KR20220029381A - 쌍극자 결합 스핀 궤도 토크 구조 - Google Patents

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Abstract

자기 장치가 제공된다. 자기 장치는 자유층을 포함하는 적어도 하나의 자기 접합, 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인 및 쌍극자 결합층을 포함하되, 스핀 궤도 상호작용 라인은, 면 내 전류를 전달하고, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가하고, 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 복수의 안정된 자기 상태로 스위치 할 수 있고, 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치되고, 쌍극자 결합층은 자유층에 자기적으로 결합되고, 자유층과 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 큰 감쇠를 가진다.

Description

쌍극자 결합 스핀 궤도 토크 구조{DIPOLE COUPLED SPIN-ORBIT TORQUE STRUCTURE}
본 발명은 자기 장치 및 자기 장치 제공 방법에 관한 것이다.
자기 메모리, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)은 높은 읽기/쓰기 속도, 우수한 내구성, 비휘발성 및 작동 중 낮은 전력 소비에 대한 잠재력으로 점점 더 많은 관심을 끌고 있다. MRAM은 정보 기록 매체로서 자성 물질을 사용하여 정보를 저장할 수 있다. 일부 자기 메모리는 전류를 사용하여 자성 물질에 기록한다. 이러한 자기 메모리 중 하나는 스핀 궤도 상호작용(Spin-Orbit interaction, SO) 토크를 사용하여 자기 접합을 프로그램한다.
스핀 궤도 상호작용 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(SO torque magnetic random-access memory, SOT-MRAM)와 같은 스핀 궤도 상호작용 토크 기반 메모리는 높은 스핀 궤도 상호 작용을 가지는 라인(이하 스핀 궤도 상호작용 라인)과 함께 종래의 자기 터널링 접합(magnetic tunneling junction)을 이용한다. 종래의 자기 터널링 접합은 고정층(또는 기준층), 자유층, 고정층과 자유층 사이의 터널링 장벽층을 포함한다. 자기 터널링 접합은 일반적으로 기판 위에 배치되고, 반강자성(antiferromagnetic)층 뿐만 아니라 시드층 및 캡핑층을 포함할 수 있다. 기준층과 자유층은 자성이다. 기준층의 자화는 특정한 방향으로 고정된다. 자유층은 가변적인 자화를 가진다. 기준층과 자유층은 층들의 평면에 수직 방향(perpendicular-to-plane)의 자화 또는 층들의 면 내(in-plane) 자화를 가질 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 종래의 자기 터널링 접합의 자유층에 인접한다. 높은 스핀 궤도 상호작용은 물질 자체의 벌크 효과(스핀 홀 효과), 계면 상호작용(Rashba 효과), 일부 다른 효과 및/또는 이들의 조합에 기인할 수 있다.
종래의 스핀 궤도 상호작용 메모리에서, 쓰기는 스핀 궤도 상호작용 라인을 통해 면 내 전류(current in-plane)를 구동함으로써 수행된다. 자유층 자기 모멘트가 면 내에서 안정적이면 면 내 스핀 궤도 상호작용 토크만으로 자유층을 안정 상태들 사이에서 스위치할 수 있다. 따라서 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인을 통해 구동되는 전류는 추가적인 스위칭 메커니즘 없이 자유층의 자화 방향을 스위치할 수 있는 스핀 궤도 상호작용 토크를 생성한다. 반면, 자유층이 안정적인 평면 수직(perpendicular-to-plane) 자기 모멘트를 가지면 추가적인 토크가 사용된다. 스핀 궤도 토크가 면 내에 있기 때문에 면 내 전류를 이용하여 자기 모멘트를 신뢰성있게 스위치하기 위해서 대칭 파괴 추가 토크가 요구되며, 보통의 외부 자기장, 스택 내 자기 바이어스 또는 MgO 장벽을 통한 STT 토크를 통해 달성될 수 있다. 면 내 전류는 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층 자기 모멘트를 수직에서 면 내에 근접한 방향으로 회전시키는데 사용될 수 있는 스핀 궤도 상호작용 토크를 발생시킨다. 원하는 방향으로의 스위치는 외부 자기 바이어스 또는 STT 전류를 이용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 외부 자기장, 추가적인 반강자성층, 또는 바이어싱 구조는 자기적으로 자유층을 바이어스하여 원하는 상태로의 스위치를 완료할 수 있다.
종래의 자기 접합은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 쓰여질 수 있지만, 단점이 있다. 경우에 따라 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 자기 접합에 쓰기 위해 높은 쓰기 전류 밀도(단위 면적당 전류)가 요구될 수 있다. 이러한 높은 쓰기 전류 밀도는 바람직하지 않다. 더 낮은 쓰기 전류 밀도에서 쓰여질 수 있도록 자유층을 구성하는 것은 에너지 장벽을 낮춰서 열 안정성에 악영향을 미칠 수 있다. 결과적으로 이러한 메커니즘은 바람직하지 않다. 또한 일부 구성에서는 자기 접합의 형태에 대한 매우 정확한 제어가 요구될 수 있다. 이러한 제어는 자기 접합을 제조하기 어렵게 만들 수 있다. 결과적으로 스핀 궤도 상호작용 토크 자기 장치를 개선하기 위한 메커니즘이 여전히 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 성능이 향상된 자기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 성능이 향상된 자기 장치 제공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 장치는, 자유층을 포함하는 적어도 하나의 자기 접합, 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인 및 쌍극자 결합층을 포함하되, 스핀 궤도 상호작용 라인은, 면 내 전류를 전달하고, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가하고, 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 복수의 안정된 자기 상태로 스위치 할 수 있고, 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치되고, 쌍극자 결합층은 자유층에 자기적으로 결합되고, 자유층과 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 큰 감쇠를 가진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 장치는, 자유층을 포함하는 자기 접합, 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인 및 쌍극자 결합층을 포함하되, 자유층은 자유층만의 배열로 인한 자유층 에너지 장벽을 가지고, 스핀 궤도 상호작용 라인은, 면 내 전류를 전달하고, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가하고, 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 될 수 있고, 스핀 궤도 상호작용 라인은, 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치되고, 자유층 및 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02보다 높은 감쇠를 가지고, 쌍극자 결합층은 자유층에 자기적으로 결합하여 쌍극자 결합층과 자유층의 결합이 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.5배의 유효 에너지 장벽을 가진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 자기 장치 제공 방법은, 자유층을 포함하는 자기 접합을 제공하고, 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하고, 자유층과 자기적으로 결합하는 쌍극자 결합층을 제공하는 것을 포함하되, 스핀 궤도 상호작용 라인은 면 내 전류를 전달하고, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가하고, 자유층은, 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 가능하고, 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치되고, 자유층 및 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 높은 감쇠를 가진다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면에서 개시된다.
도 1A 내지 1D는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함한 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2A 내지 2C는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함한 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 3A 내지 3B는 자유층과 쌍극자 결합층 사이의 거리에 기초한 스위칭 및 에너지 장벽을 도시한 도면이다.
도 4A 내지 4C는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 5A 내지 5B는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치를 제조하는 방법의 실시예를 도시한 순서도이다.
본 발명은 프로세스, 장치, 시스템, 물질의 구성, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품 및/또는 프로세서에 결합되는 메모리에 저장 및/또는 그에 의해 제공되는 명령어를 실행하도록 구성된 프로세서 등 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 구현들 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스의 단계의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는 첨부된 도면과 함께 제시된다. 본 발명은 그러한 실시예들과 함께 설명되지만, 임의의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 오로지 청구범위에 의해서만 제한되며, 본 발명은 수많은 대안, 수정 및 등가물을 포함한다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명에서 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 이러한 세부 사항은 예시를 목적으로 제공되며 본 발명은 이러한 특정 세부 사항의 일부 또는 전부 없이 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확성을 위해, 본 발명과 관련된 기술분야에서 알려진 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 상세히 설명하지 않는다.
예시적인 실시예들은 자기 메모리 및/또는 논리 장치와 같은 자기 장치들에 사용될 수 있는 자기 접합들 및 그와 같은 자기 접합들을 사용하는 장치들에 관한 것이다. 자기 메모리는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)를 포함할 수 있으며 비휘발성 메모리를 사용하는 전자 장치에 사용될 수 있다. 이러한 전자 장치에는 휴대전화, 스마트폰, 태블릿, 노트북 및 기타 휴대용 및 비휴대용 컴퓨터 장치가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 이하 설명은 당업자가 발명을 만들고 사용할 수 있도록 하기 위해 제시되며, 특허 출원과 그 요건의 맥락에서 제공된다. 예시적인 실시예들의 다양한 변형과, 본 명세서에 기재된 일반적인 원리 및 특징은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 실시예들은 주로 특정한 구현으로 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들로 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 실시예에서도 유효하게 작동할 수 있다. "하나의 실시예", "일 실시예", "일부 실시예" 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들뿐 아니라 동일하거나 다른 실시예들에 대한 것일 수 있다. 실시예들은 특정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 시스템들 및/또는 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 배치 및 구성들의 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 특정 단계들을 갖는 특정 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 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.
