KR102353406B1 - 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자 - Google Patents

스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자 Download PDF

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Abstract

복수의 자기 접합부 및 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 포함하는 자기 메모리가 설명된다. 각각의 자기 접합부는 고정층, 자유층 및 기준층과 자유층 사이의 비자기 스페이서층을 포함한다. 자유층은 경사진 자화 용이축 및 높은 감쇠 상수 중 적어도 하나를 갖는다. 경사진 자화 용이축은 면-수직 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이룬다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02이다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 자유층에 인접하고 면-내로 전류를 운반한다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 전류로 인해 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가한다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭이 가능하다.

Description

스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자{MAGNETIC DEVICES INCLUDING MAGNETIC JUNCTIONS HAVING TILTED EASY AXES AND ENHANCED DAMPING PROGRAMMABLE USING SPIN ORBIT TORQUE}
본 발명은 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자에 관한 것이다.
자기 메모리, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic random access memories)(MRAM)는 작동 중에 높은 판독/기록 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 낮은 전력 소비에 대한 잠재성 때문에 점점 더 많은 관심을 끌고 있다. 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 정보 기록 매체로서 자기 물질을 이용하는 정보를 저장할 수 있다. 몇몇 자기 메모리는 전류를 이용하여 자기 물질에 기록한다. 이러한 자기 메모리 중 하나는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 자기 접합부를 프로그램 한다.
스핀 궤도 상호작용 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(spin-orbit interaction torque magnetic random access memory, SOT-MRAM)와 같은 스핀 궤도 상호작용 토크 기반 메모리는 높은 스핀 궤도 상호 작용을 갖는 라인과 함께 종래의 자기 터널링 접합부(magnetic tunneling junction, MTJ)를 이용한다. 종래의 자기 터널링 접합부는 고정(또는 기준)층, 자유층 및 고정층과 자유층 사이의 터널링 베리어층을 포함한다. 자기 터널링 접합부는 일반적으로 기판 상에 존재하며, 시드층 및 캡핑층 뿐만 아니라 반강자성(antiferromagnetic, AFM) 층을 포함 할 수 있다. 고정층 및 자유층은 자성이다. 고정층의 자화는 특정 방향으로 고정된다. 자유층은 가변적인 자화를 갖는다.　고정층 및 자유층은 그 층들의 평면에 대하여 수직 방향(면-수직) 또는 그 층들에 평면으로(면-내) 배향된 자화를 가질 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 종래의 자기 터널링 접합부의 자유층에 인접해 있다. 높은 스핀 궤도 상호작용은 계면 상호작용(Rashba 효과), 일부 다른 효과 및/또는 이들의 조합에 기인한 물질 자체의 벌크 효과(스핀 홀 효과)에 기인할 수 있다.
면-수직 자기 모멘트를 갖는 자유층을 이용하는 종래의 스핀 궤도 상호작용 메모리에서, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통해 전류 면-내(current in-plane, CIP)을 구동함으로써 기록 작업이 수행된다. 면-내 전류를 이용하여 자기 모멘트를 신뢰성 있게 스위칭하기 위해서는 보통의 외부 자기장 또는 외부 자기 바이어스가 적용된다. 면-내 전류는 자유층 자기 모멘트를 스위칭 하는데 사용될 수 있는 스핀 궤도 상호작용 토크를 발생시킨다. 외부 자기 바이어스를 사용하여 원하는 방향으로 스위칭된다. 예를 들어, 외부 자기장, 추가적인 반강자성층 또는 바이어싱 구조는 원하는 상태로의 스위칭을 완료하기 위해 자유층을 자기적으로 바이어스 할 수 있다. 이러한 외부 자기장이 없는 경우, 스위칭은 자기 메모리에 사용하기에 충분히 신뢰할만하지 않다.
종래의 자기 접합부는 스핀 전달을 이용하여 기록되고 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-RAM)에 사용되지만, 단점이 있다.　일반적으로, 작은 크기의 자기 접합부 및 높은 면적 밀도를 갖는 메모리에 대해, 외부 필드의 사용은 바람직하지 않다. 반강자성층 또는 바이어싱 구조를 이용하면 스핀 궤도 상호작용 토크의 효율이 제한될 수 있다. 결과적으로, 자기 메모리에서의 스위칭을 향상시키기 위한 메커니즘이 여전히 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 경사진 자화 용이축 또는 높은 감쇠 상수를 갖는 자유층을 이용하여 성능이 향상된 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 경사진 자화 용이축 또는 높은 감쇠 상수를 갖는 자유층을 이용하여 성능이 향상된 자기 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
복수의 자기 접합부 및 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 포함하는 자기 메모리가 설명된다. 각각의 자기 접합부는 고정층, 자유층 및 기준층과 자유층 사이의 비자기 스페이서층을 포함한다. 자유층은 경사진 자화 용이축 및 높은 감쇠 상수 중 적어도 하나를 갖는다. 경사진 자화 용이축은 면-수직 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이룬다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02이다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 자유층에 인접하고 면-내로 전류를 운반한다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 전류로 인해 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가한다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭이 가능하다.
도 1은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부를 포함하는 자기 메모리의 예시적인 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭 전, 도중 및 후에 자유층의 자기 모멘트의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭 전, 도중 및 후에 자유층의 자기 모멘트의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부를 포함하는 자기 메모리의 다른 예시적인 실시예를 도시한 측면도이다.
도 5는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부를 포함하는 자기 메모리의 다른 예시적인 실시예를 도시한 사시도이다.
도 6은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부를 포함하는 자기 메모리의 다른 예시적인 실시예를 도시한 사시도이다.
도 7은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 메모리의 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 8은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부의 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리들과 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합부들 및 그와 같은 자기 접합부들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리는 스핀 전달 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM)를 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리를 채용한 전기 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전기 장치는 핸드폰, 스마트폰, 테블릿, 랩탑 및 기타 휴대용 및 비휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이하 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며 특허 출원과 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재 된 예시적인 실시예들 및 그에 대한 원리 및 형태들의 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정한 실시예에 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들로 기술되었다. 하지만, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실시에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐 아니라 동일하거나 다른 실시 예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이다. 하지만, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성 들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들은 일정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있다. 하지만, 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖거나 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정할 의도가 아니며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
복수의 자기 접합부 및 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 포함하는 자기 메모리가 설명된다. 각각의 자기 접합부는 고정층, 자유층 및 기준층과 자유층 사이의 비자기 스페이서층을 포함한다. 자유층은 경사진 자화 용이축 및 높은 감쇠 상수 중 적어도 하나를 갖는다. 경사진 자화 용이축은 면-수직 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이룬다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02이다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 자유층에 인접하고 면-내로 전류를 운반한다. 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층은 전류로 인해 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가한다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭이 가능하다.
