐르며, RKKY 유도층에 접하는 강자성층들은 반평행 자화로 인한 반강자성 특성을 가진다.
또한, RKKY 유도층은 비자성 중금속으로 구성되므로 읽기 동작 시에는 읽기 전류가 공급되는 채널로 작용한다. 즉, 적어도 2개의 RKKY 유도층들에는 저항 단위체가 배치되며, 읽기 전류 또는 읽기 전압은 RKKY 유도층이 표면과 수직한 방향으로 인가되고, 스핀 궤도 결합에 따른 강자성층들의 저항이 측정된다. 따라서, 합성형 반강자성체들이 누적하여 적층될 경우, 멀티 비트의 데이터가 저장될 수 있으며, 저장된 다양한 상태에 따른 데이터의 읽기 동작이 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성형 반강자성체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 합성형 반강자성체의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 따른 합성형 반강자성체의 자기 모멘트를 측정한 그래프이다.
도 4는 상기 도 3의 제조예에 따른 자성 구조체의 수직 자기 이방성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 자성 소자의 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 6은 도 5의 자성 소자의 홀 저항 측정을 위한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 상기 도 5의 자성 소자와 비교하기 위한 다른 자성 소자의 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 합성형 반강자성체를 이용한 메모리의 단면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 8의 메모리의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성형 반강자성체의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 합성형 반강자성체는 하부 강자성층(110), RKKY 유도층(120) 및 상부 강자성층(130)를 가진다.
하부 강자성층(110)은 통상의 강자성 물질이며, Co, Fe, Ni, Mn 또는 이들의 하나 이상의 합금을 가지며, CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt 또는 FePd를 포함함이 바람직하다.
또한, RKKY 유도층(120)은 비자성 금속 또는 전도성 산화물임이 바람직하다. 비자성 금속으로는 Ru, W 또는 Ta가 사용될 수 있으며, 전도성 산화물로는 ITO 또는 IZO 등의 일반적인 전도성 산화물이 사용될 수 있다.
또한, 상부 강자성층(130)는 통상의 강자성 물질이며, Co, Fe, Ni, Mn 또는 이들의 하나 이상의 합금을 가지며, CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt 또는 FePd를 포함함이 바람직하다. 상기 상부 강자성층(130)은 하부 강자성층(110)과 동종의 재질임이 바람직하다.
RKKY 유도층(120)은 RKKY 상호작용을 이용하여 하부 강자성층(110)과 상부 강자성층(130)이 서로 반대 방향의 자기 모멘트를 가지도록 한다. RKKY 상호작용에 의해 특정의 지점에서 스핀 전자가 업 스핀 또는 다운 스핀을 가질 확률은 파장으로 표시된다. 즉, RKKY 유도층(120)의 두께에 따라 전자의 스핀이 한 방향으로 정렬할 수 있는 확률은 변경된다. RKKY 상호작용은 전도 전자의 상호작용을 통해 금속 내의 핵 자기 모멘트 또는 국부적인 내부 d 또는 f 궤도의 전자 스핀의 결합 메커니즘과 관련된다.
다만, 본 발명에서 RKKY 유도층(120)이 특정의 두께를 가지는 경우, 하부 강자성층(110) 및 상부 강자성층(130)은 서로 반대의 스핀을 가지는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 2개의 강자성층들(110, 130)이 서로 반대 방향의 스핀을 가지는 반평행 상태가 되고, 스핀의 방향이 막질들의 계면에 대해 수직으로 정렬하는 수직 자기 이방성이 나타나기 위해서는 각 강자성층(110, 130)은 한쪽에는 RKKY 유도층(120)이 위치하고, 강자성층(110, 130)을 중심으로 RKKY 유도층(120)을 대향하는 방향에는 산화층이 위치할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 합성형 반강자성체의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2를 참조하면, RKKY 유도층(120)을 통해 전류가 인가된다. 본 발명에서 전류는 전하 전류와 스핀 전류로 구분될 수 있다. 전하 전류는 인가되는 도체인 RKKY 유도층(120)에 인가되는 전계 또는 전압차에 의한 전하의 흐름을 의미한다. 또한, 스핀 전류는 업 스핀 또는 다운 스핀을 가지는 전자들이 전계의 영향으로 흐를 때 스핀 편극율이 0이 아닌 경우에, 전자의 이동과 함께 스핀 수송이 일어나는 것을 지칭한다.
통상 비자성 금속에서 전계 또는 전압차가 인가되면, 전자의 이동이 일어나며, 이동하는 전자들에서 스핀 업 상태의 전도 전자의 수와 스핀 다운 상태의 전도 전자의 수는 동일하다. 따라서, 스핀 전류는 0이 되며, 스핀 수송은 없이 전하 수송만 일어난다.