예시적인 실시예들은 특정 방법, 특정 요소들을 갖는 특정 자기 접합들 및 자기 메모리들의 맥락 내에서 설명된다. 본 발명이, 다른 요소들 및/또는 추가 요소들 및/또는 본 발명에 모순되지 않은 다른 특성들을 갖는 상기 자기 접합들 및 자기 메모리들의 사용에서 일관된다는 것을 당업자는 용이하게 인식할 것이다. 상기 방법 및 시스템은 또한, 스핀 궤도 상호작용 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상을 이해하도록 문맥 내에서 기술된다. 결과적으로, 당업자는 상기 방법 및 시스템의 행동의 이론적 설명들은 스핀 전달, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상의 이해를 기반으로 만들어진다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 그러나, 본 명세서 내 기술된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 당업자는 또한, 방법 및 시스템이 기판과의 특별한 관계를 갖는 구조의 문맥 내에 기술된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 또한 방법 및 시스템은 합성 및/또는 단순한 특정 막들을 갖는 어떤 층들의 문맥 내에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 막들이 다른 구조를 가질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 더욱이, 상기 방법 및 시스템은 특정 층들을 갖는 자기 접합들의 맥락에서 기술된다. 그러나, 당업자는 상기 방법 및 시스템에 모순되지 않은 추가적/또는 상이한 층들을 갖는 자기 접합들이 또한 사용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 게다가, 어떤 요소들은 자성, 강자성, 및 페리자성인 것으로 기술된다. 본 명세서 내에서 사용된 것처럼, 상기 자성이라는 용어는 강자성, 페리자성 또는 그와 유사한 구조들을 포함할 수 있다. 게다가, 본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, "면 내(in-plane)"는 실질적으로 자기 접합의 하나 이상의 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, "수직인(perpendicular)"은 자기 접합의 하나 이상의 층들에 실질적으로 수직한 방향에 해당한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a" 및 "an"은 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한 단수 형태뿐만 아니라 복수 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "포함하는", "가지는", "보유" 및 "포함"이라는 용어는 달리 명시되지 않는 한 개방형 용어(즉, "포함하지만 이에 한정되지 않음"을 의미)로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해되는 것과 같은 의미를 가진다. 본 명세서에서 제공되는 모든 예시 또는 예시적인 용어의 사용은 발명을 더 잘 설명하기 위한 것일 뿐, 달리 명시되지 않는 한 발명의 범위에 대한 제한은 아니다. 또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
자기 장치에 대해 설명한다. 자기 장치는 자기 접합, 스핀 궤도 상호작용(spin-orbit interaction, SO) 라인, 쌍극자 결합층을 포함한다. 자기 접합은 자유층을 포함한다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층에 인접해 있을 수 있고, 면 내 전류를 전달하며 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 전류로 인해 자유층에 스핀 궤도 상호작용 토크를 가한다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 안정된 자기 상태로 스위치될 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 있을 수 있다. 쌍극자 결합층은 자유층과 자기적으로 결합될 수 있다. 자유층 및 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 큰 감쇠를 가진다.
몇몇 실시예에서, 자기 접합은 기준층과, 기준층과 자유층 사이의 비자성 스페이서층을 포함한다. 기준층은 제1 자성층과, 제2 자성층과, 제1 자성층과 제2 자성층 사이의 비자성 층을 포함할 수 있다. 제1 자성층과 제2 자성층은 반강자성적으로 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층은 자유층 면 외 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 가진다. 쌍극자 결합층은 쌍극자 결합층 면 외 반자화 에너지보다 큰 쌍극자 결합층 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 자유층 및/또는 쌍극자 겹합층은 평면에 수직인 자기 모멘트를 가지는 안정된 상태를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층 및/또는 쌍극자 결합층의 자기 모멘트의 안정된 상태들은 면 내에 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 자유층은 전류의 스핀 분극 방향에 대한 임의의 각도로 면 내 이방성을 가진다. 이 각도는 5도 이상 30도 이하일 수 있다. 자유층은 전압 민감성 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 복수의 안정적인 자기 상태들 사이에서 스위치하는 동안 쌍극자 결합층은 자유층에 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 자유층은 상기 쌍극자 결합층으로부터 8 나노미터 이하의 거리로 이격된다. 몇몇 실시예에서 그 거리는 3 나노미터 이상 5 나노미터 이하이다.
몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층은 쌍극자 결합 자기 이방성을 가지고, 자유층은 자유층 자기 이방성을 가진다. 쌍극자 결합 자기 이방성은 자유층 자기 이방성보다 작을 수 있다. 자유층은 0.5 나노미터 이상 5 나노미터 이하의 자유층 두께를 가질 수 있다. 쌍극자 결합층은 자유층 두께의 1.5 나노미터 이내의 쌍극자 결합 두께를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 자기 장치는 쌍극자 결합층에 인접한 반강자성층을 포함한다. 이러한 몇몇 실시예에서, 강자성층은 반강자성층과 쌍극자 결합층 사이에 있다. 강자성층은 반강자성층과 계면을 공유한다. 자기 장치는 또한 강자성층과 쌍극자 결합층 사이의 결합층을 포함할 수 있다.
자기 접합, 스핀 궤도 상호작용 라인 및 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치를 설명한다. 자기 접합은 자유층만의 배열로 인한 자유층 에너지 장벽을 가지는 자유층을 포함할 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층에 인접할 수 있고, 면 내 전류를 전달할 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가할 수 있다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치될 수 있다. 자유층 및/또는 쌍극자 결합층은 0.02 보다 큰 감쇠를 가질 수 있다. 쌍극자 결합층은 자유층에 자기적으로 결합하여 쌍극자 결합층과 자유층의 결합이 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.5배의 유효 에너지 장벽을 가진다. 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.8배이다. 자유층은 쌍극자 결합층으로부터 8 나노미터 이하의 거리만큼 이격될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 거리는 3 나노미터 이상 5 나노미터 이하이다. 자유층은 자유층 자기 이방성을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층은 자유층 자기 이방성보다 작은 쌍극자 결합층 자기 이방성을 가진다. 몇몇 실시예에서, 일부 작은 측면의 크기(지름)와 같이, 쌍극자 결합층은 자유층의 자기 이방성보다 높은 자기 이방성을 가질 수 있다.
자기 장치를 제공하는 방법을 설명한다. 자기 장치를 제공하는 방법은 자유층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 것과 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 면 내 전류를 전달하고, 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 자유층에 가할 수 있다. 자유층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 장치를 제공하는 방법은 또한 쌍극자 결합층을 제공하는 것을 포함한다. 스핀 궤도 상호작용 라인은 자유층과 쌍극자 결합층 사이에 배치될 수 있다. 쌍극자 결합층은 자유층과 자기적으로 결합할 수 있다. 자유층 및 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 큰 감쇠를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하는 것은 8 나노미터 이하의 두께를 가지는 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하는 것을 더 포함한다.
도 1A 내지 1D는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 장치(100, 100C 및 100D)의 실시예를 도시한다. 도 1A 내지 도 1B는 자기 접합(102), 스핀-궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)을 포함하는 자기 장치의 실시예의 평면도 및 측면도를 도시한다. 도 1C 및 1D는 각각 자기 접합(120C 및 120D)을 포함하고, 쌍극자 결합층(150)을 포함하고, 스핀-궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 장치(100C 및 100D)의 실시예의 측면도를 각각 도시한다. 자기 장치(100C 및 100D)에 대한 평면도는 도 1A에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해, 도 1A 내지 1D는 스케일링되지 않는다. 또한, 비트 라인, 행 및 열 셀렉터와 같은 자기 장치(100)의 부분들은 도시되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(미도시)와 다른 구성요소가 또한 포함될 수 있다. 하나의 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 일부(또는 하나)의 자기 접합이 도시 되었지만, 복수의 자기 접합(102, 102C 및/또는 102D) 및 복수의 스핀 궤도 상호작용 라인(140)이 자기 장치(100, 100C 및/또는 100D)에 포함될 수 있다. 자기 장치(100, 100C 및/또는 100D)는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.
도 1A 내지 도 1B를 참조하면, 자기 접합(102)은 자유층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 기준층(130)을 포함한다. 자기 접합(102)은 높은 스핀 분극을 가지는 선택적 분극 강화층(polarization enhancement layer, PEL)을 포함할 수 있다. 예를 들어, PEL은 Fe, CoFe 및/또는 CoFeB를 포함할 수 있다. PEL은 기준층(130)과 비자성 스페이서층(120)의 사이 및/또는 비자성 스페이서층(120)과 자유층(110) 사이에 있을 수 있다. 컨택, 선택적 시드층 및 선택적 캡핑층이 있을 수 있지만 단순성을 위해 도시되지 않는다. 기준층(130)의 자화(미도시)를 고정하기 위해 선택적인 고정층(미도시)을 사용할 수 있다. 선택적인 고정층은 교환 바이어스 상호작용에 의해 기준층(130)의 자화(132)를 고정하는 반강자성(AFM) 층 또는 다층일 수 있다. 그러나 다른 실시예에서, 선택적인 고정층이 생략되거나 다른 구조가 사용될 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인(140)과 자기 접합(102, 102C 및/또는 102D) 사이에 있을 수 있는 선택적 삽입층은 도시되지 않는다. 또한 도 1A 내지 1D에는 구성 요소가 제공되는 하부 기판이 도시되지 않았다. 몇몇 실시예에서 기판은 x-y 평면에 있다. 이러한 실시예에서 z 방향은 평면과 수직이다. 이러한 실시예에서, 자기 접합(102)은 기판의 평면과 실질적으로 평행한 층(110, 120 및 130)의 평면을 가진다.