예시적인 실시예들은 특정 방법들, 자기 접합부 및 어떤 구성요소를 갖는 자기 메모리의 맥락 내에서 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 발명이 다른 및/또는 추가적인 구성들 및/또는 본 발명과 모순되지 않는 다른 특징들을 가지는 자기 접합들과 자기 메모리들의 사용에 일관됨을 쉽게 알 것이다. 상기 방법 및 시스템은 역시 스핀 전달 현상 및 다른 물리적인 현상의 현재의 이해의 맥락에서 설명된다. 결과적으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법 및 시스템의 가동에 대한 이론적 설명들이 스핀 전달 이방성 및 다른 물리적 현상의 이러한 현재의 이해를 바탕으로 이루어 짐을 쉽게 알 것이다. 그러나, 여기에서 설명된 방법과 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 상기 방법과 시스템은 기판에 특정한 관계를 가지는 구조의 맥락 내에서 설명됨을 쉽게 알 것이다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템이 다른 구조들과 일관됨을 쉽게 알 것이다. 또한, 상기 방법과 시스템은 합성된 및/또는 단일의 어떤 층들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 층들이 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 알 것이다. 나아가, 상기 방법과 시스템은 특별한 층들을 가지는 자기 접합부들 및/또는 하부 구조들의 맥락 내에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법과 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 알 것이다. 게다가, 어떤 구성들은 자기(magnetic), 강자성(ferromagnetic) 및 페리자기(ferrimagnetic)으로 설명한다. 여기에서 사용된 것과 같이, 자기란 용어는 강자성, 페리자기 또는 유사한 구조들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 나아가, 여기서 사용된 대로, "면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기 접합부의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, "수직인(perpendicular)"은 자기 접합부의 하나 이상의 층들에 실질적으로 수직한 방향에 해당한다.
도 1은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고, 경사진 자화 용이축 및/또는 높은 감쇠 상수를 포함하는 자기 접합부를 포함하는 자기 메모리의 예시적인 실시예를 도시한 사시도이다. 명확화를 위해, 도 1은 축척되지 않는다. 또한, 비트 라인, 행 및 열 선택기와 같은 자기 메모리(100)의 부분은 도시되지 않는다.　자기 메모리(100)는 자기 접합부(110), 선택 소자(104) 및 상술한 스핀 궤도 상호작용 라인과 유사한 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 포함한다. 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)과 자기 접합부(110) 사이에 있을 수 있는 선택적인 삽입층(102)이 도시되어 있다. 선택 소자(104)는 트랜지스터 일 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 위치를 가질 수 있는 다른 선택 소자(들)가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 메모리 셀은 자기 접합부(110) 및 선택 소자(104)를 포함한다. 다른 실시예에서, 메모리 셀은 다른 및/또는 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 일반적으로, 다수의 자기 접합부(110) 및 다수의 메모리 셀이 자기 메모리(100)에 포함된다. 자기 메모리(100)는 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있다.
자기 접합부(110)는 자유층(112), 비자기 스페이서층(114) 및 자기 모멘트(117)를 갖는 고정층(116)을 포함한다. 자기 접합부(110)는 또한 높은 스핀 분극을 갖는 임의의 분극 강화층(들)(polarization enhancement layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분극 강화층은 Fe, CoFe 및/또는 CoFeB를 포함할 수 있다. 하부 콘택, 상부 콘택, 선택적인 시드층(들) 및 선택적인 캡핑층(들)이 존재할 수 있지만, 단순화를 위해 도시되지는 않는다. 시드층(들)은 (200) 배향을 갖는 얇은 결정질 MgO 시드층을 포함할 수 있다. 이러한 MgO 층은 인접층의 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)을 향상시킬 수 있다. 유사하게, 캡핑층(들)은 인접층의 수직 자기 이방성을 향상시키기 위해 얇고 결정질인 (200) MgO 층을 포함할 수 있다. 다른 시드 및/또는 캡핑층이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)은 자기 접합부(110)보다 기판(도시되지 않음)에 더 가깝다. 다른 실시예에서, 자기 접합부(110)는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)보다 기판(도시되지 않음)에 더 가깝다. 선택적인 삽입층(102)은 비자기이며, 자유층(112)과 스핀 궤도 상호작용 활성층(130) 사이에 존재하여 스핀 궤도 상호작용을 조절할 수 있다. 고정층(116)의 자화를 고정하기 위해 선택적인 고정층(미도시)이 사용될 수 있다. 선택적 고정층은 교환 바이어스 상호 작용에 의해 고정층(116)의 자화를 고정하는 반강자성층 또는 다층 일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 선택적인 고정층은 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 고정층(116)의 자기 모멘트(117)가 평면에 수직인 도시된 실시예에서, 이러한 반강자성층은 생략된다.
자기 접합부(110)는 자유층(112)이 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)의 평면에서 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통과하는 기록 전류를 이용하여 안정된 자기 상태들 사이에서 스위칭 될 수 있다. 따라서, 자유층(112)은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 프로그램 가능하다. 자유층(112)은 자기 접합부(110)를 통해 구동되는 기록 전류가 없을 때 프로그램 가능하다. 다르게 말하면, 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT)는 자기 접합부(110)에 기록 할 필요가 없다. 자유층(112)이 경사진 자화 용이축(tilted easy axis, EA)을 갖는 실시예에서, 자유층(112)은 외부 자기장 또는 자기 바이어스가 없는 경우 프로그램 가능하다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 자기 접합부(110) 및/또는 외부 자기장/자기 바이어스를 통해 구동되는 보통의 전류는 자유층 자기 모멘트를 스위칭하는 것을 보조하기 위해 사용될 수 있다.　도시된 실시예에서, 자유층(112)은 그 자기 모멘트가 면-외에서 안정될 수 있다.
비자기 NM 스페이서층(114)은 고정층(116)과 자유층(112) 사이에 배치된다. 비자기 스페이서층(114)은 MgO 터널링 베리어층 일 수 있다. MgO 터널링 베리어층은 결정질 일 수 있고 강화된 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance, TMR)을 위해 (200) 배향을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 비자기 스페이서층(114)은 상이한 터널링 베리어층 일 수 있고, 도전층 일 수 있거나 다른 구조를 가질 수 있다.
고정층(116)은 자성이며 다층 일 수 있다. 예를 들어, 고정층(116)은 Ru와 같은 비자기층(들)을 끼워 넣고 끼운 다수의 강자성층을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet, SAF) 일 수 있다. 고정층(116)에 다른 다층이 사용될 수 있다. 고정층(116)의 PMA 에너지는 도시된 실시예에서 그 면-외 소자 에너지를 초과한다. 고정층(116)은 높은 PMA(면-외 소자 에너지를 초과하는 PMA 에너지)를 갖기 때문에, 고정층(116)의 자기 모멘트(117)는 면-수직 일 수 있다. 따라서, 자기 모멘트(117)는 도 1에 도시된 z축 방향을 따라 형성될 수 있거나 또는 도 1에 도시된 방향과 역평행한 방향을 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 고정층(116)은 Co/Pt 이중층, CoPt 합금, CoTb 합금 및/또는 Co/Tb 이중층이 반복되는 다층 하나 이상의 반복을 포함하는 다층을 포함하거나 그 층들로 구성될 수 있다.　이러한 조합은 높은 PMA를 가질 수 있다. 유사하게, 고정층(116)은 높은 PMA를 가질 수 있는 CoFeB, FeB, CoB, Fe, Co2FeAl, Co2FeAlSi, Co2MnSi, MnGe 및 MnAl 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 CoFeB, FeB, CoB, CoPt 및 나열된 다른 물질은 화학량론이 표시되지 않은 합금을 나타낸다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, CoFeB는 (CoFe)1- xBx를 포함할 수 있으며, 여기서 x는 0보다 크거나 같고 증착된 두께는 0.5보다 작거나 같다. 예를 들어, x는 0.2 이상 0.4 이하 일 수 있다. 다른 물질 및/또는 구조는 고정층(116)에 대해 가능한 높은 PMA를 갖는다. 다른 실시예에서, 고정층(116)의 자기 모멘트(117)는 면-내 일 수 있다.