상기 도 2에서 전자가 RKKY 유도층(120)을 흐를 경우, 스핀 업 상태의 전자의 수와 스핀 다운 상태의 전자의 수는 상호 동일하며, 전자의 스핀 방향에 따라 전류는 하부 강자성층(110) 또는 상부 강자성층(130)을 향해 흐른다. 특히, 하부 강자성층(110)와 상부 강자성층(130)이 동일 재질인 경우, 서로 다른 스핀 상태를 가진 전자는 다른 강자성층을 향한다. 예컨대, 스핀 업 상태의 전자들은 상부 강자성층(130)을 향해 흐르며, 스핀 다운 상태의 전자들은 하부 강자성층(110)를 향해 흐를 수 있다. 이는 일종의 스핀 홀 효과로 설명될 수 있다. 다만, 비자성 금속층인 RKKY 유도층(120)에서 강자성층으로 유입되는 전자의 스핀 상태는 전하 전류의 방향 혹은 비자성 금속층의 스핀-궤도 결합의 부호에 의해 결정된다.
즉, 강자성층을 향해 흐르는 전자의 수 및 스핀 궤도 토크의 강도는 RKKY 상호작용에 의해 RKKY 유도층(120)의 두께에 의해 결정된다. 예컨대, RKKY 유도층(120)이 특정의 두께를 가지는 경우, 강자성층에서 전자의 스핀은 반평행 상태 또는 평행 상태로 설정될 수 있다.
예컨대, 두께 D1에서 각 강자성층에서의 전자의 스핀은 반평행 상태로 설정된다. 따라서, 하부 강자성층(110)에 유입되는 전자가 하부 강자성층(110)의 스핀을 업 상태로 설정하면, 상부 강자성층(130)에 유입되는 전자는 상부 강자성층(130) 스핀을 다운 상태로 설정한다. 이것은 스핀 홀 효과에 의한 스핀-궤도 토크이다. 또한, RKKY 유도층의 두께가 D2인 경우, 각 강자성층에서 전자의 스핀은 평행 상태로 설정된다. 이때, RKKY 유도층(120)에서 하부 강자성층(110)으로 유입되는 전자는 하부 강자성층(110)의 스핀을 업 상태로 설정하고, 상부 강자성층(130)으로 유입되는 전자는 강자성층(130)의 스핀을 다운 상태로 설정하려 하기 때문에, RKKY의 효과와 스핀-궤도 토크의 효과가 서로 상쇄되려 한다.
상기 도 2에서 상부 강자성층(130)을 향하는 스핀 전류는 상부 강자성층(130)을 스핀 업 상태의 자화로 설정하고, 하부 강자성층(110)을 향하는 스핀 전류는 하부 강자성층(110)을 스핀 다운 상태의 자화로 설정하는 것으로 설명한다. 제1 두께 D1에서 두 개의 강자성층들(110, 130)은 RKKY 상호작용에 의해 서로 반평행 상태의 자화를 가지고 있다. 이때 RKKY 유도층(120)으로 전하 전류가 흐르게 되면, 각 방향의 스핀 전류가 스핀-궤도 토크를 통해 상부 강자성층(130)은 업 상태의 자화로, 하부 강자성층(110)은 다운 상태의 자화로 만들려고 한다. 스핀-궤도 토크는 상부 강자성층과 하부 강자성층을 각각 반대 방향으로 만들려는 토크를 주는데, 이때 제1 두께 D1에서 나타나는 RKKY 상호작용은 스핀-궤도 토크를 도와주는 역할을 한다.
또한, 제2 두께 D2에서 상부 강자성층(130)과 하부 강자성층(130)은 RKKY 상호작용를 통해 평행 상태의 자화를 가지게 된다. 하지만 스핀-궤도 토크는 각 강자성층의 자화를 반대 방향으로 돌리려 하므로, 제2 두께 D2에서는 RKKY 상호작용이 스핀-궤도 토크를 방해하는 역할을 한다.
본 발명에서는 RKKY 상호작용이 극대로 일어나는 RKKY 유도층(120)의 두께 D1을 제1 극대점이라 정의하고, RKKY 유도층(120)의 두께 D2를 제1 극소점이라 정의한다.
예컨대, RKKY 유도층(120)의 두께가 제1 극대점이면, 하부 강자성층(110)과 상부 강자성층(130)에 작용하는 스핀-궤도 토크를 RKKY 상호작용이 도와주는 역할을 하게 되고, 반대로 RKKY 유도층(120)의 두께가 제1 극소점을 가지면, 하부 강자성층(110) 및 상부 강자성층(130)에 인가되는 스핀-궤도 토크를 RKKY 상호작용이 방해하는 역할을 한다.
또한, RKKY 유도층(120)의 두께가 제1 극대점 D1 및 제2 극대점 D2의 사이값을 가지는 경우, 하부 강자성층(110) 및 상부 강자성층(130) 사이의 상호작용이 사라지며, 각각의 자성층은 독립적으로 행동하기 때문에, RKKY 상호작용의 역할이 없어진다. 다만, 유도되는 전자의 스핀은 스핀 다운 상태 또는 스핀 업 상태로 RKKY 유도층(120)과 강자성층들(110, 130) 사이의 계면에서 강화되거나 약화되지 않은 일반적인 스핀-궤도 토크를 일으킨다.