기준층(130)은 자성을 가진다. 도시된 실시예에서, 기준층 자기 모멘트(132)는 실질적으로 평면에 수직이다(예를 들어, Z 방향). 따라서, 기준층 수직 자기 이방성 에너지는 면외 반자화 에너지를 초과한다. 기준층 자기 모멘트(132)는 양의 z 방향으로 향하는 것으로 도시된다. 몇몇 실시예에서 자기 모멘트(132)는 음의 z 방향을 포함한 다른 방향을 향할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 기준층(130)은 다층일 수 있다. 예를 들어, 기준층(130)은 인터리빙된 복수의 강자성층을 포함하고, 그 사이에 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh) 또는 이들 원소의 합금과 같은 비자성층을 끼우는 합성 반강자성(synthetic antiferromagnet)일 수 있다. 이러한 일부 실시예가 도 1C 및 도 1D에 도시된다. 자기 접합(102C 및 102D)에서, 기준층(130C 및 130D)은 각각 기준층(130)을 대체한다. 기준층(130C 및 130D)은 각각 비자성층(136)으로부터 분리된 자성층(134 및 138)을 포함하고, 이를 통해 자성층(134 및 138)이 결합된다. 도시된 실시예에서, 자성층(134 및 138)의 자기 모멘트(135 및 139)는 각각 반강자성적으로 결합된다. 또한, 자기 장치(100D)는 자기 접합(102D) 및 쌍극자 결합층(150)의 위치를 반전시킨다. 따라서, 도 1A는 도 1C를 위에서 바라본 평면도 및 도 1D를 아래에서 바라본 평면도를 나타낼 수 있다. 다른 다층이 기준층(130, 130C 및/또는 130D)에 사용될 수 있다. 기준층(130, 130C 및/또는 130D)은 CoFe, CoFeB, FeB 및/또는 CoPt 중 하나 이상을 포함하거나 그로 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 CoFe, CoFeB, FeB, CoPt 및 기타 재료는 화학 양론이 표시되지 않은 합금을 나타낸다. 예를 들어, CoFeB는 (CoFe)1-xBx(증착에 따라, x는 0보다 크거나 같고 0.5보다 작거나 같다)를 포함할 수 있다. 예를 들어 x는 0.2 이상 0.4 이하일 수 있다. 기준층(130, 130C 및/또는 130D)에 대해 다른 재료 및/또는 구조가 가능하다. 기준층(130, 130C 및/또는 130D)의 자기 모멘트는 다양한 다른 배열을 취할 수 있다.
비자성 스페이서층(120)은 자유층(110)과 기준층(130, 130C 및/또는 130D) 사이에 있다. 비자성 스페이서층(120)은 터널링 장벽층일 수 있다. 예를 들어 비자성 스페이서층(120)은 MgO, 알루미늄 산화물, MgAl2O4 및/또는 티타늄 산화물을 포함하거나 그로 구성될 수 있다. 이러한 MgO 비자성 스페이서층(120)은 결정질일 수 있고 강화된 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance, TMR)을 위해 200 결정 방향을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 비자성 스페이서층(120)은 다른 터널링 장벽층일 수 있고, 도전층이거나 다른 구조를 가질 수 있다.
자유층(110)은 자성을 가지고 다층일 수 있다. 예를 들어, 자유층(110)은 Co, CoFe, Fe, CoFeB, CoFeBe, CoFeC, CoFeX, CoFeBX, CoFeBeX, CoFeCX, FeX, 및 CoX 중 하나 이상을 포함하거나 그로 구성될 수 있고, 여기서 X는 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 탄탈럼Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V) 중 선택될 수 있다. 다른 및/또는 추가적인 물질이 사용될 수 있다. 하지만, 자유층(110)에 사용되는 물질은 비자성 스페이서층(120)의 관점에서 선택된다. 예를 들어, 비자성 스페이서층(120)이 MgO인 경우, 자유층(110)에 대해 선택된 물질은 비자성 스페이서층(120)의 자기 모멘트와 충분히 일치하는 격자 및/또는 대칭을 가질 수 있다. 자유층(110)의 자기 모멘트는 이하 논의되는 다양한 안정 상태를 가질 수 있다. 자유층(110)은 SO 라인(140)에 인접(또는 근접)한다. 도 1A 내지 도 1D에 도시된 실시예에서, 자유층(110)은 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 표면(예를 들어, 상부면 또는 하부면)의 적어도 일부와 인접하거나 계면을 공유한다. 다른 실시예에서, 얇은 층이 자유층(110)과 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 이러한 층은 스핀 궤도 상호작용 토크를 조절하거나 향상시킬 수 있고/있거나 시드층으로서 작용할 수 있다. 도시된 실시예에서, 자유층 자기 모멘트(112)는 평면에 실질적으로 수직인 방향(예를 들어, 양 또는 음의 z 방향)에서 안정하다. 다수의 안정 상태가 존재하기 때문에, 자유층 자기 모멘트(112)는 양방향 화살표로 도시된다. 따라서 자유층은 높은 수직 자기 이방성을 가진다. 자유층 수직 자기 이방성 에너지는 자유층 면외 반 자화 에너지를 초과한다.
스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 강한 스핀-궤도 상호작용을 가지는 층으로 자유층(110)의 자기 모멘트를 스위치 하는데 사용된다. 스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 큰 스핀-궤도 결합을 가지는 큰 스핀 궤도 상호작용 각도를 갖는 물질을 포함하거나 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐(W), 플래티늄(Pt), 터븀(Tb), 비스무트(Bi), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 금(Au), 및 규소(Si) 중 둘 이상의 합금과 같은 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 합금은 계면에서 약간의 산화 반응을 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 Au/Si와 같은 다층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서 스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 위상 절연체(예를 들어, BiTe, BiSe, TlBiTe, TlBiSe, SbTeS, BiTeS, BiTeSe, GeSbTe, SnSbTe, GeBiTe, SnBiTe, BiSb, FeGeTe 및/또는 BiSbSe)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 상기 물질의 일부 조합을 포함할 수 있다.
"라인"으로 지칭되지만, 용어 "라인"은 기판에 대한 특정 형상 또는 배향을 의미할 필요는 없다. 예를 들어, 스핀 궤도 상호작용 라인(140)은 얇거나, 직사각형 또는 평면일 필요가 없다. 도 1A 내지 1D에서 라인(140)은 스핀 궤도 상호작용 라인(140)으로 구성되는 것으로 도시되었으나, 다른 실시예에서 라인(140)은 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 높은 전도성 물질은 자기 접합(102)으로부터 이격된 영역의 스핀 궤도 상호작용 라인(140)을 대체하거나 보완할 수 있다. 다른 실시예에서, 더 높은 저항성/낮은 전도성 코어가 사용될 수 있다. 쓰기 전류는 +x 방향 또는 -x 방향으로 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 길이를 따라 구동된다. 도 1B에 도시된 실시예에서, 전류는 스핀 궤도 상호작용 라인(140)을 통해 +x 방향으로 구동된다. 이 쓰기 전류는 수반되는 스핀 궤도 상호작용을 발생시켜 자유층(110)에 쓰는데 사용되는 스핀 궤도 토크를 발생시킨다.
자기 접합(102, 102C 및 102D)은 자유층(110)이 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 축을 따라(예를 들어, 도 1A 내지 1D에서 x축/± x방향을 따라) 스핀 궤도 상호작용 라인(140)을 통과하는 쓰기 전류를 사용하여 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 가능하도록 구성된다. 따라서, 자유층(110)은 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 프로그램 가능하다. 몇몇 실시예에서, 자유층(110)은 자기 접합(102, 102C 및 102D)을 통해 구동되는 쓰기 전류의 부재 하에 프로그램 가능하다. 예를 들어, 자유층(110)은 z축으로부터 기울어진 쉬운 축을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 스핀 전달 토크(STT), 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스는 일부 실시예에서 자기 접합(102)에 쓰기 위해 필요가 없다. 하지만, 대안적인 실시예에서, 자기 접합(102)을 통해 구동되는 적당한 전류(예를 들어, STT는 자유층(110)을 프로그램 하는데 사용될 수 있다) 및/또는 외부 자기장/자기 바이어스가 자유층 자기 모멘트의 스위치를 돕기 위해 사용될 수 있다. 구체적으로, STT, 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스는 자유층(110)의 자기 모멘트(112)의 최종 상태(양의 z 방향 또는 음의 z 방향)를 선택하는데 사용될 수 있다.