자유층(112)은 자기이며, 다층 일 수 있다. 자유층(112)은 경사진 자화 용이축(EA) 및 높은 감쇠 상수 중 적어도 하나를 포함한다. 도시된 실시예에서, 자유층(112)은 경사진 자화 용이축(EA)을 가질 수 있다. 경사진 자화 용이축(EA)은 면-수직 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이루는 축이다. 이러한 경사진 자화 용이축(EA)은 아래에 논의된 바와 같이 더 낮은 스위칭 전류에서 더 빠른 스위칭을 제공할 수 있다. 자유층(112)에 대해, 면-수직 방향은 z 방향이다. 따라서 경사진 자화 용이축(EA)은 z 방향으로부터 0이 아닌 예각에 형성된다.　몇몇 실시예에서, 0이 아닌 예각(θ)은 2도 이상이고 20도 이하이다. 0이 아닌 예각(θ)은 몇몇 실시예에서 적어도 5도이다. 그러한 몇몇 실시예에서, 0이 아닌 예각(θ)은 10도 이하이다. 도시된 실시예에서, 경사진 자화 용이축(EA)은 또한 x-z 평면에 형성된다. 자유층(112)이 경사진 자화 용이축(EA)을 갖는 경우, 외부 자기장의 부재 및 외부 자성 바이어스 없이, 스핀 궤도 상호작용 층만의 토크를 사용하여 자유층(112)의 자기 모멘트가 스위칭될 수 있다.
경사진 자화 용이축(EA)은 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 경사진 자화 용이축(EA)은 경사진 자화 용이축(EA)을 갖는 하나 이상의 층을 제조함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 자유층(112)은 MgO/Pt (111) 하부층 상에 L10 CoPt (111) 층의 이중층으로 구성되거나 포함될 수 있다. 이러한 L10 CoPt 층은 경사진 자화 용이축(EA)과 유사한 경사진 자화 용이축(EA)을 가질 수 있다. 자유층(112)은 x가 0보다 크고 1보다 작은 Tbx(Fe50Co50)1 -x 층을 포함할 수 있다. 이러한 TbFeCo 층은 적절한 크기 및 방향을 갖는 자기장 내에 증착되고 및/또는 적절한 크기 및 방향을 갖는 자기장에서 어닐링 되는 경우 경사진 자화 용이축(EA)을 가질 수 있다. 일반적으로, 예를 들어 3T보다 큰 높은 자기장이 증착 및/또는 어닐링을 위해 사용된다. Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층이 자유층(112)에 포함되거나 자유층(112)을 형성할 수 있다. 이러한 FePt/[FePt/MgO]는 어떤 조건 하에서는 경사진 자화 용이축(EA)을 가질 수 있다.
자유층(112)은 또한 상술한 하나 이상의 층을 포함하는 다층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 자유층(112)은 다른 선택층에 자기적으로 결합된 높은 PMA 에너지를 갖는 수직층을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 높은 PMA 에너지는 면-외 소자 에너지보다 큰 PMA 에너지이다. 다른 층이 없는 경우, 그러한 층은 면-수직인 자기 모멘트를 갖는다. 이러한 높은 PMA 에너지 층은 결합층을 통해 선택층에 결합될 수 있으며, 이는 비결정질 일 수 있다. 선택층은 경사진 자화 용이축(EA)층 또는 면-내 이방성층 일 수 있다. 선택층은 자유층(112)이 외부 자기장의 인가를 요구하지 않고 원하는(선택된) 상태로 기록될 수 있게 하는 경사진 자화 용이축(EA)이기 때문에 그렇게 명명된다. 자유층이 높은 PMA 층, 선택층 및 결합층을 포함하는 실시예에서, 자유층의 경사진 자화 용이축(EA)은 선택 층에 기인한다. 경사진 자화 용이축(EA) 층은 상술한 층(들) 중 하나 이상일 수 있다.　높은 PMA 층 및 경사진 자화 용이축(EA) 층의 조합은 자유층(112)에 대해 경사진 자화 용이축(EA)을 제공한다. 면-내 이방성 층은 평면에 형성된 자기 모멘트를 가질 뿐만 아니라 면-내에서 바람직한 방향을 갖는다. 이러한 바람직한 방향은 자기 에너지가 가장 낮은 방향 일 수 있다. 높은 PMA 층과 면-내 이방성 층의 조합은 자유층(112)에 대해 경사진 자화 용이축(EA)을 형성한다. 자유층이 경사진 자화 용이축(EA)을 가질 수 있게 하는 다른 단일층 및/또는 다층이 사용될 수 있다.
스핀 궤도 상호작용 활성층(130)은 스핀-궤도 상호작용이 강하고 자유층(112)의 자기 모멘트(미도시)를 스위칭하는데 사용되는 층이다. 기록 전류는 스핀 궤도 상호작용 활성층 (130)의 +y 방향 또는 -y 방향의 길이를 따라 면-내로 구동된다. 도 1의 화살표 Jc는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 +y 방향으로 구동되는 기록 전류에 대한 전류 밀도를 나타낸다. 이러한 기록 전류는 부수적인 스핀 궤도 상호작용을 발생시키며, 이는 도 1에 도시된 스핀-궤도 토크(TSO)를 초래한다. -y 방향의 기록 전류는 반대 방향으로 스핀 궤도 토크(스핀 궤도 상호작용 토크)를 발생시킨다. 자유층(112)의 자기 모멘트를 원하는 상태로 프로그래밍하기 위해 +x 방향 및 -x 방향의 스핀 궤도 상호작용 토크가 사용될 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 토크는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)에서 전류 구동 면-내에 대해 발생하고 스핀 궤도 상호 작용(spin-orbit interaction)을 발생시킨다. 이것은 자기 접합부(110)를 통해 흐르는 면-수직 전류에 기인하고 자유층(112) 내로 스핀 분극 전하 캐리어를 주입하는 스핀 전달 토크와는 대조적이다. 몇몇 실시예에서, 자기 접합부(110)의 프로그래밍은 스핀 궤도 상호 작용 토크만을 사용하여 완료된다. 다른 실시예들에서, 스핀 전달과 같은 다른 메카니즘이 또한 스위칭에 사용될 수 있다. 따라서, 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)에서 생성된 스핀 궤도 상호 작용 토크는 자유층(112)의 자기 모멘트를 스위칭하는데 사용될 수 있다.
동작시, 자기 접합부(110)는 종래의 방식으로 판독될 수 있다. 따라서, 스핀 전달 토크를 사용하여 자기 접합부(110)를 프로그래밍 하기에 불충분한 판독 전류는 전류 면-수직(current perpendicular-to-plane, CPP) 방향의 자기 접합부(110)를 통해 구동될 수 있다. 자기 접합부(110)의 저항은 자유층 자기 모멘트와 고정층 자기 모멘트(117) 사이의 방향에 기초한다. 따라서, 데이터는 자기 접합부(110)의 저항을 결정함으로써 자기 접합부(110)로부터 판독될 수 있다.