즉, RKKY 상호작용에 의해 RKKY 유도층이 특정의 두께를 가지는 경우(제1 극대점, D1), 강자성층의 스핀 궤도 토크는 강화된다. 따라서, RKKY 유도층에 낮은 전류를 인가하더라도 2개의 강자성층이 수직 자기 이방성을 가지며, 상호간에 반대 방향의 스핀을 가지는 반강자성 상태를 형성할 수 있다.
제조예 : 합성형 반강자성체 형성의 확인
도 3은 본 발명의 제조예에 따른 합성형 반강자성체의 자기 모멘트를 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 산화물 기판 상에 산화물인 제1 PMA(Perpendicular Magnetic Anisotropy) 유도막, 하부 강자성층, RKKY 유도층, 상부 강자성층, 산화물인 제2 PMA 유도막 및 캡핑층이 형성된다. 하부 강자성층, RKKY 유도층 및 상부 강자성층은 도 1의 합성형 반강자성체를 구성하며, 제1 PMA 유도막 및 제2 PMA 유도막은 접하는 강자성층의 수직 자기 이방성을 유도하기 위해 사용된다.
상기 도 3에서 기판을 제외한 다른 막질들은 스퍼터링 공정을 통해 형성되며, 챔버의 기본 압력은 2×10-7 Torr이며, 공정 진행 시의 압력은 3×10-3 Torr이다.
제1 PMA 유도막은 MgO이며, 50 W의 RF 파워를 인가하여 1 nm의 두께로 형성된다. 하부 강자성층은 CoFeB이며, Co 20%, Fe 60% 및 B 20%의 함량을 가진 타겟을 이용하여 12 W의 DC 파워를 통해 1.3 nm의 두께로 형성된다. 또한, RKKY 유도층은 W 으로 구성되고, 12 W의 DC 파워를 통해 0.1 nm 내지 2.5 nm의 두께를 가진다.
상부 강자성층은 하부 강자성층과 동일한 형성 공정을 이용하여 형성되며, CoFeB의 재질을 가지며, 1.3 nm의 두께를 가진다. 또한, 제2 PMA 유도막은 상술한 제1 PMA 유도막과 동일 공정으로 형성되며, MgO 재질에 1 nm의 두께를 가진다. 또한, 캡핑층은 Ta 재질을 가지고, 12 W의 DC 파워를 통해 3 nm의 두께를 가진다. 또한, 각각의 공정은 상온에서 수행된다. 막질의 형성 후엔 350℃에서 1시간 동안의 열처리가 수행된다.
상술한 공정을 통해 SiO2/MgO(1 nm)/CoFeB(1.3 nm)/W(tw)/CoFeB(1.3 nm)/MgO(1 nm)/Ta(3 nm)의 자성 구조체가 형성되며, CoFeB/W/CoFeB는 합성형 반강자성체를 형성한다. 상기 자성 구조체에서 MgO는 CoFeB의 수직 자기 이방성을 유도하기 위한 막질로 이용된다. CoFeB는 산화물의 계면에서 용이하게 수직 자기 이방성을 가지므로 MgO가 사용된다. 또한, 캡핑층으로 사용되는 Ta는 MgO의 추가적인 산화를 방지한다.
또한, 상기 도 3에서 그래프 ■는 막질들 사이의 계면에 평행한 방향으로 외부 자기장이 인가된 경우의 평행한 자기 모멘트를 나타내고, 그래프 ●는 막질들 사이의 계면에 수직한 방향으로 외부 자기장이 인가된 경우의 수직한 자기 모멘트를 나타낸다. 또한, X축은 외부에서 인가되는 자계를 나타내며, Y축은 자성 구조체의 자기 모멘트를 나타낸다.
먼저, 그래프 ■에서 외부에서 막질들 사이의 계면과 수평하게 자계가 인가되면, 강자성층의 수평 자기 모멘트는 대칭적인 특성을 나타낸다. 즉, 외부의 수평 자계가 증가하면, 수평 자기 모멘트도 0 Oe를 중심으로 대칭적으로 증가하며 특정한 자계의 세기에서 포화되는 특성이 있다. 다만, W의 두께가 증가할수록 수평 자기 모멘트가 포화되는 외부 자기장의 세기는 다소 증가한다. 이는 강자성층인 CoFeB의 수직 자기 이방성과 관련된다. CoFeB가 수직 자기 이방성은 MgO의 계면에서 나타난다. 또한, CoFeB 내의 B은 중금속인 W 방향으로 이동하고 CoFe가 MgO의 계면과 잘 정립되는 경우, 수직 자기 이방성은 강화된다. 만일, 중금속인 W의 두께가 두꺼우면 W는 B을 잘 흡수하여 CoFeB의 수직 자기 이방성 특성은 용이하게 나타날 수 있다. 수직 자기 이방성이 용이하게 나타나면, 수평 방향의 자기 모멘트는 상대적으로 강한 외부 자계에 대해 포화되는 특성이 있다.
또한, 그래프 ●는 자성 구조체의 계면들에 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하고, 계면에 수직한 방향의 자기 모멘트를 측정한 것이다. 형성된 자성 구조체는 외부에서 인가되는 수직 자기장에 대해 매우 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다. 즉, 형성된 자성 구조체는 수직 자기 이방성을 가지기에 매우 용이한 구조임을 알 수 있다. 다만, 외부 자계에 대한 단위값이 큰 관계로 외부 자계의 세기에 대한 수직 자기 모멘트의 정확한 변화는 파악되지 않는다.