쌍극자 결합층(150)이 또한 도시된다. 쌍극자 결합층(150)은 자유층(110)과 관련하여 논의된 것과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)은 FePt, FePd 및/또는 CoPt 와 같은 L10 물질 및/또는 Ni3Fe와 같은 L12 물질을 포함하거나 그로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)은 CoPt 합금, Co/Pt 다층 또는 단일층, Co/Pd 층, Co/Ni 층 및/또는 CoFe/Pt 층과 같은 조밀 육방 격자 물질들을 포함하거나 그로 구성될 수 있다. 쌍극자 결합층(150)은 MgO 비자성 스페이서층과 인접하지 않기 때문에(인접/계면을 공유하지 않기 때문에), 몇몇 실시예에서 자유층(110)보다 더 다양한 물질이 쌍극자 결합층(150)에 사용될 수 있다. 쌍극자 결합층(150)의 수직 자기 이방성 에너지는 면 외 반자화 에너지보다 크다. 도시된 실시예에서, 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)는 실질적으로 평면에 수직이다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)의 자기 이방성은 자유층(110)의 자기 이방성보다 작다. 따라서, 그러한 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)은 자유층(110) 전에 스위치를 시작할 수 있다. 자유층(110) 및 쌍극자 결합층(150) 중 적어도 하나는 높은 자기 감쇠(예를 들어, 0.02 보다 큰 감쇠)를 가진다. 몇몇 실시예에서, 자유층(110)은 낮은 감쇠(일부 실시예에서 0.02 미만 및 0.01 미만)를 갖는 반면, 쌍극자 결합층(150)은 높은 감쇠(일부 실시예에서 0.02 초과 및 0.4 초과)를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)은 자유층(110)의 두께의 5 나노미터 이내의 두께를 가진다. 자유층(110)은 0.5 나노미터 이상 5 나노미터 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(110)은 두께가 0.8 나노미터 이상 1.5 나노미터 이하이다.
쌍극자 결합층(150)은 자유층(110)에 자기적으로 결합된다. 도시된 실시예에서, 쌍극자 결합층(150)은 자유층(110)에 쌍극자 결합된다. 따라서 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)는 자유층 자기 모멘트(112)를 갖는 자유층(110)에 결합되어, 자유층 자기 모멘트(112)가 안정 상태에 있을 때 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)는 자유층 자기 모멘트(112)와 정렬된다. 하지만, 아래에서 논의되는 바와 같이, 스위치되는 동안, 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)는 자유층 자기 모멘트(112)에 역평행할 수 있다. 따라서, 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)는 스위치 하는 동안 부분 또는 완전 플럭스 폐쇄를 제공한다. 원하는 결합을 제공하기 위해 자유층(110)과 쌍극자 결합층(150)사이의 거리(예를 들어, 도시된 실시예에서 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 두께)는 10 나노미터 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(110)과 쌍극자 결합층(150) 사이의 거리는 8 나노미터 이하이다. 몇몇 실시예에서, 자유층(110)과 쌍극자 결합층(150) 사이의 거리는 3 나노미터 이상 5 나노미터 이하일 수 있다.
자기 접합(102, 102C 및 102D)은 일반적인 방법으로 읽힐 수 있다. 따라서 STT를 사용하여 자기 접합(102)을 프로그램 하기에 불충분한 읽기 전류는 자유층(110), 비자성층(120) 및 기준층(130) 사이의 계면 중 적어도 일부에 수직인 방향의 자기 접합(102)을 통해서 유도될 수 있다. 자기 접합(102)의 저항은 자유층 자기 모멘트(112)와 기준층 자기 모멘트(132) 사이의 방향에 기반한다. 따라서 데이터는 자기 접합(102)의 저항을 결정함으로써 자기 접합(102)으로부터 읽혀질 수 있다.
하지만, 자기 접합(102, 102C 및 102D)을 프로그램 하는 것에 있어서, 쓰기 전류는 스핀 궤도 상호작용 라인(140)을 통해 유도되고, 자유층(110)에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 상부면에 실질적으로 평행하다. 도시된 실시예에서, 쓰기 전류는 x축을 따른다. 전류의 방향에 기초하여, 반대 방향으로 분극된 스핀들은 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 반대 측으로 표류(drift)할 수 있다. 이것은 전류의 특정 방향에 대한 도 1B, 1C 및 1D에 도시되어 있다. 자유층(110)에 가까운 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 표면(예를 들어, 도 1b 및 1c의 자기 장치(100 및 100C)의 경우 상부면과 도 1d의 자기 장치(100D)의 경우 하부면) 근처의 스핀은 자유층 자기 모멘트(112)를 스위치 하는 토크를 가한다. 마찬가지로, 쌍극자 결합층(150)에 가까운 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 표면(예를 들어, 도 1b 및 1c의 자기 장치(100 및 100C)의 경우 하부면과 도 1d의 자기 장치(100D)의 경우 상부면) 근처의 스핀은 쌍극자 결합층 자기 모멘트(152)를 스위치 하는 경향이 있다. 쌍극자 결합층(150)과 자유층(110)이 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 반대면에 배치되고, 쌍극자 결합층(150)과 자유층(110)이 자기적으로 (쌍극자) 결합하기 때문에, 스핀 궤도 상호작용 라인(140)의 양면에서 분극된 스핀들은 자기 모멘트(112 및 152)를 스위치 하는데 사용된다.
예를 들어, 도 2a 내지 2c는 두 상태 사이에서 스위치 하는 자기 장치(200)를 도시한다. 자기 장치(200)는 자기 장치(100, 100C 및 100D)와 유사하다. 하지만, 자기 접합의 자유층(210)만이 도시된다. 따라서 자기 장치(200)는 각각 자유층(110), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)과 유사한 자유층(210), 스핀 궤도 상호작용 라인(240) 및 쌍극자 결합층(250)을 포함한다. 결과적으로, 자유층(210), 스핀 궤도 상호작용 라인(240) 및 쌍극자 결합층(250)에 사용되는 구조, 기능 및 물질은 각각 자유층(110), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)에 사용되는 것과 유사하다.
도 2a는 안정 상태의 자유층(210)을 도시한다. 전류는 스핀 궤도 상호작용 라인(240)에서 면 내에 유도된다. 결과적으로, 반대 방향으로 분극된 스핀은 스핀 궤도 상호작용 라인(240)의 상부면과 하부면으로 표류된다. 그 결과, 자기 모멘트(212 및 252)는 스위치 하기 시작한다. 스핀 궤도 상호작용 라인(240)의 상부면과 하부면에 있는 스핀은 반대 방향이기 때문에, 도 2b의 자유층(210)과 쌍극자 결합층(250)에 대한 자기 모멘트(212 및 252)는 각각 반강자성적으로 정렬된다. 따라서, 쌍극자 결합층(250)은 스위치 하는 동안 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(250)은 스위치 하는 동안 자유층(210)에 대한 적어도 20%의 플럭스 폐쇄를 제공한다. 이러한 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(250)은 스위치 하는 동안 자유층(210)에 대한 적어도 40%의 플럭스 폐쇄를 제공한다. 쌍극자 결합층(250)은 스위치 하는 동안 자유층(210)에 대한 적어도 60%의 플럭스 폐쇄를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 쌍극자 결합층(250)은 스위치 하는 동안 자유층(210)에 대한 완전한 플럭스 폐쇄를 제공한다. 플럭스 폐쇄는 자유층(210)에 쓰기 위해 요구되는 자기 전류 밀도를 감소시킨다. 도 2c는 스위치 후의 자기 접합(200)을 도시한다. 따라서, 자유층(210)과 쌍극자 결합층(250)의 자기 모멘트(212 및 252)는 다시 강자성적으로 정렬된다.
도 1a 내지 2c를 참조하면, 자기 장치(100, 100C, 100D 및 200)는 향상된 성능을 가질 수 있다. 쌍극자 결합층(150 및 250)의 존재와 자유층(110 및 210)과의 자기 결합으로 인해 자유층(110 및 210)은 더 안정적이다. 다르게 말하면, 자유층(110 및/또는 210) 자체는 자기 모멘트를 스위치 하거나 불안정화하기 위해 극복해야할 에너지 장벽을 갖는다. 준균일(marcrospin) 회전 모델에서, 자유층 에너지 장벽은 KuV로 주어지며, Ku는 자유층의 자기 이방성 밀도이고, V는 자유층의 부피이다. 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 각각 사이의 자기 결합으로 인해 자유층(110)과 쌍극자 결합층(150)의 결합 또는 자유층(210)과 쌍극자 결합층 (250)의 결합에 대한 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽보다 크다. 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.5배이다. 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.8배이다. 이러한 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 2배이다. 이는 또한 자기 열 안정성 계수의 관점에서 생각할 수 있다. 준균일(macrospin) 회전 모델에서 자유층(110 및/또는 210)의 자기 열 안정성 계수는
Figure pat00001
=KuV/kBT으로 주어지며, Ku는 층의 자기 이방성 밀도, kB는 볼츠만 상수, T는 절대 온도(Kelvin 온도)이고, V는 자유층의 부피이다. 자유층(110 및/또는 210)이 열적으로 안정적이기 위해, 자유층(110 및/또는 210)의 자기 열 안정성 계수(
Figure pat00002
free layer)는 일반적으로 작동 온도 또는 약 실온과 같은 대기 온도에서 60 이상, 즉, 섭씨 온도로 적어도 -40도 이상 150도 이하가 되는 것이 바람직하다. 쌍극자 결합층(150 및/또는 250)으로 인해, 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 결합의 자기 열 안정성 계수(
Figure pat00003
combination)는 자유층의 자기 열 안정성 계수(
Figure pat00004
free layer)의 적어도 1.5배이다(
Figure pat00005
combination = 1.5
Figure pat00006
free layer). 몇몇 실시예에서,
Figure pat00007
combination는
Figure pat00008
free layer의 적어도 1.8배이다(
Figure pat00009
combination = 1.8
Figure pat00010
free layer). 이러한 몇몇 실시예에서,
Figure pat00011
combination는
Figure pat00012
free layer의 적어도 2배이다(
Figure pat00013
combination =
Figure pat00014
2free layer). 따라서, 주어진 자유층에 대해, 결합의 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수는 자유층 단독의 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수보다 상당히 높다. 다르게 말하면 주어진 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수에 있어서, 쓰기 전류 밀도를 낮추기 위해 얇은 층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한(또는 실질적으로 동일한) 자유층 에너지 장벽을 유지하면서 1.2 나노미터 두께의 단독 자유층 대신에 0.6 나노미터 두께를 가지는 자유층은 쌍극자 결합층과 결합하여 사용될 수 있다. 따라서 안정성이 향상된다.