그러나, 자기 접합부(110)를 프로그래밍 할 때, 전류 밀도(Jc)에 대응하는 기록 전류는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 면-내로 구동될 수 있다. 자유층(112)이 경사진 자화 용이축(EA)을 갖기 때문에, 자유층 자기 모멘트는 스핀 궤도 상호작용 토크만을 사용하여 스위칭될 수 있다. 보다 구체적으로는, 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)에 의해 생성된 스핀 궤도 상호작용 토크는 자유층 자기 모멘트의 스위칭을 시작할 수 있지만, 자유층 자기 모멘트의 최종 상태의 선택은 경사진 자화 용이축(EA) 때문에 외부 자기장의 존재 없이 달성될 수 있다.
도 1에 부가하여 도 2a 내지 도 2c와 도 3a 내지도 3c를 참조하여 경사진 자화 용이축을 갖는 자유층(112)의 스위칭을 더 잘 이해할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 제1 안정 상태(140)로부터 제2 안정 상태(140'')로 스위칭하는 자유층(112)의 자기 모멘트의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3a 내지 도 3c는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 제2 안정 상태(140'')로부터 제1 안정 상태(140)로 스위칭하는 자유층(112)의 자기 모멘트의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2a는 제1 상태에 있는 자유층(120)의 경사진 자화 용이축(EA) 및 자기 모멘트 (140)를 도시한다. 경사진 자화 용이축(EA)은 x-z 평면에서 z 축으로부터 각도(θ)를 이룬다.　제1 상태는 자기 모멘트(140)가 -x 방향 및 -z 방향으로 구성 성분을 가지며 경사진 자화 용이축(EA)을 따라 형성된다.
밀도가 0보다 작은(도 1에 도시된 Jc의 반대 방향인) 기록 전류는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 평면으로 구동된다. 다르게 말하면, 기록 전류는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 음의 y 방향으로 구동된다. 이러한 전류는 양의 x 방향으로 스핀 궤도 상호작용 토크를 생성한다. 스핀 궤도 상호작용 토크에 응답하여, 자기 모멘트(140')는 도 2b에 도시된 바와 같이 양의 x 방향으로 변한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 자기 모멘트(140')는 양의 x 방향으로 경사진 자화 용이축(EA)의 구성 성분을 따라 형성된다. 기록 전류가 제거되면, 자기 모멘트(140'')는 경사진 자화 용이축(EA)과 정렬되도록 형성된다. 경사진 자화 용이축(EA)의 방향으로 인해, 자기 모멘트(140'')는 양의 x 방향 및 양의 z 방향으로 구성 성분을 갖는 제2 안정 상태로 형성된다. 이는 도 2c에서 볼 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 제2 안정 상태(140'')에서 제1 안정 상태(140)로의 스위칭을 도시한다. 도 3a는 경사진 자화 용이축(EA) 및 제2 안정 상태에 있는 자기 모멘트(140'')를 도시한다. 경사진 자화 용이축(EA)은 여전히 x-z 평면에서 z 축으로부터 각도(θ)를 이룬다. 0보다 큰 밀도(Jc)를 갖는 기록 전류는 평면에서 (예를 들어, 도 1에서 양의 y 방향으로) 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 구동된다. 이러한 기록 전류는 음의 x 방향으로 스핀 궤도 상호작용 토크를 발생시킨다. 결과적인 스핀 궤도 상호작용 토크에 응답하여, 자기 모멘트(140''')는 음의 x 방향으로 x 축을 따라 이동한다. 이는 도 3b에서 볼 수 있다.　도 3b에 도시된 바와 같이, 자기 모멘트(140''')는 제2 안정 상태에 더 가까운 경사진 자화 용이축(EA)의 구성 성분을 따라 형성된다. 기록 전류가 제거되면, 자기 모멘트(140)는 경사진 자화 용이축(EA)과 정렬되도록 형성된다. 경사진 자화 용이축(EA)의 방향으로 인해, 자기 모멘트(140)는 제1 안정 상태(140)로 형성된다.
따라서, 스핀 궤도 상호작용 토크는 자유층(112)의 자기 모멘트를 안정 상태(140 또는 140'')로부터 불안정하게 할 수 있다. 경사진 자화 용이축(EA)에서의 기울기로 인해, 반대 방향으로의 스핀 궤도 상호작용 토크는 경사진 자화 용이축(EA)을 따라 반대 방향으로 상이한 안정 상태에 더 가깝다. 경사진 자화 용이축(EA)과 스핀 궤도 상호작용 토크의 조합은 원하는 안정 상태(140 및 140'') 사이의 자기 모멘트 전환을 초래한다. 따라서, 자유층(112)의 자기 모멘트의 스위칭은 외부 자기장 또는 자기 바이어스 없이도 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통한 면-내 기록 전류 및 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 달성될 수 있다.
경사진 자화 용이축(EA)에 추가하여 또는 그 대신에, 자유층(112)은 또한 높은 감쇠 상수를 가질 수 있다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02 이다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.1 일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 높은 감쇠 상수는 적어도 0.5 이다. 어떤 경우에는 감쇠 상수가 0.8을 초과하지 않는다. 자유층(112)을 도핑함으로써 높은 감쇠 상수가 제공될 수 있다. 도핑된 자유층(112)의 감쇠 상수는 도핑이 없는 경우의 자유층 감쇠 상수와 비교하여 적어도 5 배 내지 10 배로 증가된다. 예를 들어, 5 원자% 이상이고 20 원자% 이하의 불순물이 상술한 0.02 이상의 높은 감쇠 상수를 얻는데 이용될 수 있다. 불순물의 상한은 감쇠로 인한 한계보다 충분히 높은 자기 저항을 유지하기 위한 것이다. 몇몇 실시예에서, 불순물은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 디스프로슘(Dy) 및 어븀(Er) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 불순물은 디스프로슘(Dy), 텅스텐(W) 및 비스무트(Bi)로부터 선택된다.
높은 감쇠 자유층(112)의 사용은 안정한 자기 상태들 사이에서 자유층(112)의 더 빠른 스위칭을 초래할 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하는 스위칭에서, 링잉 시간(ringing time)은 자기 모멘트가 안정된 상태로 안정화되는 시간이다. 링잉 시간은 감쇠 상수에 의존한다. 감쇠 상수가 클수록 링잉되는 횟수가 작아지고, 최종 안정 상태로 신속하게 안정화된다. 따라서, 스핀 궤도 상호작용 토크 스위칭은 상술한 범위의 감쇠 상수를 갖는 자유층에 대해 보다 신속하게 달성될 수 있다.
자기 메모리(100)는 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유층(112)은 스핀 궤도 상호작용 토크 및 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)을 통해 면-내로 구동되는 전류를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 어떠한 스핀 전달 토크 기록 전류도 프로그래밍을 위해 자기 접합부(110)를 통해 구동되지 않기 때문에, 자기 접합부(110)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 자유층(112)이 경사진 자화 용이축(EA)을 갖는 경우, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 원하는 상태로 기록하기 위해 외부 자기장이 요구되지 않는다. 결과적으로, 추가적인 전류 운반 라인이 포함될 필요가 없다. 인접한 자기 접합부를 방해할 수 있는 장거리 자기장의 사용을 또한 피할 수 있다. 자유층(112)이 높은 감쇠 상수를 갖는 경우, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용한 스위칭은 빠를 수 있다. 자유층(112)이 경사진 자화 용이축(EA) 및 높은 감쇠 상수를 모두 갖는다면, 외부 자기장이 없는 경우 빠른 스위칭이 달성될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(100)의 성능이 향상될 수 있다.