도 4는 상기 도 3의 제조예에 따른 자성 구조체의 수직 자기 이방성을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면 도 3의 그래프 ●가 확대되어 표시된다. RKKY 유도층인 W의 두께가 0.1 nm 내지 1 nm 에서는 2개의 강자성층들이 하나의 층으로 작동하는 것을 알 수 있다. 즉, 하나의 강자성체에서 나타나는 전형적인 히스테리시스 특성이 나타난다. 그러나, W의 두께가 1.5 nm 이상에서는 제1 강자성층 및 제2 강자성층이 확연히 분리된 동작을 보인다. 즉, 외부 자계가 0 Oe의 값을 가질 때, 자기 모멘트도 0 emu의 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 제1 강자성체와 제2 강자성체가 반강자성 커플링을 나타내는 것으로 해석된다. 즉, 2개의 강자성체들이 상호간에 반대 방향의 수직 자기 이방성을 가짐에 따라 외부에서 바라보는 자성 구조체 전체의 자기 모멘트는 0 emu로 나타난다. 이를 통해 특정의 W 두께에서 RKKY 상호작용에 따른 합성형 반강자성체가 형성된 것을 알 수 있다.
비교예
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 자성 소자의 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 도 3의 소자에서 RKKY 유도층인 W의 두께는 2 nm로 RKKY 상호작용에 의해 2개의 강자성층들이 상호간에 반강자성 커플링이 이루어진 상태이다. 또한, 자성 소자는 서술된 바대로 SiO2/MgO(1 nm)/CoFeB(1.3 nm)/W(2 nm)/CoFeB(1.3 nm)/MgO(1 nm)/Ta(3 nm)의 구조를 가지며, 홀 소자로 작용한다.
도 6은 도 5의 자성 소자의 홀 저항 측정을 위한 이미지이다.
자성 소자(20)는 홀 저항의 측정을 위해 십자형의 구조를 가지며, 전극들은 Ti(3 nm)/Pt(50 nm)로 설정된다. 또한, SiO2 기판(10) 상에 자성 소자(20)가 십자형으로 배치되며, X 축에 배치된 2개의 입력 전극들(21, 22)에는 전류가 인가되며, Y 축에 배치된 2개의 출력 전극들(23, 24)을 통해 홀 전압이 측정된다. 홀 저항은 측정된 홀 전압을 인가 전류로 나눈 값이다. 또한, 외부 자계가 기판(10)과 수평한 방향으로 인가된다. 이는 스핀 궤도 토크에 의한 자성 소자(20)의 자화 반전을 유도하기 위한 것이다. 즉, 외부 자계는 전류 방향과 동일한 방향으로 인가된다. 스핀 궤도 결합에 의해 수직 방향으로 스핀 전자가 이동하면, 전하 전류와 평행한 방향의 외부 자계에 의해 스핀 전자에는 토크가 발생되고, 발생되는 토크에 의해 출력 전극들(23, 24)에서 홀 전압이 발생한다. 또한, 인가되는 외부 자계의 세기가 증가하면 자성 소자(20)는 스핀 궤도 토크에 의해 용이하게 자화 반전을 수행한다. 즉, 홀 저항이 (+)에서 (-)로 변경되면, 자성 소자(20)를 구성하는 강자성층들에서 자화 반전이 일어난 것이며 일종의 스위칭이 수행된 것이다.
상기 도 6에서 자화 반전이 일어나는 스위칭 전류는 0.5 mA 내지 1.2 mA의 값을 가진다. 또한, 외부에서 인가되는 자기장이 증가할수록 스위칭 전류가 증가하는 경향이 나타난다. 이는 외부에서 인가되는 자기장이 RKKY 상호작용을 방해하기 때문이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 상기 도 5의 자성 소자와 비교하기 위한 다른 자성 소자의 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 다른 자성 소자의 구조는 SiO2/W(2 nm)/CoFeB(1.3 nm)/MgO(1 nm)/Ta(3 nm)의 구조를 가진다. 즉, 하부에 비자성 중금속인 W이 배치되고, 강자성층인 CoFeB 상부에는 수직 자기 이방성을 유도하기 위한 MgO가 형성된다. 형성된 자성 소자는 상기 도 6에 개시된 구조를 가진다.
상기 도 7에서 대략 2 mA 내지 3 mA에서 자화 반전이 수행된다. 즉, (+) 값의 저항에서 (-)값의 저항으로 변경되거나, (-)값의 저항에서 (+)값의 저항으로 변경된다. 상기 도 7의 자성 소자의 구조에서는 합성형 반강자성체 구조는 제외된다. 즉, 일반적인 수직 자기 이방성을 가지는 강자성체의 자화 반전 특성이 나타난다.