안정성의 향상은 도 3a 및 3b에서도 확인할 수 있다. 도 3a는 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 사이의 다양한 간격에 대한 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 결합의 스위치 중의 에너지를 도시한다. 더 큰 간격(도 3a에서 그래프의 하부)의 경우 자유층(FL)과 쌍극자 결합층(DCL)은 개별적으로 스위치 되어 같은 높이의 두 개의 최대값(이 경우 FL과 DCL이 동일하기 때문)이 나타난다. 예를 들어 8 나노미터 미만(예를 들어, 8 나노미터 두께 미만의 스핀 궤도 상호작용 라인(140 및/또는 240))과 같은 더 작은 간격의 경우, 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250)은 함께 스위치 한다. 이는 하나의 피크로 나타나고, 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 사이의 강한 자기(쌍극자) 결합에 해당한다. 마찬가지로, 도 3b는 유효 에너지 장벽이 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250) 사이의 거리가 감소함에 따라 상당히 증가하는 것을 나타낸다. 이러한 현저한 증가는 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250)이 함께 스위치 하고, 동시(또는 실질적으로 동시)의 스위치를 보장할 만큼 충분히 강하게 자기적으로 결합할 때 나타난다.
또한, 쌍극자 결합층(150 및/또는 250)과 결합한 자유층(110 및/또는 210)을 프로그램할 때 요구되는 쓰기 전류 밀도는 자유층(110 및/또는 210) 단독을 프로그램 할 때 요구되는 쓰기 전류 밀도보다 감소될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 쓰기 전류 밀도는 적어도 5% 감소할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쓰기 전류 밀도는 적어도 10% 감소할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쓰기 전류 밀도는 적어도 20% 감소할 수 있다. 따라서, 자유층(110 및/또는 210)은 더 열적으로 안정될 수 있는 반면, 더 낮은 전류 밀도를 사용하여 쓰여질 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, 자유층(110 및/또는 210)과 쌍극자 결합층(150 및/또는 250)은 향상된 감쇠를 가짐으로써 스위치 속도를 개선하고 SOT 전류가 제거된 후의 임의의 링잉(ringing) 효과를 줄이거나 방지할 수 있다. 결과적으로, 자기 모멘트(112, 212, 150 및/또는 250)는 최종 상태로 더 빠르게 안정화될 수 있다. 이는 STT 대신에 SO 토크가 사용되기 때문에 쓰기에 악영향을 미치지 않고 달성될 수 있다. 따라서 자유층(110 및/또는 210)과 자기 장치(100, 100C, 100D 및/또는 200)의 성능이 향상될 수 있다.
도 4a 내지 4c는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(402)과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치(400 및 400C)의 실시예를 나타낸다. 도 4a는 자기 접합(402), 스핀 궤도 상호작용(SO) 라인(440) 및 쌍극자 결합층(450)을 포함하는 자기 장치의 실시예의 상부를 도시한다. 도 4b 및 4c는 각각 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(402 및 402C)과 쌍극자 결합층(450)을 포함하는 자기 장치(400 및 400C)의 실시예의 측면을 도시한다. 자기 장치(400C)의 하면도는 도 4a에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해 도 4a 내지 4c는 스케일링되지 않는다. 또한 비트 라인, 행 및 열 셀렉터와 같이 자기 장치(400 및 400C)의 부분들은 도시되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(미도시)와 다른 구성요소가 또한 포함될 수 있다. 하나의 SO 라인(440) 및 일부(또는 하나)의 자기 접합이 도시 되었지만, 복수의 자기 접합(402 및/또는 402C) 및 복수의 SO 라인(440)이 자기 장치(400 및/또는 400C)에 포함될 수 있다. 자기 장치(400 및/또는 400C)는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.
자기 장치(400 및 400C)는 자기 장치(100, 100C, 100D 및 200)와 유사하다. 따라서 자기 장치(400 및 400C)는 자기 접합(102, 102C 및/또는 102D)과 유사한 자기 접합(402 및 402C)을 포함한다. 자기 접합(402 및 402C)은 자유층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 비자성층(136)에 의해 분리된 강자성층(134 및 138)을 포함하는 기준층(130)과 유사한 자유층(410), 비자성 스페이서층(420) 및 비자성층(436)에 의해 분리된 강자성층(434 및 438)을 포함하는 기준층(430)을 포함한다. 자기 장치(400 및 400C)는 또한 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)과 유사한 스핀 궤도 상호작용 라인(440) 및 쌍극자 결합층(450)을 포함한다. 결과적으로 자기 접합(402 및 402C), 스핀 궤도 상호작용 라인(440) 및 쌍극자 결합층(450)에 사용되는 구조, 기능 및 물질은 각각 자기 접합(102, 102C 및102D), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)에 사용되는 것과 유사하다. 하지만 자유층(410)과 쌍극자 결합층(450)은 평면(예를 들어, 양의 y 방향 및 음의 y 방향) 내 안정된 상태의 자기 모멘트(412 및 452)를 가진다. 비록 자유층(410)과 쌍극자 결합층(450)이 각각 면 내에서 안정된 자기 모멘트(412 및 452)를 가지지만, 자기 장치(400 및 400C)는 자기 장치(100, 100C, 100D 및/또는 200)와 유사한 방식으로 작동한다. 자기 층(410 및 450)은 면 내 반자화 에너지를 극복하기 위해 필요한 총 자기 이방성보다 낮은, 작은 부분 수직 자기 이방성(partial perpendicular magnetic anisotropy, PPMA)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부분 수직 자기 이방성은 반자화 에너지의 50%만큼 높을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부분 수직 자기 이방성은 반자화 에너지의 70%만큼 높을 수 있다.
쌍극자 결합층(450)의 존재와 자유층(410)과의 자기 결합으로 인해 자유층(410)은 더 안정적이다. 다르게 말하면, 자유층(410) 자체는 자기 모멘트를 스위치 하거나 불안정화하기 위해 극복해야할 에너지 장벽을 갖는다. 자유층(410)과 쌍극자 결합층(450)의 결합에 대한 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽보다 크다. 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.5배이다. 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.8배이다. 이러한 몇몇 실시예에서, 유효 에너지 장벽은 자유층 에너지 장벽의 적어도 2배이다. 이는 또한 자기 열 안정성 계수의 관점에서 생각할 수 있다. 자유층(410)과 쌍극자 결합층(450)의 결합의 자기 열 안정성 계수는 마찬가지로 자유층(410) 자체의 자기 열 안정성 계수를 초과한다. 따라서, 주어진 자유층에 대해, 결합의 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수는 자유층 단독의 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수보다 상당히 높다. 다르게 말하면 주어진 에너지 장벽과 자기 열 안정성 계수에 있어서, 얇은 층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 자유층 에너지 장벽을 유지하면서 1.2 나노미터 두께의 단독 자유층 대신에 0.6 나노미터 두께를 가지는 자유층은 쌍극자 결합층과 결합하여 사용될 수 있다. 따라서 안정성이 향상된다.
또한, 쌍극자 결합층(450)은 쌍극자 결합층(150)과 자유층(110)과 유사한 방식으로 스위치 하는 동안 자유층(410)에 대해 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공한다. 따라서, 쌍극자 결합층(450)과 결합한 자유층(410)을 프로그램할 때 요구되는 쓰기 전류 밀도는 자유층(410) 단독을 프로그램 할 때 요구되는 쓰기 전류 밀도보다 감소될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 쓰기 전류 밀도는 자유층(110 및/또는 210)에 대해 논의된 것과 유사한 양만큼 감소할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 자기 접합(402 및/또는 402C)과 자유층(410)은 스핀 궤도 상호작용 라인(440)에 흐르는 전류에 대해 스핀 분극의 방향으로부터 0이 아닌 각도
Figure pat00015
에서 용이한 축을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서,
Figure pat00016
는 5도 이상 30도 이하이다. 이
Figure pat00017
각은 대칭성을 깨서 각이 0일 때보다 자유층 자기 모멘트(412)가 원하는 상태로 훨씬 빨리 스위치 되도록 할 수 있다.