도 4는 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)뿐만 아니라 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능한 자기 접합부(160)를 포함하는 자기 메모리(150)의 다른 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다. 명확화를 위해, 도 4는 축적되지 않는다. 또한, 명확성을 위해 일부 구성 요소만이 도시된다. 예를 들어, 선택 장치 및 선택적인 삽입층은 도시되지 않는다. 단지 하나의 자기 접합부(160) 및 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)이 도시되었지만, 하나 또는 둘 모두 다수의 층을 포함할 수 있다. 자기 메모리(150)는 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있고 자기 메모리(100)와 유사하다. 그 결과, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 메모리(150)는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)과, 자유층(112), 비자기 스페이서층(114) 및 고정층(116)을 포함하는 자기 접합부(110)와 유사하게, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)과, 자유층(162), 비자기 스페이서층(164) 및 고정층(166)을 포함하는 자기 접합부(160)를 각각 포함한다. 따라서, 구성 요소들(160, 162, 164, 166 및 170)은 각각의 구성 요소들(110, 112, 114, 116 및 130)와 유사한 구조, 기능 및/또는 위치를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상술한 것과 유사한 하부 기판, 콘택, 시드층, 높은 PMA 층, 선택적인 삽입층 및/또는 캡핑층이 존재할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 자유층(162)은 높은 감쇠 상수를 갖는다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02 이다. 높은 감쇠 상수는 적어도 0.1 일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 높은 감쇠 상수는 0.5 이상이고, 0.8 이하이다. 자유층(162)을 도핑함으로써 높은 감쇠 상수가 제공될 수 있다. 예를 들어, 5 원자% 이상이고 20 원자% 이하의 불순물이 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 불순물은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 디스프로슘(Dy) 및 어븀(Er) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 불순물은 디스프로슘(Dy), 텅스텐(W) 및 비스무트(Bi)로부터 선택된다. 첨가되는 불순물의 양은 자유층(162)의 감쇠 상수를 불순물이 없는 경우와 비교하여 감쇠 상수를 적어도 5 배 내지 10 배로 증가시키기에 충분할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 불순물은 불순물이 없는 경우와 비교하여 감쇠 상수를 10 배 이상으로 증가시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 자유층(162)은 또한 경사진 자화 용이축을 가질 수 있다.
자기 메모리(150)는 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유층(162)은 스핀 궤도 상호작용 토크 및 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 면-내로 구동되는 전류를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(160)를 통해 면-수직으로 구동된 전류로 인해 발생할 수 있는 자기 접합부(160)의 손상을 방지할 수 있다. 자유층(162)은 더 높은 감쇠 상수를 갖는다. 결과적으로, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용한 스위칭은 빠를 수 있다. 그러나, 자유층(162)이 경사진 자화 용이축을 갖지 않는 경우, 외부 자기장이 자유층(112)이 스위칭하는 최종 상태를 선택하도록 인가될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(150)의 성능이 향상될 수 있다.
도 5는 외부 자기장이 없는 경우에 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능한 자기 접합부(160')를 포함하는 자기 메모리(150')의 다른 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다. 명확화를 위해, 도 5는 축적되지 않는다. 또한, 명확성을 위해 일부 구성 요소만이 도시된다. 예를 들어, 선택 장치 및 선택적인 삽입층은 도시되지 않는다. 단지 하나의 자기 접합부(160') 및 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)이 도시되었지만, 하나 또는 둘 모두 다수의 층을 포함할 수 있다. 자기 메모리(150')는 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있고 자기 메모리(100)와 유사하다. 그 결과, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 메모리(150')는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130/170)과, 자유층(112/162), 비자기 스페이서층(114/164) 및 고정층(116/166)을 포함하는 자기 접합부(110/160)와 유사하게, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)과, 자유층(162'), 비자기 스페이서층(164) 및 고정층(166')을 포함하는 자기 접합부(160')를 각각 포함한다. 따라서, 구성 요소들(160', 162', 164, 166' 및 170)은 각각의 구성 요소들(110/160, 112/162, 114/164, 116/166 및 130/170)와 유사한 구조, 기능 및/또는 위치를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상술한 것과 유사한 하부 기판, 콘택, 시드층, 높은 PMA 층, 선택적인 삽입층 및/또는 캡핑층이 존재할 수 있다.
고정층(166')은 비자기층(196)에 의해 분리된 2 개의 자기층(188, 198)을 포함하는 합성 반강자성체(synthetic antiferromagnet, SAF)이다. 비자기 결합층은 자기층들(188 및 198) 사이의 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY) 커플링을 허용하는 Ru 및/또는 Ir와 같은 도전성 층일 수 있다. 자기층(198)은 면-외 소자 에너지보다 큰 PMA 에너지를 갖는 높은 PMA 층이다. 따라서, 자기 모멘트(199)는 면-수직이다. 몇몇 실시예에서, 높은 PMA 층(198)은 Co/Pt 다층 또는 합금 일 수 있다. 자기층(188)은 분광 강화층(polarization enhancement layer, PEL)(190), 결합층(192) 및 높은 PMA층(194)을 포함하는 다층이다. 분광 강화층(190) 은 높은 스핀 분극을 가지며, CoFeB와 같은 물질로 형성될 수 있다. 높은 PMA 층(194)은 높은 수직 자기 이방성(면-외 소자 에너지보다 큰 PMA 에너지)을 갖는다. 따라서, 높은 PMA 층(194)은 면-수직인 자기 모멘트(195)를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 높은 PMA 층(194)은 Co/Pt 다층 또는 합금 일 수 있다. 결합층(192)은 층들(190 및 194) 사이의 결정 결합을 감소시키거나 파괴하기 위해 비결정질 일 수 있다. 결합층(192)은 자기층(190 및 194)이 강자성적으로 결합될 수 있도록 충분히 얇다. 예를 들어, 결합층(192)은 Ta, Mo, W, Zr, FeTa, TaZr, FeZr, FeMgO, FeTaZr, FeCoZrB, PbB 및 FeCoB 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 자기층(188, 198)은 도시된 실시예에서 반강자성적으로 결합된다. 그러나, 다른 실시예에서, 고정층(166')은 다른 물질 및/또는 층으로 형성될 수 있다.
자유층(162')은 경사진 자화 용이축을 갖는 다층이다. 몇몇 실시예에서, 자유층(162')은 자유층(162)과 유사한 높은 감쇠 상수(α)를 또한 갖는다. 자기층들(182 및 186) 및 결합층(184)은 자유층(162')을 형성한다. 수직층(186)은 높은 PMA를 갖는다. 따라서, 수직층(186)의 자화 용이축(EA2)은 도 5에 도시된 바와 같이 면-수직 일 수 있다.　몇몇 실시예에서, 높은 PMA 층(186)은 적어도 0.2의 높은 감쇠 상수를 갖는다.