상기 도 5 및 상기 도 7을 비교하면, 합성형 반강자성체 구조를 가지는 도 5의 구조는 자화 반전을 위해 매우 낮은 값의 전류를 요구하는 것을 알 수 있다. 도 7의 경우, 자화 반전을 위해 2 mA 내지 3 mA의 전류가 요구되나, 도 5에서는 0.5 mA 내지 1.2 mA의 동작 전류가 요구된다. 즉, 합성형 반자성체 구조는 자화 반전을 위해 낮은 동작 전류가 요구되므로 소자의 제작시에 소모 전력이 매우 낮은 장점을 가진다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 합성형 반강자성체를 이용한 메모리의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)은 수직으로 적층된다. 도시되지 아니하나, 기판 상에 다른 기능성 막질 또는 배선들이 형성될 수 있으며, 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)이 수직 적층 구조는 멀티 비트를 저장할 수 있다.
메모리는 제1 합성형 반강자성체(200), 제2 합성형 반강자성체(300) 및 제3 합성형 반강자성체(400)를 가지며, 3개의 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)은 수직으로 적층된다. 또한, 각각의 합성형 반강자성체들(200, 300, 400) 사이에는 터널 장벽층들(250, 350)이 형성된다. 즉, 제1 합성형 반강자성체(200)와 제2 합성형 반강자성체(300) 사이에는 제1 터널 장벽층(250)이 형성되며, 제2 합성형 반강자성체(300)와 제3 합성형 반강자성체(400) 사이에는 제2 터널 장벽층(350)이 형성된다. 하나의 셀에서 저장하고자 하는 비트 수에 따라 적층되는 합성형 반강자성체의 개수는 증가할 수 있다. 다만, 각각의 합성형 반강자성체들(200, 300, 400) 사이에는 터널 장벽층(250, 350)이 형성됨이 바람직하다.
각각의 합성형 반강자성체(200, 300, 400)는 상기 도 1에서 설명된 바와 같은 구성을 가진다. 따라서, 하부 강자성층(210, 310, 410)과 상부 강자성층(230, 330, 430) 사이에 RKKY 유도층(220, 320, 420)이 형성되며, RKKY 유도층(220, 320, 420)은 상부 또는 하부의 강자성층에 인가되는 스핀 전자의 반평행 상태를 유도한다. 따라서, RKKY 유도층(220, 320, 420)은 극대점의 두께를 가진다. 합성형 반강자성체(200, 300, 400)의 구성 및 재질은 상기 도 1 내지 도 2에서 설명된 바와 동일하다.
또한, 터널 장벽층(250, 350)은 접촉되는 강자성층의 수직 자기 이방성을 유도하는데 용이한 재질로 선택될 수 있다. 따라서, 상기 터널 장벽층(250, 350)은 산화물이며, MgO임이 바람직하다. 또한, 상기 터널 장벽층(250, 350)에 접하는 2개의 강자성층들의 자화 방향에 따라 저항이 변경된다. 즉, 터널 장벽층(250, 350)을 중심으로 배치된 상부 강자성층 및 하부 강자성층은 하나의 저항 단위체(260, 360)를 형성한다. 또한, 터널 장벽층(250, 350)을 중심으로 배치되는 상부 강자성층과 하부 강자성층의 스핀 방향에 따라 저항 단위체(260, 360)의 저항은 결정된다. 예컨대, 터널 장벽층을(250, 350) 중심으로 배치되는 상부 강자성층과 하부 강자성층의 자화 방향이 상호 동일한 평행 상태이면, 저항 단위체는 저저항 상태가 된다. 또한, 상부 강자성층과 하부 강자성층의 자화 방향이 상호 반대인 반평행 상태이면 저항 단위는 고저항 상태가 된다. 이를 통해 멀티 비트의 데이터가 저장될 수 있으며, 다중 상태가 구현된다.
누적 적층된 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)에 의해 저항 단위체들(260, 360)이 정의된다. 즉, 제1 상부 강자성층(230), 제1 터널 장벽층(250) 및 제2 하부 강자성층(310)은 제1 저항 단위체(260)를 형성한다. 또한, 제2 상부 강자성층(330), 제2 터널 장벽층(350) 및 제3 하부 강자성층(410)는 제2 저항 단위체(360)를 형성한다. 만일, 제1 합성형 반강자성체(200)의 하부에 다른 합성형 반강자성체가 추가되거나, 제3 합성형 반강자성체(400) 상부에 또 다른 합성형 반강자성체가 추가되면, 저항 단위체는 더욱 증가될 수 있다. 각각의 저항 단위체들(260, 360)은 RKKY 유도층들(220, 320, 420) 사이에 배치되는 구조이다. 따라서, 메모리의 프로그램 또는 쓰기 동작 시에는 RKKY 유도층(220, 320, 420)에 평행한 방향으로 프로그램 전류가 인가되어 강자성층의 반평형 자화를 유도하고, 읽기 동작 시에는 RKKY 유도층(220, 320, 420)에 수직한 방향으로 전류 또는 전압이 공급되어 저항 단위체들(260, 360)의 저항 상태가 측정된다.