따라서, 자기 장치(400 및 400C)는 자기 장치(100, 100C, 100D 및/또는 200)의 장점을 공유한다. 특히 자기 장치(400 및 400C)는 스위치 전류의 증가를 유발하지 않고 증가된 에너지 장벽을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위치 전류는 감소될 수 있다. 또한 자기 접합(402 및 402C)은 최종 상태를 선택하는 데 인가되는 STT 전류, 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스를 유도하지 않고 쓰여질 수 있다.
도 5a 및 5b는 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(502 및 502B)과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치(500A 및 500B)의 실시예를 도시한다. 도 5a 및 5b는 각각 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(502 및 502B)과 쌍극자 결합층(550)을 포함하는 자기 장치(500A 및 500B)의 실시예의 측면을 도시한다. 자기 장치(500)의 상면도는 도 4a에 도시된 것과 유사하다. 자기 장치(500B)의 하면도는 도 4a에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해 도 5a 및 5b는 스케일링되지 않는다. 또한, 비트 라인, 행 및 열 셀렉터와 같이 자기 장치(500A 및 500B)의 부분들은 도시되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(미도시)와 다른 구성요소가 또한 포함될 수 있다. 하나의 스핀 궤도 상호작용 라인(540) 및 하나의 자기 접합이 도시 되었지만, 복수의 자기 접합(502 및/또는 502B) 및 복수의 스핀 궤도 상호작용 라인(540)이 자기 장치(500A 및/또는 500B)에 포함될 수 있다. 자기 장치(500A 및/또는 500B)는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.
자기 장치(500A 및 500B)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400 및/또는 400C)와 유사하다. 따라서 자기 장치(500A 및 500B)는 자기 접합(102, 102C, 102D, 402 및/또는 402C)과 유사한 자기 접합(502A 및 502B)을 포함한다. 자기 접합(502A 및 502B)은 자유층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 비자성층(136)에 의해 분리된 강자성층(134 및 138)을 포함하는 기준층(130)과 유사한 자유층(510), 비자성 스페이서층(520) 및 비자성층(536)에 의해 분리된 강자성층(534 및 538)을 포함하는 기준층(530)을 포함한다. 자기 장치(500A 및 500B)는 또한 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)과 유사한 스핀 궤도 상호작용 라인(540) 및 쌍극자 결합층(550)을 포함한다. 결과적으로 자기 접합(502A 및 502B), 스핀 궤도 상호작용 라인(540) 및 쌍극자 결합층(550)에 사용되는 구조, 기능 및 물질은 각각 자기 접합(102, 102C 및102D), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)에 사용되는 것과 유사하다. 하지만 자유층(510)과 쌍극자 결합층(550)은 면(예를 들어, 양의 y 방향 및 음의 y 방향) 내 안정된 상태의 자기 모멘트(512 및 552)를 가진다.
자기 장치(500A 및 500B)는 각각 자기 장치(400 및 400C)와 유사한 방식으로 작동한다. 따라서, 자기 장치(500A 및 500B)는 유효 에너지 장벽층에서 향상을 가질 수 있다. 또한 쌍극자 결합층(550)은 쌍극자 결합층(150) 및 자유층(110)과 유사한 방식으로 스위치 하는 동안 자유층(510)에 대해 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공한다. 자기 장치(500A 및 500B)는 따라서 낮은 쓰기 전류 밀도에서 자유층(510)을 프로그램 할 수 있다. 따라서, 자유층(510)과 자기 장치(500A 및 500B)의 성능이 향상될 수 있다.
또한, 자기 접합(502A 및 502B)과 자유층(510)은 자기 장치(400 및 400C)에 대한 각도
Figure pat00018
와 유사한 0이 아닌 각도에서 용이한 축을 가질 수 있다. 이
Figure pat00019
각은 대칭성을 깨서 자유층 자기 모멘트(512)가 원하는 상태로 스위치 되도록 할 수 있다. 따라서 자유층(510)은 자유층(510)의 상태를 선택하기 위해 외부적으로 인가되는 장 및/또는 자기 접합(502A 및/또는 502B)을 통해 유도되는 STT 전류를 요구하지 않고 프로그램 될 수 있다. 따라서, 자유층(510)은 원하는 상태로 쉽게 쓰여질 수 있다.
자기 장치(500A 및 500B)의 자유층(510)은 또한 전압 제어 자기 이방성(voltage controlled magnetic anisotropy, VCMA)를 가진다. 몇몇 실시예에서, 자유층(510)의 VCMA는 인가된 전압의 존재 하에 증가하는 부분 수직 자기 이방성(PPMA)를 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자유층(510)의 PPMA는 자유층(510)이 대기 상태(스위치 되지 않고 인가된 전압을 받지 않는)일 때의 반자화 에너지의 적어도 40% 이상 60% 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유층(510)의 PPMA는 자유층(510)이 대기 상태일 때의 최대값의 적어도 60% 이상 80% 이하일 수 있다. 도 5a 내지 5b에 도시된 바와 같이, 자유층 자기 모멘트(512) 및 쌍극자 결합층 자기 모멘트(512)는 면 내에서 안정하다.
자유층 자기 모멘트(512)는 스위치 중에 평면을 벗어날 수 있다. 스위치를 돕기 위해, 스위치 중에 자유층(510)에 전압이 인가되어 자유층(510)의 PPMA를 증가시킬 수 있다. 상기 예에서, 자유층(510)의 PPMA는 자유층(510)이 스위치를 위해 인가된 전압을 받을 때의 반자화 에너지의 60% 이상으로 증가된다. 몇몇 실시예에서, 자유층(510)의 PPMA는 자유층(510)이 스위치를 위해 인가된 전압을 받을 때의 반자화 에너지의 80% 이상으로 증가된다. 이러한 인가된 전압은 자유층(510)의 PPMA를 증가시켜, 자유층 자기 모멘트(512)가 더 쉽게 스위치 되도록 한다. 따라서, 자기 접합(502A 및/또는 502B)의 프로그래밍이 촉진될 수 있다.
자기 장치(500A 및 500B)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400 및/또는 400C)의 장점을 공유한다. 특히 자기 장치(500A 및 500B)는 스위치 전류의 증가를 유발하지 않고 증가된 에너지 장벽을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위치 전류는 감소될 수 있다. 또한 자기 접합(502A 및 502B)은 최종 상태를 선택하는 데 인가되는 STT 전류, 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스를 유도하지 않고 쓰여질 수 있다. 더욱이, 자유층(510)은 전압이 인가될 때 자유층(510)의 PPMA를 증가시키는 VCMA를 가지기 때문에, 자유층(510)은 더 쉽게 스위치 될 수 있다. 따라서 자기 장치(500A 및 500B)의 성능이 향상될 수 있다. 스위치를 돕는 것뿐만 아니라, PPMA는 전류가 인가된 동일한 SOT 라인을 따라 복수의 자기 터널링 접합 셀을 가지는 장치의 선택 메커니즘으로서 사용될 수 있다. 따라서, 자기 터널링 접합을 가로지르는 추가적인 양 또는 음의 전압을 가진 장치만 스위치 된다. 스위치의 방향은 주어진 자기 터널링 접합을 가로지르는 전압 극성에 의해 결정된다.
도 6은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(602)과 쌍극자 결합층(650)을 포함하는 자기 장치(600)의 실시예의 측면을 도시한다. 또한, 스핀 궤도 상호작용 라인(640)이 도시된다. 자기 장치(600)의 상면도는 도 1a에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해 도 6은 스케일링되지 않는다. 또한, 비트 라인, 행 및 열 셀렉터와 같이 자기 장치(600)의 부분들은 도시되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(미도시)와 다른 구성요소가 또한 포함될 수 있다. 하나의 스핀 궤도 상호작용 라인(640) 및 하나의 자기 접합이 도시 되었지만, 복수의 자기 접합(602) 및 복수의 스핀 궤도 상호작용 라인(640)이 자기 장치(600)에 포함될 수 있다. 자기 장치(600)는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.
자기 장치(600)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400C, 400C, 500A 및/또는 500B)와 유사하다. 따라서 자기 장치(600)는 자기 접합(100, 102C, 102D, 402, 402C, 502A 및/또는 502B)과 유사한 자기 접합(502)을 포함한다. 자기 접합(602)은 자유층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 비자성층(136)에 의해 분리된 강자성층(134 및 138)을 포함하는 기준층(130)과 유사한 자유층(610), 비자성 스페이서층(620) 및 비자성층(636)에 의해 분리된 강자성층(634 및 638)을 포함하는 기준층(630)을 포함한다. 자기 장치(600)는 또한 각각 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)과 유사한 스핀 궤도 상호작용 라인(640) 및 쌍극자 결합층(650)을 포함한다. 결과적으로 자기 접합(602), 스핀 궤도 상호작용 라인(640) 및 DC 층(650)에 사용되는 구조, 기능 및 물질은 각각 자기 접합(102, 102C 및102D), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)에 사용되는 것과 유사하다. 또한 자유층(610)과 쌍극자 결합층(650)은 각각 면 외 반자화 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 도시된 실시예에서, 자유층(610)과 쌍극자 결합층(650)은 평면에 수직인 안정적인 상태의 자기 모멘트(612 및 652)를 가진다.