선택층(182)은 경사진 자화 용이축(EA1)을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 선택층(182)은 적어도 0.2의 높은 감쇠 상수를 갖는다. 경사진 자화 용이축(EA1)은 z 축으로부터 각도(θ')를 이룬다. 예를 들어, 선택층(182)은 x가 0보다 크고 1보다 작은 Tbx(Fe50Co50)1 -x 층 일 수 있고, TbFeCo 층은 경사진 자화 용이축(EA1)을 갖도록 제조된다. 선택층(182)은 MgO/Pt (111) 하부층 상에 L10 CoPt (111) 층의 이중층 일 수 있다. 예를 들어, MgO 하부층의 두께는 6Å 이상이고 14Å 이하일 수 있고, L10 CoPt 층의 두께는 6Å 이상이고 40Å 이하일 수 있다. 그러나, 다른 두께도 가능하다. 선택층(182)은 또한 Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층 일 수 있다. 두께 및 가공 온도에 따라 이러한 물질은 경사진 자화 용이축을 표시할 수 있다. 예를 들어, Fe3Pt 층의 두께는 3Å 내지 20Å 일 수 있고, FePt의 두께는 3Å 내지 10Å 일 수 있다. MgO 층의 두께는 4Å 내지 8Å 일 수 있다. 어닐링 온도는 350℃ 내지 450℃ 일 수 있다. 이러한 어닐링을 위한 자기장은 자화 용이축에 대해 원하는 각도에 가깝게 구성된다. 이러한 조건에서, Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층은 경사진 자화 용이축을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선택층(182)은 6Å 이상이고, 30Å 이하의 두께이다. 그러나, 다른 두께도 가능하다. 선택층(182)은 자유층(162')이 외부 자기장 또는 바이어스가 없는 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 원하는(선택된) 상태로 기록되도록 하는 자화 용이축(EA1)에서의 경사이기 때문에 그렇게 명명된다.
결합층(184)은 비결정질이며 자기층들(182 및 186) 사이의 임의의 결정 결합이 감소되거나 파괴되도록 충분히 두껍다.　결합층(184)은 또한 자기층(182 및 186)이 강자성적으로 결합되도록 충분히 얇다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 결합층(184)은 2Å 이상이고 8Å 이하의 두께 일 수 있다. 그러나, 다른 두께도 가능하다. 결합층(184)은 Ta, Mo, W, Zr, FeTa, TaZr, FeZr, FeMgO, FeTaZr, FeCoZrB, PbB 및 FeCoB와 같은 물질을 포함할 수 있다. 결합층(184)에 사용되는 특정 물질은 자기층(182, 186)에 사용되는 물질에 의존한다.
자유층(162')은 자유층의 자기 모멘트가 z 축으로부터 일정한 각도에서 안정하게 되는 것에 기인하여, 자화 용이축(EA1)으로 인해 및/또는 층들(182 및 186) 사이의 결합층으로 인해 경사진 자화 용이축을 갖는 것으로 고려될 수 있다. 이러한 각도는 각도(θ')와 같거나 작을 수 있다.
자기 접합부(160')는 자기 접합부(110)와 유사한 방식으로 기능한다. 따라서, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 +y 방향으로 기록 전류를 면-내로 구동시키면 자유층 자기 모멘트를 하나의 안정한 상태로 전환하고, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 -y 방향으로 기록 전류를 면-내로 구동시키면 자유층 자기 모멘트를 다른 안정한 상태로 스위칭한다.
자기 접합부(160') 및 자기 메모리(150')는 향상된 성능을 가질 수 있다. 자유층(162')은 스핀 궤도 상호작용 토크 및 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 면-내로 구동되는 기록 전류를 이용하여 기록될 수 있다. 따라서, 자기 접합부(160')를 통해 면-수직으로 구동되는 전류는 요구되지 않는다. 스핀 전달 토크 기록 전류가 자기 접합부(160')를 통해 구동되지 않기 때문에, 자기 접합부(160')가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 자유층(162')이 경사진 자화 용이축을 갖기 때문에, 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 기록하기 위해 외부 자기장 또는 자기 바이어스가 필요하지 않다. 결과적으로, 추가적인 전류 운반 라인이 포함될 필요가 없다. 인접한 자기 접합부를 방해할 수 있는 장거리 자기장의 사용을 또한 피할 수 있다. 자유층(162')이 더 높은 감쇠 상수를 또한 갖는 경우, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용한 스위칭은 더 빠를 수 있다. 따라서, 자기 메모리(150')의 성능이 향상될 수 있다.
도 6은 외부 자기장이 없는 경우에 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능한 자기 접합부(160'')를 포함하는 자기 메모리(150'')의 다른 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다. 명확화를 위해, 도 6은 축적되지 않는다. 또한, 명확성을 위해 일부 구성 요소만이 도시된다. 예를 들어, 선택 장치 및 선택적인 삽입층은 도시되지 않는다. 단지 하나의 자기 접합부(160'') 및 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)이 도시되었지만, 하나 또는 둘 모두 다수의 층을 포함할 수 있다. 자기 메모리(150'')는 다양한 전자 장치들에서 사용될 수 있고 자기 메모리(100)와 유사하다. 그 결과, 유사한 구성 요소들은 유사한 도면 부호를 갖는다. 자기 메모리(150'')는 스핀 궤도 상호작용 활성층(130/170)과, 자유층(112/162/162'), 비자기 스페이서층(114/164) 및 고정층(116/166/166')을 포함하는 자기 접합부(110/160/160')와 유사하게, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)과, 자유층(162''), 비자기 스페이서층(164) 및 고정층(166')을 포함하는 자기 접합부(160'')를 각각 포함한다. 따라서, 구성 요소들(160'', 162'', 164, 166' 및 170)은 각각의 구성 요소들(110/160/160', 112/162/162', 114/164, 116/166/166' 및 130/170)와 유사한 구조, 기능 및/또는 위치를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상술한 것과 유사한 하부 기판, 콘택, 시드층, 높은 PMA 층, 선택적인 삽입층 및/또는 캡핑층이 존재할 수 있다.
고정층(166')은 도 5에 도시된 고정층(166')과 유사하게 합성 반강자성체(SAF)이다. 따라서 고정층은 비자기층(196)에 의해 분리되고 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY) 커플링을 통해 자기적으로 결합된 자기층(188, 198)을 포함한다. 층들(190, 192, 194, 196, 198)은 도 5와 관련하여 상술한 것과 유사하다. 그러나, 다른 실시예에서, 고정층(166')은 다른 물질 및/또는 층으로 형성될 수 있다.
자유층(162'')은 경사진 자화 용이축을 갖는 다층이다. 몇몇 실시예에서, 자유층(162'')은 자유층(162)과 유사한 높은 감쇠 상수(α)를 또한 갖는다. 따라서, 자기층(182' 및/또는 186)은 상술한 바와 같이 높은 감쇠 상수를 가질 수 있다. 결합층(184) 및 높은 PMA 층(186)은 상술한 것과 유사하다.