각각의 합성형 반강자성체(200, 300, 400) 내에서 RKKY 유도층(220, 320, 420)은 이와 접한 하부 강자성층 및 상부 강자성층에서 상호간에 자화가 반대 방향인 반평행 자화 상태를 구현한다. 또한, 인접한 합성형 반강자성체 내의 RKKY 유도층을 흐르는 전류 방향에 의해 다른 하부 강자성층 및 상부 강자성층은 특정 방향의 반평행 자화 상태가 구현된다. 합성형 반강자성체들(200, 300, 400) 사이에는 터널 장벽층(250, 350)이 구비되며, 터널 장벽층(250, 350)에 접하는 강자성체들은 스핀 궤도 결합에 따른 메모리 상태를 구현한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 8의 메모리의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9를 참조하면, 제1 RKKY 유도층(220)으로 제1 프로그램 전류 I1이 흐르고, 제2 RKKY 유도층(320)으로 제2 프로그램 전류 I2가 흐르며, 제3 RKKY 유도층(420)으로 제3 프로그램 전류 I3이 흐른다. 각각의 프로그램 전류는 RKKY 유도층들(220, 320, 420)이 강자성층들과 접하는 계면에 평행하게 흐른다. 또한, 제1 프로그램 전류 I1 및 제3 프로그램 전류 I3은 우측으로 흐르고, 제2 프로그램 전류 I2는 좌측으로 흐른다. 즉, 프로그램 전류들은 합성형 반강자성체에 따라 교대로 방향을 바꾸어 인가된다.
예컨대, 제1 RKKY 유도층(220)을 통해 흐르는 제1 프로그램 전류 I1에 의해 제1 합성형 반강자성체(200)의 제1 하부 강자성층(210)는 하부를 향하는 자기 모멘트를 가지고, 제1 상부 강자성층(230)은 상부를 향하는 자기 모멘트를 가진다. 또한, 제2 RKKY 유도층(320)을 통해 흐르는 제2 프로그램 전류 I2에 의해 제2 합성형 반강자성체(300)의 제2 하부 강자성층(310)은 상부를 향하는 자기 모멘트를 가지고, 제2 상부 강자성층(330)은 하부를 향하는 자기 모멘트를 가진다. 제2 합성형 반강자성체(300) 상부에 형성된 제3 합성형 반강자성체(400) 내의 제3 RKKY 유도층(420)을 통해 흐르는 제3 프로그램 전류 I3에 의해 제3 하부 강자성층(410)은 하부를 향하는 자기 모멘트를 가지고, 제3 상부 강자성층(430)은 상부를 향하는 자기 모멘트를 가진다.
RKKY 유도층(220, 320, 420)을 흐르는 프로그램 전류의 방향과 상관없이 RKKY 유도층(220, 320, 420)과 접하는 상부 및 하부 강자성층의 자기 모멘트는 상호 반대 방향의 수직 자기 이방성을 나타낸다. 이는 RKKY 상호작용에 따른 결과이다.
또한, 제1 상부 강자성층(230), 제1 터널 장벽층(250) 및 제2 하부 강자성층(310)은 제1 저항 단위체(260)를 형성한다. 또한, 제2 상부 강자성층(330), 제2 터널 장벽층(350) 및 제3 하부 강자성층(410)은 제2 저항 단위체(360)를 형성한다. 각각이 저항 단위체(260, 360)는 스핀 궤도 결합에 의한 자기 메모리를 구성한다.
제1 저항 단위체(260)를 구성하는 강자성층들(230, 310)은 상호간에 동일 방향의 자기 모멘트를 가진다. 따라서, 제2 RKKY 유도층(320) 및 제1 RKKY 유도층(220) 사이에 배치된 제1 저항 단위체(260)는 R1의 저저항을 가진다. 제1 저항 단위체(260) 상에 형성된 제2 저항 단위체(360)를 구성하는 강자성층들(330, 410)도 상호간에 동일 방향의 자기 모멘트를 가지므로 R2의 저저항값을 가진다. 만일, 제1 저항 단위체(260)와 제2 저항 단위체(360)를 형성하는 막질의 조성 및 두께가 동일하다면, 2개의 저항 단위체(260, 360)의 저저항값은 상호간에 동일할 수 있다.
특히, 인접한 RKKY 유도층에 상호간에 반대 방향의 프로그램 전류가 흐를 경우, 저항 단위체의 저항은 최소값이 되고, 멀티 비트를 구현하는 메모리는 저저항 상태가 된다.
도 10을 참조하면, RKKY 유도층들(220, 320, 420)을 통해 흐르는 프로그램 전류들 I1, I2, I3은 모두 동일 방향으로 설정된다. 따라서, 각각의 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)은 서로 동일한 자화 상태를 나타낸다. 즉, 모든 하부 강자성층(210, 310, 410)의 자화는 하부를 향하고, 모든 상부 강자성층(230, 330, 430)의 자화는 상부를 향할 수 있다. 하부 강자성층(210, 310, 410)의 자화의 방향 및 상부 강자성층(230, 330, 430)의 자화의 방향은 RKKY 유도층(220, 320, 420)을 흐르는 프로그램 전류 I1, I2, I3의 방향에 의해 결정된다.