자기 장치(600)는 각각 자기 장치(100, 100C, 100D 및 200)와 유사한 방식으로 작동한다. 따라서, 자기 장치(600)는 유효 에너지 장벽층에서 향상을 가질 수 있다. 또한 쌍극자 결합층(650)은 쌍극자 결합층(150) 및 자유층(110)과 유사한 방식으로 스위치 하는 동안 자유층(610)에 대해 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공한다. 자기 장치(600)는 따라서 낮은 쓰기 전류 밀도에서 자유층(610)을 프로그램 할 수 있다. 또한 상기 논의한 바와 같이, 자유층(610) 및/또는 쌍극자 결합층(650)은 향상된 감쇠를 가진다. 결과적으로 자기 모멘트(612 및/또는 652)는 최종 상태로 더 빠르게 안정화될 수 있다. 이는 STT 대신에 스핀 궤도 상호작용 토크가 사용되기 때문에 쓰기에 악영향을 미치지 않고 달성될 수 있다. 따라서, 자유층(610)과 자기 장치(600)의 성능이 향상될 수 있다.
또한, 자기 장치(600)는 대칭 파괴층(660)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 대칭 파괴층(660)은 반강자성(antiferromagnetic, AFM)층이다. 다른 실시예에서, 대칭 파괴층(660)은 다른 배열을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반강자성층(660)은 금속 간 화합물, 산화물, 질화물 및/또는 전이 금속 디칼코게나이드(dichalcogenide)를 하나 이상 포함한다. 반강자성층(660)은 높은 닐(Neel) 온도를 가질 수 있다. 또한, 반강자성층(660)은 절연체 또는 반도체로서 반강자성층(660)에 의한 전류 반전을 줄일 수 있다. 예를 들어, 반강자성층(660)은 IrMn3, PtMn, MnPd2, FeMn, CuMnAs, FeRh, NiO, NixCo1-xO Cr2O3, LaFeO3, a-Fe2O3, BiFeO3, SmFeO3, MnN 및/또는 Fe-doped NbS2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 반강자성층(660)은 쌍극자 결합층(650)과 자기적으로 결합한다. 결과적으로 반강자성층(660)은 대칭을 깨트려 자유층 자기 모멘트(612)를 원하는 상태로 스위치 되도록 한다. 따라서 자유층(610)은 자유층(610)의 상태를 선택하기 위해 외부적으로 인가되는 장 및/또는 자기 접합(602)을 통해 유도되는 STT 전류를 요구하지 않고 프로그램 될 수 있다. 따라서 자유층(610)은 원하는 상태로 쉽게 쓰여질 수 있다. 또한, 쌍극자 결합층(650)과 반강자성층(660)은 스핀 궤도 상호작용 라인(640) 아래에 배치되고 자기 접합(602)은 스핀 궤도 상호작용 라인(640) 위에 배치되지만, 그것들의 위치는 자기 접합(100D, 400C 및 500B)과 유사한 방식으로 반전될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반강자성층(660)의 자기화를 바람직한 방향으로 설정하기 위해 자기장 어닐링(강력한 자기장이 인가되는 동안 온도가 차단 온도 이상으로 상승)이 수행된다. 자기장 어닐링 과정 동안 자기장은 적어도 2T 이상 5T까지 될 수 있고, 어닐링 온도는 일부 경우에는 최소 섭씨 250
Figure pat00020
, 450
Figure pat00021
이하일 수 있다.
따라서, 자기 장치(600)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400, 400C, 500A 및/또는 500B)의 장점을 공유한다. 특히 자기 장치(600)는 전환 전류의 증가를 유발하지 않고 증가된 에너지 장벽을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위치 전류는 감소될 수 있다. 향상된 감쇠로 더 빠른 전환이 가능하다. 또한, 자기 접합(602)은 최종 상태를 선택하는 데 인가되는 STT 전류, 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스(대칭 파괴층(660) 제외)를 유도하지 않고 쓰여질 수 있다. 따라서 자기 장치(600)의 성능이 향상될 수 있다.
도 7은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합(702)과 쌍극자 결합층(750)을 포함하는 자기 장치(700)의 실시예의 측면을 도시한다. 또한, 스핀 궤도 상호작용 라인(740)이 도시된다. 자기 장치(700)의 상면도는 도 1a에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해 도 7은 스케일링되지 않는다. 또한, 비트 라인, 행 및 열 셀렉터와 같이 자기 장치(700)의 부분들은 도시되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 선택 장치(미도시)와 다른 구성요소가 또한 포함될 수 있다. 하나의 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 및 하나의 자기 접합이 도시 되었지만, 복수의 자기 접합(702) 및 복수의 스핀 궤도 상호작용 라인(740)이 자기 장치(700)에 포함될 수 있다. 자기 장치(700)는 다양한 전자 장치에 사용될 수 있다.
자기 장치(700)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400C, 400C, 500A, 500B 및/또는 600)와 유사하다. 따라서 자기 장치(700)는 자기 접합(100, 102C, 102D, 402, 402C, 502A, 502B 및/또는 602)과 유사한 자기 접합(702)을 포함한다. 자기 접합(702)은 자유층(110), 비자성 스페이서층(120) 및 비자성층(136)에 의해 분리된 강자성층(134 및 138)을 포함하는 기준층(130)과 유사한 자유층(710), 비자성 스페이서층(720) 및 비자성층(736)에 의해 분리된 강자성층(734 및 738)을 포함하는 기준층(730)을 포함한다. 자기 장치(700)는 또한 각각 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)과 유사한 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 및 쌍극자 결합층(750)을 포함한다. 결과적으로 자기 접합(702), 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 및 쌍극자 결합층(750)에 사용되는 구조, 기능 및 물질은 각각 자기 접합(102, 102C 및102D), 스핀 궤도 상호작용 라인(140) 및 쌍극자 결합층(150)에 사용되는 것과 유사하다. 또한 자유층(710)과 쌍극자 결합층(750)은 각각 면 외 반자화 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성 에너지를 가진다. 도시된 실시예에서, 자유층(710)과 쌍극자 결합층(750)은 평면에 수직인 안정적인 상태의 자기 모멘트(712 및 752)를 가진다. 쌍극자 결합층(750)이 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 아래에 배치되고 자기 접합(702)이 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 위에 배치되는 것으로 도시하였지만, 그것들의 위치는 자기 접합(100D, 400C 및 500B)과 유사한 방식으로 반전될 수 있다.
자기 장치(700)는 각각 자기 장치(100, 100C, 100D 및 200)와 유사한 방식으로 작동한다. 따라서, 자기 장치(700)는 유효 에너지 장벽층에서 향상을 가질 수 있다. 또한 쌍극자 결합층(750)은 쌍극자 결합층(150) 및 자유층(110)과 유사한 방식으로 전환하는 동안 자유층(710)에 대해 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공한다. 자기 장치(700)는 따라서 낮은 쓰기 전류 밀도에서 자유층(710)을 프로그램 할 수 있다. 또한 상기 논의한 바와 같이, 자유층(710) 및/또는 쌍극자 결합층(750)은 향상된 감쇠를 가진다. 결과적으로 자기 모멘트(712 및/또는 752)는 최종 상태로 더 빠르게 안정화될 수 있다. 이는 STT 대신에 스핀 궤도 상호작용 토크가 사용되기 때문에 쓰기에 악영향을 미치지 않고 달성될 수 있다. 따라서, 자유층(710)과 자기 장치(700)의 성능이 향상될 수 있다.
또한, 자기 장치(700)는 대칭 파괴층(660)과 유사한 대칭 파괴층(760)을 포함한다. 따라서, 대칭 파괴층(760)은 반강자성층(760)을 포함하고, 반강자성층(660)과 관련하여 설명한 물질들을 포함할 수 있다. 자기 장치(700)는 또한 강자성층(770) 및 결합층(780)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 강자성층(770)은 준강자성층에 의해 대체될 수 있다. 반강자성층(760)은 강자성층(770)과 자기적으로 결합한다. 따라서 강자성층 자기 모멘트(772)는 특정 안정적인 정렬을 갖는 것으로 도시된다. 강자성층(770)은 결합층(780)을 통해 쌍극자 결합층(750)과 결합한다. 결합층(780)은 비자성이고, 강자성층(770)과 쌍극자 결합층(750) 사이의 상호작용을 완화하도록 구성된다. 예를 들어, 결합층(780)의 두께는 쌍극자 결합층(750)과의 원하는 결합을 제공하도록 선택될 수 있다. 반강자성층(760), 강자성층(770) 및 결합층(780)의 결합은 대칭을 깨트려 자유층 자기 모멘트(712)를 원하는 상태로 전환되도록 한다. 따라서 자유층(710)은 자유층(710)의 상태를 선택하기 위해 외부적으로 인가되는 장 및/또는 자기 접합(702)을 통해 유도되는 STT 전류를 요구하지 않고 프로그램 될 수 있다. 따라서 자유층(710)은 원하는 상태로 쉽게 쓰여질 수 있다. 쌍극자 결합층(750), 반강자성층(760), 강자성층(770) 및 결합층(780)이 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 아래에 배치되고 자기 접합(702)이 스핀 궤도 상호작용 라인(740) 위에 배치되는 것으로 도시하였지만, 그것들의 위치는 자기 접합(100D, 400C 및 500B)과 유사한 방식으로 반전될 수 있다.