자유층(162'')은 또한 면-내 용이 방향(ED)을 갖는 것으로 도시된 선택층(182')을 포함한다. 다르게 말하면, 선택층(182')은 면-내 이방성 층이다. 　이것은 더 이상 선택층(182')의 자기 모멘트가 면-내가 아니기 때문이다. 그러나, 선택층(182')은 또한 평면에 바람직한 방향(ED)을 갖는다. 즉, 선택층(182')은 자기 에너지가 가장 낮은 평면에 방향을 갖는다. 그러한 물질의 예는 CoIr20 이다. CoIr 합금은 강한 자기장 및 음의 결정질 이방성 필드 때문에 매우 높은 Hk 값을 갖는다. 결과적으로, 면-내 자화 방향은 매우 안정하다. 예를 들어, Co81Ir19의 Hk는 강한 자기장의 경우 13kOe이고 음의 결정질 이방성 필드의 경우 15kOe이기 때문에 28kOe 이다. 선택층(182')과 높은 PMA 층(186) 사이의 자기 결합 때문에, 자유층(162'')은 도 1에 도시된 자화 용이축(EA)과 유사한 경사진 자화 용이축을 따라 안정한 상태를 갖는다. 따라서, 경사진 자화 용이축(EA)은 강한 면-내 자기 이방성 필드를 갖는 수직층(186)과 면-내 선택층(182') 사이의 교환 결합에 의해 달성될 수 있다.
자기 접합부(160'')는 자기 접합부(110)와 유사한 방식으로 기능한다. 　따라서, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 +y 방향으로 기록 전류를 면-내로 구동시키면 자유층 자기 모멘트를 하나의 안정한 상태로 전환하고, 스핀 궤도 상호작용 활성층(170)을 통해 -y 방향으로 기록 전류를 면-내로 구동시키면 자유층 자기 모멘트를 다른 안정한 상태로 스위칭한다.
자기 접합부(160'') 및 자기 메모리(150'')는 향상된 성능을 가질 수 있다. 스핀 전달 토크 기록 전류가 자기 접합부(160'')를 통해 구동되지 않기 때문에, 자기 접합부(160'')가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 자유층(162'')이 경사진 자화 용이축을 갖기 때문에, 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 기록하기 위해 외부 자기장 또는 자기 바이어스가 필요하지 않다. 결과적으로, 추가적인 전류 운반 라인이 포함될 필요가 없다. 인접한 자기 접합부를 방해할 수 있는 장거리 자기장의 사용을 또한 피할 수 있다. 자유층(162'')이 더 높은 감쇠 상수를 또한 갖는 경우, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용한 스위칭은 더 빠를 수 있다. 따라서, 자기 메모리(150'')의 성능이 향상될 수 있다.
특정 자기 접합부(110, 160, 160' 및 160'')가 본 명세서에 설명되었지만, 당업자는 본원에 설명된 특징이 명시적으로 도시되지 않은 방식으로 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 자기 메모리와 관련하여 기술되었지만, 자기 접합부(110, 160, 160' 및 160'')를 포함하는 것으로 한정되지 않는 본원에 설명된 특징은 다른 자기 장치에 사용될 수 있다.
도 7은 외부 자기장이 없는 경우에 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고 다양한 전기 장치에서 사용 가능한 자기 메모리의 제조 방법(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 단순화를 위해 몇몇 단계는 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행되거나 서브 단계 및/또는 결합 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(200)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계가 수행된 후에 시작될 수 있다. 단순화를 위해, 방법(200)은 자기 메모리(100)와 관련하여 설명된다. 그러나, 자기 메모리(150, 150' 및/또는 150'')를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 자기 메모리가 형성될 수 있다.
단계(202)를 통해 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)이 제공된다. 단계(202)는 각각의 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)에 대하여 원하는 물질을 증착하고 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 삽입층(102)은 단계(204)를 통해 선택적으로 제공될 수 있다.
단계(206)를 통해 자기 접합부(110)가 형성될 수 있다. 단계(206)는 자유층(112), 비자기 스페이서층(114), 고정층(116) 및 자기 접합부(110)에서 요구되는 임의의 추가적인 층을 블랭킷(blanket) 증착하는 것을 포함할 수 있다. 어닐링 및/또는 다른 처리 단계가 또한 수행될 수 있다. 이어서, 자기 접합부(110)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합부(110) 사이의 간격에 대응하는 개구를 갖는 마스크가 형성될 수 있고 반응성 이온 식각 및/또는 다른 제거 프로세스가 수행될 수 있다. 이어서 자기 메모리의 제조가 완료될 수 있다.
방법(200)을 사용하여, 자기 메모리(100, 150, 150' 및/또는 150'')가 제조될 수 있다. 결과적으로, 자기 메모리(100, 150, 150' 및/또는 150'') 및/또는 자기 접합부(110, 160, 160' 및/또는 160'')의 이점이 달성될 수 있다.
도 8은 외부 자기장이 없는 경우에 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 프로그래밍 가능하고 다양한 전기 장치에서 사용 가능한 자기 메모리의 제조 방법(210)의 예시적인 실시예를 도시한다. 단순화를 위해 몇몇 단계는 생략될 수 있고, 다른 순서로 수행되거나 서브 단계 및/또는 결합 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(210)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계가 수행된 후에 시작될 수 있다. 단순화를 위해, 방법(210)은 자기 접합부(110)와 관련하여 설명된다. 그러나, 자기 접합부(160, 160' 및/또는 160'')를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 자기 접합부가 형성될 수 있다.
단계(212)를 통해 자유층(112)이 제공된다. 자유층(212)은 경사진 자화 용이축(EA) 및/또는 적어도 0.2의 증가된 감쇠 상수를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 자유층(112)은 스핀 궤도 상호작용 활성층(130)에 접한다. 단계(212)는 자유층(112, 162, 162' 및/또는 162'')에 대한 층(들)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 단계(212)는 높은 자기장에서 TbFeCo 층과 같은 층을 증착하는 단계 및/또는 높은 자기장에서 일부 층을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 단계(212)에서 높은 PMA 층(들), 결합층(들) 및/또는 다른 층들이 형성될 수 있다. 단계(212)는 또한 자유층(112, 162, 162' 및/또는 162'')의 원하는 결정 구조 및/또는 자기 특성을 달성하기 위해 적절한 시드 및/또는 캡핑층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(212)는 또한 층(들)의 감쇠 상수를 증가시키기 위해 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 디스프로슘(Dy) 및 어븀(Er) 중 하나 이상의 불순물을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
단계(214)를 통해 비자기 스페이서층(114)이 제공된다. 단계(214)는 터널링 베리어층을 형성하는 MgO를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계(214)는 예를 들어, 무선 주파수(RF) 스퍼터링을 사용하여 MgO를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 Mg가 증착될 수 있고, 그 다음 단계(214)에서 산화될 수 있다.
면-외 소자 에너지를 초과하는 PMA를 가질 수 있는 고정층(116)은 단계(216)를 통해 제공된다. 몇몇 실시예에서, 단계(216)는 합성 반강자성체(SAF), 높은 PMA 다층 및/또는 다른 다층과 같은 다층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 자유층(112), 비자기 스페이서층(114) 및 고정층(116)은 별도의 제거 단계에서 개별적으로 형성될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 층들은 블랭킷 증착되고 처리되어 자기 저항 스택을 형성한다. 이어서, 상기 층들은 모두 자기 접합부(110)를 형성하기 위해 포토 리소그래피 방식으로 형성될 수 있다.
따라서, 자기 접합부(110, 160, 160' 및/또는 160'')가 결과적으로 형성될 수 있고, 자기 접합부(110, 160, 160' 및/또는 160'')의 이점이 성취될 수 있다.