또한, 제1 저항 단위체(260)를 구성하는 강자성체들(230, 310)은 상호간에 서로 반대 방향의 자화 상태를 가지는 반평행 상태이다. 따라서, 제1 저항 단위체(260)는 고저항인 R1+△R1을 가진다. 제1 저항 단위체(260) 상부에 형성된 제2 저항 단위체(360)를 구성하는 강자성체들(330, 410)도 상호간에 서로 반대 방향의 자화 상태를 가지고, 고저항인 R2+△R2의 값을 가진다. 즉, 메모리에서 RKKY 유도층(220, 320, 420)으로 프로그램 전류 I1, I2, I3이 동일 방향으로 설정되면 메모리는 최대 저항 상태가 된다.
도 11을 참조하면, 제1 합성형 반강자성체(200)의 제1 RKKY 유도층(220)을 흐르는 제1 프로그램 전류 I1은 제2 합성형 반강자성체(300)의 제2 RKKY 유도층(320)을 흐르는 제2 프로그램 전류 I2와 반대 방향이다. 따라서, 제1 저항 단위체(260)를 구성한는 제1 상부 강자성층(230)과 제2 하부 강자성층(310)은 동일 방향의 자화 상태를 가지고, 저저항 상태인 R1을 구현한다.
또한, 제3 합성형 반강자성체(400)의 제3 RKKY 유도층(420)을 흐르는 제3 프로그램 전류 I3과 제2 프로그램 전류 I2는 서로 동일 방향이다. 따라서, 제2 저항 단위체(360)를 구성하는 제2 상부 강자성층(330)과 제3 하부 강자성층(410)은 서로 반대 방향의 자화를 가진다. 서로 반대 방향의 자화 상태를 가지는 제2 저항 단위체(360)는 고저항 상태를 가지고 R2+△R2의 저항값을 가진다.
즉, 도 9 내지 도 11에서 수직 방향으로 적층된 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)에 의해 형성되는 저항 단위체들(260, 360)의 저항 상태는 RKKY 유도층(220, 320, 420)과 평행하게 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다. 또한, 저항 단위체들(260, 360)의 저항 상태를 읽기 위해 상부에서 하부로 읽기 전류가 공급된다. 읽기 전류가 공급되는 경우, 도 9의 상태에서 메모리가 가지는 저항은 R1+R2이며, 도 10의 상태에서 메모리가 가지는 저항은 R1+R2+△R1+△R2이고, 도 11의 상태에서 메모리가 가지는 저항은 R1+R2+△R2가 된다. 만일, 상기 도 11에서 제1 프로그램 전류 I1과 제2 프로그램 전류 I2를 동일 방향으로 설정하고, 제2 프로그램 전류 I2와 제3 프로그램 전류 I3을 상호 반대 방향으로 설정한다면 R1+R2+△R1의 저항값을 구현할 수 있다.
즉, RKKY 유도층(220, 320, 420)에 인가되는 전류의 방향을 조절하여 저항 단위체들(260, 360)의 저항 상태가 조절될 수 있으며, 저항 단위체들(260, 360)은 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)의 누적된 적층에 의해 형성될 수 있다. 특히, RKKY 유도층(220, 320, 420)은 RKKY 상호작용이 극대화되는 두께를 가지므로 낮은 전류량에도 자화 반전 스위칭을 유도할 수 있다. 이를 통해 저항 단위체들(260, 360)의 저항 상태를 변경하기 위해 공급되는 프로그램 전류량을 감소시키는 잇점이 있다.
또한, 읽기 동작은 수직으로 적층되어 형성된 저항 단위체들(260, 360)에 대한 전류 또는 전압의 인가에 의해 수행된다. 데이터를 저장하는 프로그램 동작은 RKKY 유도층(220, 320, 420)과 평행한 방향으로 프로그램 전류를 인가하는 것에 의해 수행되나, 저장된 데이터에 대한 읽기 동작은 메모리의 상부 및 하부에 배치되는 전극을 통해 전류 또는 전압을 인가하고, 복수개의 합성형 반강자성체들(200, 300, 400)의 조합에 의해 형성되는 저항 단위체들(260, 360)의 전체 저항을 통해 수행될 수 있다.
상술한 구조 및 동작에서 메모리에 데이터를 저장하기 위해 사용되는 프로그램 전류는 통상의 강자성체의 자화 반전을 유도하는 전류에 비해 매우 작은 값을 가진다. 또한, 수직으로 적층된 합성형 반강자성체들은 저항 단위체들을 형성한다. 각각의 저항 단위체들 사이에는 RKKY 유도층이 배치된다. 데이터를 저장 동작 시에는 RKKY 유도층은 RKKY 상호작용을 유도하는 프로그램 전류의 채널로 작용한다. 프로그램 전류는 RKKY 유도층의 표면과 평행한 방향으로 흐르며, RKKY 유도층에 접하는 강자성층들은 반평행 자화로 인한 반강자성 특성을 가진다.
또한, RKKY 유도층은 비자성 중금속으로 구성되므로 읽기 동작 시에는 읽기 전류가 공급되는 채널로 작용한다. 즉, 적어도 2개의 RKKY 유도층들에는 저항 단위체가 배치되며, 읽기 전류 또는 읽기 전압은 RKKY 유도층이 표면과 수직한 방향으로 인가되고, 스핀 궤도 결합에 따른 강자성층들의 저항이 측정된다. 따라서, 합성형 반강자성체들을 누적하여 적층할 경우, 멀티 비트의 데이터가 저장될 수 있으며, 저장된 다양한 상태에 따른 데이터의 읽기 동작이 수행될 수 있다.