따라서, 자기 장치(700)는 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400, 400C, 500A, 500B 및/또는 600)의 장점을 공유한다. 특히 자기 장치(700)는 스위치 전류의 증가를 유발하지 않고 증가된 에너지 장벽을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위치 전류는 감소될 수 있다. 향상된 감쇠로 더 빠른 스위치가 가능하다. 또한, 자기 접합(702)은 최종 상태를 선택하는 데 인가되는 STT 전류, 외부 자기장 및/또는 자기 바이어스(대칭 파괴층(760) 제외)를 유도하지 않고 쓰여질 수 있다. 따라서 자기 장치(700)의 성능이 향상될 수 있다.
도 8은 스핀 궤도 토크를 사용하여 쓰여진 자기 접합과 쌍극자 결합층을 포함하는 자기 장치를 제조하는 방법(800)의 실시예를 도시한 순서도이다. 단순화를 위해 일부 단계를 생략하거나, 하위 단계를 포함 및/또는 그와 결합하거나, 다른 순서로 수행될 수 있다. 단일 구성요소의 맥락에서 설명되지만, 여러 구성요소가 제조될 수 있다. 예를 들어, 다중 자기 접합, 쌍극자 결합층 및/또는 스핀 궤도 상호작용 라인이 제작될 수 있다. 또한 자기 장치를 제조하는 방법(800)은 자기 메모리를 형성하는 다른 단계를 수행한 후에 시작할 수 있다. 간단히 말해, 자기 장치를 제조하는 방법(800)은 자기 장치(100)의 맥락에서 설명된다. 하지만, 자기 장치(100C, 100D, 200, 400A, 400C, 500B, 600 및/또는 700)를 포함하는 다른 자기 장치가 형성될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
쌍극자 결합층이 제공된다(802). 몇몇 실시예에서, 802 단계는 쌍극자 결합층을 증착하고 패터닝 하는 것을 포함한다. 802 단계에서 제공된 쌍극자 결합층의 물질은 높은(또는 향상된) 감쇠를 가진다. 스핀 궤도 상호작용 라인이 제공된다(804). 몇몇 실시예에서, 스핀 궤도 상호작용 라인은 쌍극자 결합층과 계면을 공유한다. 다른 몇몇 실시예에서 쌍극자 결합층과 스핀 궤도 상호작용 라인 사이에 다른 층들이 삽입될 수 있다. 스핀 궤도 상호작용 라인에 인접한 자유층을 포함하는 자기 접합이 제공된다(806). 몇몇 실시예에서, 자유층은 스핀 궤도 상호작용 라인에 인접한다(계면을 공유한다). 다른 몇몇 실시예에서, 자유층과 스핀 궤도 상호작용 라인 사이에 다른 층들이 삽입될 수 있다. 또한 비자성 스페이서층과 기준층이 제공된다(806). 몇몇 실시예에서 분극 강화 층과 같은 다른 구성 요소 들이 자기 접합 내에 제공될 수 있다. 장치의 제조가 완료될 수 있다(808).
자기 장치를 제조하는 방법(800)을 사용하여 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400, 400C, 500A, 500B, 600, 700) 및/또는 유사한 자기 장치가 제조될 수 있다. 결과적으로 자기 장치(100, 100C, 100D, 200, 400, 400C, 500B, 600, 700)의 이점이 달성될 수 있다.
전술한 실시예가 명확한 이해의 목적으로 일부 상세하게 설명 되었지만, 발명은 제공된 세부사항에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시에는 많은 대안적인 방법이 있다. 개시된 실시예들은 예시적이며 제한적이지 않다.
100-700: 자기 장치 110-710: 자유층
120-720: 비자성 스페이서층 130-730: 비자성층
140-740: 스핀 궤도 상호작용 라인
150-750: 쌍극자 결합층

Claims (20)

  1. 자유층을 포함하는 적어도 하나의 자기 접합;
    상기 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인; 및
    쌍극자 결합층을 포함하되,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은, 면 내(in-plane) 전류를 전달하고, 상기 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 상기 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 상기 자유층에 가하고,
    상기 자유층은 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 사용하여 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 할 수 있고,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은 상기 자유층과 상기 쌍극자 결합층 사이에 배치되고,
    상기 쌍극자 결합층은 상기 자유층에 자기적으로 결합되고,
    상기 자유층과 상기 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 큰 감쇠를 가지는, 자기 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 접합은,
    기준층과, 상기 자유층과 상기 기준층 사이의 비자성 스페이서 층을 포함하고,
    상기 기준층은, 제1 자성층과, 제2 자성층과, 상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층 사이의 비자성 층을 포함하고,
    상기 제1 자성층과 상기 제2 자성층은 반강자성적으로 결합된, 자기 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층은 자유층 면 외 반자화 에너지(out-of-plane demagnetization energy)보다 큰 자유층 수직 자기 이방성 에너지(perpendicular magnetic anisotropy energy)를 가지고,
    상기 쌍극자 결합층은 쌍극자 결합층 면 외 반자화 에너지보다 큰 쌍극자 결합층 수직 자기 이방성 에너지를 가지는, 자기 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 쌍극자 결합층으로부터 8 나노미터 이하의 거리로 이격되는, 자기 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 거리는 3 나노미터 이상 5 나노미터 이하인, 자기 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자유층의 복수의 안정된 자기 상태는 면 내에 있는, 자기 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 자유층은 자유층 반자화 에너지의 적어도 50%의 부분 수직 자기 이방성을 가지는, 자기 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 면 내 전류의 스핀 분극 방향에 대한 각도의 면 내 이방성을 가지고,
    상기 각도는 5도 이상 30도 이하인 자기 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 자유층은 전압 민감성 수직 자기 이방성을 가지는, 자기 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍극자 결합층은 쌍극자 결합 자기 이방성을 가지고,
    상기 자유층은 자유층 자기 이방성을 가지고,
    상기 쌍극자 결합 자기 이방성은 상기 자유층 자기 이방성보다 낮은, 자기 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 자유층은 0.5 나노미터 이상 5 나노미터 이하의 자유층 두께를 가지고,
    상기 쌍극자 결합층은 상기 자유층 두께의 1.5 나노미터 이내의 쌍극자 결합 두께를 가지는, 자기 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍극자 결합층에 인접한 반강자성층을 더 포함하는, 자기 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 반강자성층과 상기 쌍극자 결합층 사이의 강자성층; 및
    상기 강자성층과 상기 쌍극자 결합층 사이의 결합층을 더 포함하고,
    상기 강자성층은 상기 반강자성층과 계면을 공유하는, 자기 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 하는 동안, 상기 쌍극자 결합층은 상기 자유층에 적어도 부분적인 플럭스 폐쇄를 제공하는, 자기 장치.
  15. 자유층을 포함하는 자기 접합;
    상기 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인; 및
    쌍극자 결합층을 포함하되,
    상기 자유층은 자유층만의 배열로 인한 자유층 에너지 장벽을 가지고,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은, 면 내 전류를 전달하고, 상기 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 상기 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 상기 자유층에 가하고,
    상기 자유층은 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 될 수 있고,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은, 상기 자유층과 상기 쌍극자 결합층 사이에 배치되고,
    상기 자유층 및 상기 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02보다 높은 감쇠를 가지고,
    상기 쌍극자 결합층은 상기 자유층에 자기적으로 결합하여 상기 쌍극자 결합층과 상기 자유층의 결합이 상기 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.5배의 유효 에너지 장벽을 가지는, 자기 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 유효 에너지 장벽은 상기 자유층 에너지 장벽의 적어도 1.8배인, 자기 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 쌍극자 결합층으로부터 8 나노미터 이하의 거리로 이격되는, 자기 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 거리는 3 나노미터 이상 5 나노미터 이하인, 자기 장치.
  19. 자유층을 포함하는 자기 접합을 제공하고,
    상기 자유층에 인접한 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하고,
    상기 자유층과 자기적으로 결합하는 쌍극자 결합층을 제공하는 것을 포함하되,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은 면 내 전류를 전달하고, 상기 스핀 궤도 상호작용 라인을 통과하는 상기 면 내 전류로 인한 스핀 궤도 상호작용 토크를 상기 자유층에 가하고,
    상기 자유층은, 상기 스핀 궤도 상호작용 토크를 이용하여 복수의 안정된 자기 상태 사이에서 스위치 가능하고,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인은 상기 자유층과 상기 쌍극자 결합층 사이에 배치되고,
    상기 자유층 및 상기 쌍극자 결합층 중 적어도 하나는 0.02 보다 높은 감쇠를 가지는, 자기 장치 제공 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하는 것은, 8 나노미터 이상의 두께를 가지는 스핀 궤도 상호작용 라인을 제공하는 것을 더 포함하는, 자기 장치 제공 방법.
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