자기 접합부를 제공하고 사용하기 위한 방법, 시스템 및 자기 접합부를 사용하여 제조된 메모리가 설명되었다. 본 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예에 따라 기술되었으며, 당업자는 실시예에 대한 변형이 있을 수 있음을 쉽게 인식할 것이며, 임의의 변형은 본 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내에 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 많은 변형이 이루어질 수 있다.
102: 삽입층 104: 선택 소자
100: 자기 메모리 110: 자기 접합부
112: 자유층 114: 비자기 스페이서층
116: 고정층 117: 고정층의 자기 모멘트
130: 스핀 궤도 상호작용 활성층 EA: 경사진 자화 용이축
140: 제1 안정 상태 140'': 제2 안정 상태

Claims (10)

  1. 각각이 자유층, 고정층 및 비자기 스페이서층을 포함하되, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 경사진 자화 용이축(tilted easy axis) 및 높은 감쇠 상수(damping constant) 중 적어도 하나를 갖고, 상기 경사진 자화 용이축은 면-수직(perpendicular-to-plane) 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이루고, 상기 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02인 복수의 자기 접합부; 및
    상기 복수의 자기 접합부 각각의 상기 자유층에 인접하고, 면-내(in-plane)로 전류를 운반하고, 그 내부를 통과하는 전류로 인해 상기 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가하되, 상기 자유층은 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭 가능한 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 포함하되,
    상기 자유층은 상기 경사진 자화 용이축을 갖고, 상기 자유층은 선택층, 결합층 및 수직층을 포함하는 다층을 포함하고,
    상기 수직층은 면-외(out-of-plane) 소자 에너지보다 큰 수직 이방성 에너지를 갖고, 상기 결합층은 비정질이고 상기 선택층과 상기 수직층 사이에 배치되고, 상기 선택층은 경사층 및 면-내 이방성층 중에서 선택되고, 상기 경사층은 상기 면-수직 방향으로부터 추가적으로 0이 아닌 예각을 이루는 자화 용이축을 갖고, 상기 면-내 이방성층은 선호된(preferred) 면-내 축을 갖는 자기 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 0이 아닌 예각은 5도 이상이고 20도 이하인 자기 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자유층은 MgO/Pt (111) 하부층 상의 L10 CoPt (111) 층, x가 0보다 크고 1보다 작은 Tbx(Fe50Co50)1-x 층 및 Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층을 포함하는 자기 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층은 적어도 하나의 불순물을 포함하고, 상기 적어도 하나의 불순물은 적어도 0.2의 상기 높은 감쇠 상수를 제공하는 자기 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 높은 감쇠 상수는 적어도 0.5 인 자기 소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 적어도 하나의 불순물을 5 원자% 이상이고 20 원자% 이하로 포함하는 자기 소자.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 불순물은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 디스프로슘(Dy) 및 어븀(Er) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 소자.
  8. 각각이 자유층, 고정층 및 비자기 스페이서층을 포함하되, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 자유층은 경사진 자화 용이축(tilted easy axis) 및 높은 감쇠 상수(damping constant) 중 적어도 하나를 갖고, 상기 경사진 자화 용이축은 면-수직(perpendicular-to-plane) 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이루고, 상기 0이 아닌 예각은 5도 이상이고 10도 이하이고, 상기 높은 감쇠 상수는 0.02 이상이고 0.8 이하인 복수의 자기 접합부; 및
    상기 복수의 자기 접합부 각각의 상기 자유층에 인접하고, 면-내(in-plane)로 전류를 운반하고, 그 내부를 통과하는 전류로 인해 상기 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가하되, 상기 자유층은 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭 가능한 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 포함하되,
    상기 자유층은 경사진 자화 용이축을 갖고,
    상기 자유층이 상기 경사진 자화 용이축을 갖는 경우, 상기 자유층은 MgO/Pt (111) 하부층 상의 L10 CoPt (111) 층, x가 0보다 크고 1보다 작은 Tbx(Fe50Co50)1-x 층, Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층 및 다층을 포함하고, 상기 다층은 선택층, 결합층 및 수직층을 포함하고, 상기 수직층은 면-외(out-of-plane) 소자 에너지보다 큰 수직 이방성 에너지를 갖고, 상기 결합층은 비정질이고 상기 선택층과 상기 수직층 사이에 배치되고, 상기 선택층은 경사층 및 면-내 이방성층 중에서 선택되고, 상기 경사층은 상기 면-수직 방향으로부터 추가적으로 0이 아닌 예각을 이루는 자화 용이축을 갖고, 상기 면-내 이방성층은 선호된(preferred) 면-내 축을 갖고,
    상기 자유층이 상기 높은 수직 감쇠 상수를 갖는 경우, 상기 자유층은 적어도 하나의 불순물을 5 원자% 이상이고 20 원자% 이하로 포함하고, 상기 적어도 하나의 불순물은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 디스프로슘(Dy) 및 어븀(Er) 중 적어도 하나를 포함하는 자기 소자.
  9. 각각이 고정층, 비자기 스페이서각각이 고정층, 비자기 스페이서층 및 자유층을 포함하되, 상기 비자기 스페이서층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 형성되고, 상기 자유층은 경사진 자화 용이축(tilted easy axis) 및 높은 감쇠 상수(damping constant) 중 적어도 하나를 갖고, 상기 경사진 자화 용이축은 면-수직(perpendicular-to-plane) 방향으로부터 0이 아닌 예각을 이루고, 상기 높은 감쇠 상수는 적어도 0.02인 복수의 자기 접합부를 제공하고,
    상기 복수의 자기 접합부 각각의 상기 자유층에 인접하고, 면-내(in-plane)로 전류를 운반하고, 그 내부를 통과하는 전류로 인해 상기 자유층 상에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가하되, 상기 자유층은 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 스위칭 가능한 적어도 하나의 스핀 궤도 상호작용 활성층을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 자유층은 경사진 자화 용이축을 갖고, 상기 자유층은 선택층, 결합층 및 수직층을 포함하는 다층을 포함하고,
    상기 수직층은 면-외(out-of-plane) 소자 에너지보다 큰 수직 이방성 에너지를 갖고, 상기 결합층은 비정질이고 상기 선택층과 상기 수직층 사이에 형성되고, 상기 선택층은 경사층 및 면-내 이방성층 중에서 선택되고, 상기 경사층은 상기 면-수직 방향으로부터 추가적으로 0이 아닌 예각을 이루는 자화 용이축을 갖고, 상기 면-내 이방성층은 선호된(preferred) 면-내 축을 갖는 자기 소자의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 자유층을 제공하는 것은,
    MgO/Pt (111) 하부층 상에 적어도 하나의 L10 CoPt (111) 층을 제공하고, x가 0보다 크고 1보다 작고 상기 면-수직 방향으로부터 추가적으로 0이 아닌 예각을 이루는 자기장 내에 Tbx(Fe50Co50)1-x 층을 증착하고, 상기 면-수직 방향으로부터 추가적으로 0이 아닌 예각을 이루는 상기 자기장 내에서 상기 Tbx(Fe50Co50)1-x 층을 어닐링하고 및 Fe3Pt/[FePt/MgO]2 이중층을 제공하는 것을 더 포함하는 자기 소자의 제조 방법.
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