Claims (13)

  1. 하부 강자성층;
    상기 하부 강자성층 상에 형성된 RKKY 유도층; 및
    상기 RKKY 유도층 상에 형성된 상부 강자성층을 포함하고,
    상기 RKKY 유도층의 표면과 평행한 방향의 전하 전류의 인가에 의해 상기 하부 강자성층과 상기 상부 강자성층의 자화 방향이 상호간에 반대로 설정되고, 상기 RKKY 유도층은 RKKY 상호작용이 극대로 일어나는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 강자성층은 CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt 또는 FePd를 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상부 강자성층은 상기 하부 강자성층과 동일 재질을 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 RKKY 유도층은 비자성 금속 또는 전도성 산화물을 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 RKKY 유도층은 Ru, W 또는 Ta를 가지고, 상기 RKKY 유도층이 W를 가질 경우, 상기 RKKY 유도층의 두께는 1.5 nm 내지 2.5 nm인 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 합성형 반강자성체는 외부 자계가 0 Oe 일 때, 자기 모멘트가 0 emu의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하부 강자성체의 하부에 접하는 제1 PMA 유도층; 및
    상기 상부 강자성체의 상부에 접하는 제2 PMA 유도층이 더 포함되고,
    상기 제1 PMA 유도층은 상기 하부 강자성체의 수직 자기 이방성을 강화하고, 상기 제2 PMA 유도층은 상기 상부 강자성체의 수직 자기 이방성을 강화하는 것을 특징으로 하는 합성형 반강자성체.
  8. 제1 합성형 반강자성체;
    상기 제1 합성형 반강자성체 상에 형성된 제1 터널 장벽층;
    상기 제1 터널 장벽층 상에 형성된 제2 합성형 반강자성체;
    상기 제2 합성형 반강자성체 상에 형성된 제2 터널 장벽층; 및
    제2 터널 장벽층 상에 형성된 제3 합성형 반강자성체를 포함하고,
    상기 각각의 합성형 반강자성체는
    하부 강자성층;
    상기 하부 강자성층 상에 형성된 RKKY 유도층; 및
    상기 RKKY 유도층 상에 형성된 상부 강자성층을 포함하고,
    상기 RKKY 유도층의 표면과 평행하게 인가되는 프로그램 전류에 의해 상기 하부 강자성층과 상기 상부 강자성층은 수직 자기 이방성을 가지고, 서로 반대 방향의 자기 모멘트를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 합성형 반강자성체의 상부 강자성체, 상기 제1 합성형 반강자성체의 상부 강자성체 상에 형성된 상기 제1 터널 장벽층 및 상기 제1 터널 장벽층에 접하는 상기 제2 합성형 반강자성체의 하부 강자성체는 제1 저항 단위체를 형성하고,
    상기 제2 합성형 반강자성체의 상부 강자성체, 상기 제2 합성형 반강자성체의 상부 강자성체 상에 형성된 상기 제2 터널 장벽층 및 상기 제2 터널 장벽층에 접하는 상기 제3 합성형 반강자성체의 하부 강자성체는 제2 저항 단위체를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 합성형 반강자성체의 제1 RKKY 유도층에 평행하게 흐르는 제1 프로그램 전류 및 상기 제2 합성형 반강자성체의 제2 RKKY 유도층을 평행하게 흐르는 제2 프로그램 전류에 의해 상기 제1 저항 단위체의 저항 상태는 결정되고,
    상기 제2 프로그램 전류 및 상기 제3 합성형 반강자성체의 제3 RKKY 유도층을 평행하게 흐르는 제3 프로그램 전류에 의해 제2 저항 단위체의 저항 상태는 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 프로그램 전류 및 상기 제2 프로그램 전류가 상호 반대 방향이면 상기 제1 저항 단위체는 저저항 상태이며, 상기 제1 프로그램 전류 및 상기 제2 프로그램 전류가 상호 동일 방향이면 상기 제1 저항 단위체는 고저항 상태이고,
    상기 제2 프로그램 전류 및 상기 제3 프로그램 전류가 상호 반대 방향이면 상기 제2 저항 단위체는 저저항 상태이며, 상기 제2 프로그램 전류 및 상기 제3 프로그램 전류가 상호 동일 방향이면 상기 제2 저항 단위체는 고저항 상태인 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
  12. 제11항에 있어서, 상기 합성형 반강자성체들의 표면에 수직한 방향으로 전류를 공급하여 상기 제1 저항 단위체 및 상기 제2 저항 단위체의 저항 상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
  13. 제10항에 있어서, 상기 다중 비트 메모리의 읽기 동작시에 전류는 상기 제1 RKKY 유도층, 상기 제2 RKKY 유도층 및 상기 제3 RKKY 유도층에 수직으로 흐르는 것을 특징으로 하는 다중 비트 메모리.
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